1960—2019年山西省地面風(fēng)速變化分析

王大勇 王曉瓊 張冬峰 劉文平

(山西省氣候中心，太原 030006)

引言

全球變暖背景下，區(qū)域氣候和氣候變化與區(qū)域國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展密切相關(guān)。風(fēng)是最重要的氣象要素之一，也是自然界中隨機(jī)變化最強(qiáng)的因子之一[1-2]。風(fēng)速變化對(duì)各行業(yè)均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，尤其對(duì)風(fēng)能行業(yè)產(chǎn)生影響巨大，風(fēng)能是一種具有能源提供和環(huán)境保護(hù)雙重功能的清潔能源，已成為世界上發(fā)展最快的能源模式之一[2-5]，近地表風(fēng)作為直接利用的風(fēng)能來(lái)源，對(duì)風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用具有重要意義。Seidel等和Yin等利用氣候模式進(jìn)行研究表明了風(fēng)速在中緯地區(qū)以減小為主，高緯地區(qū)呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)[6-7]。隨著人們對(duì)風(fēng)能和氣候變化的日益關(guān)注，越來(lái)越多的研究探討了中國(guó)近地面風(fēng)速的變化，Zhang等研究指出1958—2015年，中國(guó)近地面風(fēng)速下降約為0.109 m·s-1/10a；然而自2000年以來(lái)，這種下降趨勢(shì)并不明顯[8]。王遵婭等、任國(guó)玉等在分析全國(guó)地面氣候變化特征時(shí)，均指出我國(guó)平均地面風(fēng)速普遍呈現(xiàn)出明顯下降趨勢(shì)[9-10]，認(rèn)為中國(guó)幾乎全部地區(qū)的風(fēng)速都在顯著減小，冬、春季和西北西部最為明顯，該區(qū)20世紀(jì)90年代的年平均風(fēng)速比50年代減小約29%，冬季顯著增暖導(dǎo)致中國(guó)寒潮發(fā)生頻率和強(qiáng)度減弱，另外，中國(guó)大陸氣壓的增加，減小了與西伯利亞高壓的氣壓差，也使得冬季風(fēng)減小[9]。李艷等通過(guò)對(duì)中國(guó)地面觀測(cè)資料和NCEP/NCAR再分析資料中風(fēng)功率密度長(zhǎng)期變化趨勢(shì)差異的比較(OMR方法)，提出了人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的下墊面變化是中國(guó)陸地地面風(fēng)能變化的主要原因[11]。丁一匯等認(rèn)為中國(guó)地面風(fēng)速在過(guò)去幾十年整體呈減弱趨勢(shì), 但存在明顯的季節(jié)、區(qū)域和風(fēng)速段差異,主要是全球變暖背景下歐亞大陸與西太平洋之間以及歐亞大陸高低緯度地區(qū)之間的熱力差異減弱所致[12]。劉學(xué)鋒等認(rèn)為城市化和臺(tái)站附近局地環(huán)境變化則是河北省風(fēng)速減弱的主要原因[13]。韓柳等對(duì)中國(guó)北方風(fēng)蝕區(qū)風(fēng)速數(shù)據(jù)分析指出北方風(fēng)蝕區(qū)年和四季平均風(fēng)速均呈下降趨勢(shì)，山西風(fēng)速減小較緩，甚至出現(xiàn)增大趨勢(shì)，空間上山西屬風(fēng)速降低不明顯區(qū)域[14]。郝玉峰等指出山西沙塵天氣過(guò)程近地層氣象要素演變中風(fēng)速在沙塵暴、揚(yáng)沙的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中均較大[15]。山西地處東亞季風(fēng)區(qū)的西北部邊緣，冬夏受不同屬性氣團(tuán)控制產(chǎn)生明顯的季節(jié)風(fēng)，由于山多川少，溝壑縱橫，地形復(fù)雜，各種氣流因受阻擋從而形成各地方性風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)向和風(fēng)速的時(shí)空分布較為復(fù)雜[16]。目前針對(duì)山西省長(zhǎng)時(shí)間序列風(fēng)速變化特征的詳細(xì)研究較少，本文利用108個(gè)地面氣象站觀測(cè)資料，對(duì)山西省風(fēng)速變化趨勢(shì)及特征進(jìn)行分析研究，以期為未來(lái)風(fēng)能資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)和利用、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)以及空氣污染氣象預(yù)報(bào)提供一定的參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

