西北地區(qū)氣候變化與風(fēng)速響應(yīng)特征

丁彩霞，延軍平，李敏敏

研究［1］表明，全球地表溫度上升了0.4～0.8℃，未來(lái)將繼續(xù)變暖。顯然在氣候變暖背景下，研究中國(guó)區(qū)域氣候響應(yīng)已成為一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題。風(fēng)速作為蒸散的重要驅(qū)動(dòng)因子，它的變化將直接影響區(qū)域水循環(huán)。在提倡大力發(fā)展清潔能源的今天，風(fēng)能的發(fā)展?jié)摿εc風(fēng)速變化也休戚相關(guān)［2］。風(fēng)能作為一種清潔安全的可再生資源，它的可持續(xù)利用受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注［1－3］。近年來(lái)，隨著能源危機(jī)的加劇我國(guó)對(duì)氣候變化和風(fēng)速風(fēng)能的研究也不斷深入。20世紀(jì)80年代以來(lái)，張文佳、張永戰(zhàn)［3］利用1900—2005年中國(guó)風(fēng)電數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)電的時(shí)空變化特征和趨勢(shì)進(jìn)行了分析。李艷［4］等研究了中國(guó)近地表氣候變異及下墊面性質(zhì)改變對(duì)風(fēng)能資源的影響，認(rèn)為我國(guó)年平均風(fēng)速整體上呈減弱趨勢(shì)。施雅風(fēng)［5］利用西北地區(qū)氣溫、降水、徑流等大量資料，研究分析了西北地區(qū)溫度、降水變化趨勢(shì)，認(rèn)為該地氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型。張振國(guó)［6］對(duì)我國(guó)北方風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀與前景進(jìn)行了分析，指出北方地區(qū)風(fēng)能開(kāi)發(fā)潛力巨大但利用程度較低。西北地區(qū)位于青藏高原北側(cè)，地域遼闊、地形復(fù)雜，是氣候變化敏感區(qū)、生態(tài)環(huán)境脆弱帶，因而成為研究熱點(diǎn)區(qū)域之一。研究表明［7－10］，近50年來(lái)西北地區(qū)氣溫變化與全國(guó)及東亞地區(qū)氣溫變化一致呈增暖趨勢(shì)，且西北地區(qū)增溫幅度略高于東亞和中國(guó)的平均水平。我國(guó)地形復(fù)雜，風(fēng)速、風(fēng)能資源的區(qū)域差異非常明顯，因此深入了解西北地區(qū)風(fēng)速的時(shí)空變異特點(diǎn)具有實(shí)際意義，同時(shí)，分析風(fēng)速的時(shí)空變化特征也有利于加深對(duì)西北區(qū)域氣候變化的理解。鑒于此，本研究以西北地區(qū)為對(duì)象，選取了1961—2011年的降水、氣溫和風(fēng)速資料。綜合運(yùn)用趨勢(shì)線法、Mann—Kendall突變檢驗(yàn)法、及ArcGIS空間差值法從不同時(shí)空尺度和層面上對(duì)西北地區(qū)氣候變化特征及其對(duì)風(fēng)速的影響進(jìn)行分析，以期為該地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)建設(shè)及能源開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國(guó)西北地區(qū)包括新疆、青海、甘肅、陜西、寧夏及內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，地理位置介于31°—50°N，75°—113°E。該區(qū)位于歐亞大陸內(nèi)部，遠(yuǎn)離海洋，受夏季風(fēng)影響較小，海洋濕潤(rùn)氣流難以深入，氣候干燥，多屬溫帶大陸性氣候，年降水量呈由東向西逐漸減少態(tài)勢(shì)，屬典型的氣候變化敏感區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱。

1.2 資料選取

氣象資料來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，為了全面反映西北地區(qū)的氣候狀況，考慮到氣象記錄的起始時(shí)間不一，且氣象臺(tái)站有撤銷、遷移現(xiàn)象，為建立穩(wěn)定的氣候序列保證氣象數(shù)據(jù)的一致性和完備性，最終選擇覆蓋研究區(qū)的105個(gè)站點(diǎn)，1961—2011年年降水量、平均氣溫及平均風(fēng)速數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

運(yùn)用氣候傾向率法和Mann—Kendall突變檢驗(yàn)法［7］對(duì)西北地區(qū)近51a氣侯變化特征進(jìn)行分析，基于ArcGIS空間分析方法再現(xiàn)了氣候變化及其背景下風(fēng)速的時(shí)空格局演變。

