烏魯木齊東南大風空間分布和時間變化特征

竇 剛，雅森江·庫爾班，木尼熱·艾尼

1.新疆氣象臺，新疆烏魯木齊 830000；2.新疆氣象服務中心，新疆烏魯木齊 830000；3.克州氣象局，新疆阿圖什 845350

新疆維吾爾自治區烏魯木齊市地處天山山脈中段的峽谷內，呈西北—東南走向。當峽谷南北兩側地面氣壓出現南高北低的形勢時，烏魯木齊一帶常出現7～8級東南大風，平均最大風力11級，最大瞬間風速高達40 m/s，同時伴有升溫、降壓和降濕特點，往往給當地城市設施、民航和交通運輸、人民健康帶來較大影響。大量學者基于烏魯木齊市大風天氣展開了相關研究，孫鳴婧等[1]通過分析春季東南大風個例發現，峽谷兩端南高北低的海平面氣壓場是烏魯木齊東南大風的必要條件，但地面蒙古冷高越強，東南風未必越強。湯浩等[2]利用WRF模式對2007年2月28日新疆一次極端大風事件模擬分析發現，重力波破碎形成的湍流活躍層和中低空風向切變的臨界層，吸收上層波能量向下傳輸加強了穿谷急流能量。利用烏魯木齊及周邊地面氣象站小時觀測數據，統計分析了烏魯木齊東南大風空間分布和時間變化特征，為烏魯木齊大風預報預警和災害防御提供參考。

1 資料和方法

1.1 數據來源

因紅雁池水庫站建站較晚，數據范圍有限，采用烏魯木齊及周邊60個地面氣象觀測站2012—2021年逐小時觀測數據對東南大風空間分布特征分析；采用中國氣象局天擎數據系統下發的1961—2020年日值數據分析東南大風時間變化特征。大風標準采用大風藍色預警標準，即10 min平均風速≥6級（10.8 m/s），或陣風≥7級（13.9 m/s），1 d中出現1次或多次大風，均記為1個大風日。

1.2 研究方法

主要采用一元線性回歸、曼肯德爾法（M-K）和小波分析（Morlet小波）方法分析烏魯木齊站東南大風日數趨勢、周期等變化特征。一元線性回歸是研究氣候變化趨勢的常用統計方法，方程表示為：

式（1）中：xi為某氣象因子，ti為xi所對應時間，a為回歸常數，b為回歸系數，傾向率正負表示增加或減少趨勢，傾向率絕對值大小表征變化幅度。曼肯德爾法（M-K）是一種非參數檢驗方法，其不需要樣本遵循一定的統計分布，也不受奇異值干擾，因此被廣泛應用于序列值趨勢變化和突變點檢驗等研究[3-6]。小波分析法用于分析烏魯木齊站年東南大風日數周期結構和變化規律，對滿足一定條件的小波函數ψ(t)，時間序列f(t)∈L2(R)的小波變換為：

式（2）中，Wf(a,b)為小波系數為共軛復數，a為尺度因子，b為平移因子。

采用的小波函數為Morlet小波函數，即：

式（3）中，c為常數，i為虛數。小波系數實部的變化趨勢與信號起伏基本一致，等值線中心為高低值中心（正小波系數為高值，負小波系數為低值），中心值大小反映出波動振蕩強度[7]。同時用小波方差反映波動的能量隨尺度分布，可確定一個時間序列中各種尺度擾動的相對強度，對應峰值處的尺度即為該序列主要時間尺度，即主要周期。小波方差計算公式為：

為將氣象站點觀測數據插值到空間位置，使用反距離權重法將烏魯木齊市境內60個站點數據大風日數插值到全部區域。

2 烏魯木齊東南大風空間分布特征

從近10年東南大風日數和最大風速統計看，烏魯木齊年均東南大風日數和最大風速位置分布較一致，主要在烏魯木齊市達坂城區、天山區南部和頭屯河區的八一鋼鐵公司一帶，呈東南—西北走向帶狀分布，大值區在天山區南部郊區烏拉泊至紅雁池，最大年均大風日數和風速均出現在紅雁池水庫站，分別為31.7 d/年和38.2 m/s（圖1）。焦化山附近為次大值區，年均10～15 d/年。除東南—西北向分布的大風日數帶狀大值區外，其他地區年均大風日數在0.1～5 d/年，最大風速為11～16.5 m/s。可見烏魯木齊東南大風空間分布與地形特征相對應，當柴窩堡山谷出現東南風后，氣流沿峽谷向西北方向流動，狹管效應使東南風逐漸增強，到達峽谷北部開口區的紅雁池水庫一帶時風速最大，因此呈現東南—西北帶狀分布特征。

圖1 2012—2021年烏魯木齊市東南大風的平均日數(a)、最大風速(b)

