西北地區氣候變化與風速響應特征

丁彩霞，延軍平，李敏敏

研究［1］表明，全球地表溫度上升了0.4～0.8℃，未來將繼續變暖。顯然在氣候變暖背景下，研究中國區域氣候響應已成為一個重要的科學問題。風速作為蒸散的重要驅動因子，它的變化將直接影響區域水循環。在提倡大力發展清潔能源的今天，風能的發展潛力與風速變化也休戚相關［2］。風能作為一種清潔安全的可再生資源，它的可持續利用受到世界各國的廣泛關注［1－3］。近年來，隨著能源危機的加劇我國對氣候變化和風速風能的研究也不斷深入。20世紀80年代以來，張文佳、張永戰［3］利用1900—2005年中國風電數據，對風電的時空變化特征和趨勢進行了分析。李艷［4］等研究了中國近地表氣候變異及下墊面性質改變對風能資源的影響，認為我國年平均風速整體上呈減弱趨勢。施雅風［5］利用西北地區氣溫、降水、徑流等大量資料，研究分析了西北地區溫度、降水變化趨勢，認為該地氣候由暖干向暖濕轉型。張振國［6］對我國北方風能資源的開發現狀與前景進行了分析，指出北方地區風能開發潛力巨大但利用程度較低。西北地區位于青藏高原北側，地域遼闊、地形復雜，是氣候變化敏感區、生態環境脆弱帶，因而成為研究熱點區域之一。研究表明［7－10］，近50年來西北地區氣溫變化與全國及東亞地區氣溫變化一致呈增暖趨勢，且西北地區增溫幅度略高于東亞和中國的平均水平。我國地形復雜，風速、風能資源的區域差異非常明顯，因此深入了解西北地區風速的時空變異特點具有實際意義，同時，分析風速的時空變化特征也有利于加深對西北區域氣候變化的理解。鑒于此，本研究以西北地區為對象，選取了1961—2011年的降水、氣溫和風速資料。綜合運用趨勢線法、Mann—Kendall突變檢驗法、及ArcGIS空間差值法從不同時空尺度和層面上對西北地區氣候變化特征及其對風速的影響進行分析，以期為該地區的社會經濟發展、生態建設及能源開發提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

中國西北地區包括新疆、青海、甘肅、陜西、寧夏及內蒙古自治區西部，地理位置介于31°—50°N，75°—113°E。該區位于歐亞大陸內部，遠離海洋，受夏季風影響較小，海洋濕潤氣流難以深入，氣候干燥，多屬溫帶大陸性氣候，年降水量呈由東向西逐漸減少態勢，屬典型的氣候變化敏感區，生態環境脆弱。

1.2 資料選取

氣象資料來源于中國氣象科學數據共享服務網，為了全面反映西北地區的氣候狀況，考慮到氣象記錄的起始時間不一，且氣象臺站有撤銷、遷移現象，為建立穩定的氣候序列保證氣象數據的一致性和完備性，最終選擇覆蓋研究區的105個站點，1961—2011年年降水量、平均氣溫及平均風速數據。

1.3 研究方法

運用氣候傾向率法和Mann—Kendall突變檢驗法［7］對西北地區近51a氣侯變化特征進行分析，基于ArcGIS空間分析方法再現了氣候變化及其背景下風速的時空格局演變。

2 氣候變化特征

2.1 氣溫變化特征

2.1.1 氣溫隨時間的變化特征 1961—2011年西北地區氣溫在波動中呈顯著上升趨勢（圖1），增溫速率為0.37℃／10a，遠高于全國平均變暖率（0.2℃／10a）［11］，多年平均氣溫為6.8℃，年均溫最高值出現在2007年，為8.2℃，最低值出現在1967年，為5.4℃，兩者相差2.8℃，說明年均溫變化幅度較大。基于6階擬合曲線，西北地區的氣溫變化大致可以劃分為以下3個階段：第一階段：1961—1984年氣溫緩慢波動上升，年氣溫距平以負值為主；第二階段：1985—2002年氣溫距平正負交替出現，氣溫大幅上升；第三階段：2003—2011年增溫趨勢減緩，年氣溫距平均為正值。

通過對西北地區1961—2011年氣溫進行Mann—Kendall突變檢驗分析發現（圖2），1961—1979年正向時間序列統計值UF多在0值以下，表明氣溫呈波動下降趨勢，1979年以后UF＞0，氣溫回升，1986年后氣溫上升速率加快，UF值在1994年超出顯著性水平0.05信度線，說明氣溫顯著增加。UF和UB在±1.96臨界線內相交于1991年，表明西北地區年均溫在1991年前后發生了由冷到暖的突變。

圖1 西北地區1961－2011年平均氣溫變化特征

圖2 西北地區1961－2011年平均氣溫Mann－Kendall檢驗

2.1.2 平均氣溫的空間變化特征 由附圖11可見，西北地區各站點氣溫傾向率以正值為主，區域整體變暖趨勢明顯。從區域差異角度分析，內蒙古西部、寧夏北部、青海西南部為增溫高值區，氣溫傾向率最大值出現在內蒙西部的臨河站，升溫速率為0.64℃／10a，青海西南部升溫速率約為0.4～0.6℃／10a。陜西秦嶺山脈以南和甘肅南部為增溫低值區，氣溫傾向率最小值出現在陜西境內的商縣，升溫速率只有0.03℃／10a。整個新疆地區增溫趨勢較緩，天山山脈西麓增溫相對較快，升溫速率約為0.4℃／10a，準噶爾盆地和塔里木盆地增溫相對較慢，升溫速率約為0.1～0.2℃／10a。總體上來看，近51a西北地區氣溫整體呈波動上升趨勢，且存在較明顯的區域差異。

