武威市平均風速變化特征及其對氣候變暖的響應

汪宗成，楊曉玲，李天江，張 凱

(1.甘肅省天祝縣氣象局,甘肅 天祝 733299;2.甘肅省武威市氣象局,甘肅 武威 733000;3.中國氣象局 蘭州干旱氣象研究所,甘肅 蘭州 730020)

氣候和生態環境變化以及人類活動是引起全球環境變化的主要原因[1]。風速被廣泛應用于氣候變化研究、風蝕強度評估、沙塵暴預測、大氣污染評價等領域[2]；風要素是影響沙塵天氣最為直接、最優相關的因子,風速的大小直接關系到沙塵天氣頻數的變化[3]。風速的變化幅度不同,對環境的影響程度不同[4]。近年來,關于風速變化的研究成果較多。從全球范圍來看,位于中緯度的中國、歐洲、北美和澳洲在過去30～50年間表現出-0.004～-0.017 m/(s·a)的風速遞減率,而高緯度地區(>65°的南極洲)則表現出相反趨勢,風速年平均遞增率為0.005 m/(s·a)[5]。對我國1956～2002年的風速資料分析表明,全國平均風速遞減率為-0.012 m/(s·a)[6]；Wang, et al[7]研究表明,我國風速降低趨勢普遍,最大降幅發生在西北地區,季節最大降幅發生在冬季；Xu, et al[8]對我國1969～2000年的風速變化做了進一步研究,發現年均風速降低速率為-0.021 m/(s·a),最大降幅主要發生在冬季和夏季;王遵婭等[9]對中國近50年的氣候變化研究表明,中國大部分地區的風速均顯著減小,冬、春季較明顯,以西北西部最明顯,該區域20世紀90年代的年平均風速比50年代減小約29%。

武威市地處干旱、半干旱的內陸地區,植被稀疏,沙漠戈壁眾多,降水量少,氣候干旱,冷空氣活動頻繁,風多沙大；特別是冷空氣進入河西走廊,在其“狹管效應”的作用下,風力被加速1.6倍[10]。以往對武威市風速的研究,大多是停留在災害性大風的時空變化特征上[11-12],而對平均風速變化特征的分析和報道少見。本文選取武威市各地近56年逐日平均風速序列資料,分析了武威市平均風速的變化趨勢、周期性以及突變點等信息及其對氣候變暖的響應程度,旨在揭示區域尺度上風速的變化規律,為提高當地氣候變化預測水平、生態環境變化研究和風能資源開發利用提供參考依據。

1 資料和方法

1.1 資料

所用資料來源于武威市永昌、民勤、涼州、古浪、天祝烏鞘嶺氣象站的逐日平均風速,時間序列為1960～2015年,共56年。上述5個氣象站56年來均未曾遷移,觀測數據時間序列長,且完整性和連續性較好,可信度高,能夠滿足本研究的需要。

1.2方法

利用逐日平均風速資料,求得月、季、年、年代平均風速。分析年代、年、季和月平均風速及極值的變化趨勢。利用線性擬合方法[13]計算平均風速的變化趨勢:用xi表示樣本量為n的氣候變量,用ti表示xi所對應的時間,建立xi和ti之間的一元線性回歸方程:xi=a+bti,i=1,2,3，…,n,其中,b為氣候變量的傾向率,b>0表示直線遞增,b<0表示直線遞減,b×10表示每10年的變化率。采用時間t與序列變量x之間的相關系數即氣候趨勢系數R檢驗氣候變化趨勢的顯著性。根據蒙特卡羅模擬方法[14]:通過信度=0.10、0.05、0.01顯著性檢驗所對應的相關系數臨界值分別為0.3058、0.3653、0.4430,當氣候趨勢系數的絕對值大于上述臨界值時,分別認為氣候變化趨勢較顯著、顯著、很顯著。應用方差分析方法進行了周期分析,求出F值并進行檢驗[15]。采用累計距平法對平均風速進行了突變分析,為了檢驗轉折是否達到氣候突變的標準,計算轉折年信噪比,當信噪比≥1.0時認為存在氣候突變,將最大信噪比對應的年定義為氣候突變年[16]。采用Pearson相關系數法分析了平均風速與平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫間的相關程度,其中Pearson為積差相關,是計算連續變量或等間距測度變量間的相關分析方法。