文中所用的數(shù)據(jù)資料為國(guó)家氣象信息中心提供的中國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象站均一化風(fēng)速月值數(shù)據(jù)集(V1.0)，該數(shù)據(jù)集訂正了臺(tái)站遷移、環(huán)境變化、觀測(cè)時(shí)制和時(shí)間變化、儀器變更、人工觀測(cè)轉(zhuǎn)自動(dòng)觀測(cè)等多種人為原因造成的斷點(diǎn)，改進(jìn)了地面風(fēng)速觀測(cè)資料時(shí)間序列的均一性，訂正后的地面風(fēng)速變化趨勢(shì)更加真實(shí)地反映長(zhǎng)期氣候的自然變化，能夠用于開(kāi)展氣候變化研究。本文研究1960—2019年近60年山西省108個(gè)氣象站地面風(fēng)速的變化特征，氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 山西省108個(gè)氣象站點(diǎn)分布

1.2 方法

采用線(xiàn)性擬合、M-K檢驗(yàn)等對(duì)近60年山西省地面風(fēng)速的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。為了得到山西省地面風(fēng)速的總體趨勢(shì)，將山西省內(nèi)站點(diǎn)風(fēng)速進(jìn)行算術(shù)平均得到山西省年和四季平均風(fēng)速的時(shí)間序列。本文中年平均風(fēng)速為當(dāng)年1—12月算術(shù)平均值。采用氣象季節(jié)定義即上一年12月至當(dāng)年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。

2 結(jié)果分析

2.1 山西省風(fēng)速空間分布特征

根據(jù)山西省108個(gè)氣象站逐月平均風(fēng)速求出年和四季平均風(fēng)速，然后對(duì)108個(gè)氣象站的年和四季平均風(fēng)速取60年(1960—2019年)平均，得到108個(gè)氣象站的多年平均風(fēng)速，圖2給出了山西省年和四季多年平均風(fēng)速的空間分布。由圖2可知，山西省多年平均風(fēng)速一般在1.0～3.5 m/s之間。晉西北及西部山區(qū)、晉中市北部、長(zhǎng)治市東南部、運(yùn)城盆地西南部等地風(fēng)速較大，均在2 m/s以上，其中渾源、平魯-神池一帶、潞城平均風(fēng)速在3 m/s以上，隨著海拔高度增加，風(fēng)速逐漸加大。中部斷陷盆地區(qū)風(fēng)速較小，在1～2 m/s之間。山西省不同季節(jié)風(fēng)速差異較大，春季風(fēng)速最大，冬季和夏季次之，秋季最小。

圖2 1960—2019年山西省年和四季平均風(fēng)速空間分布

2.2 山西省風(fēng)速空間變化趨勢(shì)特征

圖3是1960—2019年山西省年和四季平均風(fēng)速空間變化趨勢(shì)分布。由圖3可知，除少數(shù)氣象站風(fēng)速變化有微弱顯著增加趨勢(shì)外，其他地區(qū)均風(fēng)速呈顯著減少變化趨勢(shì)。四季平均風(fēng)速空間變化趨勢(shì)分布與年變化趨勢(shì)分布類(lèi)似，夏季和秋季通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)的區(qū)域較其他季節(jié)少。

圖3 1960—2019年山西省年和四季平均風(fēng)速線(xiàn)性趨勢(shì)空間分布

為詳細(xì)了解山西省各氣象站風(fēng)速趨勢(shì)變化的分布情況，對(duì)各氣象站年和四季風(fēng)速趨勢(shì)變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)。由表1可知，山西省年和春季風(fēng)速顯著性減少的氣象站達(dá)到70%以上，冬季達(dá)到63%，夏季和秋季最少，均在50%以上，年和四季風(fēng)速顯著性增加的氣象站均在12%以下，其中春季只有2個(gè)氣象站顯著性增加，冬季最多，有13個(gè)氣象站顯著性增加。由此可見(jiàn)，山西省平均風(fēng)速以減少趨勢(shì)變化的氣象站數(shù)量更多。總體上看，山西省除少數(shù)氣象站為微弱顯著增加趨勢(shì)外，其他大部分地區(qū)為顯著減少趨勢(shì)。與韓柳等人在中國(guó)風(fēng)蝕區(qū)風(fēng)速變化時(shí)空特征分析中的結(jié)論基本一致[14]。

