2005—2020 年新疆百里風(fēng)區(qū)精細化逐時風(fēng)速特征研究

王秀琴，劉 艷，盧新玉*，黃阿麗，杜 峰

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆氣象信息中心，新疆 烏魯木齊 830002；3.福海縣氣象局，新疆 福海 836400；4.烏蘭烏蘇氣象站，新疆 石河子 832199）

風(fēng)是由空氣流動引起的一種自然現(xiàn)象，一般由太陽輻射熱引發(fā)。人類生產(chǎn)和生活中，風(fēng)具有“致利”和“致害”兩面性。風(fēng)作為無污染、可再生的清潔能源，是一種重要的氣候資源。風(fēng)能開發(fā)是我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、大力發(fā)展低碳經(jīng)濟的戰(zhàn)略任務(wù)之一。作為氣象災(zāi)害的重要組成部分，大風(fēng)災(zāi)害具有影響范圍大、季節(jié)性強、災(zāi)害損失大等特點，嚴重影響人居環(huán)境和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。風(fēng)能開發(fā)、大風(fēng)特征及其防御研究中需要對風(fēng)速特征精細把握。圍繞這一問題，已有研究對我國不同地區(qū)風(fēng)速指標(biāo)年際及年代際時空變化特征[1-5]以及日變化特征進行了定量分析[6]。結(jié)果顯示中國地面風(fēng)速總體呈顯著下降趨勢。對于風(fēng)速的日變化特征，由于小時風(fēng)速資料不易獲取，日變化圍繞日最大和日極大風(fēng)速展開。大部分站點日最大風(fēng)速出現(xiàn)在午后。

新疆有老風(fēng)口、阿拉山口、達坂城谷地、百里風(fēng)區(qū)等九大風(fēng)區(qū)，其中百里風(fēng)區(qū)是我國鐵路沿線最強的風(fēng)區(qū)[7]，年均八級以上大風(fēng)日數(shù)高達200 d ，具有風(fēng)速大、風(fēng)期長、季節(jié)性強、風(fēng)向穩(wěn)定、起風(fēng)速度快等特征[8]，風(fēng)力之大居全疆之首。大風(fēng)災(zāi)害已成為嚴重影響百里風(fēng)區(qū)安全運輸?shù)闹饕獨庀鬄?zāi)害[8-11]。許多學(xué)者圍繞百里風(fēng)區(qū)大風(fēng)成因及特征等開展了系列研究。但是，研究多基于4 次定時觀測月平均風(fēng)速、年平均風(fēng)速及大風(fēng)日數(shù)開展。利用24 h 觀測資料的分析，主要是從大風(fēng)天氣過程入手，結(jié)論多為風(fēng)區(qū)風(fēng)速季節(jié)和年際特征的定量描述[12-15]。距離百里風(fēng)區(qū)風(fēng)預(yù)報預(yù)警等氣象科技服務(wù)能力建設(shè)需求還存在差距。新疆“三山夾兩盆”的特殊地形特征，以及復(fù)雜的多尺度地形和陸氣相互作用過程，使得新疆地區(qū)地面風(fēng)分布、演變過程和異常變化中的科學(xué)問題更加突出[9]。面對風(fēng)速的強脈動性，6 h 間隔的記錄數(shù)據(jù)難以捕捉到風(fēng)的陣性變化和掌握風(fēng)精細化時間特征。因此，本文以24 次定時高頻風(fēng)速觀測記錄數(shù)據(jù)為例，開展風(fēng)速精細化特征分析，與4 次定時數(shù)據(jù)進行異同性比較，精細掌握風(fēng)速變化過程細節(jié)，嘗試找出強脈動性干擾下，風(fēng)觀測記錄數(shù)據(jù)與風(fēng)的完整表達存在的誤差[9]，以期為百里風(fēng)區(qū)風(fēng)的預(yù)報預(yù)警、氣象服務(wù)提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

百里風(fēng)區(qū)處于40 °N 以北，東天山隆起與哈密坳陷過渡地帶（圖1），指蘭新鐵路在新疆境內(nèi)的紅旗坎至了墩站，全長約123 km。風(fēng)區(qū)地勢北高南低，北面遙對博格達山與巴里坤山山間的七角井埡口。喇叭狀的谷地，主要表現(xiàn)為低山丘陵、石質(zhì)剝蝕平原及山前洪積砂礫，呈現(xiàn)干旱地表狀態(tài)[8]。

