百里風區(qū)代表站大風資料的連續(xù)性及其特征分析

苗運玲，秦 榕，楊艷玲，張志高

(1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊830006；2.新疆氣象信息中心，新疆 烏魯木齊830002；3.哈密地區(qū)氣象局，新疆哈密839000；4.安陽師范學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院，河南 安陽455000）

新疆位于我國的西北邊陲，地處歐亞大陸中心，地域遼闊，周圍高山環(huán)繞，因其獨特的地理環(huán)境和多樣的氣候類型形成了全疆有名的九大風區(qū)，這些風區(qū)因受西伯利亞冷空氣的影響，具有風力強勁、大風頻繁、持續(xù)時間長等特點，常常造成不同程度的風災(zāi)[1]，對工農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和人民生活常造成極大危害，成為新疆主要災(zāi)害性天氣之一。近年來眾多氣象學(xué)者針對新疆大風利用不同方法，對不同尺度區(qū)域的大風進行了大量研究[2-8]。陳洪武等[4]研究指出，新疆多風區(qū)年平均風速、大風日數(shù)、極端強風頻次總體上趨于減小。王旭[6]指出新疆年平均大風日數(shù)的高值區(qū)在北疆西北部、東疆和南疆西部，阿拉山口、達坂城大風最多，準噶爾盆地中心、塔里木盆地南緣最少，大部分地區(qū)從20世紀80年代起大風日數(shù)有減少的趨勢。

新疆九大風區(qū)之一——百里風區(qū)是指蘭新鐵路在新疆境內(nèi)“紅旗坎站至了墩站”全長約120 km的區(qū)間，是我國鐵路沿線最強的風區(qū)，風力之大居全疆之首。百里風區(qū)的線路走向基本與風向垂直，因此運行中的列車受橫風影響而被大風吹翻的危險最大[9]。自1960年十三間房車站建站以來多次發(fā)生過大風吹翻列車的重大交通事故，嚴重影響了交通運輸生產(chǎn)的安全與發(fā)展。但是，大風又是一種價廉、無污染、用之不竭的綠色環(huán)保能源。由于百里風區(qū)特殊的地理環(huán)境和氣候特點，近年來引起了不同部門眾多學(xué)者的關(guān)注，但在資料分析過程中往往忽視了十三間房氣象站遷站前后資料是否連貫的問題，即缺乏資料連續(xù)性分析。因此，本文希望通過十三間房站近61 a的大風氣象資料統(tǒng)計分析，得到該區(qū)域大風的分布特點，變化規(guī)律，從中尋找該站在遷站前后的資料是否存在連續(xù)性、一致性。同時通過分析為防災(zāi)減災(zāi)、合理開發(fā)利用大風資源和降低氣候災(zāi)害風險提供科技支撐與依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 測站基本情況與資料

研究資料來源新疆氣象信息中心，經(jīng)過嚴格質(zhì)量控制，資料真實可靠。51495站前身為哈密市七角井國家基本氣象站（43°29′N，91°38′E，海拔高度873.2 m），始建于1952年7月1日，1999年遷至蘭新鐵路十三間房火車站以西5 km處，遷站直線距離31.9 km，即哈密市十三間房國家基本氣象站（43°13′N，91°44′E，海拔高度 721.4 m）。依據(jù) 2003版《地面氣象觀測規(guī)范》[10]，以瞬間風速達到或超過17.0 m·s-1（或目測估計風力達到或超過8級）的風記為大風，以20：00為日界，凡在一日記載有大風天氣現(xiàn)象，不論在此期間出現(xiàn)多少次大風均作為一個大風日，若某次大風跨日（或月）則按出現(xiàn)2個大風日數(shù)計算。本文研究時段分為兩部分：1956—1998年（舊站址，1952—1955年資料缺失嚴重，故剔除），1999—2016年（新站址）。季節(jié)劃分為：春季（3—5 月）、夏季（6—8 月）、秋季（9—11）、冬季（12—翌年2月）。

七角井站1968年以前使用維爾德測風器（輕重型）進行觀測，1969—1998年使用EL型電接風向風速計進行觀測。1999年七角井站遷至盆地南緣缺口出口處的十三間房站，并由EL型電接風向風速計更換為EN2型測風數(shù)據(jù)處理儀，EL型電接風向風速計和EN2型測風數(shù)據(jù)處理儀室外感應(yīng)部分的原理和材質(zhì)相同，只是室內(nèi)的顯示結(jié)構(gòu)不同，所以不對其進行分析[11]。維爾德測風器更換為EL型電接風向風速計（人工觀測），2004年測風儀由EN2型更換為EC9-1高動態(tài)性能測風傳感器（自動觀測），因其工作原理、觀測方法等完全不同，故需要對1969年和2005年兩個時間點的儀器變更對大風資料的影響進行討論（主要討論平均風速、大風日數(shù)的連續(xù)性）。