表1 1960—2019年山西省年和四季風(fēng)速趨勢(shì)變化的臺(tái)站統(tǒng)計(jì)

2.3 山西省風(fēng)速時(shí)間變化趨勢(shì)特征

圖4是1960—2019年山西省年和四季平均風(fēng)速變化。從圖中可以看出：近60年山西省年平均風(fēng)速為2.19 m/s，最大風(fēng)速為2.62 m/s(1972年)，最小風(fēng)速為1.87 m/s(2007年)，極差0.75 m/s；年平均風(fēng)速以0.109 m·s-1/10a的速率顯著減少(表2)，60年中平均風(fēng)速減少了0.654 m/s。四季平均風(fēng)速也呈顯著減少趨勢(shì)(圖4、表2)，但減少幅度不同：春季平均風(fēng)速減少幅度最大，為0.846 m/s；其次冬季為0.78 m/s；秋季風(fēng)速減少最小，為0.408 m/s；四季中春季和冬季平均風(fēng)速減少趨勢(shì)大于年平均風(fēng)速減少趨勢(shì)。近60年來(lái)，年平均風(fēng)速階段性變化特征較為明顯，20世紀(jì)60—70年代前期為增加趨勢(shì)，之后到80年代末期減少趨勢(shì)明顯，90年代開(kāi)始減少趨勢(shì)變緩，但從2015年開(kāi)始則有恢復(fù)性增加。其中1960—1989年， 年平均風(fēng)速以0.153 m·s-1/10a的速率顯著減少；1990—2019年，風(fēng)速以0.005 m·s-1/10a的速率不顯著增加。四季中，1960—1989年平均風(fēng)速均減少， 除秋季通過(guò)0.1顯著性檢驗(yàn)外， 其余各季節(jié)均通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)，且春季和冬季高于整個(gè)研究時(shí)段的減少幅度，冬季降幅最大(-0.225 m·s-1/10a)，秋季降幅最小(-0.084 m·s-1/10a)；1990—2019年，冬季風(fēng)速以0.069 m·s-1/10a的速率顯著增加，其余季節(jié)呈不顯著減少趨勢(shì)。總體上近60年來(lái)季節(jié)風(fēng)速明顯減少，其中自1990年之后冬季風(fēng)速顯著增加。

圖4 1960—2019年山西省年和四季平均風(fēng)速變化

表2 1960-2019年山西省年和四季平均風(fēng)速變化幅度 m·s-1/10a

2.4 山西省風(fēng)速突變特征

對(duì)近60年來(lái)山西省年和四季平均風(fēng)速時(shí)間序列進(jìn)行M-K檢驗(yàn)，由圖5中UF曲線(xiàn)可見(jiàn)，年平均風(fēng)速在1960年代開(kāi)始增加，到1970年代前期開(kāi)始減少，于1980年代前期通過(guò)0.001水平的顯著性檢驗(yàn)，減少趨勢(shì)顯著。山西省年、春、夏和秋季平均風(fēng)速的突變點(diǎn)在顯著區(qū)內(nèi)(兩條虛線(xiàn)之間，顯著性水平α=0.05,u0.05=±1.96;α=0.001,u0.001=±2.56)，可認(rèn)為突變存在，突變時(shí)間分別為1982年、1984年、1984年和1982年，冬季平均風(fēng)速突變點(diǎn)在顯著區(qū)外，表明沒(méi)有顯著突變發(fā)生。不同季節(jié)出現(xiàn)突變的時(shí)間有先后之分，秋季最先出現(xiàn)突變，其次是春季和夏季。

圖5 1960—2019年山西省年和四季平均風(fēng)速突變檢驗(yàn)

3 結(jié)論和討論

(1)從近60年來(lái)山西省年和四季平均風(fēng)速的空間分布來(lái)看，山西省晉西北及西部山區(qū)、晉中市北部、長(zhǎng)治市東南部、運(yùn)城盆地西南部等地風(fēng)速較大，其中渾源、平魯—神池一帶、潞城平均風(fēng)速在3 m/s以上，隨著海拔高度增加，風(fēng)速逐漸加大。山西省中部斷陷盆地區(qū)風(fēng)速較小。春季風(fēng)速最大，冬季和夏季次之，秋季最小。