圖1 百里風(fēng)區(qū)地理位置

十三間房是百里風(fēng)區(qū)中風(fēng)力最強勁之處[16]。十三間房氣象站位于七角井風(fēng)口以南約17 km，哈密以西約200 km，南面是蘭新鐵路線，北面是312 國道。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取2005—2020 年十三間房氣象站觀測的2 min 平均風(fēng)速、日最大風(fēng)速、日極大風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)數(shù)據(jù)。資料來源于新疆維吾爾自治區(qū)氣象信息中心，并經(jīng)嚴格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 風(fēng)力等級劃分

依據(jù)2003 版《地面氣象觀測規(guī)范》[17]，將風(fēng)力劃分為13 級（0 ～12 級），其對應(yīng)的風(fēng)速范圍如表1 所示。

表1 風(fēng)力等級

本文涉及相關(guān)術(shù)語見表2[7，17]。

表2 大風(fēng)、大風(fēng)日數(shù)等相關(guān)定義

2.2.2 計算方法

對24 次及4 次定時風(fēng)速的對比，采用數(shù)據(jù)差值法計算；對風(fēng)速的日變化情況進行每小時平均風(fēng)速分析，確定風(fēng)速日變化趨勢及高值區(qū)與低值區(qū)出現(xiàn)時間區(qū)間；對風(fēng)速的年變化特征采用氣候趨勢率分析。

（1）數(shù)據(jù)差值

計算24 次與4 次定時觀測風(fēng)速差值。首先對24 次定時觀測的2 min 平均風(fēng)速進行處理，計算21—02 時、03—08 時、09—14 時、15—20 時的平均值，再將其分別與02、08、14、20 時4 次定時觀測值進行差值計算，得到23 376 對風(fēng)速差數(shù)據(jù)序列。

差值絕對值指24 次定時觀測的時（日、月、年）平均值與4 次定時觀測的時（日、月、年）平均值的差的絕對值。

（2）風(fēng)速日變化

式中：R（t，d）表示第d 天t 時（t=1，2，…，24）的小時風(fēng)速，dz是有觀測資料的總天數(shù)是t 時的平均風(fēng)速。

（3）氣候趨勢率

氣候要素變化的趨勢，采用一元線性回歸表示，即：

式中：x 表示氣候要素，t 表示時間；a0表示回歸常數(shù)，a1表示回歸系數(shù)[18]。

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)速特征差異

將2005—2020 年十三間房氣象站5 844 d 自動氣象觀測站24 次與4 次定時觀測的風(fēng)速數(shù)據(jù)進行對比分析。從各定時及日平均差值（表3）可知，02、20 時差值為負值，08、14 時差值為正值，日平均差值為正值。24 次定時觀測數(shù)據(jù)平均高于4 次定時觀測值。14、20 時差值絕對值平均明顯高于02、08時，即白天時段風(fēng)速陣性強于夜間，觀測頻數(shù)越多，越能真實反映風(fēng)速變化特征。由各月平均及年平均差值（表4）可知，春、夏季差值負值偏多，秋、冬季正值偏多，說明春、夏季24 次定時值平均低于4 次定時觀測值，秋、冬季反之。此外，兩組對比值中的差值絕對值顯示，隨時間分辨率提高，兩組數(shù)據(jù)差異程度增大。

表3 4 次定時及日平均風(fēng)速差值 m·s-1

表4 月平均及年平均差值 m·s-1

對不同等級風(fēng)速數(shù)據(jù)進行差異分析。以02、08、14、20 時觀測值進行風(fēng)速等級劃分，各級風(fēng)速出現(xiàn)時數(shù)見表5。0～4 級，以正偏差為主，5～12 級以負偏差為主，即風(fēng)力在4 級及以下時，24 次定時觀測數(shù)據(jù)高于4 次定時觀測值；5 級或5 級以上。從差值偏差程度可知，風(fēng)力等級越高，偏差越大。各級風(fēng)力出現(xiàn)時數(shù)與差值呈反相關(guān)，即出現(xiàn)時數(shù)越多，數(shù)據(jù)差異越小，如2～3 級風(fēng)出現(xiàn)時數(shù)最多，差值絕對值最小。但日常服務(wù)往往關(guān)注的是風(fēng)力較大時風(fēng)速測量的精確度。

