西藏日喀則地區(qū)風(fēng)速變化特征及核密度函數(shù)概率估算

仁增拉姆 格桑卓瑪

（西藏自治區(qū)日喀則市吉隆縣氣象局，西藏 日喀則 857000）

根據(jù)近日IPCC 報(bào)告顯示［1?2］，至2040 年全球溫升幅度達(dá)到1.5℃，全球氣溫不斷增暖的同時(shí)，將進(jìn)一步提高極端氣候發(fā)生頻率、持續(xù)時(shí)間、影響范圍，而極端氣候的發(fā)生對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、應(yīng)急搶險(xiǎn)物資配備、生態(tài)環(huán)境平衡等均構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，研究長時(shí)間序列極端氣候因子變化趨勢以及概率分布特征，為防災(zāi)減災(zāi)、提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性均具有重要參考價(jià)值。

西藏地區(qū)無論水平、垂直尺度、海拔差異性均較大，且氣候變化特征最為顯著，成為我國氣候變化敏感關(guān)鍵區(qū)，由于其獨(dú)有的氣候特征，在掌握我國大空間尺度氣候變化規(guī)律探尋研究工作中具有重要地位。因此，研究西藏地區(qū)氣候變化特征具有較大代表性、典型性，目前部分學(xué)者對西藏地區(qū)氣候變化特征進(jìn)行了研究，梅江梅等［3］利用氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究氣候變化與牧民感知度相關(guān)性關(guān)系，指出牧民對氣候感知程度與海拔呈正相關(guān)性關(guān)系。劉琪等［4］利用藏中地區(qū)再分析資料，研究氣象因子變化對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，指出風(fēng)速具有顯著的年際、年代際變化特征，且呈逐年增大的趨勢。次仁曲宗等［5］利用山南地區(qū)觀測資料，研究大風(fēng)日數(shù)時(shí)間、空間分布差異性，指出大風(fēng)日數(shù)存在兩個(gè)顯著的集中中心，且季節(jié)分布特征較為顯著。格桑卓瑪?shù)壤萌湛t地區(qū)近30 年觀測站風(fēng)速資料，研究日喀則南部邊緣以及西部地區(qū)大風(fēng)天氣變化特征，指出大風(fēng)天氣季節(jié)特征較為明顯，主要集中在春季、冬季，且存在兩個(gè)風(fēng)速極大值中心、四個(gè)風(fēng)速極小值中心。

本文利用1970—2020 年西藏日喀則地區(qū)風(fēng)速觀測資料，首先研究平均風(fēng)速、最大風(fēng)速整體年際變化特征，以及極大風(fēng)速逐月分布特征；其次研究風(fēng)速突變年前后風(fēng)速變化速率差異性；最后采用核密度函數(shù)對不同風(fēng)速范圍概率進(jìn)行估計(jì)研究，本文研究所得結(jié)論為該地區(qū)風(fēng)速氣候因子研究以及風(fēng)資源估算均具有一定參考價(jià)值。

1 風(fēng)速時(shí)間尺度變化特征

1.1 長時(shí)間尺度變化特征

本文利用日喀則國家地面基準(zhǔn)站風(fēng)速觀測資料，主要采用線性擬合法［6］對觀測資料統(tǒng)計(jì)分析，研究該地區(qū)1970—2020 年平均風(fēng)速以及1980—2020 年最大風(fēng)速變化特征，從圖1 可以看出平均風(fēng)速存在顯著的年際變化特征，總體上風(fēng)速隨著時(shí)間尺度延長呈下降趨勢，計(jì)算出多年平均風(fēng)速1.61m/s，擬合出風(fēng)速隨時(shí)間演變方程為：y=?0.0092x+20.0539，說明每10 年風(fēng)速降低0.092m/s。

圖1 西藏日喀則地區(qū)年平均風(fēng)速演變趨勢

圖2可以看出最大風(fēng)速同樣存在顯著的年際變化特征，計(jì)算出最大風(fēng)速多年均值5.34m/s，總體上最大風(fēng)速隨時(shí)間演變趨勢與平均風(fēng)速相一致，隨著時(shí)間尺度延長呈下降趨勢，擬合出最大風(fēng)速均值隨時(shí)間演變方程為：y=?0.0236x+52.5554，說明每10 年最大風(fēng)速均值降低0.236m/s，下降幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均風(fēng)速變化率。

圖2 西藏日喀則地區(qū)最大風(fēng)速年均值演變趨勢

圖3可以看出極大風(fēng)速同樣存在顯著的月分布特征，計(jì)算出全年極大風(fēng)速均值為10.04m/s，從圖中可以看出極大風(fēng)速主要集中在3～5 月份，極大風(fēng)速分別為11.61m/s、12.45m/s、12.44m/s，而在冬季極大風(fēng)速值相對較小，尤其是11～12 月份，極大風(fēng)速分別為7.72m/s、7.23m/s。

