近50年中國風速減小的可能原因

趙宗慈羅勇江瀅黃建斌

（1 清華大學地球系統(tǒng)科學研究中心，北京 100084；2 國家氣候中心，中國氣象局，北京 100081；3 中國氣象局公共氣象服務中心，北京 100081）

近50年中國風速減小的可能原因

趙宗慈1，2羅勇1江瀅3黃建斌1

（1 清華大學地球系統(tǒng)科學研究中心，北京 100084；2 國家氣候中心，中國氣象局，北京 100081；3 中國氣象局公共氣象服務中心，北京 100081）

綜述了近50年中國風速變化的特征和可能原因。絕大部分研究指出，觀測的中國風速近50年明顯減小，大約為（-0.10～-0.18m/s）/10a。風速減小的原因來自自然和人類強迫兩大方面，自然原因即氣候系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用，包括近幾十年東亞冬季風和夏季風的減弱，中國南海夏季風強度減弱，南亞夏季風減弱，寒潮頻數(shù)減小，沙塵暴頻數(shù)減小，以及東亞溫帶氣旋頻數(shù)減小。人類強迫包括城市化效應，土地利用變化，人類排放導致的全球變暖，以及風電場效應，等等。引起近50年中國風速減小的原因是復雜和多方面的，需要更深入的研究來揭示相互作用與反饋機制，以及定量評估各種因子的貢獻。

中國，風速，減小，可能原因

0　引言

風速直接影響人們的生活、交通、農(nóng)林牧業(yè)等，近20年隨著風力發(fā)電的廣泛開展和利用，加上空氣污染狀況與風速密切相關，因此風速的變化越來越受到政策制定者和公眾的關注。關于風速長期變化的研究遠少于對溫度和降水的研究，對風速變化原因的研究則更少。近些年的研究表明，全球中緯度的風速有減小的趨勢，究其原因涉及大氣環(huán)流的變化，季風的變化，人類排放溫室氣體增加造成全球變暖以及土地利用的變化（包括城市化和風電場影響等），對有些原因如風電場與城市化的影響的爭論較大[1-4]。近10余年中國風速變化特征以及影響風速變化的可能原因一直受到關注，本文綜述了近50年中國風速變化呈減小趨勢以及可能原因的分析[5-24]。

1　近50年中國風速變化呈減小趨勢

近10余年對觀測的中國風速變化的研究表明，觀測到的近50余年中國風速變化的主要特征是：1）年平均近地面風速減小，1961—2014年大約是每10年減小0.18m/s（表1）[5-14]；2）四個季節(jié)風速都在減小，尤以冬季和春季風速減小最明顯[8-11]；3）全國大部分地區(qū)風速減小，尤以風資源豐富地區(qū)如西北、華北和東北地區(qū)風速減小更明顯，可達每10年減小0.20m/s[9,12]；4）中國風速的減小，是從近地面到對流層整層年平均風速都在減小[11-13]；5）年平均大風風速和日數(shù)都明顯減小[9]；6）小風（≤3m/s）風速在增加[9]。近期的一個研究在增加了更新的風速觀測資料基礎上提出，自2003年以來中國年平均風速有略增加趨勢[11]。但是最新的一個研究表明，這只是總體減小趨勢變緩，2014年是自1961年以來中國年平均風速最小的一年[13]。

表1　 近些年研究觀測中國年平均近地層風速變化統(tǒng)計Table 1 Annual wind speed changes observed near-surface in China in previous studies

近50年中國近地面風速的減小趨勢得到佐證，即陸地溫度與相應氣溫的差值和近地層風速的相關很明顯，當溫差小時，對應風速大，反之亦然。以青藏高原為例，相關系數(shù)高達-0.76（顯著性水平為0.01）。觀測表明，近50年陸溫與氣溫的溫差明顯增加，相應近地層風速明顯減小，從而從另一個側(cè)面證實近50年中國風速減小的事實[11]。

需要說明的是，由于中國近地層風速的資料不是很長，因此，尚難于計算與分析風速自身是否具有多年代際變率或周期性的變化特征。此外應注意到，雖然中國觀測風速受到觀測站周邊環(huán)境變化和觀測儀器更改的影響，但是國家氣象信息中心已經(jīng)做了資料均一性等訂正，因此彌補了一些缺陷[6]，上述的研究也都表明是用經(jīng)過其信息中心加工后的資料進行計算與分析的。

2　中國風速減小的原因分析

探究中國風速減小的可能原因的研究較少，主要從氣候系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用（自然變化）和人類活動造成的可能影響進行研究和分析。

2.1氣候系統(tǒng)內(nèi)部相互作用

部分研究[9,11-19,24]注意到氣候系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用和反饋，認為是影響中國風速減小趨勢的主要原因。