表5 各級風(fēng)速出現(xiàn)時數(shù)及平均差值

由不同時間分辨率對比情況可知，數(shù)據(jù)觀測頻次越密，差值越大；風(fēng)速越大，差值越大。采用每小時1 次時間分辨率的觀測數(shù)據(jù)，比每日4 次的觀測頻次更能全面、準(zhǔn)確反映風(fēng)速的變化特征。故本文選取24 次定時觀測值進行風(fēng)特征分析。

3.2 風(fēng)速變化特征分析

3.2.1 風(fēng)速日變化特征

由十三間房2005—2020 年24 次定時觀測各時平均風(fēng)速序列分布（圖2）可知，風(fēng)速全天持續(xù)較高，日平均風(fēng)速達8.3 m·s-1，最高值出現(xiàn)在04 時左右，平均風(fēng)速達8.9 m·s-1，最低值出現(xiàn)在15 時，平均風(fēng)速為7.6 m·s-1。夜間平均風(fēng)速為8.6 m·s-1，上午時段平均風(fēng)速為8.2 m·s-1，下午時段平均風(fēng)速為7.9 m·s-1，即該地平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在夜間，最小值出現(xiàn)在下午。

圖2 平均風(fēng)速與大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)日變化

百里風(fēng)區(qū)以風(fēng)大、大風(fēng)日數(shù)多而著稱。對2005—2020 年3 209 個大風(fēng)日15 786 個大風(fēng)時數(shù)按出現(xiàn)時間（圖2）進行分類。十三間房大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)最多的時次為17—20 時，處于小時平均風(fēng)速較低時段。日變化規(guī)律與新疆整個區(qū)域大風(fēng)的日變化趨勢一致，具有明顯階段性，集中在下午時段[19]。

對16 a 的5 844 d 各日極大風(fēng)速和最大風(fēng)速出現(xiàn)時間（圖3）進行統(tǒng)計。日極大風(fēng)速日變化規(guī)律與大風(fēng)出現(xiàn)時間日變化規(guī)律相似。日極大風(fēng)速出現(xiàn)時間發(fā)生次數(shù)較多的集中在16—20 時，最大值為20時的1 093 次，占總次數(shù)的18.7%，其次為16 時，為537 次。11～12 級風(fēng)集中在15—18 時。日最大風(fēng)速出現(xiàn)時間發(fā)生次數(shù)最多的為20 時，為865 次，占總次數(shù)的14.8%，與極大風(fēng)速最大值為同一時次。但最大風(fēng)速在夜間到10 時出現(xiàn)頻數(shù)一直處于較高位，且相對穩(wěn)定，均高于210 次。即最大風(fēng)速與平均風(fēng)速持續(xù)較高時段均在夜間到上午，但下午時段極大風(fēng)速出現(xiàn)次數(shù)高于其他時段。從最大風(fēng)速與極大風(fēng)速定義可以判斷，下午時段風(fēng)速陣性特征凸顯。說明受太陽輻射作用影響，下午是該地風(fēng)速波動最大的時段。

圖3 最大風(fēng)速與極大風(fēng)速出現(xiàn)次數(shù)日變化

十三間房平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、大風(fēng)出現(xiàn)時次的日變化規(guī)律存在一定差異，各指標(biāo)顯示的峰谷值出現(xiàn)時間明顯不一。平均風(fēng)速和最大風(fēng)速表示一段時間內(nèi)風(fēng)的平均狀況，可代表一日中持續(xù)時間較長的風(fēng)速情況。十三間房平均風(fēng)速與最大風(fēng)速高值出現(xiàn)在凌晨到上午，極大風(fēng)速及大風(fēng)出現(xiàn)最多的時次為午后，說明風(fēng)速變化在地形作用的基礎(chǔ)上，還一定程度上受太陽輻射日變化影響。另外一個重要影響因子是十三間房區(qū)域性大風(fēng)在大氣環(huán)流背景下的動量下傳[12]。因此在預(yù)報過程中，針對下午時段風(fēng)陣性預(yù)報，可多關(guān)注西風(fēng)急流的影響，針對上午及傍晚，可多關(guān)注氣溫變化。

3.2.2 風(fēng)速月變化特征

十三間房月平均風(fēng)速季節(jié)變化特征（圖4）明顯，春、夏季平均風(fēng)速大，秋季次之，冬季最小。5—8月月平均風(fēng)速均超過10.0 m·s-1，其中6 月最大，月平均風(fēng)速達10.96 m·s-1。其次是5 月，月平均風(fēng)速為10.66 m·s-1。1 月最小，月平均風(fēng)速為3.94 m·s-1，12月次之，為4.56 m·s-1。