2 氣候變化特征

2.1 氣溫變化特征

2.1.1 氣溫隨時(shí)間的變化特征 1961—2011年西北地區(qū)氣溫在波動(dòng)中呈顯著上升趨勢(shì)（圖1），增溫速率為0.37℃／10a，遠(yuǎn)高于全國(guó)平均變暖率（0.2℃／10a）［11］，多年平均氣溫為6.8℃，年均溫最高值出現(xiàn)在2007年，為8.2℃，最低值出現(xiàn)在1967年，為5.4℃，兩者相差2.8℃，說(shuō)明年均溫變化幅度較大?；?階擬合曲線，西北地區(qū)的氣溫變化大致可以劃分為以下3個(gè)階段：第一階段：1961—1984年氣溫緩慢波動(dòng)上升，年氣溫距平以負(fù)值為主；第二階段：1985—2002年氣溫距平正負(fù)交替出現(xiàn)，氣溫大幅上升；第三階段：2003—2011年增溫趨勢(shì)減緩，年氣溫距平均為正值。

通過(guò)對(duì)西北地區(qū)1961—2011年氣溫進(jìn)行Mann—Kendall突變檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)（圖2），1961—1979年正向時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)值UF多在0值以下，表明氣溫呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，1979年以后UF＞0，氣溫回升，1986年后氣溫上升速率加快，UF值在1994年超出顯著性水平0.05信度線，說(shuō)明氣溫顯著增加。UF和UB在±1.96臨界線內(nèi)相交于1991年，表明西北地區(qū)年均溫在1991年前后發(fā)生了由冷到暖的突變。

圖1 西北地區(qū)1961－2011年平均氣溫變化特征

圖2 西北地區(qū)1961－2011年平均氣溫Mann－Kendall檢驗(yàn)

2.1.2 平均氣溫的空間變化特征 由附圖11可見(jiàn)，西北地區(qū)各站點(diǎn)氣溫傾向率以正值為主，區(qū)域整體變暖趨勢(shì)明顯。從區(qū)域差異角度分析，內(nèi)蒙古西部、寧夏北部、青海西南部為增溫高值區(qū)，氣溫傾向率最大值出現(xiàn)在內(nèi)蒙西部的臨河站，升溫速率為0.64℃／10a，青海西南部升溫速率約為0.4～0.6℃／10a。陜西秦嶺山脈以南和甘肅南部為增溫低值區(qū)，氣溫傾向率最小值出現(xiàn)在陜西境內(nèi)的商縣，升溫速率只有0.03℃／10a。整個(gè)新疆地區(qū)增溫趨勢(shì)較緩，天山山脈西麓增溫相對(duì)較快，升溫速率約為0.4℃／10a，準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地增溫相對(duì)較慢，升溫速率約為0.1～0.2℃／10a?？傮w上來(lái)看，近51a西北地區(qū)氣溫整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，且存在較明顯的區(qū)域差異。

2.2 降水變化特征

2.2.1 降水隨時(shí)間的變化特征 由圖3可以看出，1961—2011年西北地區(qū)降水量總體呈減少趨勢(shì)，下降速率為8.49mm／10a。51a平均降水量為263.77 mm。年降水量最大值出現(xiàn)在1961年，為436.69mm，年降水量最小值出現(xiàn)在1982年，為158.07mm，兩者相差278.62mm，說(shuō)明降水年際變化幅度大。由6階擬合曲線看出，20世紀(jì)60—70年代末降水波動(dòng)減少，20世紀(jì)80—90年代末降水變化趨勢(shì)穩(wěn)定，2000年以后降水略有減少，降水整體波動(dòng)特征不明顯。

圖3 西北地區(qū)1961－2011年降水變化特征

2.2.2 降水空間變化特征 由附圖12可見(jiàn)，西北地區(qū)降水變化呈現(xiàn)明顯的東西差異分布特征，大概以臨河—銀川—蘭州段黃河為界，黃河以東地區(qū)降水呈減少趨勢(shì)，黃河以西地區(qū)降水呈增加趨勢(shì)，新疆自治區(qū)天山山脈以北地區(qū)、青海省東部地區(qū)降水量增加趨勢(shì)明顯，增加速率約為10～30mm／10a，天山以南地區(qū)降水變化趨勢(shì)不顯著，西北東部降水呈顯著減少趨勢(shì)，減少速率約為10～20mm／10a。綜合來(lái)看，雖然整個(gè)西北大部分地區(qū)降水呈較緩增加趨勢(shì)，但區(qū)域整體降水仍有所減少。

3 平均風(fēng)速變化特征

3.1 平均風(fēng)速隨時(shí)間變化特征

由圖4可以看出，1961—2011年西北地區(qū)平均風(fēng)速呈下降趨勢(shì)，下降速率為每10a下降0.11m／s。51a平均風(fēng)速為2.52m／s。年平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在1969年，為3.02m／s，年平均風(fēng)速最小值出現(xiàn)在2011年，為2.23m／s，相差0.79m／s。由6階擬合曲線看出，20世紀(jì)60—70年代中期平均風(fēng)速波動(dòng)上升，70年代中期到90年初平均風(fēng)速下降趨勢(shì)顯著，90年代以后風(fēng)速趨于穩(wěn)定，平均風(fēng)速整體呈較明顯波動(dòng)下降趨勢(shì)。