2.1.1東亞和南亞季風呈減弱趨勢

一些觀測和診斷分析研究[9,11-14,24]表明，東亞夏季風和冬季風有年代際時間尺度的變化，1961—2014年東亞夏季風強度總體呈顯著減弱趨勢，尤以1970年代后期以來更明顯。東亞冬季風在20世紀80年代到21世紀初期以偏弱為主。南亞夏季風在1961—2014年總體有減弱趨勢，尤其在2006—2014年期間持續(xù)異常偏弱，另一方面南亞夏季風具有明顯的年代際變化特征。因此季風處在減弱時期，相應中國近地面風速呈現(xiàn)減弱趨勢，對流層整層風速亦是減小趨勢。

2.1.2中國沙塵暴、寒潮、溫帶氣旋和西北太平洋生成臺風數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢

幾個觀測資料的研究[9,12-19]表明：1）近50年來，中國北方的沙塵暴頻數(shù)總體呈下降趨勢，1956—2004年，年沙塵暴日數(shù)每10年下降0.63日，春季每10年下降0.33日。中國北方沙塵暴日數(shù)與強風日數(shù)有明顯的正相關，相關系數(shù)在大部分地區(qū)達到0.25～0.35（顯著性水平為0.05）；2）近50年中國寒潮日數(shù)有明顯的下降趨勢，年寒潮日數(shù)每10年減少0.3日，冬季每10年減少0.17日。中國寒潮日數(shù)與強風日數(shù)呈明顯正相關，相關系數(shù)達到0.25（顯著性水平為0.05～0.10）。研究表明，東亞冬季風強度減弱以及全球變暖，都是造成寒潮頻次減少的可能原因；3）近幾十年，北半球和東亞中緯度溫帶氣旋數(shù)有減少的趨勢，高緯度有增加的趨勢，例如1979—2001年春季蒙古氣旋日數(shù)明顯減小，與同期中國北方沙塵暴日數(shù)減少，兩者呈明顯正相關，相關系數(shù)為0.68（顯著性水平為0.01），相應強風日數(shù)減少。計算表明，溫帶氣旋的減少可能與全球變暖、中緯度斜壓波、北大西洋濤動以及海溫變化有關。此外，計算還表明，1961—2014年，西北太平洋和南海生成臺風數(shù)（中心風力大于8級）頻次呈減少趨勢，由此也可能影響使東南部沿岸風速有減小趨勢。但是登陸中國臺風的強度波動性增強，可能造成風速增加。

2.1.3海陸氣壓梯度減弱

利用1971—2007年NCEP/NCAR和ERA-40兩套再分析資料以及中國540個臺站觀測資料計算與分析表明，中國氣壓梯度在中低層近幾十年來呈現(xiàn)下降趨勢，冬（夏）季歐亞大陸海平面氣壓下降（上升），使東西向的海陸氣壓梯度減弱，由此造成近地面風速減小，尤以華北地區(qū)和內(nèi)蒙東部氣壓梯度減弱趨勢最明顯，與地面風速的減弱是一致的。計算還表明，中國平均氣壓梯度冬春季減弱最明顯，分別為-0.03%/a和-0.01%/a，風速亦是冬春季減弱更明顯[12]。

2.2人類活動的影響

2.2.1城市化效應

城市化效應是研究者提出最多的一個因素，例如，計算觀測的1956—2004年中國174個城市站和相應180個鄉(xiāng)村站年平均風速變化，都表明風速有減小的趨勢，分別是（-0.13m/s）/10a和（-0.12m/s）/10a，即城市化造成風速平均減小大約占總減少的12%[9]。另一項研究，利用全國119個探空站觀測的1980—2006年中國近地面風速和對流層各層風速資料，計算得到近地層風速明顯減弱，大約每10年減小0.16m/s，而臨近的850hPa高度風速減弱很小，大約每10年減小0.05m/s，由此推斷可能城市化效應在近地層風速減小中占大約69%[12]。

2.2.2人為下墊面變化

對比臺站觀測資料與NCEP/NCAR再分析資料，分別計算風能密度1960—1999年的變化趨勢表明，雖然觀測和再分析資料都是下降趨勢，但是再分析資料的下降趨勢（每10年-0.67W/m2）明顯小于臺站觀測資料（每10年-4.51W/m2），由此認為臺站觀測資料受到人為下墊面作用（如城市化和植被的人為改變等）造成風速更明顯下降，大約占總下降的85%[8]。

2.2.3風電場影響

少量研究注意到，大規(guī)模風電場建設和發(fā)電對風電場及周邊特別是下游方向氣候變化有明顯影響，對更大范圍是否有影響尚存在較大爭議[2]。近年用區(qū)域氣候模式WRF計算四種大規(guī)模風電場建設對中國氣候變化的潛在影響，在中國北方風資源豐富區(qū)分別設計風電裝機為460～5400GW，計算有無風電場的對比表明，風電場建設和發(fā)電造成當?shù)丶跋掠谓貙语L速衰減-16.6%～-29.3%，在風電場其上1km風速下降，尤以100m風速減小最明顯。風電場建設對中國更大范圍環(huán)流和風速亦有影響，但是顯著性較低[21]。

此外，利用WRF計算大規(guī)模光伏建設對中國氣候的潛在影響，也注意到由于下墊面粗糙度改變，對光伏發(fā)電場及周邊地區(qū)近地層風速亦有減小的影響[22]。需要強調(diào)的是，風電場影響的數(shù)值試驗是較為理想化的設計，因此僅提供參考。

