我國北方土壤風蝕力時空特征分析

韓柳 王靜璞 柴國奇 王光鎮 王周龍

摘要 利用1971—2011年北方風蝕區146個氣象站的逐時風速資料，將5 m/s以上風速劃分為和風、強風、大風、狂風4個等級，采用線性趨勢分析、小波分析、M-K突變檢驗分析和空間相似度分析等方法分析了該地區不同等級土壤風蝕力時空分布特征，并討論了與平均風速的時空相關性。結果表明，在空間分布上和風時數與強風時數空間分布相似，內蒙古錫林郭勒盟西部、烏蘭察布和包頭市北部為高值區，新疆天山山脈以南為和風和強風時數的低值區，除新疆天山以北，大部分地區大風和狂風時數極少；4個等級風速平均時數季節變化規律均為春夏秋冬遞減，風速等級越高，累計時數越少，季節與地區間的差異越??；在時間變化上，和風、強風、大風和狂風年總時數和四季時數均呈現減少趨勢，四季間有明顯差異；和風、強風和大風時數變化的主周期均為28年，而狂風時數變化的主周期為11年；和風與平均風速呈現較好的時空相關性，基本可以反映平均風速的時空變化。

關鍵詞 土壤風蝕力；累計時數；時空特征；北方風蝕區

中圖分類號 S157.1 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）32-0059-07

Spatial and Temporal Characteristics of Wind Erosion Forces in Northern China

HAN Liu，WANG Jingpu，CHAI Guoqi et al

（College of Resource and Environmental Engineering，Ludong University，Yantai，Shandong 264025）

Abstract Using the hourly wind speed data of 146 meteorological stations in the northern wind erosion area from 1971 to 2011， the wind speed above 5 m/s was divided into four levels：moderate breeze， strong breeze， fresh gale and whole gale.The spatial and temporal distribution characteristics of different grades of soil wind erosion in this area were analyzed by linear trend analysis， wavelet analysis，MK mutation analysis and spatial similarity analysis， and the temporal and spatial correlation with average wind speed was discussed.The results showed as follows： From the spatial distribution of the display， moderate breeze and strong breeze hours were similar. The western part of Xilinguole and the northern part of Wulanchabu and Baotou was high value region， the south of the Tianshan mountains in Xinjiang was the low value region. For fresh gale and whole gale， except for the north of Tianshan Mountains in Xinjiang， there were very few hours in most regions. The average seasonal variation of moderate breeze， strong breeze， fresh gale and whole gale was decreasing in proper order of spring， summer， autumn and winter. The higher wind speed grade was， the less the accumulated time was， and the smaller the difference between season and area was. The hours of moderate breeze， strong breeze， fresh gale and whole gale showed decreased trends without exception.The total annual and seasonal hours of moderate breeze， strong breeze， fresh gale and whole gale showed a decreasing trend，and there were significant differences between the four seasons；the hours of moderate breeze，strong breeze and fresh gale exhibited quasiperiodic variations of around 28 year， but the main period of whole gale was around 11 years.There was a good correlation between average wind speed and moderate breeze. Therefore， the temporal and spatial variation of average wind can be basically reflected by the hours of moderate breeze.

Key words Wind erosion forces；Accumulative hours；Temporal and spatial characteristics； Wind erosion region of Northern China

基金項目 國家自然科學基金青年項目（41701005）；山東省自然科學基金項目（ZR2017PD006）。

作者簡介 韓柳（1994—），女，河北唐山人，碩士研究生，研究方向：氣候變化及其影響與響應。*通訊作者，講師，博士，從事遙感、沙漠化過程研究。

收稿日期 2018-06-29

風蝕作用在我國北方地區影響范圍十分廣泛，受其影響的區域主要位于我國西北干旱半干旱氣候區，總面積達340萬km2，地表植被稀疏，以草原和荒漠為主，生態環境十分脆弱[1]。在自然和人為因素的作用下水土流失、植被退化、土壤風蝕、沙塵暴災害頻發[2]，其中土壤風蝕是該地區土地退化和環境惡化的主要原因，是我國急需解決的一個環境問題[3-6]。