2 結果與分析

2.1 平均風速的空間分布

武威市地處祁連山東麓,境內地形復雜,高山平原沙漠并存,平均風速的地域分布存在一定差異。統計分析武威市5個氣象站近56年平均風速資料發現:全市多年年平均風速為3.2 m/s,平均風速以天祝最大,為5.0 m/s；古浪次之,為3.4 m/s；以下依次為永昌(3.0 m/s)、民勤(2.7 m/s)；以涼州最小,為1.8 m/s(圖1)。這是由于天祝位于南部高寒山區,植被和建筑物稀少,海拔高度在3000 m(700 hPa)以上,遮擋物少,因此常年風速較大;永昌、古浪地處淺山區,海拔高度較高,氣候相對潤濕,風速相對較大;涼州地處中部綠洲平原區,海拔高度較低,氣候相對干燥,但植被覆蓋率高,因此風速最小;民勤地處北部荒漠戈壁地帶,海拔高度最低,植被較少,沙漠氣候顯著,氣候干燥,白天升溫快,導致局地氣壓梯度增大,平均風速明顯較涼州大,但比山區小。由以上分析可知,武威市平均風速有明顯的地域性,平均風速不僅受天氣氣候、地形地貌和植被覆蓋的影響,還與海拔高度有一定的關系,海拔高,風速小,海拔低,風速大。這與姚正毅等[17]、董安祥等[18]的研究結論基本一致。

2.2 平均風速的時間變化

2.2.1 平均風速的年、年代變化 除天祝外,武威市年平均風速總體呈減小趨勢(圖2),這與王毅榮等[19]、李振朝等[20]分析的河西走廊以及文獻[6-9]指出的中國平均風速普遍呈現減小趨勢的結論一致。用線性擬合統計56年來武威市年平均風速的氣候傾向率，結果如下：永昌-0.135 m/(s·a),氣候趨勢系數R為-0.554;民勤-0.091 m/(s·a),R為-0.622;涼州-0.065 m/(s·a),R為-0.347;古浪-0.117 m/(s·a),R為-0.455;天祝0.092 m/(s·a),R為0.346;全市-0.063 m/(s·a),R為-0.423；除天祝呈增大趨勢外,其他均呈減小趨勢,減小速度表現為永昌>古浪>民勤>涼州>全市>天祝。根據蒙特卡羅模擬方法的規定進行顯著性水平檢驗:永昌、民勤、古浪年平均風速的減小趨勢很顯著;全市的減小趨勢顯著;涼州的減小趨勢較顯著;天祝的增大趨勢較顯著。這主要是由于全球氣候變暖使冷空氣強度減弱和頻次減少,從而導致年平均風速下降[21-22]。另外,城市的發展以及建筑物增多、增高等對風速的減小也起到了一定的作用[23-24]。

由圖2可以看出,全市及各地年平均風速的變化步調比較一致,運用方差分析周期發現,年平均風速的時間序列明顯存在9～11年的準周期變化,經F檢驗,通過了信度=0.05的顯著性水平檢驗。

表1為武威市逐年代平均風速距平(多年平均值以56年為基準)。由表1可知,武威市各地平均風速的年代變化很不一致,除天祝外,平均風速總體上在減小。永昌的平均風速在20世紀60年代持平,70年代特大,80年代至21世紀00年代略偏小,2010～2015年偏小;民勤在60～70年代略偏大,80～90年代持平,00年代偏小,2010～2015年略偏小;涼州在60年代、80年代、00年代持平,70年代偏大,2010～2015年略偏小;古浪在60年代略偏小,70～80年代偏大,90年代略偏大,00年代略偏小,2010～2015年特小;天祝在60年代特小,70年代偏大,80年代至2015年略偏大;全市在60年代、00年代略偏小,70年代偏大,80年代略偏大,90年代持平,2010～2015年偏小。

上方數據為年平均風速(單位為m/s);

