1961-2013年新疆博斯騰湖流域風速和日照時數變化特征

武勝利, 劉強吉,3, 潘 蕾, 夏詩書, 夏 黎, 虞游毅

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 新疆 烏魯木齊 830054; 2.新疆干旱區湖泊環境與資源重點實驗室,新疆師范大學, 新疆 烏魯木齊 830054; 3.新疆師范大學 繼續教育學院, 新疆 烏魯木齊 830054)

1961-2013年新疆博斯騰湖流域風速和日照時數變化特征

武勝利1,2, 劉強吉1,2,3, 潘 蕾1,2, 夏詩書1,2, 夏 黎1,2, 虞游毅1,2

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 新疆 烏魯木齊 830054; 2.新疆干旱區湖泊環境與資源重點實驗室,新疆師范大學, 新疆 烏魯木齊 830054; 3.新疆師范大學 繼續教育學院, 新疆 烏魯木齊 830054)

[目的] 研究新疆博斯騰湖流域風速和日照時數的變化，為該流域工農業生產、生態環境建設等提供科學的氣候變化背景。[方法] 采用常規統計方法、M-K突變檢驗以及小波分析等方法，對1961—2013年新疆博斯騰湖流域4個氣象站逐日平均風速和日照時數資料進行分析。[結果] 近53 a來博斯騰湖流域平均風速呈明顯的減小趨勢，平均每10 a減小0.092 m/s；空間分布上除冬季外，均表現為湖周邊平原、盆地地區變化幅度大，北部、西北部山區變化幅度小，冬季恰好相反。該區年均日照時數也呈明顯的減少趨勢，平均每10 a減少59.11 h，1985/1986年發生突變；流域北部地區變化幅度較大，南部地區變化幅度較小。[結論] 該區域風速和日照時數之間相關性較好。

博斯騰湖流域; 風速; 日照時數; 小波分析

文獻參數： 武勝利, 劉強吉, 潘蕾, 等.1961—2013年新疆博斯騰湖流域風速和日照時數變化特征[J].水土保持通報，2017,37(3)：188-194.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.031； Wu Shengli, Liu Qiangji, Pan Lei, et al. Change characteristics of wind speed and sunshine duration in Bosten Lake basin of Xinjiang Uygur Autonomous Region during 1961—2013[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：188-194.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.031

風速是表征氣候變化以及氣候形成的重要氣象要素，也是影響蒸發的主要因素之一[1]。近100 a來全球平均地面氣溫上升0.74 ℃[2-4]，而隨著氣溫的變暖，風速也隨之發生變化[5]。大風造成的災害主要是由風的壓力引起的，大風會產生沙塵暴災害，造成土壤風蝕、沙化，破壞生態環境，危害農業生產[6-9]。氣候變化會引起大氣物理化學成分的改變，進而影響到太陽輻射狀況的變化，日照時數是太陽輻射的最直接反映[10]。日照時數的變化直接影響著工農業生產，與人類日常活動息息相關，研究日照時數的分布規律，對農業生產布局、城市建設規劃、旅游資源開發、太陽能電站設計等具有重要的現實意義。

近年來，針對風速和日照時數的研究越來越多[11-18]。Pirazzoli等[11]認為意大利近地層風速在1951—1970年呈現減小趨勢，之后呈現增加趨勢。Smits認為1962—2002年荷蘭中等風暴頻率減少[12]。Cristina等[15]通過近地層數據(10 m)和探空數據推測了80 m高度的風速空間分布特征，結果發現，高緯度和沿海地區風速大，中低緯度、內陸地區風速小。國內學者對平均風速和日照時數也展開大量研究[8,10,13-18]。這些研究增進了對中國器測時期氣候變化規律的認識，為深入理解氣候變化的原因和影響奠定了基礎。