我國已有大量關于風蝕的動力因素方面的研究，但大部分是圍繞著平均風速[7-9]、大風日數[10-13]、最大風速[14]這些指標展開的，這些指標雖然能夠很好地反映當地風速的時空特征，但對于諸如風速等級結構、大風持續狀況的反映能力較差，甚至會出現相反的結論。而不同等級風速累計時數提高了對風速分析的時間精度，較好地彌補了這方面不足，對于生態環境非常脆弱的北方風蝕區有著十分重要的意義，不僅能夠提高對該地區氣候變化的認識[15]，為預測未來的氣候變化奠定基礎，而且對防御大風、減輕風沙災害對工農業生產的影響和改善北方風蝕區的生態環境有著極其現實的意義[16]。國內外學者通常認為我國北方地區5 m/s為臨界風沙起動風速[17-18]，筆者利用我國北方風蝕區146個基本氣象站點的1971—2011年逐時風速資料，依據氣象局風力等級的劃分將5 m/s以上的風速重新劃分為和風、強風、大風、狂風4個等級，分析了該地區土壤風蝕力時間變化趨勢、空間分布特征、周期性和突變特征，并進一步探究了不同等級風速時數與平均風速的時空相關性。

1 材料與方法

1.1 資料及來源

我國北方風蝕區地處74°～125°E、33°～53°N，包括黑龍江、吉林、遼寧的西部，河北、北京、山西、陜西的北部，青海省西北部以及內蒙古、寧夏、甘肅、新疆的絕大部分地區。根據全國第一次水利普查收集的各縣逐日24 h整點風速資料，從中選取北方風蝕區具有1971—2011年完整觀測記錄的146個氣象觀測站（圖1）的逐時風速資料，并把一年分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）4個季度，分別計算各個站點年與四季不同等級風速的累計時數。

1.2 風速等級的劃分

將原始數據以1 m/s為間隔劃分為0～0.99，1.00～1.99，2.00～2.99，…，34.00～34.99 m/s 35個等級，并統計不同等級風速時數。選取大于風蝕起動風速的等級，即5 m/s以上的風速。并根據國家氣象局對風力等級的劃分（為保證風速在整數處劃分，對風力等級所對應風速進行了四舍五入的調整），將以上風速等級劃分為和風（風力4～5級）、強風（風力6～7級）、大風（風力8～9級）、狂風（風力10級以上）4個等級，風速分別為5.00～10.99、11.00～16.99、17.00～23.99、24.00～34.99 m/s。

1.3 研究方法

采用一元線性回歸分析方法，繪制了我國北方風蝕區年與四季不同等級風速累計時數變化曲線圖，并得到了年與四季的傾斜率[19]；利用ArcGIS 10.1將146個氣象站不同等級風速平均累計時數進行Kriging空間插值[20]繪制出研究區年與四季不同等級風速累計時數空間分布圖；在Matlab軟件中運用小波分析方法[21]對不同等級風速累計時數進行多時間尺度的周期性分析；采用Mann-Kendall突變檢驗[22]的方法對不同等級風速累計時數進行突變分析；采用pearson相關分析的方法對不同等級風速時數與平均風速的相關性進行分析，并采用F分布函數進行顯著性檢驗；另外，還采用了相似系數[23]來表示平均風速和不同等級風速的相似程度，即：

cosθ=ji=1xiyi/ji=1xi2 ji=1yi2（1）

其中，j 為站數；xi、yi分別為第i 站（氣象站）平均風速和某個等級風速時數；cosθ=1表示兩者的空間分布完全相同，cosθ=-1則表示相反，cosθ=0 表示完全不相同。

