近50年中國風(fēng)速減小的可能原因

趙宗慈羅勇江瀅黃建斌

（1 清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心，北京 100084；2 國家氣候中心，中國氣象局，北京 100081；3 中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081）

近50年中國風(fēng)速減小的可能原因

趙宗慈1，2羅勇1江瀅3黃建斌1

（1 清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心，北京 100084；2 國家氣候中心，中國氣象局，北京 100081；3 中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081）

綜述了近50年中國風(fēng)速變化的特征和可能原因。絕大部分研究指出，觀測的中國風(fēng)速近50年明顯減小，大約為（-0.10～-0.18m/s）/10a。風(fēng)速減小的原因來自自然和人類強(qiáng)迫兩大方面，自然原因即氣候系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用，包括近幾十年東亞冬季風(fēng)和夏季風(fēng)的減弱，中國南海夏季風(fēng)強(qiáng)度減弱，南亞夏季風(fēng)減弱，寒潮頻數(shù)減小，沙塵暴頻數(shù)減小，以及東亞溫帶氣旋頻數(shù)減小。人類強(qiáng)迫包括城市化效應(yīng)，土地利用變化，人類排放導(dǎo)致的全球變暖，以及風(fēng)電場效應(yīng)，等等。引起近50年中國風(fēng)速減小的原因是復(fù)雜和多方面的，需要更深入的研究來揭示相互作用與反饋機(jī)制，以及定量評估各種因子的貢獻(xiàn)。

中國，風(fēng)速，減小，可能原因

0　引言

風(fēng)速直接影響人們的生活、交通、農(nóng)林牧業(yè)等，近20年隨著風(fēng)力發(fā)電的廣泛開展和利用，加上空氣污染狀況與風(fēng)速密切相關(guān)，因此風(fēng)速的變化越來越受到政策制定者和公眾的關(guān)注。關(guān)于風(fēng)速長期變化的研究遠(yuǎn)少于對溫度和降水的研究，對風(fēng)速變化原因的研究則更少。近些年的研究表明，全球中緯度的風(fēng)速有減小的趨勢，究其原因涉及大氣環(huán)流的變化，季風(fēng)的變化，人類排放溫室氣體增加造成全球變暖以及土地利用的變化（包括城市化和風(fēng)電場影響等），對有些原因如風(fēng)電場與城市化的影響的爭論較大[1-4]。近10余年中國風(fēng)速變化特征以及影響風(fēng)速變化的可能原因一直受到關(guān)注，本文綜述了近50年中國風(fēng)速變化呈減小趨勢以及可能原因的分析[5-24]。

1　近50年中國風(fēng)速變化呈減小趨勢

近10余年對觀測的中國風(fēng)速變化的研究表明，觀測到的近50余年中國風(fēng)速變化的主要特征是：1）年平均近地面風(fēng)速減小，1961—2014年大約是每10年減小0.18m/s（表1）[5-14]；2）四個季節(jié)風(fēng)速都在減小，尤以冬季和春季風(fēng)速減小最明顯[8-11]；3）全國大部分地區(qū)風(fēng)速減小，尤以風(fēng)資源豐富地區(qū)如西北、華北和東北地區(qū)風(fēng)速減小更明顯，可達(dá)每10年減小0.20m/s[9,12]；4）中國風(fēng)速的減小，是從近地面到對流層整層年平均風(fēng)速都在減小[11-13]；5）年平均大風(fēng)風(fēng)速和日數(shù)都明顯減小[9]；6）小風(fēng)（≤3m/s）風(fēng)速在增加[9]。近期的一個研究在增加了更新的風(fēng)速觀測資料基礎(chǔ)上提出，自2003年以來中國年平均風(fēng)速有略增加趨勢[11]。但是最新的一個研究表明，這只是總體減小趨勢變緩，2014年是自1961年以來中國年平均風(fēng)速最小的一年[13]。

表1　 近些年研究觀測中國年平均近地層風(fēng)速變化統(tǒng)計Table 1 Annual wind speed changes observed near-surface in China in previous studies

近50年中國近地面風(fēng)速的減小趨勢得到佐證，即陸地溫度與相應(yīng)氣溫的差值和近地層風(fēng)速的相關(guān)很明顯，當(dāng)溫差小時，對應(yīng)風(fēng)速大，反之亦然。以青藏高原為例，相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.76（顯著性水平為0.01）。觀測表明，近50年陸溫與氣溫的溫差明顯增加，相應(yīng)近地層風(fēng)速明顯減小，從而從另一個側(cè)面證實近50年中國風(fēng)速減小的事實[11]。