圖3 西藏日喀則地區(qū)極大風(fēng)速月平均演變趨勢

1.2 突變年前后變化率分析

本文利用風(fēng)速觀測資料，采用M?K 突變檢驗(yàn)算法［7］，首先分別計(jì)算平均風(fēng)速、最大風(fēng)速突變的年份，其次以突變年份為分界點(diǎn)，分別計(jì)算突變年前后風(fēng)速變化速率，來研究突變年前后風(fēng)速變化差異性。M?K突變檢驗(yàn)算法核心表達(dá)式為：

上述公式中E(sk)、Var（sk）分別表示時(shí)間序列數(shù)據(jù)的均值及方差。

上述表達(dá)式為對風(fēng)速時(shí)間序列數(shù)據(jù)正向統(tǒng)計(jì)計(jì)算出的風(fēng)速M(fèi)?K順序統(tǒng)計(jì)參數(shù)，同理將時(shí)間序列數(shù)據(jù)逆向排序可以計(jì)算出風(fēng)速逆序統(tǒng)計(jì)參數(shù)，這樣可以計(jì)算出順序、逆序統(tǒng)計(jì)參數(shù)曲線交點(diǎn)即為突變點(diǎn)。圖4可以看出順序、逆序參數(shù)曲線交點(diǎn)位于2000 年，且處于臨界值范圍內(nèi)，說明2000年為年平均風(fēng)速開始突變的年份，本文選取的臨界值顯著性檢驗(yàn)水平為0.05，同時(shí)可以看出從2004年開始順序統(tǒng)計(jì)值超出臨界值，說明從2004 年開始平均風(fēng)速降低幅度最為顯著。因此，本文以2004 年為分界點(diǎn)，分別計(jì)算1970—2004年、2004—2020 年平均風(fēng)速每10 年變化率分別為?0.074m/s、0.028 m/s，可以看出在突變年前后年平均風(fēng)速變化率存在較大差異性，在突變年之前風(fēng)速主要呈逐年遞減趨勢，而在突變年之后風(fēng)速呈遞增的趨勢。

圖4 西藏日喀則地區(qū)平均風(fēng)速M(fèi)?K檢驗(yàn)結(jié)果

采用同樣的方法，本文對最大風(fēng)速突變年前后變化速率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示1999年為最大風(fēng)速開始突變的年份，可以看出最大風(fēng)速突變年份較平均風(fēng)速早1 年，計(jì)算出突變年前后最大風(fēng)速每10 年變化速率分別為0.274m/s、0.086m/s，最大風(fēng)速突變前后變化速率較平均風(fēng)速存在最明顯的差異性為在突變年前后最大風(fēng)速均呈遞增趨勢，且突變年前遞增的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于突變后。

1.3 風(fēng)速核密度函數(shù)概率估計(jì)

本文利用風(fēng)速觀測資料，采用核密度函數(shù)(ksden?sity)方法［8］，研究最大風(fēng)速概率分布情況，該算法的優(yōu)勢在于對樣本數(shù)據(jù)無需進(jìn)行去趨勢處理，即對數(shù)據(jù)分布規(guī)律性無要求，可以直接根據(jù)樣本數(shù)據(jù)直接計(jì)算其概率分布，該算法核心表達(dá)式為：

上述公式中：n為研究資料尺度，△l為計(jì)算概率密度時(shí)窗口間隔，為核函數(shù)，xi為獨(dú)立分布的樣本點(diǎn)。

從圖5 可以看出最大風(fēng)速概率分布呈正態(tài)分布，且主要集中在4.5m/s～6.0m/s 之間，概率為96.2%，說明該地區(qū)最大風(fēng)速有96.2%的概率分布于4.5m/s～6.0m/s 之間，而高于6.0m/s 的風(fēng)速出現(xiàn)的概率相對較低。

圖5 西藏日喀則地區(qū)最大風(fēng)速核密度概率估計(jì)

2 結(jié)論

本文利用1970—2020 年西藏日喀則地區(qū)風(fēng)速觀測資料，采用線性擬合、M?K突變檢驗(yàn)、核密度函數(shù)估計(jì)等方法，主要研究年平均風(fēng)速、最大風(fēng)速年際變化趨勢、極大風(fēng)速月分布特征、突變年前后風(fēng)速變化速率差異性以及最大風(fēng)速概率分布情況。主要得出以下結(jié)論：年平均風(fēng)速隨著時(shí)間尺度延長呈下降趨勢，每10 年風(fēng)速降低0.092m/s；最大風(fēng)速每10 年降低0.236m/s，下降幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均風(fēng)速變化率；極大風(fēng)速主要集中在3～5 月份，而在冬季極大風(fēng)速值相對較小；2000 年為年平均風(fēng)速開始突變的年份，且在突變年前后年平均風(fēng)速變化率存在較大差異性，在突變年之前風(fēng)速主要呈逐年遞減趨勢，而在突變年之后風(fēng)速呈遞增的趨勢；1999 年為最大風(fēng)速開始突變的年份，在突變年前后最大風(fēng)速均呈遞增趨勢，且突變年前遞增的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于突變后；最大風(fēng)速概率分布呈正態(tài)分布，且主要集中在4.5m/s～6.0m/s 之間，概率為96.2%，高于6.0m/s的風(fēng)速出現(xiàn)的概率相對較低。