2 結果與分析

2.1 空間分布特征

從1971—2011年我國北方風蝕區不同等級風速年平均累計時數空間分布（圖2）可以看出，4個等級的風速時數的空間分布具有較好的一致性。北方風蝕區

和風累計時數為83～4 794 h，呈現出東高西低、北高南低的空間變化趨勢，其中高值區位于錫林郭勒盟西部、烏蘭察布和包頭市北部，累計時數在2 000 h及以上，低值區位于新疆天山以南，累計時數在400 h以下。整個區域強風累計時數1～953 h，與和風空間分布較一致，呈現出東高西低、北高南低的空間變化趨勢，高值區除錫林郭勒盟之外，還有新疆天山以北，累計時數在150 h及以上，天山以南和內蒙古以南強風累計時數較少，低于30 h。大風時數空間分布圖顯示，整個區域的累計時數0～220 h，除新疆天山以北和內蒙古北部，其他地區大風時數大多低于3 h；高值區位于新疆天山以北，大風累計時數高于15 h?？耧L時數與大風時數的空間分布較為一致，整個區域的狂風累計時數為0～13 h，除新疆天山以北之外的大部分區域狂風時數低于0.1 h；高值區同樣位于新疆天山以北，累計時數在0.5 h以上。

從北方風蝕區不同等級風速累計時數季節變化（圖3和表1）可以看出，我國北方風蝕區不同等級風速累計時數的季節變化特征明顯，和風、強風、大風和狂風平均時數季節變化規律均為春季、夏季、秋季、冬季遞減，等級越高，累計時數越少，季節與地區間的差異越小。北方風蝕區和風時數春季、夏季、秋季、冬季平均值分別為458、304、270、249 h，站點間標準差分別為266、238、227、247 h。北方風蝕區強風平均累計時數春季、夏季、秋季、冬季分別為35、12、12、12 h，站點間標準差分別為47、32、24、28 h。北方風蝕區大風平均累計時數春季、夏季、秋季、冬季分別為2、1、1、1 h，站點間標準差分別為9、3、5、3 h。北方風蝕區狂風平均累計時數春季、夏季、秋季、冬季均不足1 h，同樣站點間標準差也非常小，不足1 h。

2.2 時間變化趨勢

從1971—2011年4個等級風速年與四季時數變化特征（表1）以及不同等級風速四季累計時數變化趨勢（圖4）可以看出，近41年北方風蝕區和風、強風、大風時數均呈現減少趨勢，其中和風時數減少速度最快，而狂風時數無明顯的變化趨勢。各個等級四季變化趨勢均與年變化趨勢一致，變化速度四季間有明顯差異。在近41年來，隨著風速等級的升高，年風速時數減小，變化速度減緩，年際間的差異縮小。

和風時數多年平均值為1 281 h，最小值838 h（2011年），最大值1 835 h（1972年），極差997 h。結合表1可以看出，對于該等級的年總時數，春季貢獻最大，冬季最小。該等級風速時數的傾向率為-21.4 h/a，其中春季、夏季、秋季、冬季分別為-5.8、-6.2、-5.0、-4.4 h/a，并且均通過了0.01水平的顯著性檢驗，說明和風時數年與四季呈顯著減少的趨勢。和風年總時數的年際間差異非常大，標準差為268 h，四季的年際間差異夏季最大、冬季最小。從累計時數變化曲線可以看出，該等級風速時數在下降的過程中自1986年開始低于多年平均值。

強風時數平均值為71 h，最小值25 h（2011年），最大值156 h（1972年），極差131 h。對于該等級的年總時數，春季貢獻最大，夏季、秋季、冬季貢獻相同。該等級風速時數傾向率為-3.0 h/a，春季、夏季、秋季、冬季分別為-1.4、-0.6、-0.5、-0.5 h/a，均能夠通過0.01水平的顯著性檢驗，說明強風年總時數和四季時數都呈現出顯著的減少趨勢。強風年總時數的年際間差異較大，標準差為39 h，四季中年際間差異春季最大，夏季和秋季最小。從累計時數變化曲線可以看出，該等級風速時數在下降的過程中自1988年開始低于多年平均值。