同時按照1980版《地面氣象觀測規(guī)范》[12]規(guī)定要求，51495站1999年遷站時對新舊兩站1998年7月和1991年1月進行了對比觀測，故選用1998年7月和1999年1月的月平均風速的同期對比觀測資料進行同期對比值t檢驗，為了更具說服力，又以 1956—1998 年（43 a）、1999—2016 年（18 a）長序列資料進行t檢驗，比較遷站前后因探測環(huán)境改變對研究要素產(chǎn)生的影響，為資料序列延續(xù)和訂正提供一定的依據(jù)。

1.2 研究方法

由于本站在1999年遷站，遷站距離較遠（31.9 km），因此，先采用均一性分析方法，分析資料的連續(xù)性，然后依據(jù)資料連續(xù)性分析結(jié)果，采用線性趨勢分析、相關(guān)分析等統(tǒng)計方法，研究十三間房站遷站前后風資料變化特征及規(guī)律。

2 資料連續(xù)性分析

2.1 儀器變更對風資料的影響

對七角井站1956—1998年觀測資料的年值序列、2005年儀器換型進行均一性分析，應(yīng)用最大F檢驗和t檢驗方法[18]（顯著水平為0.01）對其年值序列進行檢驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1968年儀器換型及風感應(yīng)器距地高度發(fā)生1 m的變化、2005年儀器換型風資料均沒有檢測出顯著的趨勢拐點，可能和檢驗過程中，該變化被要素本身歷史變化趨勢的演變所掩蓋，說明儀器換型及風感應(yīng)器距地高度不同對七角井站風觀測資料的連續(xù)性帶來的影響不大。

由于2005年有自動采集與人工觀測對比資料（表1），年平均風速相差不大，人工站僅比自動站大0.1 m·s-1，其中 6 月偏大較多，達 0.3 m·s-1，其它各月在±0.2 m·s-1之內(nèi)；而大風日數(shù)相同。也說明觀測方式、儀器變更等對數(shù)據(jù)采集沒有帶來大的影響，資料具有連續(xù)性。

表1 2005年觀測數(shù)據(jù)對比

2.2 站址遷移對風資料均一性的影響

選用1999年遷站時新舊兩站1998年7月和1991年1月同期對比觀測數(shù)據(jù)進行同期資料的t檢驗，為了使檢驗結(jié)果更具有說服力，再分別使用舊站 1956—1998（43 a）和新站 1999—2016（18 a）長序列資料進行t檢驗（表2），檢驗結(jié)果在信度0.001（99.9%）的條件下，同期對比值和長序列資料均未通過檢驗，即遷站前后資料不能連續(xù)使用，結(jié)果與分析也將分段進行。

表2 51495站同期對比值及長序列資料t檢驗結(jié)果

3 大風變化特征分析

3.1 大風日數(shù)變化特征

3.1.1 年際、年代際變化特征

從上面分析得知，遷站前（1956—1998年）舊站七角井氣象站與遷站后（1999—2016年）新站十三間房氣象站風資料不連續(xù)，因此分別分析遷站前后大風的規(guī)律。1956—1998年七角井站年大風日數(shù)呈波動上升趨勢（圖 1a），遞增率為 6.74 d·（10 a）-1，平均大風日數(shù)97.19 d，峰值出現(xiàn)在1990年，高達171 d，谷值在1974年，僅有47 d，極差達到124 d。從年代際變化可知（表3），大風日數(shù)在20世紀80年代明顯高于歷年平均值，高達123.6 d，這與1983、1989年和1990年大風日數(shù)異常偏多有很大的關(guān)系。通過查閱相關(guān)資料，這3 a大風日數(shù)偏多是事實，應(yīng)該與冷暖空氣活動異常頻發(fā)有很大關(guān)系，有待于進一步研究與探討。

近18 a十三間房站大風日數(shù)呈波動下降趨勢（圖1b），這與國內(nèi)學(xué)者夏祎萌[21]研究結(jié)果一致。遞減率為-6.72 d·（10 a）-1，平均日數(shù) 206.06 d，峰值高達224 d，出現(xiàn)在2010年，谷值為 188 d，在2008年，極差為36 d。1999—2006年大風日數(shù)變化幅度不太明顯，最多日數(shù)與最少日數(shù)相差10 d左右；而在近10 a變化比較顯著，最多與最少相差高達32 d。說明大風日數(shù)的減少與全球氣候變暖的大背景有關(guān)，由于冷空氣活動的頻次、強度有所減小、減弱，使不同區(qū)域間大風日數(shù)也呈現(xiàn)減少趨勢[21]。整體來看，新舊站均在大風區(qū)，七角井大風發(fā)生日數(shù)明顯比十三間房少，且極差相差較大，平均而言，十三間房站比七角井站年大風日數(shù)大一倍以上為109 d左右。

