山西省近50年風速變化及突變特征分析

郭偉等

摘 要：利用線性擬合、M-K方法對山西省22個氣象觀測站1960—2010年的逐日風速資料進行了傾向、突變、逐年代變化等特征分析。研究表明，近50年來山西省平均風速存在明顯的下降趨勢，平均風速由20世紀60年代的2.16 m/s下降到21世紀初的1.86 m/s；不同時間段呈現不同的變化特征，1979—1989年風速出現顯著下降，年均遞減率達到0.046 m/s，變率遠超出其他時段；對近50年山西省平均風速進行M-K檢驗后發(fā)現，在1982年出現明顯的突變點。山西省四季平均風速均呈下降趨勢，四季風速下降速率最快的為春季，冬季次之，夏季風速下降速率最慢。同樣，四季風速均發(fā)生突變，突變時間點分布在1980—1985年間。除8月外，山西省各個月份風速也呈下降趨勢，且均出現突變現象。

關鍵詞：風速變化；線性擬合；突變點；風速測量

中圖分類號：P425.44 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.001

風速是一個重要的氣候學統(tǒng)計特征，風速對各種有利或不利天氣的形成過程均有顯著影響。在荒漠或水土流失嚴重的地區(qū)，較大的風速會增加沙塵暴天氣中的降塵量和沙丘移動過程中的輸沙量；而在城市中，較大的風速卻有利于冬春季節(jié)空氣中污染物的擴散，緩解霧霾天氣。最近，另外一項研究熱點也與風速的變化有關，就是在我國大部地區(qū)廣泛出現的“蒸發(fā)悖論”，即氣溫升高而蒸發(fā)量下降的現象，其主要原因之一就是這些地區(qū)風速的顯著下降。風速變化的影響因素很多，除大氣的大尺度環(huán)流系統(tǒng)的變化外，還受到小尺度的地形、熱力作用和觀測環(huán)境改變的影響。到目前為止，風速下降的原因仍存分歧，主要觀點有兩種：①大氣環(huán)流的減弱。江瑩等的研究發(fā)現大氣環(huán)流的變化是造成中國年平均風速呈顯著減小趨勢最可能的原因。此外，由于中國是典型的季風區(qū)，一些針對東亞地區(qū)的研究也顯示東亞冬季風確實存在緩慢減弱的變化趨勢。②人類活動的影響，土地利用的變化，例如農業(yè)活動引起的下墊面變化、城市化進程等都導致了我國近地層風速的減弱。本研究采用山西省22個站點近50年的氣象資料，分析了山西省風速變化的趨勢及突變特征，以期為山西省未來風速預測、風能資源利用開發(fā)、空氣污染氣象預報等領域的研究提供科學依據。

1 資料與方法

風速觀測記錄受遷站、測風儀的改變、維護不周導致的測風儀性能下降、觀測環(huán)境改變等影響，易出現較大的非均一性。因此，本文首先排除了遷站次數較多、遷站距離較遠、遷站前后海拔高差較大的站點，之后對每一個站點風速數據的時間序列進行了均一性檢驗，即根據各氣象站觀測記錄報表所記載的情況結合t檢驗方法（直接檢驗方法）對氣象站1960—2010年逐年年平均風速序列進行均一性檢驗，同時考慮臺站地理位置和資料的完整性，最終我們選取了風速觀測值無斷點、相對均一的22個臺站。站點分布如圖1所示。為了得到山西省風速變化的總體趨勢，將各站資料進行算術

平均，得到1960—2010年各月、各季以及各年的平均風速數據。

采用線性傾向率進行趨勢性分析，并進行顯著性檢驗。將氣象要素的趨勢變化用一次線性方程表示，即：

t=a0+a1t（t=1，2 …n）. （1）

式（1）中： t為氣象要素擬合值；a1為線性傾向率，表示氣象要素每年的變化率。

根據觀測數據，采用F檢驗法對擬合得到的線性回歸方程進行顯著性檢驗，可得到其顯著性水平。

2 結果與分析

2.1 山西省近50年的風速變化特征

本研究所選的山西省22個站點近50年的平均風速變化趨勢基本一致，有19個站點平均風速呈下降趨勢，僅有3個站（離石、榆社、興縣）風速出現上升趨勢。將22個站點平均風速做算術平均（如圖2和表1所示）。結果表明，山西省1960—2010年平均風速存在明顯的下降趨勢，風速由20世紀60年代的2.16 m/s下降到21世紀初的1.86 m/s，年平均遞減速率為0.003 9 m/s。從圖2中可以看出，在山西省近50年風速變化過程中，最明顯的變化出現在20世紀80年代前后，即1979—1989年，風速出現顯著下降，年均遞減率達到0.046 m/s，變率遠超出其他時段；1960—1978年以及1990年以后，風速變化不明顯，僅呈現微弱上升的趨勢，風速年均遞增率分別為0.006 1 m/s和0.003 3 m/s。

