烏拉特中旗1971—2019年風氣候特征分析

徐艷琴

（內蒙古氣象信息中心，呼和浩特 010000）

近年來，隨著極端氣象事件的發生及氣候資源的逐漸開發利用，國內外學者對近地層地表風的氣候變化特征的關注越來越多. 如Pirazzoli和Tomasin探究地中海中部和亞得里亞海地區的近地表風速風向變化趨勢，發現1951—1970年風的活動在減少，之后呈增加趨勢［1］；Tuller等研究了加拿大西海岸地區的四個站點風速變化趨勢，結果表明20世紀中后期加拿大西海岸大部分地區風速呈下降趨勢［2］；Klink發現，美國明尼蘇達州大多數氣象觀測站的年平均風速在20世紀60年代初到90年代中期呈下降趨勢［3］；任國玉、王遵婭、Xu Ming等研究發現，我國的年平均風速存在顯著減小的趨勢，主要減小區域為西北、內蒙古、東北中南部地區［4-7］.在區域尺度上，韓柳、田莉等發現，近50 a中國北方地區的平均風速呈顯著減小趨勢，其中準噶爾盆地、高原東北部、內蒙古中部和東北平原的平均風速減小趨勢最顯著［8-9］；田莉、丁彩霞、羅萬琦等的研究表明，西北地區風速呈下降趨勢，存在局部突變［10-12］；甄敬、賈詩超、許超宗、劉強吉等對新疆地區平均風速、極大風速等進行了研究，發現其風速隨時間變化趨勢與全國風速變化趨勢一致［13-16］；張宇、郭春燕等發現，內蒙古年平均風速、逐日最大風速均呈減小趨勢，全區最大風速高值區為阿拉善東北部—巴彥淖爾市西北部［17-18］.

烏拉特中旗風能資源豐富，其風能資源占內蒙古有效風能資源的四分之一，是內蒙古自治區3個國家百萬千瓦風電基地之一，也是重點畜牧業和重要農業區之一. 然而該地區氣候干旱少雨，地表植被稀疏、土壤結構松散，在春秋季節大風和沙塵暴頻發，給當地農牧區帶來嚴重的經濟損失. 本文基于烏拉特中旗1971—2019年風速、風向數據，對1971—2019年平均風速（2 min風速）、最大風速（逐日最大風速）、大風（日最大風速≥17.0 m·s-1）及風向變化規律進行探究，以期為烏拉特中旗風能資源開發利用、沙塵防治、工業廠區選址等領域提供參考.

1 數據與方法

1.1 研究區概況

烏拉特中旗位于中蒙邊境交界處，地處內蒙古巴彥淖爾市東北部，地理坐標：107°16′E～109°42′E，41°07′N～41°28′N. 該研究區屬大陸性干旱氣候區，氣候差異較大，具有高原寒暑劇變的特點，四季分明，夏季短促，冬季漫長，春季干燥多風，秋季溫和涼爽；年均氣溫5.8 ℃，年最高氣溫38.7 ℃，年最低氣溫-29.1 ℃；年平均降水量198.6 mm，降水主要集中在夏季（7—8 月），多陣雨；年均日照時數3 100.2 h，年均日照百分率71%.

1.2 數據來源

依據氣象數據的連續性及最長時段性等標準，選取烏拉特中旗國家氣象站1971—2019 年的2 min 風速風向和日最大風速風向數據，所用氣象數據來源于內蒙古自治區氣象信息中心. 季節劃分為春季（3—5 月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—翌年2月）.

1.3 研究方法

線性趨勢分析［19］是氣象上最常用的氣象要素趨勢分析方法，公式為：

式中：b為常數；a 為氣候傾向率，即回歸系數，a 的正負代表氣象要素在計算時間內線性增加或減少，自變量x 為時間.

Mann-Kendall（M-K）檢驗法［20］是世界氣象組織推薦并已經廣泛運用于氣象數據時間序列突變的一種非參數檢驗方法，該方法計算迅速、不受少數異常值干擾，也不需要樣本遵從一定的分布.