圖4 西北地區(qū)1961－2011年平均風(fēng)速變化特征

3.2 平均風(fēng)速空間變化特征

由附圖13可見(jiàn)，西北地區(qū)平均風(fēng)速變化空間差異顯著，西北西部邊界和西北東南部風(fēng)速略有增加，西北中西部風(fēng)速呈減少趨勢(shì)。新疆自治區(qū)西南部邊境、寧夏自治區(qū)北部及甘肅省南部風(fēng)速上升趨勢(shì)最明顯，上升速率約為每10a上升0.16m／s，青海省東南部上升速率約為每10a上升0.14m／s。新疆、青海地區(qū)大部平均風(fēng)速呈下降趨勢(shì)，內(nèi)蒙古自治區(qū)西部和甘肅省西北部平均風(fēng)速下降趨勢(shì)明顯，下降速率約為每10a下降0.3～0.7m／s。從總體來(lái)看，整個(gè)西北地區(qū)平均風(fēng)速呈下降趨勢(shì)。

4 氣溫與風(fēng)速的回歸分析

由圖5可知，利用西北地區(qū)1961—2011年平均風(fēng)速與氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合［12］，建立一元線性線性回歸模型。回歸模型通過(guò)F顯著性檢驗(yàn)，即氣溫每升高1℃，平均風(fēng)速下降0.216m／s。年均溫的變化與平均風(fēng)速變化呈負(fù)相關(guān)，從6階擬合曲線看出，20世紀(jì)60年代氣溫下降，風(fēng)速上升，70—90年代末氣溫持續(xù)上升，平均風(fēng)速相應(yīng)減小，進(jìn)人21世紀(jì)增溫趨勢(shì)減緩，平均風(fēng)速略有增加。

5 結(jié)論

（1）近51a來(lái)，西北地區(qū)增溫趨勢(shì)明顯，增溫速率為0.37℃／10a，遠(yuǎn)高于全國(guó)平均變暖率（0.2℃／10a），多年平均溫度為6.8℃；1961—1984年為相對(duì)低溫期，1985—2002年氣溫顯著上升，2003—2011年氣溫上升趨勢(shì)減緩；增溫趨勢(shì)具有明顯的空間差異，內(nèi)蒙古自治區(qū)西部和青海省西南部為增溫高值區(qū)，陜西省秦嶺山脈以南甘肅東南部位增溫低值區(qū)，新疆自治區(qū)大部分地區(qū)增溫速率較緩。

圖5 西北地區(qū)1961－2011年氣溫與風(fēng)速關(guān)系

（2）近51a來(lái)，西北地區(qū)降水呈減少趨勢(shì)，下降速率為8.49mm／10a，51a平均降水量為263.77mm。1961—1970年降水下降趨勢(shì)明顯，1971—1997年降水變化趨勢(shì)趨于穩(wěn)定，1998—2011年降水波動(dòng)變化趨勢(shì)加快，降水變化呈現(xiàn)明顯的東西差異分布特征，大概以臨河—銀川—蘭州段黃河為界，黃河以東地區(qū)降水呈減少趨勢(shì)，黃河以西地區(qū)降水呈增加趨勢(shì)，整體來(lái)看，西北西部降水呈增加趨勢(shì)，西北東部降水顯著減少趨勢(shì)，西北中部降水變化趨勢(shì)不明顯。

（3）綜合氣溫和降水看出，西北東部呈暖干化趨勢(shì)，西北西、中部地區(qū)呈相對(duì)暖濕趨勢(shì)。

（4）近51a西部地區(qū)平均風(fēng)速呈減小趨勢(shì)，減小速率為每10a下降0.11m／s，1961—1974年風(fēng)速呈增大趨勢(shì)，1975—1992年風(fēng)速減小趨勢(shì)明顯，1993—2011年風(fēng)速趨于穩(wěn)定，風(fēng)速空間變化特征表現(xiàn)為，西北地區(qū)的東、西部略有增加，中部減小趨勢(shì)明顯。

（5）氣溫和風(fēng)速有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即氣溫每升高1℃，平均風(fēng)速下降0.21m／s。60年代氣溫下降，風(fēng)速上升，70—90年代末氣溫持續(xù)上升，平均風(fēng)速相應(yīng)減小，進(jìn)人21世紀(jì)增溫趨勢(shì)減緩，平均風(fēng)速略有增加。

（6）本研究分析了西北地區(qū)氣候暖干化背景下風(fēng)速的時(shí)空變化特征，對(duì)于這種變化的形成機(jī)制需要進(jìn)一步研究。另外，全球變暖背景下西北地區(qū)風(fēng)速的變化，對(duì)該地風(fēng)能資源利用影響，對(duì)沙塵暴等災(zāi)害的作用等均為有待深入研究的問(wèn)題［13－14］，在未來(lái)該區(qū)域發(fā)展規(guī)劃及新能源開(kāi)發(fā)利用時(shí)應(yīng)進(jìn)行更為深入的調(diào)查研究工作，綜合分析各種因素，從而做出正確決策。

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