(2)近60年山西省年和四季平均風(fēng)速空間變化趨勢(shì)除少數(shù)地區(qū)風(fēng)速變化有微弱顯著增加外，風(fēng)速呈顯著減少趨勢(shì)變化的區(qū)域幾乎覆蓋了整個(gè)山西地區(qū)。

(3)近60年來(lái)，年平均風(fēng)速階段性變化特征較為明顯，20世紀(jì)60—70年代前期為增加趨勢(shì)，之后到80年代末期減少趨勢(shì)明顯，90年代開(kāi)始風(fēng)速減少趨勢(shì)變緩。四季變化中各季節(jié)風(fēng)速明顯減少，但冬季風(fēng)速自1990年之后顯著增加。

(4)對(duì)近60年山西省地面風(fēng)速時(shí)間序列進(jìn)行M-K檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，年、春季、夏季、秋季平均風(fēng)速的突變時(shí)間點(diǎn)均在20世紀(jì)80年代初，分別為1982年、1984年、1984年、1982年，冬季平均風(fēng)速?zèng)]有顯著突變發(fā)生。

近60年山西省地面風(fēng)速呈顯著減小的趨勢(shì)，這與國(guó)內(nèi)大部分學(xué)者研究全國(guó)和各地區(qū)得出的結(jié)論相一致[9-14]。風(fēng)速是一個(gè)重要的氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)特征，對(duì)各種有利或不利天氣的形成過(guò)程均有顯著的影響。風(fēng)速變化的影響因素有很多，我國(guó)地面風(fēng)速變化趨勢(shì)可能主要與觀測(cè)環(huán)境改變和城市化等非自然因素影響有關(guān)，但大尺度大氣環(huán)流的變化也對(duì)地面風(fēng)速減弱具有一定影響[17]。大范圍地面平均風(fēng)速下降現(xiàn)象，既有局地人為因素的影響，也有大尺度大氣環(huán)流變化的作用，但可能以城市化和觀測(cè)臺(tái)站附近環(huán)境變化等人為因素影響為主，但不是地面風(fēng)速下降的唯一原因[13,17]。Jiang等認(rèn)為城市化發(fā)展、氣象臺(tái)站的遷址和測(cè)風(fēng)儀器的變更對(duì)中國(guó)年(季)平均風(fēng)速的長(zhǎng)期變化產(chǎn)生一定影響，但大氣環(huán)流的變化才是造成中國(guó)年(季)平均風(fēng)速呈顯著減小趨勢(shì)的最可能原因[18]。同時(shí)土地利用變化是全球環(huán)境變化的一個(gè)重要方面，是人類(lèi)活動(dòng)影響自然環(huán)境程度的重要反映，人類(lèi)的活動(dòng)更多體現(xiàn)在改變土地利用方式上，這就會(huì)改變大氣運(yùn)動(dòng)下邊界的地表屬性，影響地氣系統(tǒng)能量交換、輻射平衡和水分平衡等過(guò)程，從而導(dǎo)致區(qū)域性風(fēng)速狀況的變化[19]。中國(guó)近幾十年城市化進(jìn)程不斷加快，城市規(guī)模不斷增加，建筑物聚集，高低大小不等，造成了大氣層下墊面粗糙度增加，風(fēng)流動(dòng)時(shí)增加了阻力，使得風(fēng)速觀測(cè)值減小[19-20]。氣候變暖背景下，我國(guó)高緯度地區(qū)冬季和夜間增溫明顯，使得高低緯之間、冬夏之間和白夜之間的溫差減小，而溫差的大小決定了冷暖空氣交換的劇烈程度，從而造成了高低緯之間的經(jīng)向氣流減弱，冬夏的冷暖空氣交換也減弱，進(jìn)而造成風(fēng)速的普遍減小[21-22]。

本文對(duì)近60年山西省地面風(fēng)速變化進(jìn)行了分析，得出了與前人基本一致的結(jié)論，但是關(guān)于風(fēng)速具體減少和近年來(lái)風(fēng)速的恢復(fù)性增加的原因研究的還不夠透徹，還需要進(jìn)一步的深入分析及討論，這也是作者在接下來(lái)的工作中需要努力的方向。