雖然目前的研究重點已轉向分辨人類活動和自然變化對風速變化的貢獻，但更加細致地揭示區域風速和日照的變異特征，特別是各地風速和日照的突變信息對于揭示變化趨勢仍有意義。同時分析發現，中國大部分地區日照時數和風速以不同的速率均呈現明顯的下降趨勢，而且大部分的研究區位于濕潤、半濕潤、半干旱地區，以及青藏高原地區，對于干旱區的研究相對較少，尤其是中緯度西風帶控制下的干旱湖泊地區研究甚少。國內學者對于博斯騰湖流域氣候變化的研究主要是圍繞溫度、降水、蒸散量幾個方面展開，得到很多有價值的結論。

從農業生產角度來看，氣候資源中的日照和風速都是影響作物光合作用的主要因子，也是研究區域參考作物蒸發量ET0必備的主要氣象因子。博斯騰湖處于焉耆盆地，農業生產在該地區經濟發展中占有重要地位。研究本地區日照和風速的變化特點與趨勢特征，從而為深入研究該地區氣候變化對農業生產的影響，對于合理調整農業結構，指導農業生產有十分重要的意義，對研究其它地區氣象因子變化特征也會起到一定的借鑒作用。本文擬以新疆博斯騰湖流域(以下簡稱為“博湖流域”)為研究區，通過流域4個氣象站1961—2013年的風速和日照時數整編數據資料，運用線性回歸、5 a滑動平均等趨勢方法分析數據，運用Mann-Kendall(簡稱M-K)突變方法對流域風速和日照時數進行突變檢驗，運用Morlet小波分析法探討其周期變化，進而為該流域工農業生產、生態環境建設等提供科學的氣候變化背景。

1 研究區概況

博湖流域位于塔克拉瑪干沙漠北緣，天山南麓焉耆盆地東南部，位于41°56′—42°14′N，86°26′—87°40′E，是新疆最大的湖泊、中國最大的內陸淡水湖泊，流域面積2.7×104km2。行政上屬于博湖縣、尉犁縣、和碩縣、焉耆縣、和靜縣及庫爾勒市。深居內陸，屬于暖溫帶大陸性干旱氣候，春季氣候多變，干旱少雨，夏季干燥炎熱，秋季降溫迅速，冬季寒冷，蒸發量大，1月平均氣溫-12.7 ℃，7月平均氣溫22.8 ℃，降水主要集中在5—9月，年均降水約為148.65 mm。

2 數據來源與研究方法

依據資料的連續性及最長時段性等標準，共選取符合條件的氣象站4個(巴倫臺、巴音布魯克、焉耆、庫爾勒)。地面氣象站的風速、日照時數資料均來自國家氣象地面基準站。為了保證所選氣象站數據資料長度的均一和穩定，氣象資料時間跨度一致取為1961年1月1日—2014年2月28日(2013年冬季止)。分別計算風速和日照時數4個站點各年份的年均風速和日照時數均值和距平值，按春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—翌年2月)對風速及日照時數資料進行處理。對研究區風速和日照時數資料進行匯總，采用一元線性趨勢法和累計距平法對氣溫和降水資料進行變化趨勢分析；研究顯著性水平取0.05，如果統計量小于顯著性水平，則認為趨勢是顯著的。采用M-K檢驗方法對風速和日照時數資料進行突變檢驗，判定突變年份和突變趨勢。采用Morlet小波分析法對風速和日照時數進行周期分析。

2.1 一元線性趨勢分析

一元線性回歸：利用直線回歸的方法對原時間序列擬合線性方程，消除其它成分變動，揭示出數列長期直線趨勢[6]，公式為：

Y=a+bt

(1)

式中：a——表示截距；b——表示自變量系數；t——表示自變量；線性方程中的斜率b的10倍定義為氣候傾向率，表征時間序列的變化趨勢。氣候傾向率的大小表征變化的速度，正負值表示變化方向。

2.2 累計距平法

累積距平法：對于序列x其在某一時刻t的累計距平表示為：

(2)

2.3Mann-Kendall突變檢驗法

在正序列曲線超過臨界值置信度的前提下，若正序列(UF曲線)與逆序列(UB曲線)在置信區間內有交叉點，則表明交叉點為突變點，且統計上顯著[20]。

2.4 小波分析

小波分析方法可以通過伸縮和平移等運算功能，對函數或信號序列進行多尺度細化分析，研究不同尺度(周期)隨時間的演變情況。公式為：

(3)