2 結果分析

2.1 平均風速

2.1.1 平均風速特征分析 對烏拉特中旗近1971—2019年各月平均風速（圖1（a））進行統計分析發現，烏拉特中旗平均風速年內變化呈明顯雙峰狀分布，3—6 月和9—11月為波峰. 平均風速最大值出現，在4月，達到4.2 m·s-1，之后出現明顯的減弱，最低值出現在1月，僅為2.9 m·s-1. 統計烏拉特中旗各季節平均風速可發現春季平均風速最大，為4.1 m·s-1，冬季平均風速最小，為3.0 m·s-1，四季平均風速的大小順序為：春季＞夏季＞秋季＞冬季.

由圖1（b）可見，近1971—2019年以來，烏拉特中旗平均風速整體呈下降趨勢，每10 a減少5.1 m·s-1，最大值出現在1972年，最小值出現在2019年，多年平均值為3.7 m·s-1，波動范圍為2.6～5.2 m·s-1. 圖2給出了1971—2019年烏拉特中旗平均風速距平變化，可見平均風速的減弱趨勢有顯著的年代際波動，20 世紀70年代到90年初期，風速為正距平，之后轉為負距平，轉折前后風速增強和減弱的速率明顯減小.

應用M-K突變檢驗法檢測近1971—2019年烏拉特中旗平均風速時間序列的突變，給定顯著性水平α=0.05（圖略）. M-K檢驗結果與線性趨勢結果一致，均呈明顯減小趨勢，1971—1973年平均風速呈不顯著（P＞0.05）局部上升趨勢，1977—1981年降幅顯著（P＜0.05），1982年后降幅極顯著（P＜0.01），1994年出現突變點.

圖1 烏拉特中旗1971—2019年平均風速年內、年際變化Fig.1 Intra-year and inter-annual changes in average wind speed in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

圖2 烏拉特中旗1971—2019年平均風速距平圖Fig.2 Average wind speed anomaly in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

圖3 烏拉特中旗1971—2019年平均風速玫瑰圖Fig.3 Wind rose illustration of average wind speed in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

2.1.2 平均風向特征分析 依據16方位風向資料，從近1971—2019年平均風向年頻率分布來看（圖3），烏拉特中旗全年平均風向以S 為主，占總風向的11.32%，其次為NNE、NW、NE、NNW、SSW，出現頻率分別為9.90%、9.49%、9.38%、8.79%、8.55%. 從季節來看（圖4），春季以NNE 和NW 風為主，冬季以NW 風為主，夏季、秋季主導風向為S，這是由于烏拉特中旗處于中溫帶大陸性季風氣候區，夏季受溫帶海洋氣團影響，冬季受強大的西伯利亞大陸冷高壓控制，因而夏季以偏南風為主，冬季以偏西北風為主.

2.2 最大風速

2.2.1 最大風速特征分析 烏拉特中旗1971—2019 年最大風速各月變化圖（圖5（a））顯示，烏拉特中旗近1971—2019年的最大風速年內變化明顯，其中：最大風速最大為5月，為9.3 m·s-1；4月次之，為9.2 m·s-1；最低值出現在1 月，僅為6.3 m·s-1，比5 月風速偏小32%；其他各月在6.4～8.3 m·s-1之間.

圖4 烏拉特中旗1971—2019年各季度平均風速玫瑰圖Fig.4 Wind rose illustration of average wind speed of the different seasons in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

從各季節來看，春季最大風速為9.0 m·s-1，夏季最大風速為7.9 m·s-1，秋季最大風速為7.0 m·s-1，冬季最大風速為6.6 m·s-1，在一年之中，春季風速最大，冬季風速最小.

由圖5（b）可見，近1971—2019年以來，烏拉特中旗最大風速的年際變化曲線呈波動減小的趨勢，線性傾向率為7.8 m·s-1·10 a-1，最大值（9.8 m·s-1）與最小值（3.9 m·s-1）出現年份同平均風速的最大最小值出現年份一致. 對近1971—2019年以年，烏拉特中旗最大風速進行距平分析（圖6）可以發現，年最大風速可分為明顯偏強期、明顯偏弱期、一般偏強期及一般偏弱期. 1972—1981 年為明顯偏強期，均為正距平分布，2002—2019年為明顯偏弱期，均為負距平分布，明顯偏強期年均最大風速均較近1971—2019年的年均最大風速偏強15%～29%，明顯偏弱期的年均最大風速均較近1971—2019年的年均最大風速偏弱10%～23%. 1981—1991年、1993—1994年為一般偏強期，1992年、1995—2001年則為一般偏弱期.