圖2 武威市年平均風速的變化趨勢

表1 武威市各地逐年代平均風速距平 m/s

2.2.2 各季節平均風速的年變化 表2為武威市春、夏、秋、冬四季平均風速的多年均值、增長率及趨勢系數。除古浪外,武威市各地平均風速的季節性變化一致,春季最大,夏季次之,秋、冬兩季較小;古浪卻出現了相反的變化,即冬季最大,秋季次之,春、夏季較小。以往的研究結果表明：春季冷暖空氣交替頻繁,地氣間氣壓梯度加大,常出現強勁的大風,致使平均風速最大;夏季氣層不穩定,多出現陣性大風,使平均風速較大;在秋季,逐漸轉為淺脊控制,太陽輻射量減少,低層大氣迅速降溫,層結趨向穩定,風速明顯減小;冬季氣層穩定,加上地面強烈的輻射冷卻,產生了深厚的逆溫層,使風速較小。所以,一般春、夏季平均風速大,秋、冬季平均風速小。因此,大氣環流是風速發生季節性變化的主要原因。

武威市各地各季節平均風速的變化趨勢有一定的差異,除天祝各季節為增大趨勢外,全市及其他各地各季節均為減小趨勢。根據蒙特卡羅模擬方法的規定進行顯著性水平檢驗:永昌和民勤春季、民勤夏季、永昌和古浪秋冬季、全市冬季平均風速的減小趨勢很顯著;涼州和全市春季、民勤和全市秋季、民勤冬季的減小趨勢顯著;永昌和古浪夏季、涼州冬季的減小趨勢較顯著;天祝夏秋季的增大趨勢較顯著;古浪和天祝春季、涼州和全市夏季、涼州秋季、天祝冬季的變化趨勢不顯著。

表2 武威市各地各季節的平均風速及其氣候傾向率和趨勢系數

注:“*”、“**”、“***”分別表示通過了=0.10、0.05、0.01的顯著性水平檢驗。下同。

2.2.3 平均風速的月變化 分析武威市逐月平均風速發現,全市(除古浪外)各地平均風速在1月較小,1～4月迅速增大,4月達最大值,4～9月緩慢減小,在9月最小(天祝在7月出現最小值),9～11月緩慢增大,11月到次年1月緩慢減小;古浪在1～3月迅速減小,3月出現最小值,3～6月緩慢增大,5～6月出現次大值,6～9月緩慢減小,9月出現次小值,9～12月迅速增大,12月達最大值(圖3)。平均風速的月變率不大,在0.7～1.2 m/s,但仍有明顯的變化特征,全市及各地(除古浪外)均有兩個低谷和一個高峰,1月、9月為兩個低谷,4月為明顯高峰；古浪3月、9月為兩個低谷,5～6月、12月為兩個高峰。

圖3 武威市平均風速的月變化

2.2.4 平均風速的極值變化 武威市各地平均風速極大值的多年均值差異較大,天祝最大,永昌次之,再次為民勤和全市,古浪次小,涼州最小(表3)。平均風速年極大值總體上呈減小趨勢(圖4),根據蒙特卡羅模擬方法的規定進行顯著性水平檢驗，結果顯示:永昌、民勤、涼州及全市平均風速年極大值的減小趨勢很顯著;古浪的減小趨勢顯著;天祝的減小趨勢不顯著。平均風速最大值全市出現在1975年(11.7 m/s),永昌出現在1975年4月4日(13.0 m/s),民勤出現在1965年11月28日、1975年4月4日、1981年3月23日(12.5 m/s),涼州出現在1982年5月1日(10.5 m/s),古浪出現在1986年11月8日(11.8 m/s),天祝出現在1975年3月6日(16.8 m/s);平均風速次大值全市出現在1982年(10.5 m/s),永昌出現在1977年12月14日(12.0 m/s),民勤出現在1970年1月9日(11.0 m/s),涼州出現在1975年4月4日(8.8 m/s),古浪出現在1986年12月21日(11.0 m/s),天祝出現在1980年4月12日(16.5 m/s)。

武威市(除天祝外)各地平均風速的年極小值多數年份為0.0 m/s,天祝平均風速的年極小值在2.0 m/s以下,多數年份在1.0 m/s以下,個別年份在0.0 m/s,所以未作具體分析。