式中：X(f)——信號x(t)的傅里葉變換； ψ(f)——

基本小波ψ(t)的傅里葉變換； F-1——傅里葉逆變換； a——尺度因子； b——位移因子。小波系數實部反映了給定時間和尺度信號下，相對于干擾其他時間和尺度信號的強弱和位相兩方面的信息。

3 結果與分析

3.1 風速變化特征分析

由圖1可以看出，博湖流域年、季平均風速均呈明顯下降趨勢，年均風速變化傾斜率為-0.092 〔(m·s)/10a〕，通過了99.5%的顯著性檢驗，表現出統計意義上的顯著性，同時，這與西北大環境下風速變化趨勢相一致，并略高于西北地區風速變化傾斜率-0.09 〔(m·s)/10a〕[21]。1961—1977年風速偏高，之后均偏低，且90年代風速最低。

四季風速傾斜率分別為-0.149，-0.130，-0.072和-0.017 〔(m·s)/10a〕，均通過了99.5%的顯著性檢驗，春、夏季風速下降速率最大，秋季次之，冬季最小。春季風速60年代波動上升，1969年達到最大(3.45m/s),1970—1996年持續下降，1997—2003年短暫上升，之后再次下降。夏季風速60年代先下降后上升，1969年達到最大(3.09m/s)，70—90年代持續下降，1999年為最小(1.90m/s)，2000年以來呈波動上升。秋季風速60年代先下降后上升，70—90年代中期持續下降，之后以上升為主，近兩年略有下降。冬季風速在1961—1976年以及2002—2011年均偏高，其余年份均偏低，變化趨勢與秋季大致一致。

圖1 1961-2013年博湖流域風速年、季變化趨勢以及各站點月變化

總體上看，博湖流域月平均風速變化為單峰型。1961—2013年，流域3—6月平均風速為2.84 m/s，其中4月最大，為3.13 m/s，形成峰值，這與該流域春季多風沙天氣有密切關系。最低值出現在每年的1月，為1.41 m/s。從各站點看，除巴音布魯克以外，其余各站均為單峰型，最大值均出現在4月，巴倫臺和庫爾勒最小值為12月，焉耆為1月；巴音布魯克呈雙峰型，第一峰值出現在4—6月，均值為3.67 m/s，其中以5月最高(3.84 m/s)，第二峰值出現在9月，為2.96 m/s，最小值出現在1月。

空間分析發現(表1)，博湖流域年均風速以庫爾勒變化幅度最大，焉耆次之，巴音布魯克和巴倫臺均較小，即博湖周邊盆地、平原地區風速降低幅度大，北部和西北部山區風速降低幅度小。春夏秋3季風速變化幅度與年變化一致，即北部和西北部山區變化幅度小，湖周邊平原、盆地變化幅度較大；冬季風速變化幅度恰好相反，以西部和北部山區變化幅度較大，而湖周邊地區變化幅度較小，同時，分析發現，除了巴音布魯克以外，區域各站年、季風速均呈減小趨勢(巴倫臺冬季除外)，而巴音布魯克風速呈增加趨勢。

表1 1961-2013年博斯騰湖流域各氣象站點風速年、季均值及趨勢系數

采用Mann-Kendall法對博湖流域各站年、季風速進行突變檢驗，給定顯著性水平α=0.05，即臨界值為±1.96。結果顯示(圖2)，流域內各站突變年限相差較大，巴倫臺和巴音布魯克分別為1996和1988年，庫爾勒和焉耆分別為1977和1973/1974年，由南向北逐漸靠后。

流域年均風速突變發生在1977年，這相對于新疆整體風速突變年限(1983年)[21]黑河流域(1985年)[18]而言較早，略遲于柴達木盆地(1973，1974年)[10]。春季和夏季較晚，分別發生在1984和1982年；秋季較早，發生在1974年；冬季突變情況不明顯。