圖4 風(fēng)速及大風(fēng)日數(shù)月變化

大風(fēng)日數(shù)各月分布與平均風(fēng)速規(guī)律一致（圖4），春、夏季出現(xiàn)次數(shù)明顯高于秋、冬季。最高值出現(xiàn)在6 月，月平均大風(fēng)日數(shù)為24.5 d，其次是7 月，為23.3 d。5—8 月是大風(fēng)易發(fā)月，平均達23.2 d，大風(fēng)日數(shù)全年共200.6 d，這一時段就有92.6 d，占全年大風(fēng)日數(shù)的46%。

各月各等級風(fēng)速分布呈現(xiàn)春、夏季平均風(fēng)速大，且較大風(fēng)速持續(xù)時間長；秋、冬季風(fēng)速相對較小，大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)也較少。從各月各級風(fēng)速分布（圖5）及不同風(fēng)力等級各月出現(xiàn)時數(shù)和不同月份各級風(fēng)力出現(xiàn)時數(shù)占比（圖6）可以看出，2～7 級風(fēng)出現(xiàn)頻次較多，2 級風(fēng)年平均出現(xiàn)時數(shù)為1 571.5 h，3 級為1 555.3 h；出現(xiàn)時數(shù)最少的是11、12 級，分別為12.3、1.3 h。冬半年（10—3 月），0～3 級風(fēng)出現(xiàn)時數(shù)占全年總時數(shù)的71%，夏半年（4—9 月）4～10 級風(fēng)出現(xiàn)時數(shù)占全年總時數(shù)的67%。

圖5 各季不同風(fēng)力等級風(fēng)速出現(xiàn)時數(shù)

圖6 不同風(fēng)力等級分布

春、夏季頻繁的天氣過程是引起風(fēng)區(qū)風(fēng)力增加的重要驅(qū)動因素。春季北方冷空氣活動頻繁，受地形影響，積聚在準(zhǔn)噶爾盆地，與盆地上升的熱氣流相遇，因南北地勢海拔落差較大，氣壓梯度力劇增；夏季新疆受副熱帶西風(fēng)急流影響，以及本地沙漠和戈壁在日光照射下升溫快，使地面附近的空氣層十分不穩(wěn)定，加之喇叭口地形產(chǎn)生的狹管效應(yīng)，致使十三間房春、夏季多大風(fēng)。湯浩等[19]使用WRF 模式進行中尺度模擬，通過強風(fēng)天氣個例分析，進一步說明該地夏季風(fēng)力強勁的重要成因是地形強迫引發(fā)有限振幅重力波，背風(fēng)坡上空大風(fēng)區(qū)之上的臨界層吸收上層能量并向下傳遞，增大了風(fēng)區(qū)風(fēng)速[19]。潘新民等[20]通過對天山色皮山口的狹管效應(yīng)和越山后流洩風(fēng)作用形成強風(fēng)的試算、驗算，發(fā)現(xiàn)入侵的冷空氣越冷，背風(fēng)坡山腳處的氣溫越高時流洩風(fēng)的風(fēng)速越大。在冬季，由于近地層逆溫層的出現(xiàn)，背風(fēng)坡山腳處的氣溫不高，所以在這個季節(jié)流洩風(fēng)的作用大為減弱。

十三間房月平均風(fēng)速變化規(guī)律與大氣環(huán)流緊密相關(guān)，地形起到放大作用。因此，建議加強春夏期間大風(fēng)的預(yù)報和預(yù)防[12，19-22]。

3.2.3 風(fēng)速年變化特征

十三間房年平均風(fēng)速與年大風(fēng)日數(shù)均呈微弱減小趨勢（圖7）。2005—2020 年的年平均風(fēng)速達8.3 m·s-1，最大值出現(xiàn)在2010 年，是16 a 中唯一年平均風(fēng)速超過9.0 m·s-1的年份。這與2010 年多大風(fēng)有關(guān)，這一年大風(fēng)日數(shù)為224 d，達1 396 h，是近16 年持續(xù)大風(fēng)時數(shù)最長的一年。其中風(fēng)力達30 m·s-1以上的就有62 d。年平均風(fēng)速最小值出現(xiàn)在2020 年，為8.0 m·s-1。其他年份平均風(fēng)速變化不大，為8.0～8.5 m·s-1。由于時間分辨率較低，基于24次觀測的年平均風(fēng)速與4 次定時觀測計算的年平均風(fēng)速差值不大，與其他研究結(jié)果基本一致。大風(fēng)日數(shù)分布趨勢與年平均風(fēng)速一致，2014—2020 年連續(xù)7 a的年大風(fēng)日數(shù)均低于平均值200.6 d。