需要說明的是，由于中國近地層風(fēng)速的資料不是很長，因此，尚難于計算與分析風(fēng)速自身是否具有多年代際變率或周期性的變化特征。此外應(yīng)注意到，雖然中國觀測風(fēng)速受到觀測站周邊環(huán)境變化和觀測儀器更改的影響，但是國家氣象信息中心已經(jīng)做了資料均一性等訂正，因此彌補(bǔ)了一些缺陷[6]，上述的研究也都表明是用經(jīng)過其信息中心加工后的資料進(jìn)行計算與分析的。

2　中國風(fēng)速減小的原因分析

探究中國風(fēng)速減小的可能原因的研究較少，主要從氣候系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用（自然變化）和人類活動造成的可能影響進(jìn)行研究和分析。

2.1氣候系統(tǒng)內(nèi)部相互作用

部分研究[9,11-19,24]注意到氣候系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用和反饋，認(rèn)為是影響中國風(fēng)速減小趨勢的主要原因。

2.1.1東亞和南亞季風(fēng)呈減弱趨勢

一些觀測和診斷分析研究[9,11-14,24]表明，東亞夏季風(fēng)和冬季風(fēng)有年代際時間尺度的變化，1961—2014年東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度總體呈顯著減弱趨勢，尤以1970年代后期以來更明顯。東亞冬季風(fēng)在20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初期以偏弱為主。南亞夏季風(fēng)在1961—2014年總體有減弱趨勢，尤其在2006—2014年期間持續(xù)異常偏弱，另一方面南亞夏季風(fēng)具有明顯的年代際變化特征。因此季風(fēng)處在減弱時期，相應(yīng)中國近地面風(fēng)速呈現(xiàn)減弱趨勢，對流層整層風(fēng)速亦是減小趨勢。

2.1.2中國沙塵暴、寒潮、溫帶氣旋和西北太平洋生成臺風(fēng)數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢

幾個觀測資料的研究[9,12-19]表明：1）近50年來，中國北方的沙塵暴頻數(shù)總體呈下降趨勢，1956—2004年，年沙塵暴日數(shù)每10年下降0.63日，春季每10年下降0.33日。中國北方沙塵暴日數(shù)與強(qiáng)風(fēng)日數(shù)有明顯的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在大部分地區(qū)達(dá)到0.25～0.35（顯著性水平為0.05）；2）近50年中國寒潮日數(shù)有明顯的下降趨勢，年寒潮日數(shù)每10年減少0.3日，冬季每10年減少0.17日。中國寒潮日數(shù)與強(qiáng)風(fēng)日數(shù)呈明顯正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.25（顯著性水平為0.05～0.10）。研究表明，東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度減弱以及全球變暖，都是造成寒潮頻次減少的可能原因；3）近幾十年，北半球和東亞中緯度溫帶氣旋數(shù)有減少的趨勢，高緯度有增加的趨勢，例如1979—2001年春季蒙古氣旋日數(shù)明顯減小，與同期中國北方沙塵暴日數(shù)減少，兩者呈明顯正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.68（顯著性水平為0.01），相應(yīng)強(qiáng)風(fēng)日數(shù)減少。計算表明，溫帶氣旋的減少可能與全球變暖、中緯度斜壓波、北大西洋濤動以及海溫變化有關(guān)。此外，計算還表明，1961—2014年，西北太平洋和南海生成臺風(fēng)數(shù)（中心風(fēng)力大于8級）頻次呈減少趨勢，由此也可能影響使東南部沿岸風(fēng)速有減小趨勢。但是登陸中國臺風(fēng)的強(qiáng)度波動性增強(qiáng)，可能造成風(fēng)速增加。

2.1.3海陸氣壓梯度減弱

利用1971—2007年NCEP/NCAR和ERA-40兩套再分析資料以及中國540個臺站觀測資料計算與分析表明，中國氣壓梯度在中低層近幾十年來呈現(xiàn)下降趨勢，冬（夏）季歐亞大陸海平面氣壓下降（上升），使東西向的海陸氣壓梯度減弱，由此造成近地面風(fēng)速減小，尤以華北地區(qū)和內(nèi)蒙東部氣壓梯度減弱趨勢最明顯，與地面風(fēng)速的減弱是一致的。計算還表明，中國平均氣壓梯度冬春季減弱最明顯，分別為-0.03%/a和-0.01%/a，風(fēng)速亦是冬春季減弱更明顯[12]。