2.2.4人類排放溫室氣體增加

考慮未來人類排放溫室氣體繼續(xù)增加（高中低排放情景，即SRES A2，A1B，B1），造成全球變暖，用20個CMIP3全球氣候模式和3個中國區(qū)域氣候模式預估，將使得中國年平均風速和秋季、冬季、春季風速減小。例如，20個全球模式考慮中等排放A1B情景，預估中國2011—2099年年平均風速平均減小（-0.06m/s）/100a，范圍（0.06～-0.17m/s）/100a，20個模式有13個模式預估風速減小，約占65%，5個預估略增加，2個預估無變化[19]。因此，人類排放溫室氣體繼續(xù)增加，將可能造成中國年平均和冬半年風速減小（65%可靠性）。其他一些研究也得到類似結(jié)論[8,12]。此外，空氣污染的加重，例如自然和人為造成的沙塵增加，以及人為排放氣溶膠顆粒物增加等，增加了空氣的阻力，對近地層風速也會有減小的作用[20]。

綜上所述，人類活動對中國風速的影響，研究文獻多數(shù)考慮人類排放增加下的全球變暖和下墊面土地利用變化（如城市化，下墊面植被變化以及風電場影響）是主要的可能影響因子。但是由于研究文獻較少，計算與試驗設計過于簡化，因此存在較大爭議和不確定性，有待開展更深入的研究。還需要強調(diào)的是，人類活動中的許多因子的空間和時間尺度是不一樣的，例如，城市化效應和風電場效應主要是局地影響，而大范圍土地利用變化和人類排放增加，則是空間尺度大和影響時間長遠。

3　結(jié)論和展望

從以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，多數(shù)研究認為氣候系統(tǒng)內(nèi)部自然變化是風速減小的主因，而人類活動的作用尚有較大爭議。本綜述試圖把全部有關風速減小的原因分析的文章概括成一張貢獻分析表，以便對比各種作用。但是需要說明的是，各個有關文獻的作者只是研究單一因素對風速減小的影響的貢獻分析，不是計算多因素對風速減小的聯(lián)合貢獻分析。例如，一些文獻單純研究城市化效應對中國風速減小的貢獻大約是12%～69%，另一些文獻單純研究土地利用變化對中國風速減小的貢獻大約是85%。表2試圖綜合給出，影響中國風速減小的各種可能因子的貢獻分析以及可靠性，雖然表內(nèi)和文內(nèi)都分成氣候系統(tǒng)內(nèi)部相互作用和人類活動兩個方面敘述，但是實際氣候系統(tǒng)內(nèi)部各因素也可能受到人類活動的影響，因此對原因的分析，實際上不可能是絕對分開的[24]。另一方面，各個因子之間也存在聯(lián)系或相互作用和影響，表內(nèi)沒有表述。還需要強調(diào)指出的是，由于目前涉及中國風速減小的原因分析這方面的研究較少，特別是影響風速變化的

表2　綜合影響中國風速減小的因子貢獻分析Table 2 Comprehensive analyses of impact factors on the wind speed decline in China

因子很多，且有局地效應，因此，目前的綜述，只是給出一些探索，有待更多的研究，進一步充實、證實和修改。最后尚需說明的是，思考中國風速變化特征和原因分析，需要與全球風速變化特征和可能原因與貢獻聯(lián)系起來[1,4]。因此，在全球變化大背景下，更深入分析中國風速變化的原因是必不可少的。

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Possible Reasons of Wind Speed Decline in China for the Last 50 Years

Zhao Zongci1,2, Luo Yong1, Jiang Ying3, Huang Jianbin1
（1 Center for Earth System Science， Tsinghua University， Beijing 100084 2 National Climate Centre， China Meteorological Administration， Beijing 100081 3 Public Meteorological Service Centre， China Meteorological Administration， Beijing 100081）

This paper summarizes the possible reasons of wind speed decreased in China for the last 50 years. Most studies pointed out the observed wind speed in China decreased obviously by about (0.10 ~ 0.18m/s)/10a for the last 50 years. The possible reasons came from both natural (internal climate system) changes and anthropogenic effects. The former includes both of the winter and summer East Asian monsoons weakened, the South China Sea summer monsoon intensity weakened, the South Asian summer monsoon reduced, the frequencies of cold waves and dust storms over China decreased, and frequencies of extratropical cyclones over East Asia declined. The latter refers to urbanization, the changes of land use, the global warming caused by anthropogenic emissions, and the effects of wind farms. The reasons causing the wind speed decline are very complicated in China for the last 50 years, further research is needed to explore a quantitative estimation on the mechanisms and key factors .

China, wind speed, decline, possible reasons

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.014

2015年9月15日；

2016 年3月23日

趙宗慈（1940—），Email: zhaozc@cma.gov.cn

資助信息：國家自然科學基金項目（41475066）；清華大學創(chuàng)新科學研究項目（20131089357）