表3 七角井和十三間房大風日數(shù)、平均風速年代際變化

圖1 七角井（a）和十三間房（b）年大風日數(shù)

3.1.2 季節(jié)變化特征

由圖2可知，遷站前后大風日數(shù)月變化均呈先增后減變化趨勢，大風日數(shù)均從1月開始逐漸增加。七角井站5月大風頻率出現(xiàn)最多，達13.40 d；其次是4、6月；4—6月大風日數(shù)占全年的39.54%，該時期是春夏交替時期，冷暖空氣活動頻繁，是大風多發(fā)時期。5月之后緩慢減少，12月最少，僅有2.77 d。年內(nèi)大風日數(shù)除12月呈微弱的減小趨勢以外（-0.10 d·（10 a）-1），其它各月均存在不同程度的增加趨勢，7 月增加最明顯，達 1.18 d·（10 a）-1。對各月大風日數(shù)與年大風日數(shù)進行相關(guān)分析表明，除了12月外，其它各月均呈顯著的正相關(guān)（p＜0.01），8月最大，相關(guān)系數(shù)達到0.856。

圖2 七角井和十三間房各月大風日數(shù)

十三間房站大風頻率出現(xiàn)最多的是6月，為24.39 d，其中超過22 d大風日數(shù)集中出現(xiàn)在5—8月，占全年45.13%；1月最少，僅有7.22 d。年內(nèi)各月大風日數(shù)變化趨勢有增有減，其中增加最顯著是2 月，為 0.81 d·（10 a）-1，減少最明顯是 9 月，為-2.31 d·（10 a）-1。從相關(guān)分析可知，僅有 3 月、4 月、7月（p＜<0.01）和 8月（p<0.05）通過顯著性檢驗。由此可見兩站大風都是暖季多、冷季少，各季節(jié)之間大風日數(shù)變化較明顯。差異在于，七角井站5月大風頻率出現(xiàn)最多，十三間房站大風頻率出現(xiàn)最多發(fā)生在6月和7月。

從表4可以看出，春夏季是七角井站大風的高發(fā)期，平均大風日數(shù)均在30 d以上，春季略高于夏季，分別為35.42 d和32.49 d；秋、冬兩季相對較少。近43 a各季大風日數(shù)出現(xiàn)最多的是1983年的夏季，達到70 d，最少在1963年的冬季，僅有3 d，說明各季節(jié)之間大風日數(shù)變化較明顯。各季大風日數(shù)均呈上升趨勢（p＜0.01），其中夏季增加最明顯，為2.96 d·（10 a）-1，表明夏季對年大風日數(shù)增加的貢獻最為明顯；冬季增加較緩，僅為 0.57 d·（10 a）-1。

表4 七角井和十三間房四季平均大風日數(shù)變化

十三間房站大風頻發(fā)的季節(jié)也是春夏季，與七角井站不同的是，十三間房站大風夏季略高于春季，且季節(jié)內(nèi)大風日數(shù)比七角井站大一倍左右，分別為61.83 d和70.61 d；秋、冬季較少。各季大風日數(shù)出現(xiàn)最多的是2006年夏季，達到79 d，最少在2016年冬季，僅有19 d，同樣表明各季節(jié)大風日數(shù)波動較明顯。各季大風日數(shù)均呈現(xiàn)減少態(tài)勢，其中春季減小最顯著（p＜0.01），為-3.15 d·（10 a）-1，表明該季節(jié)對年大風日數(shù)減少的貢獻最多；冬季變化最小，僅為-0.11 d·（10 a）-1。對四季大風日數(shù)相關(guān)分析表明，只有春、夏季表現(xiàn)為明顯的正相關(guān)（p＜0.01）。造成大風日數(shù)季節(jié)分布差異的原因，是由于春夏兩季中緯度地區(qū)大氣環(huán)流不穩(wěn)定，當強冷空氣入侵新疆時，冷高壓迅速推進，受地形的阻擋冷空氣在天山北坡堆積，沿天山山脈形成準靜止鋒，天山南北形成明顯的氣壓差，大的氣壓梯度極易形成大風。

由上述分析可知，七角井站大風日數(shù)傾向率均為正值，十三間房站均為負值；七角井站夏季對年大風日數(shù)增加貢獻最明顯，但大風多發(fā)日出現(xiàn)在春季；而十三間房站春季對大風日數(shù)減少貢獻明顯，大風多發(fā)日發(fā)生在夏季。

3.2 平均風速變化特征

3.2.1 年際、年代際變化特征

從圖3a可知，七角井站年平均風速變化趨勢與大風日數(shù)變化不同，而是呈現(xiàn)微弱的減小趨勢，僅為-0.01 m·s-1·（10 a）-1。平均風速為 4.77 m·s-1，最大值出現(xiàn)在1969年，為5.78 m·s-1，最小值在1967年，為4.03 m·s-1。從年代際變化可知（表3），20世紀60年代和90年代低于歷年平均值，其它時期高于歷年平均值。