圖2 1961-2013年博斯騰湖流域風速年、季M-K突變檢驗

3.2 日照時數變化特征分析

近53 a來，博湖流域年均日照時數由于受到四季日照時數的影響，以59.11 h/10 a的速率呈明顯的下降趨勢，通過了99.9%的顯著性檢驗，同時，此值遠大于全國(36.9 h/10 a)[18]和西北地區(13.6 h/10 a)[21]年日照時數的下降速率(圖3)。60—90年代日照時數持續下降，均值分別為2 905.0，2 874.4，2 851.3和2 671.8 h，90年代下降迅速，21世紀以來略高于90年代，為2 674.5 h。1961—1985年日照時數偏高，之后偏低(1990，1997，2007和2012年除外)。四季日照時數均呈明顯下降趨勢，下降速率分別為：10.3，21.13，12.17和15.56 h/10 a，均通過了99.9%的顯著性檢驗，同時，這些值均高于全國各季日照時數變化傾斜率[18]。春季日照時數60，70年代緩慢上升，80，90年代下降明顯，2000年以來上升明顯。夏季日照時數60年代初短暫上升后緩慢下降，70年代中期緩慢上升，80年代中期至90年代后期持續下降，2000年以來有所上升。秋季日照時數在60年代呈現上升，70年代后持續下降，近幾年有所回升。冬日照時數60年代至70年代中期緩慢下降，70年代后期呈上升趨勢，之后呈明顯的下降趨勢，90年代先上升后下降，之后慢慢上升。研究發現，博湖流域年、季日照時數均呈現明顯的下降趨勢，年均值、夏季、冬季日照時數在20世紀80年代中期以前偏高，之后偏低，春季和秋季在60年代至80年代初偏高，之后偏低。

圖3 1961-2011年博斯騰湖日照時數年、季變化趨勢以及各站點月變化

博湖地區月平均日照時數變化均呈雙峰型，第一峰值出現在5月，第二峰值出現在8月，同時，兩峰值相差不大，出現雙峰型可能與當地降水情況有關。新疆博斯騰湖流域日照年時數均值為2 824.1 h，四地(順序為：巴音布魯克、巴倫臺、焉耆、庫爾勒，下同)日照時數年均值依次為2 780.5，2 435.9，3 029.8和2 890.2 h，即焉耆地區年均日照時數最大，庫爾勒次之，巴倫臺最小。可以得出，日照時數山區較少，平原盆地較多，西部、北部較少，南部較多。流域春季日照時數均值為765.4 h，四地日照時數春季均值依次為767.9，721.1，821.6和750.9 h，焉耆日照時數最大，巴倫臺最低。流域夏季日照時數四地依次為779.8，749.2，910.4和864.8 h，焉耆最大，庫爾勒次之，巴倫臺最低。流域秋季日照時數四地依次為685.7，567.9，765.4和734.7 h，焉耆最大，巴倫臺最低。流域冬季日照時數四地依次為547.9，389.2，532.0和539.7 h，可見巴音布魯克略高于庫爾勒和焉耆，巴倫臺最低。研究發現，博斯騰湖流域日照時數空間分布情況為：年、春、夏、秋季均為焉耆最高，庫爾勒次之，巴倫臺最低，即平原盆地地區日照時數多，山區日照時數少，冬季略有不同，巴音布魯克略高于焉耆和庫爾勒，巴倫臺最低。年日照時數傾向率變化來看，北部地區變化幅度較大，南部地區變化幅度較小。

采用Mann-Kendall法對博斯騰湖流域近53 a年、季日照時數進行突變檢驗(圖4)。給定顯著性水平α=0.05，即臨界值為±1.96。

結果顯示，流域內各站日照時數突變年限相差較大，巴倫臺日照時數突變發生在1988年，巴音布魯克為1999年，庫爾勒為1981年，焉耆突變現象不明顯，南部較早，北部早于西北部。流域年均日照時數突變發生于1985/1986年，春季發生于1985年，夏季發生于1983和1985年，秋季、冬季均發生于1986年。年日照時數突變年限滯后于新疆地區日照時數突變年限(1981年)[18]。