2.2.5 年平均風速的突變分析 采用累計距平方法對近56年的年平均風速進行突變分析,從圖5可以看出:永昌的年平均風速在20世紀60年代至后期呈減小趨勢,在1968年開始呈快速增大趨勢,在1980年后呈波動減小趨勢,在1968年、1980年的信噪比分別為2.4、2.0,均通過了信噪比檢驗;民勤的年平均風速在20世紀60年代至80年代中期呈緩慢增大趨勢,在1984年開始呈緩慢減小趨勢,在1984年的信噪比為1.0,通過了信噪比檢驗;涼州的年平均風速在20世紀60年代至后期呈減小趨勢,在1968年開始呈快速增大趨勢,在1984年后呈波動減小趨勢,在1968年、1984年的信噪比分別為0.4、1.1,1984年通過了信噪比檢驗;古浪的年平均風速在20世紀60年代至后期呈減小趨勢,在1968年開始呈快速增大趨勢,在1999年后呈緩慢減小趨勢,在1968年、1999年的信噪比分別為1.0、1.1,均通過了信噪比檢驗;天祝的年平均風速在20世紀60年代至后期呈快速減小趨勢,在1968年開始呈快速增大趨勢,在1968年的信噪比為2.1,通過了信噪比檢驗; 武威市全區域的年平均風速在20世紀60年代至后期呈減小趨勢,在1968年開始呈快速增大趨勢,在1987年后呈波動減小趨勢,在1968年、1987年的信噪比分別為1.6、1.3,均通過了信噪比檢驗。因此,可認為平均風速發生突變的年份永昌在1968、1980年,民勤、涼州在1984年,古浪在1968、1999年,天祝在1968年,全區域在1968、1987年。

圖4 武威市平均風速年極大值的變化

表3 武威市各地年平均風速的極大值、氣候傾向率及趨勢系數

2.3 平均風速對區域變暖的響應

風是氣團之間存在溫差、出現氣壓梯度而造成的氣體流動,因此風速的減小與氣候變暖也有一定的關系[25]。有關研究表明,近幾十年來大陸尺度氣候變化對我國風速降低產生了很大的影響[26]。較高的地面氣溫可能降低地表氣壓,進而減小陸地和鄰近海洋之間的氣溫差和氣壓梯度,最終降低氣壓梯度，導致風速減小[27]。Xu, et al[8]研究發現氣溫不對稱變化引起的氣壓梯度變化對風速有顯著影響。如表4所示,1960～2015年武威全市及各地年平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫均呈顯著上升趨勢,平均最低氣溫的升高幅度最大,其次是平均氣溫。根據蒙特卡羅模擬方法的規定進行顯著性水平檢驗，發現全市及各地上述3個氣溫指標的上升趨勢均很顯著。除天祝外,全市及其他各地平均風速與平均氣溫、平均最高和最低氣溫均呈負相關,其中永昌、民勤、古浪、全市的相關系數通過了顯著性水平檢驗,平均最低氣溫、平均氣溫與平均風速間的相關性更為顯著；涼州、天祝的相關系數沒有通過顯著性水平檢驗,相關性不明顯,且天祝呈正相關。由此表明,氣候顯著變暖在一定程度上減弱了風速,但不同區域氣溫升高對風速的減弱程度有所不同。總之,氣候變暖是造成武威市平均風速減小的可能原因。

表4 武威市年氣溫的氣候傾向率及與平均風速的相關性

注:“**”、“***”分別表示通過了=0.01、0.001的顯著性水平檢驗。

3 結論

受天氣氣候、地形地勢、植被覆蓋以及海拔高度等影響,武威市平均風速表現為山區大于荒漠區,荒漠區大于綠洲平原區。除天祝外,全市及各地年代、年、各季節平均風速及極大值總體呈減小趨勢,天祝為增大趨勢。除古浪外,武威市平均風速的季節性變化一致,春季最大,夏季次之,秋、冬兩季最小,古浪卻出現了相反的情況；月變化也相對一致,1月和9月為兩個低谷,4月為一個高峰,古浪3月、9月為兩個低谷,5～6月、12月為兩個高峰。全市及各地平均風速的時間序列存在9～11年的準周期變化,且發生了氣候突變,突變的時間不盡相同。

全市及各地年平均氣溫、平均最高和最低氣溫均呈上升趨勢,均通過了=0.01的顯著性水平檢驗,其中以平均最低氣溫的升高幅度最大。除天祝外,全市及其他各地平均風速與平均氣溫、平均最高和最低氣溫均呈負相關,永昌、民勤、古浪、全市的相關系數通過了顯著性水平檢驗,僅天祝表現為正相關。氣候變暖是造成武威市風速減小的可能原因,但不同區域氣候變暖對風速的影響程度不同。