大風時數平均值為4.0 h，最小值0.3 h（2011年），最大值11.0 h（1979年），極差10.7 h。對于該等級的年總時數，春季貢獻最大，夏季、秋季、冬季貢獻較小。該等級風速時數的傾向率為-0.3 h/a，并且通過了0.01水平的顯著性檢驗，說明大風年總時數呈顯著減少的趨勢。春季傾向率為-0.1 h/a，夏季、秋季和冬季減少率均不足0.1 h/a。大風年總時數的年際間差異較小，標準差為3 h，四季中年際間差異春季最大、夏季最小。從累計時數變化曲線可以看出，該等級風速時數減少的過程中自1988年開始低于多年平均值。

狂風時數年與四季的平均值和標準差均不足1 h，并且無明顯的上升和下降趨勢。

2.3 不同等級風速時數的周期性

2.3.1 和風。由和風時數小波系數實部等值線圖（圖5a1）可知，該等級風速時數在15～20和25～32年2個時間尺度上發生周期振蕩。同時可以從小波方差結果（圖5b1）中看出小波方差存在2個峰值，分別對應19和28年，其中以28年時間尺度的振蕩最為顯著，為該等級風速時數變化的主周期，掌控著和風時數在整個時間段內的變化特征。在主周期上該等級風速時數經歷了由少到多2個半周期的轉換，且在2011年等值線尚未閉合，之后和風時數仍將處于偏少期。

2.3.2 強風。

強風時數小波系數的實部等值線圖（圖5a2）顯示，該等級風速時數在4～6、10～14、15～24和25～32年時間尺度上存在周期振蕩，對應的小波方差結果（圖5b2）中存在4個峰值，分別對應4、12、18、28年時間尺度，其中以28年時間尺度的振蕩最為顯著，所以28年時間尺度為強風時數變化的主周期，掌控著該等級風速時數在整個時間段內的變化特征。在主周期上該等級風速時數經歷了由少到多2個半周期的轉換，且在2011年等值線尚未閉合，之后強風時數仍將處于偏少期。

2.3.3 大風。

從大風時數小波系數的實部等值線圖（圖5a3）可以看出，該等級風速在10～15和16～25年時間尺度上存在周期振蕩，對應的小波方差結果（圖5b3）中存在12和28年2個峰值，其中以28年時間尺度的周期振蕩最為顯著，為該等級風速時數周期變化的主周期。在主周期上該等級風速時數同樣經歷了由少到多2個半周期的轉換，且在2011年等值線尚未閉合，之后大風時數仍將處于偏少期。

2.3.4 狂風。

狂風時數小波系數的實部等值線圖（圖5a4）顯示，該等級風速時數存在較復雜的周期性振蕩，主要有10～15、16～25年2個時間尺度的變化周期。狂風時數小波方差結果（圖5b4）中存在11和20年2個峰值，其中11年時間尺度上的周期振蕩最為顯著，所以狂風時數變化的主周期在11年時間尺度上。在主周期上該等級風速時數同樣經歷了由多到少6個周期的轉換，且在2011年等值線尚未閉合，之后狂風時數仍將處于偏少期。

2.4 不同等級風速時數變化突變性檢驗

為了進一步討論不同等級風速時數的突變特征，采用M-K突變檢驗方法對不同等級風速時數序列進行分析（圖6）。由圖6可知，和風時數在1975年之后有逐年減少的趨勢；并從1980年開始突破了0.01顯著水平線，呈顯著減少趨勢。UF和UB曲線于1988年左右相交，交點位于顯著性水平線區間之外，說明和風時數在1988年可能發生突變。強風時數同樣從1975年開始有逐年減少的趨勢，并在1980年突破0.01顯著水平線，開始呈顯著減少趨勢；UF和UB曲線也于1987年左右在顯著水平線之外相交，說明強風時數在1987年可能突變。大風時數1972—1976年呈逐年減少的趨勢，1977—1981年呈上升趨勢，均未通過顯著性檢驗；1981年之后該等級風速時數又呈減少趨勢，并在1988年突破0.01顯著水平線，呈顯著減少趨勢；UF和UB曲線于1992年左右在顯著水平線之外相交，說明大風時數在1992年可能發生突變。狂風和大風時數的變化趨勢相似，1972—1976年呈逐年減少的趨勢，1977—1981年呈上升趨勢，均未通過顯著性檢驗；1981年之后該等級風速時數又呈減少趨勢，并在1997年突破0.01顯著水平線，開始呈顯著減少趨勢；UF和UB曲線的交點稍有推后，在1996年左右且位于顯著性水平線區間內，說明狂風時數在1996年發生了明顯突變。