表2 1961-2013年博斯騰湖流域各氣象站點日照時數年、季均值及趨勢系數

圖4 1961-2013年博斯騰湖流域日照 時數年、季M-K突變檢驗

圖5給出了博斯騰湖流域日照時數的Morlet小波變化系數的實部時頻變化，正值區表示日照時數偏多，負值區表示日照時數偏少。由圖5可以看出年日照時數小波系數等值線在15～17，27～29 a左右時間尺度上較為密集，且發生了小波系數高、低值中心的變化。年日照時數小波方差圖(圖略)顯示小波方差在28，17 a存在極值，因此，可以得出博斯騰湖流域年日照時數在32 a尺度內存在28 a的強顯著周期，此外還有17 a的尺度變化周期。

圖5 博斯騰湖流域日照時間數的Morlet小波變化實部等值線圖

3.3 博斯騰湖流域年、季風速及日照時數相關性分析

流域平均風速與日照時數之間相關性較好(表3)。年均值、夏季平均風速與日照時數在α=0.01水平上呈顯著正相關，相關系數分別為0.509和0.654；春季平均風速與日照時數在α=0.05水平上呈顯著正相關，相關系數分別為0.299和0.306；冬季平均風速與日照時數相關性不高。日照時數較高的年份，風速也較高，日照時數較低的年份，風速也較小。風速減小，水汽和空氣中的污染物不易擴散，使近地層氣溶膠濃度增大，空氣透明度下降，太陽光線穿過大氣的距離較長，太陽光線衰減嚴重到達地面的太陽光線不足以使日照記錄紙感光，造成日照時數減少；反之亦然。

表3 博斯騰湖流域年、季風速及日照時數相關性分析

注：**表示在0.01水平上雙側顯著相關； *表示在0.05水平上雙側顯著相關。

4 討論與結論

4.1 討 論

博斯騰湖流域地處塔克拉瑪干沙漠北緣，塔里木盆地東北部，區內地勢總體呈西北高、東南低，地形復雜，地貌特征獨特，高山與盆地相間。近年來在全球氣候變暖的大背景下，該區氣候有向暖濕型轉型的信號。大風是一定天氣形勢與特殊地形共同作用產生的天氣過程，風速的變化與風沙地貌、土壤風蝕、沙塵暴及沙漠化等有著密切的聯系，是該區主要的災害性天氣之一。不同季節的大風會引起不同的災害，冬季大風風雪交加，能見度差致使牧區人畜迷途而受凍或被凍死，同時風吹雪阻使交通受阻，也影響到救援工作的進行。春季大風風力強，且常伴有沙塵，破環性極大，揭膜、折苗、毀田，甚至吹斷樹木，吹倒屋舍。夏季大風主要危害高桿作物和林果，引起倒伏和果實脫落。

流域空氣干燥，云量少，降水較少，日照時數多，太陽能資源豐富，植物光合潛力大，對提高農產品產量和質量，促進農牧業經濟發展具有重要的意義，同時豐富的太陽能資源也可以為經濟發展和資源重組奠定良好的基礎。但日照時數的減小對自然和生態發展的各個方面均造成一定的影響，日照時數的減少導致到達地球表面的太陽輻射總量和帶電粒子流發生變化，從而使大氣壓和氣溫隨之發生變化；日照時數的減小使地面水平能見度降低，空氣污染加重，影響農作物的品質和產量等，同時也使人類的健康受到一定的影響。

4.2 結 論

(1) 博湖流域風速在20世紀80年代之前較大，之后減小，2000年以來有所回升；風速以0.092 〔(m·s)/10 a〕的速率呈明顯減小趨勢，四季風速以0.149，0.130，0.072，0.017 〔(m·s)/10 a〕均呈現明顯減小趨勢；流域年、春季、夏季、秋季風速變化傾向率均為北部和西北部山區變化幅度小，湖周邊平原和盆地地區幅度大，冬季風速恰好相反；同時，除巴音布魯克以外，其余各站年、季風速均呈減小趨勢，巴音布魯克呈增加趨勢。流域年均風速突變發生在1977年，這相對于新疆整體風速突變年限(1983年)而言較早。春季和夏季較晚，分別發生在1984年和1982年；秋季較早，發生在1974年；冬季突變情況不明顯。小波分析發現，博斯騰湖流域年均風速并沒有明顯的周期變化。