圖5 烏拉特中旗1971—2019年最大風速年內、年際變化Fig.5 Intra-year and inter-annual changes of maximum wind speed in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

圖6 烏拉特中旗1971—2019年最大風速距平變化圖Fig.6 Maximum wind speed anomaly in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

1971—2019 年烏拉特中旗最大風速的M-K 突變檢驗結果（圖略）表明：1971—1973 年最大風速呈不顯著（P＞0.05）局部上升趨勢，1980—1981年降幅顯著，1982年后降幅極顯著，1993年發生突變，其結果與巴彥淖爾市年均最大風速突變年限為2000年以后的結論不一致，說明在大尺度范圍上，風速變化存在著顯著的空間差異［17］.

2.2.2 最大風速的風向特征分析 1971—2019年最大風速的風玫瑰圖（圖7）表明，烏拉特中旗全年最大風速的風向以NW、S、WNW為主，出現的頻率分別為15.69%、14.43%、12.94%，其次為SSW和NNW，而E方向上風頻率最少，僅占所有風向的0.55%. 從季節風玫瑰圖（圖8）來看，春季最大風速的主導風向為WNW，夏、秋、冬季的主導風向分別為S、S、NW.

圖7 烏拉特中旗1971—2019年最大風速玫瑰圖Fig.7 Wind rose illustration of maximum wind speed in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

2.3 大風

2.3.1 大風日數特征分析 1971—2019 年烏拉特中旗共出現大風日286 d，統計各月大風日數出現情況（圖9（a））可以得出：大風主要集中發生在春季，3—5月大風日數占全年大風總日數的50.70%，8月大風最少發生，僅出現6 d.

從大風日數逐年變化圖（圖9（b））來看，1971—2019年大風日數呈現顯著減小趨勢，其M-K突變檢測結果顯示1982年發生突變. 大風日數變化可分為3個階段：1971—1983年大風日數出現較多，年大風日數均大于10 d；1981—1994年平均大風日數僅為5 d；1995—2019年幾乎無大風出現. 這種變化形勢與烏拉特中旗氣象觀測站周圍環境變化有關.

圖8 烏拉特中旗1971—2019年最大風速各季度風玫瑰圖Fig.8 Wind rose illustration of maximum wind speed of the different season in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

圖9 烏拉特中旗1971—2019年大風出現日數年內、年際變化Fig.9 Intra-year and inter-annual changes of gale days in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

2.3.2 大風風向特征分析 統計大風發生時的風向（表1）可以發現，大風主導風向為偏西北風（WNW、NW、NNW），其中NW出現次數最多，占所有風向的44.06%，加上NNW和WNW，共占到所有風向的86%，而偏東風（ENE、E、ESE、SE）沒有出現.

表1 烏拉特中旗1971—2019年大風風向頻率Tab.1 Frequency of gale direction in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

3 結論與討論

1）烏拉特中旗平均風速年內變化呈雙峰狀分布，四季平均風速從大到小依次為春、夏、秋、冬，年際變化呈逐年振蕩減小趨勢，且在20世紀90年代以后發生突變，全年平均風向以S為主.

2）烏拉特中旗最大風速年內最大值出現在5月，最小值出現在1月. 季節變化呈春季最大、冬季最小，年際變化以0.8 m·s-1·a-1的速率逐年減小，于1993年發生突變，突變前后風速距平變化幅度明顯減小，最大風速的全年主導風向為NW.

3）逐年大風日數的年際變化先劇烈后平緩，整體呈現減小趨勢，1995—2019年幾乎無大風出現. 季節變化呈春冬多、夏秋少，4月大風日數出現最多，8月最少. 大風主導風向為偏西北風.

風速風向與農業生產、能源開發、城市布局關系密切. 本文對烏拉特中旗風速風向的氣候特征和突變特點進行了分析. 從分析結果看，風速風向的變化特征主要受季節交替、周圍環境變化等因素的影響. 為進一步明確風速氣候突變的原因，下一步工作將從土地利用、植被覆蓋變化與風的定量關系出發，結合區域站和其他站數據，綜合研究烏拉特中旗風速風向時空分布特征及變化原因.