在時間趨勢序列分析中，Mann-Kendall檢驗法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數檢驗方法，特別適合于分析降水、徑流、氣溫和水質等非正態(tài)分布的數據的趨勢。本文對山

西省22個氣象站點平均風速的序列進行M-K檢驗后發(fā)現，山西省年均風速的突變點在顯著區(qū)內（兩條虛線之間），可認為突變存在，突變的時間點為1982年。因此，山西省風速變化特征并不是一個逐漸下降的過程，而是一個突變下降的過程。

2.2 山西省不同季節(jié)風速變化特征

山西省不同季節(jié)風速有較大差異，春季風速最大，達到2.48 m/s，其次是冬季，平均風速為1.93 m/s；平均風速最小的季節(jié)為秋季，風速僅為1.75 m/s。對山西省不同季節(jié)近50年的風速變率進行分析后發(fā)現，四季平均風速都存在顯著下降的特征。風速下降幅度最大的季節(jié)是春季，每10年降幅為0.120 m/s，其次是冬季，每10年降幅為0.117 m/s；下降幅度較小的季節(jié)是夏季和秋季，每10年降幅分別為0.059 m/s和0.074 m/s，同時也可以看出，風速下降速率的大小基本上與風速大小成正比——季節(jié)風速越大，風速的下降幅度也越大。

為了研究山西省近50年不同季節(jié)風速的突變特征，將22個站風速合計成平均值構成新的季平均風速序列，再運用M-K檢驗，尋找突變的時間。圖3給出了山西省四季平均風速序列的M-K檢驗。結果顯示，春夏秋冬四季的突變點均在顯著區(qū)內，可認為突變存在，四季突變時間依次為1982年、1982年、1985年、1980年，同時也表明不同季節(jié)出現突變的時間有前后之分，冬季最先出現突變，其次是春季和夏季，最晚出現突變的是秋季。

2.3 山西省月平均風速年變化特征

一般來說，年內不同月份風速大小有顯著差異。從圖4可以看出，山西省年內平均風速的最大和最小值分別出現在4月和9月。

對1960—2010年各月份平均風速變化特征擬合得到的線性回歸方程進行顯著性檢驗后發(fā)現，多數月份風速下降趨勢都達到顯著水平，僅8月份風速變化未達到顯著水平，但仍顯示其有下降趨勢。從各個月份風速變化線性傾向率來看，各月風

速遞減率仍然以冬春季節(jié)的月份變率較大，1月、4月、5月的線性趨勢率明顯高于其他月份，而夏秋季節(jié)的月份風速變率較小，例如7—10月份的線性趨勢率明顯低于其他月份。

從各個月份的M-K序列來看，各月在70年代后期都呈現下降趨勢。從表3中可以看出，風速的突變現象在各個月份均有發(fā)生，且風速突變時域較為統(tǒng)一，大多月份都出現在20世紀80年代前中期，只有10月和12月的突變時間較為復雜，10月突變時間較晚，而12月突變時間則較早。

3 結論

綜上所述，近幾十年山西省風速出現了較大變化，其變化特征可歸納如下：①近50年來山西省平均風速存在明顯的下降趨勢，平均風速由20世紀60年代的2.16 m/s下降到21世紀初的1.86 m/s，年均遞減率為0.009 3 m/s；不同時間段呈現不同的變化特征，其中，以1979—1989年的下降過程最為顯著，風速年均遞減率達到0.046 m/s，其他時間段風速變化則不顯著，僅呈現微弱的上升趨勢；對近50年風速變化特征進行M-K檢驗后發(fā)現，平均風速在1982年出現明顯的突變點。因此，山西省風速變化特征并不是一個逐漸下降的過程，而是一個突變下降的過程。②對山西省四季平均風速變化特征分析后發(fā)現，四個季節(jié)風速均呈下降趨勢，風速下降幅度較大的季節(jié)是春季和冬季，每10年降幅分別為0.120 m/s和0.117 m/s，下降幅度較小的季節(jié)是夏季、秋季，每10年降幅分別為0.059 m/s和0.074 m/s。同時，四季風速均發(fā)生突變，突變時間點分布在1980—1985年間。山西省各個月份風速除8月外均呈下降趨勢，且均出現突變現象。

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