(2) 流域年均日照時數以59.11 h/10 a的速率呈明顯的下降趨勢，春、夏、秋、冬以10.3，21.13，12.17，15.56 h/10 a的速率呈明顯減小趨勢；年均值、夏季、冬季日照時數在20世紀80年代中期以前偏高，之后偏低，春季和秋季日照時數在60—80年代偏高，之后偏低；流域年均日照時數突變發生于1985/1986年，春季發生于1985年，夏季發生于1983和1985年，秋季、冬季均發生于1986年；小波分析發現，博斯騰湖流域年日照時數存在著28和17 a的周期變化。

(3) 流域平均風速與日照時數之間相關性較好(表3)。日照時數較高的年份，風速也較高，日照時數較低的年份，風速也較小。風速減小，水汽和空氣中的污染物不易擴散，使近地層氣溶膠濃度增大，空氣透明度下降，太陽光線穿過大氣的距離較長，太陽光線衰減嚴重，到達地面的太陽光線不足以使日照記錄紙感光，造成日照時數減少；反之亦然。

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Change Characteristics of Wind Speed and Sunshine Duration in Bosten Lake Basin of Xinjiang Uygur Autonomous Region During 1961-2013

WU Shengli1,2, LIU Qiangji1,2,3, PAN Lei1,2,XIA Shishu1,2, XIA Li1,2, YU Youyi1,2

(1.CollegeofGeographicalScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,XinjiangUygurAutonomousRegion830054,China; 2.KeyLaboratoryofLakeEnvironmentandResourcesinXinjiang,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,XinjiangUygurAutonomousRegion830054,China; 3.ContinuingEducationInstitute,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,Urumqi,XinjiangUygurAutonomousRegion830054,China)

[Objective] The change characteristics of wind speed and sunshine duration in Bosten Lake Basin of Xinjiang Uygur Autonomous Region were illustrated to provide scientific evidences for the industrial and agricultural production, ecological environment construction of this river basin. [Methods] Using conventional statistics , Mann-Kendall mutation analysis and wavelet analysis methods, we analyzed the average diurnal variations of wind speed and sunshine duration of the Bosten Lake Basin, based on 4 weather stations data recorded from 1961 to 2013. [Results] In the past 53 years, the average wind speed obviously decreased in Bosten Lake Basin, with an average decrease rate approximately 0.092 〔(m·s)/10 a〕. In spring, summer and autumn, the variation amplitudes of the plain surrounding the lake and the basin area were greater than that of the north part and the northwest mountain area. However, in winter, the spatial variation was opposite. The average diurnal variation of sunshine duration also showed distinct decrease, with a rate of approximate 59.11 h/10 a. The decrease trend got the peak in the years of 1985 to 1986. The spatial change in the north subarea was big, and small in the south part. [Conclusion] Wind speed and sunshine duration correlated in the study area well.

Bosten Lake Basin; wind speed; sunshine duration; wavelet analysis

2016-09-15

2016-10-05

國家自然科學基金NSFC-新疆聯合基金重點項目“新疆博斯騰湖環境演變及對氣候變化的響應”(U1138302); 國家自然科學基金項目“艾比湖流域拋物線沙丘形成與演變研究”(41161004); 新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室資助項目(XJDX0909-2012-03， XJDX0909-2014-04)

武勝利(1977—),男(漢族),河南省西平縣人,博士, 教授,碩士生導師,主要從事干旱地區環境演變與氣候方面研究。E-mail:wushengli77@126.com。

劉強吉(1988—),男(漢族),陜西省西鄉縣人,碩士,主要從事干旱地區環境演變與氣候方面研究。E-mail:liuqiangji19880602@126.com。

A

1000-288X(2017)03-0188-07

P412.16, P412.14