2.2人類活動的影響

2.2.1城市化效應(yīng)

城市化效應(yīng)是研究者提出最多的一個因素，例如，計算觀測的1956—2004年中國174個城市站和相應(yīng)180個鄉(xiāng)村站年平均風(fēng)速變化，都表明風(fēng)速有減小的趨勢，分別是（-0.13m/s）/10a和（-0.12m/s）/10a，即城市化造成風(fēng)速平均減小大約占總減少的12%[9]。另一項研究，利用全國119個探空站觀測的1980—2006年中國近地面風(fēng)速和對流層各層風(fēng)速資料，計算得到近地層風(fēng)速明顯減弱，大約每10年減小0.16m/s，而臨近的850hPa高度風(fēng)速減弱很小，大約每10年減小0.05m/s，由此推斷可能城市化效應(yīng)在近地層風(fēng)速減小中占大約69%[12]。

2.2.2人為下墊面變化

對比臺站觀測資料與NCEP/NCAR再分析資料，分別計算風(fēng)能密度1960—1999年的變化趨勢表明，雖然觀測和再分析資料都是下降趨勢，但是再分析資料的下降趨勢（每10年-0.67W/m2）明顯小于臺站觀測資料（每10年-4.51W/m2），由此認(rèn)為臺站觀測資料受到人為下墊面作用（如城市化和植被的人為改變等）造成風(fēng)速更明顯下降，大約占總下降的85%[8]。

2.2.3風(fēng)電場影響

少量研究注意到，大規(guī)模風(fēng)電場建設(shè)和發(fā)電對風(fēng)電場及周邊特別是下游方向氣候變化有明顯影響，對更大范圍是否有影響尚存在較大爭議[2]。近年用區(qū)域氣候模式WRF計算四種大規(guī)模風(fēng)電場建設(shè)對中國氣候變化的潛在影響，在中國北方風(fēng)資源豐富區(qū)分別設(shè)計風(fēng)電裝機(jī)為460～5400GW，計算有無風(fēng)電場的對比表明，風(fēng)電場建設(shè)和發(fā)電造成當(dāng)?shù)丶跋掠谓貙语L(fēng)速衰減-16.6%～-29.3%，在風(fēng)電場其上1km風(fēng)速下降，尤以100m風(fēng)速減小最明顯。風(fēng)電場建設(shè)對中國更大范圍環(huán)流和風(fēng)速亦有影響，但是顯著性較低[21]。

此外，利用WRF計算大規(guī)模光伏建設(shè)對中國氣候的潛在影響，也注意到由于下墊面粗糙度改變，對光伏發(fā)電場及周邊地區(qū)近地層風(fēng)速亦有減小的影響[22]。需要強(qiáng)調(diào)的是，風(fēng)電場影響的數(shù)值試驗是較為理想化的設(shè)計，因此僅提供參考。

2.2.4人類排放溫室氣體增加

考慮未來人類排放溫室氣體繼續(xù)增加（高中低排放情景，即SRES A2，A1B，B1），造成全球變暖，用20個CMIP3全球氣候模式和3個中國區(qū)域氣候模式預(yù)估，將使得中國年平均風(fēng)速和秋季、冬季、春季風(fēng)速減小。例如，20個全球模式考慮中等排放A1B情景，預(yù)估中國2011—2099年年平均風(fēng)速平均減?。?0.06m/s）/100a，范圍（0.06～-0.17m/s）/100a，20個模式有13個模式預(yù)估風(fēng)速減小，約占65%，5個預(yù)估略增加，2個預(yù)估無變化[19]。因此，人類排放溫室氣體繼續(xù)增加，將可能造成中國年平均和冬半年風(fēng)速減小（65%可靠性）。其他一些研究也得到類似結(jié)論[8,12]。此外，空氣污染的加重，例如自然和人為造成的沙塵增加，以及人為排放氣溶膠顆粒物增加等，增加了空氣的阻力，對近地層風(fēng)速也會有減小的作用[20]。