2.2 降水變化特征

2.2.1 降水隨時間的變化特征 由圖3可以看出，1961—2011年西北地區降水量總體呈減少趨勢，下降速率為8.49mm／10a。51a平均降水量為263.77 mm。年降水量最大值出現在1961年，為436.69mm，年降水量最小值出現在1982年，為158.07mm，兩者相差278.62mm，說明降水年際變化幅度大。由6階擬合曲線看出，20世紀60—70年代末降水波動減少，20世紀80—90年代末降水變化趨勢穩定，2000年以后降水略有減少，降水整體波動特征不明顯。

圖3 西北地區1961－2011年降水變化特征

2.2.2 降水空間變化特征 由附圖12可見，西北地區降水變化呈現明顯的東西差異分布特征，大概以臨河—銀川—蘭州段黃河為界，黃河以東地區降水呈減少趨勢，黃河以西地區降水呈增加趨勢，新疆自治區天山山脈以北地區、青海省東部地區降水量增加趨勢明顯，增加速率約為10～30mm／10a，天山以南地區降水變化趨勢不顯著，西北東部降水呈顯著減少趨勢，減少速率約為10～20mm／10a。綜合來看，雖然整個西北大部分地區降水呈較緩增加趨勢，但區域整體降水仍有所減少。

3 平均風速變化特征

3.1 平均風速隨時間變化特征

由圖4可以看出，1961—2011年西北地區平均風速呈下降趨勢，下降速率為每10a下降0.11m／s。51a平均風速為2.52m／s。年平均風速最大值出現在1969年，為3.02m／s，年平均風速最小值出現在2011年，為2.23m／s，相差0.79m／s。由6階擬合曲線看出，20世紀60—70年代中期平均風速波動上升，70年代中期到90年初平均風速下降趨勢顯著，90年代以后風速趨于穩定，平均風速整體呈較明顯波動下降趨勢。

圖4 西北地區1961－2011年平均風速變化特征

3.2 平均風速空間變化特征

由附圖13可見，西北地區平均風速變化空間差異顯著，西北西部邊界和西北東南部風速略有增加，西北中西部風速呈減少趨勢。新疆自治區西南部邊境、寧夏自治區北部及甘肅省南部風速上升趨勢最明顯，上升速率約為每10a上升0.16m／s，青海省東南部上升速率約為每10a上升0.14m／s。新疆、青海地區大部平均風速呈下降趨勢，內蒙古自治區西部和甘肅省西北部平均風速下降趨勢明顯，下降速率約為每10a下降0.3～0.7m／s。從總體來看，整個西北地區平均風速呈下降趨勢。

4 氣溫與風速的回歸分析

由圖5可知，利用西北地區1961—2011年平均風速與氣溫數據進行線性擬合［12］，建立一元線性線性回歸模型。回歸模型通過F顯著性檢驗，即氣溫每升高1℃，平均風速下降0.216m／s。年均溫的變化與平均風速變化呈負相關，從6階擬合曲線看出，20世紀60年代氣溫下降，風速上升，70—90年代末氣溫持續上升，平均風速相應減小，進人21世紀增溫趨勢減緩，平均風速略有增加。

5 結論

（1）近51a來，西北地區增溫趨勢明顯，增溫速率為0.37℃／10a，遠高于全國平均變暖率（0.2℃／10a），多年平均溫度為6.8℃；1961—1984年為相對低溫期，1985—2002年氣溫顯著上升，2003—2011年氣溫上升趨勢減緩；增溫趨勢具有明顯的空間差異，內蒙古自治區西部和青海省西南部為增溫高值區，陜西省秦嶺山脈以南甘肅東南部位增溫低值區，新疆自治區大部分地區增溫速率較緩。

圖5 西北地區1961－2011年氣溫與風速關系

（2）近51a來，西北地區降水呈減少趨勢，下降速率為8.49mm／10a，51a平均降水量為263.77mm。1961—1970年降水下降趨勢明顯，1971—1997年降水變化趨勢趨于穩定，1998—2011年降水波動變化趨勢加快，降水變化呈現明顯的東西差異分布特征，大概以臨河—銀川—蘭州段黃河為界，黃河以東地區降水呈減少趨勢，黃河以西地區降水呈增加趨勢，整體來看，西北西部降水呈增加趨勢，西北東部降水顯著減少趨勢，西北中部降水變化趨勢不明顯。

（3）綜合氣溫和降水看出，西北東部呈暖干化趨勢，西北西、中部地區呈相對暖濕趨勢。

（4）近51a西部地區平均風速呈減小趨勢，減小速率為每10a下降0.11m／s，1961—1974年風速呈增大趨勢，1975—1992年風速減小趨勢明顯，1993—2011年風速趨于穩定，風速空間變化特征表現為，西北地區的東、西部略有增加，中部減小趨勢明顯。

（5）氣溫和風速有極顯著負相關關系，即氣溫每升高1℃，平均風速下降0.21m／s。60年代氣溫下降，風速上升，70—90年代末氣溫持續上升，平均風速相應減小，進人21世紀增溫趨勢減緩，平均風速略有增加。

（6）本研究分析了西北地區氣候暖干化背景下風速的時空變化特征，對于這種變化的形成機制需要進一步研究。另外，全球變暖背景下西北地區風速的變化，對該地風能資源利用影響，對沙塵暴等災害的作用等均為有待深入研究的問題［13－14］，在未來該區域發展規劃及新能源開發利用時應進行更為深入的調查研究工作，綜合分析各種因素，從而做出正確決策。

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