3 紅雁池水庫站東南大風時間分布特征

對烏魯木齊市近10年東南大風日數月分布統計，紅雁池水庫站在10、11和4月出現東南大風最多，依次分別為46、42和39 d，7、6和8月最少，大風日數分別為7、8和10 d，說明烏魯木齊市南郊東南大風主要在春、秋季，分別占全部大風日數的33%和37%，冬季為22%，夏季東南大風最少，僅為8%（圖2a）。烏魯木齊東南大風形成除了與地形有關，也與峽谷兩端南高北低氣壓場密相關。大風發生前，新疆多為高空暖性高壓脊控制，地面有冷空氣從蒙古高壓后部流向南疆，使南疆中底層氣壓不斷升高，形成南疆高、北疆低的氣壓場分布，有利于烏魯木齊峽谷地帶形成東南風。上述環流場形勢多出現在冷熱空氣交匯頻繁的春秋季，因此烏魯木齊東南大風也多出現春秋季。

由圖2b可看出，紅雁池水庫東南大風日變化呈雙峰型，主峰在08:00～09:00（北京時間，下同），出現頻率為0.07；次峰在04:00左右，頻率為0.06；17:00左右為低谷時段，頻率為0.01。可見紅雁池水庫南大風多出現夜間和清晨，日出后東南大風次數較少，或日出后東南風風速迅速降低，日落后東南風出現頻次又逐漸增加。因峽谷兩端南高北低的氣壓差是形成烏魯木齊東南大風的必要條件，因此氣壓差的日變化也會造成東南風日差異；日出后隨著太陽輻射影響，南北疆空氣溫差減弱，氣壓差也減小，東南大風出現頻次較少；日落后地面受太陽輻射減少而冷卻降溫，此時南疆受冷空氣回流影響，氣溫降幅更劇烈，而北疆由于受高空暖性高壓脊控制，氣溫降幅較小，因此南北疆夜間溫差、氣壓差比白天大，東南大風也更易在夜間出現。

圖2 紅雁池水庫站東南大風日數的月、日分布

4 烏魯木齊站近60年東南大風變化特征

烏魯木齊站與紅雁池水庫站相距7 km，但東南大風日數有明顯差異。烏魯木齊東南大風多出現在南部郊區，市區較少，但市區出現東南大風時，易造成航班延誤，廣告牌等高空物體被吹落，嚴重威脅人民生命財產安全。

從1961—2020年烏魯木齊市長期變化曲線看，烏魯木齊市東南大風年大風日數變化波動較大，年代際差異明顯，1980—1991年連續12年東南大風日數均低于平均值12.7 d，最小值為1967年，僅為2 d，最大值在1975年，達到29 d（圖3）。總體看，烏魯木齊市東南大風日數呈不斷減少趨勢，氣候傾向率為-0.44 d/10年。圖3b為M-K突變分析，可看出烏魯木齊市東南大風日數未出現突變，UF曲線一直小于0，表明烏魯木齊近60年年東南大風日數處在下降通道中。從年代際變化看，20世紀60至80年代初烏魯木齊東南大風日數雖趨于減少，但未超過-1.96線，沒通過0.05顯著性水平，說明減少不明顯；20世紀80年代中后期至21世紀10年代初，減少趨勢超過-1.96線，通過0.05顯著性水平，說明減少明顯；21世紀10年中后期，UF線又逐漸返回至±1.96之間，說明減少趨勢有所減弱。

圖3 1961—2020年烏魯木齊站東南大風日數的年際變化

從小波分析看，1961—2020年烏魯木齊站東南大風日數變化存在多時間尺度特征（圖4a）。總體上，大風日數變化存在3～6、10～15和30～60年的震蕩周期，3～6和30～60年振蕩在60年中始終存在，其中3～6年振蕩在1961—1993年和2011—2020年2個時段振蕩較穩定，分別出現7和2次的多—少交替的振蕩變化周期。30～60年振蕩在整個過程中都較穩定，出現準1次振蕩。10～15年振蕩主要出現在20世紀90年代后，共出現準2次振蕩。從小波方差圖看，曲線存在3個明顯峰值，分別對應5、14和45年的時間尺度（圖4b）。其中最大峰值對應著45年時間尺度，說明45年左右的周期振蕩最強，為烏魯木齊站東南大風日數變化的第1主周期；第2峰值為14年周期，為大風日數變化第2主周期；第3峰值為5年周期，為第3主周期。上述分析表明，45、14和5年左右的周期波動控制著1961—2020年烏魯木齊站東南大風日數變化特征。

圖4 1961—2020年烏魯木齊站東南大風日數的小波分析

5 總結與討論

（1）烏魯木齊市東南大風主要出現在南郊達坂城至紅雁池水庫一帶，年均大風日數和極大風速極大值均在紅雁池水庫站，分別為31.7 d/年和38.2 m/s。焦化山附近為次大風日數大值區。東南大風常出現在春秋季，分別占全年大風日數的33%和37%。紅雁池水庫站東南大風呈雙峰型日變化特征，主峰在08:00～09:00，次峰出現后04:00左右，日出后東南大風次數迅速降低，低谷在17:00。

（2）近60年烏魯木齊站年東南大風日數年代際差異明顯，未出現突變點，總體呈不斷減少趨勢，氣候傾向率為-0.44 d/10年，其中20世紀60至80年代初為振蕩期，減少趨勢不明顯，20世紀80年代中后期至21世紀10年代初為迅速減少期。

（3）烏魯木齊站年東南大風日數存在3～6、10～15和30～60年左右的震蕩周期，分別對應第3、第2和第1主周期。