綜上所述，人類活動對中國風(fēng)速的影響，研究文獻(xiàn)多數(shù)考慮人類排放增加下的全球變暖和下墊面土地利用變化（如城市化，下墊面植被變化以及風(fēng)電場影響）是主要的可能影響因子。但是由于研究文獻(xiàn)較少，計算與試驗設(shè)計過于簡化，因此存在較大爭議和不確定性，有待開展更深入的研究。還需要強(qiáng)調(diào)的是，人類活動中的許多因子的空間和時間尺度是不一樣的，例如，城市化效應(yīng)和風(fēng)電場效應(yīng)主要是局地影響，而大范圍土地利用變化和人類排放增加，則是空間尺度大和影響時間長遠(yuǎn)。

3　結(jié)論和展望

從以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，多數(shù)研究認(rèn)為氣候系統(tǒng)內(nèi)部自然變化是風(fēng)速減小的主因，而人類活動的作用尚有較大爭議。本綜述試圖把全部有關(guān)風(fēng)速減小的原因分析的文章概括成一張貢獻(xiàn)分析表，以便對比各種作用。但是需要說明的是，各個有關(guān)文獻(xiàn)的作者只是研究單一因素對風(fēng)速減小的影響的貢獻(xiàn)分析，不是計算多因素對風(fēng)速減小的聯(lián)合貢獻(xiàn)分析。例如，一些文獻(xiàn)單純研究城市化效應(yīng)對中國風(fēng)速減小的貢獻(xiàn)大約是12%～69%，另一些文獻(xiàn)單純研究土地利用變化對中國風(fēng)速減小的貢獻(xiàn)大約是85%。表2試圖綜合給出，影響中國風(fēng)速減小的各種可能因子的貢獻(xiàn)分析以及可靠性，雖然表內(nèi)和文內(nèi)都分成氣候系統(tǒng)內(nèi)部相互作用和人類活動兩個方面敘述，但是實際氣候系統(tǒng)內(nèi)部各因素也可能受到人類活動的影響，因此對原因的分析，實際上不可能是絕對分開的[24]。另一方面，各個因子之間也存在聯(lián)系或相互作用和影響，表內(nèi)沒有表述。還需要強(qiáng)調(diào)指出的是，由于目前涉及中國風(fēng)速減小的原因分析這方面的研究較少，特別是影響風(fēng)速變化的

表2　綜合影響中國風(fēng)速減小的因子貢獻(xiàn)分析Table 2 Comprehensive analyses of impact factors on the wind speed decline in China

因子很多，且有局地效應(yīng)，因此，目前的綜述，只是給出一些探索，有待更多的研究，進(jìn)一步充實、證實和修改。最后尚需說明的是，思考中國風(fēng)速變化特征和原因分析，需要與全球風(fēng)速變化特征和可能原因與貢獻(xiàn)聯(lián)系起來[1,4]。因此，在全球變化大背景下，更深入分析中國風(fēng)速變化的原因是必不可少的。

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Possible Reasons of Wind Speed Decline in China for the Last 50 Years

Zhao Zongci1,2, Luo Yong1, Jiang Ying3, Huang Jianbin1
（1 Center for Earth System Science， Tsinghua University， Beijing 100084 2 National Climate Centre， China Meteorological Administration， Beijing 100081 3 Public Meteorological Service Centre， China Meteorological Administration， Beijing 100081）

This paper summarizes the possible reasons of wind speed decreased in China for the last 50 years. Most studies pointed out the observed wind speed in China decreased obviously by about (0.10 ~ 0.18m/s)/10a for the last 50 years. The possible reasons came from both natural (internal climate system) changes and anthropogenic effects. The former includes both of the winter and summer East Asian monsoons weakened, the South China Sea summer monsoon intensity weakened, the South Asian summer monsoon reduced, the frequencies of cold waves and dust storms over China decreased, and frequencies of extratropical cyclones over East Asia declined. The latter refers to urbanization, the changes of land use, the global warming caused by anthropogenic emissions, and the effects of wind farms. The reasons causing the wind speed decline are very complicated in China for the last 50 years, further research is needed to explore a quantitative estimation on the mechanisms and key factors .

China, wind speed, decline, possible reasons

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.014

2015年9月15日；

2016 年3月23日

趙宗慈（1940—），Email: zhaozc@cma.gov.cn

資助信息：國家自然科學(xué)基金項目（41475066）；清華大學(xué)創(chuàng)新科學(xué)研究項目（20131089357）