由上述可知，1971—2011年我國北方風蝕區除狂風時數在1996年發生明顯突變外，其他等級風速時數均無明顯突變現象。

2.5 不同等級風速時數與平均風速的時空相關性分析

近41年來我國北方風蝕區平均風速呈現北高南低的空間分布特征，在時間上為顯著的下降趨勢，變化幅度空間差異明顯。結合以上分析可知，我國北方風蝕區平均風速與不同等級風速時數時空分布既有相似也有不同。

將1971—2011年逐年平均風速與對應年份的和風、強風、大風、狂風4個等級風速時數進行pearson相關性分析，結果發現，平均風速與和風、強風、大風、狂風4個等級風速時數的pearson相關系數分別為0.981、0.988、0.921、0.614，且全部通過了0.01水平的顯著性檢驗，說明平均風速與和風、強風、大風分別呈極強相關關系，而平均風速與狂風呈強相關關系。另外，對北方風蝕區各個氣象站平均風速與對應的4個等級的風速時數進行空間相似度分析，得出平均風速與和風、強風、大風、狂風4個等級風速時數的空間相似系數分別為0.953、0.672、0.340、0.221，表明平均風速與和風時數的空間分布非常一致，與強風時數空間分布較為一致，而與大風和狂風時數的空間分布較不一致。

綜上所述，不管是平均風速與各個等級的風速時數逐年變化的相關性，還是平均風速與各個等級風速時數的空間相似度，平均風速與和風都呈現較好的相關關系。所以和風時數的時空變化基本可以反映平均風速的變化。不同等級風速時數的分析提高了對風速分析的時間精度，彌補了平均風速、大風日數等指標的不足，可進一步利用不同等級風速時數探究風作為動力因素對土壤風蝕和沙塵暴天氣的影響，對于生態環境非常脆弱的北方風蝕區有著十分重要的意義。

3 結論

（1）不同等級風速時數空間分布顯示，北方風蝕區和風、強風時數的空間分布特征較為一致，內蒙古錫林郭勒盟西部、烏蘭察布和包頭市北部為和風與強風時數的高值區，新疆天山山脈以南為和風與強風時數的低值區。北方風蝕區大風和狂風時數的空間分布較為一致，除新疆天山山脈以北，大部分地區大風和狂風時數極少。

（2）我國北方風蝕區不同等級風速累計時數的季節變化特征明顯，和風、強風、大風和狂風平均時數季節變化規律均為春季、夏季、秋季、冬季遞減。風速等級越高，累計時數越少，季節與地區間的差異越小。

（3）不同等級風速時數時間變化趨勢顯示，和風、強風、大風和狂風時數均呈現減少趨勢，其中和風減少速度最快，而狂風時數無明顯變化趨勢。各個等級四季變化趨勢均與年變化趨勢一致，變化速度四季間有明顯差異。在近41年來，隨著風速等級的升高，年風速時數減小，變化速度減緩，年際間的差異縮小。

（4）利用時、頻多分辨率Morlet小波分析方法對北方風蝕區不同等級風速時數進行分析，發現和風、強風和大風時數變化的主周期均為28年時間尺度，與該地區平均風速變化的主周期一致，而狂風時數變化的主周期為11年。除狂風累計時數在1996年存在突變點外，該地區其他等級風速累計時數的變化無明顯突變現象。

（5）由不同等級風速時數與平均風速的時空相關性分析可知，平均風速與和風呈現較好的相關關系。所以和風時數的時空變化基本可以反映平均風速的變化。

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