圖7 十三間房年平均風(fēng)速及大風(fēng)日數(shù)年變化

4 討論

風(fēng)的預(yù)報預(yù)警是氣象服務(wù)的重要內(nèi)容，同時也是難點之一。新疆風(fēng)口大風(fēng)對當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活造成極大影響[12]。長期以來，受風(fēng)資料時間頻次限制，風(fēng)的日變化、強度變化特征研究受到一定制約。相對于百里風(fēng)區(qū)，苗運玲等[7，12-14]基于4 次定時觀測數(shù)據(jù)，對百里風(fēng)區(qū)風(fēng)速變化特征進行了分析，結(jié)果表明，百里風(fēng)區(qū)年平均風(fēng)速呈減小趨勢，春、夏季風(fēng)速大于秋、冬季，月平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在5 月。對風(fēng)速的日變化特征分析主要從大風(fēng)出現(xiàn)時間著手，結(jié)果顯示百里風(fēng)區(qū)與新疆整個區(qū)域大風(fēng)的日變化趨勢一致，具有明顯階段性，集中在下午時段[19]，但各時次風(fēng)速變化的分析較少。

本研究基于24 次定時風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)，首先對24 次定時與4 次定時的差異性進行對比，不同時間分辨率平均風(fēng)速的數(shù)據(jù)差異可見，隨風(fēng)速增大，二者差異隨之增大。且時間分辨率越高，越能捕捉風(fēng)的陣性特征。考慮以往研究對日變化分析較少，本文著重對風(fēng)速的日變化特征進行了探討，發(fā)現(xiàn)十三間房平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在夜間，最小值出現(xiàn)在下午，這與《新疆氣象預(yù)報手冊》[22]所描述“主要風(fēng)口及風(fēng)區(qū)風(fēng)速上午最小”結(jié)論有所不同。考慮這2 個時次為非4次定時觀測時間，故4 次定時觀測不能正常捕捉小時平均風(fēng)速最高值及最低值出現(xiàn)時間。但極大風(fēng)速與大風(fēng)出現(xiàn)時間與前人研究結(jié)果一致，均出現(xiàn)在17—20 時，說明風(fēng)陣性特征最明顯的時間出現(xiàn)在下午。在月變化特征分析中，將24 次定時與4 次定時分析結(jié)果也進行了對比，二者也有一定差異，24 次觀測值顯示月平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在6 月，與前人研究結(jié)果略有不同。年變化特征24 次定時與4 次定時觀測表現(xiàn)出的變化趨勢基本一致。

風(fēng)作為一種陣性特征極強的天氣現(xiàn)象，觀測時間分辨率越高，對臨近或短期預(yù)報的參考性越強。隨著氣象觀測自動化水平的不斷提高，風(fēng)特征的研究可基于更高時間分辨率的觀測數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

通過基于小時頻次的風(fēng)速數(shù)據(jù)，對百里風(fēng)區(qū)風(fēng)況特征進行分析，得出如下結(jié)論：

（1）24 次與4 次定時觀測數(shù)據(jù)對比結(jié)果顯示，隨觀測頻次加密，數(shù)據(jù)差異明顯增大，且風(fēng)力級別越高，偏差越大。

（2）百里風(fēng)區(qū)風(fēng)速變化規(guī)律與大氣環(huán)流緊密相關(guān)，地形起加強放大作用，風(fēng)速一直處較高水平，年平均風(fēng)速為8.3 m·s-1。年平均大風(fēng)日數(shù)為200.6 d。年平均風(fēng)速與大風(fēng)日數(shù)均呈微弱減小趨勢。

（3）月變化表現(xiàn)為春、夏季平均風(fēng)速明顯高于秋、冬季，其中6 月平均風(fēng)速最大。5—8 月大風(fēng)出現(xiàn)日數(shù)最多，占全年大風(fēng)日數(shù)的46%。

（4）風(fēng)速日變化主要表現(xiàn)為夜間起風(fēng)，平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在夜間04 時前后。下午風(fēng)速波動最大，大風(fēng)易發(fā)時段為17—20 時。即平均風(fēng)速最大時段與大風(fēng)易發(fā)時段不完全重合。