圖3 七角井（a）和十三間房（b）年平均風速變化趨勢

近18 a十三間房站年平均風速變化趨勢與年大風日數(shù)變化趨勢相似（圖3b），呈減小趨勢，為 -0.31 m·s-1·（10 a）-1。歷年平均風速為8.42 m·s-1，峰值為 9.04 m·s-1，出現(xiàn)在 2010 年，谷值為8.08 m·s-1，出現(xiàn)在2015年。可見兩站相同點是風速均為減弱趨勢，不同點是減弱的趨勢差異大。

3.2.2 季節(jié)變化特征

從圖4可以看出，雖然站址遷移后資料無法連續(xù)使用，但遷站前后月平均風速年內(nèi)總體變化與大風日數(shù)變化趨勢基本一致。七角井站從1月開始增大，進入3月后明顯增大，月平均風速從2.83 m·s-1增大到5.41 m·s-1，增加了近一倍，6月達到最大，為6.41 m·s-1，其中4—7月是月平均風速較大時期，這與月大風日數(shù)變化略有不同。從7月開始呈持續(xù)減小趨勢，12月最小，僅為2.52 m·s-1。從相關(guān)分析可知，1—10月平均風速與年平均風速均呈顯著的正相關(guān)（p<0.01），5月最大，相關(guān)系數(shù)達到0.760。

圖4 七角井和十三間房月平均風速變化趨勢

十三間房站1—3月平均風速增加較明顯，從4月開始增加較慢，6月達到最大，為11.08 m·s-1，這與七角井站變化一致；其中4—8月是月平均風速相對較大階段。從8月開始也同樣表現(xiàn)為持續(xù)減小趨勢。該站月平均風速有9個月呈現(xiàn)減小趨勢，其中7月減小最明顯，傾向率為-1.11 m·s-1·（10 a）-1。對各月大風日數(shù)進行相關(guān)分析表明，僅有6月、9月平均風速與年平均風速通過了0.05的顯著性檢驗，其它各月均未通過相關(guān)性檢驗。說明兩站平均風速都是暖季大冷季小，各季節(jié)之間平均風速變化較明顯。兩站均是6月大風頻率出現(xiàn)最多，但出現(xiàn)拐點的時間不同。

同樣從四季變化可以看出（表5），遷站前后平均風速變化是相同的，夏季最大，春季次之，冬季最小。但在時間序列變化上是不同的，七角井站受月平均風速變化影響，四季變化幅度不太明顯。十三間房站除了冬季呈微弱的上升趨勢以外，其它三季呈明顯減小趨勢，傾向率在-0.41～-0.45 m·s-1·（10 a）-1之間，表明這三季對年平均風速減小的貢獻幾乎是相同的。相關(guān)分析表明，遷站前后平均風速與大風日數(shù)變化趨勢一樣。由此可知，春夏季風速較大是因為這兩季天氣過程較多，春季冷空氣入侵較頻繁，勢力強，冷鋒過境，多寒潮天氣；夏季冷暖空氣交匯較多，熱力因子促使氣壓梯度加大，風速劇增，天氣過程多以大風天氣為主，所以春夏兩季平均風速較大；而秋冬兩季天氣過程少，相對穩(wěn)定，大風天氣出現(xiàn)少，所以平均風速也較小[22-24]。

表5 七角井和十三間房四季平均風速變化

3.3 風向變化特征

通過對七角井站近43 a風向特征研究（圖5），該站主導(dǎo)風向是北風（N，23.5%）和靜風（C，23.3%）；其次是西北風（NW、NNW），占總頻率28.0%，其余風向占25.1%，風向頻率發(fā)生最少的是ESE，僅為0.06%，表明該站風向發(fā)生頻率變化差異比較大。對四季風向進行分析，季節(jié)性規(guī)律變化比較強。春、夏季以偏北風（N、NNW）為主，由于處于春夏季交替時期，受西北氣流影響較為明顯[6]，夏季主導(dǎo)風向由春季的48.41%增至53.16%；進入秋季，偏北風逐漸減少至37.35%，靜風逐漸增多；冬季偏北風降至23.89%，靜風繼續(xù)增多，由秋季的28.57%增至44.01%。因此，春夏季偏北風對年的主導(dǎo)風向（N）出現(xiàn)頻率貢獻最大，而秋冬季的靜風對年的主導(dǎo)風向（C）貢獻最強。對近18 a十三間房站風向特征進行分析，發(fā)現(xiàn)該站主導(dǎo)風向為偏北風（N、NNW、NNE），3個主導(dǎo)風向發(fā)生頻率占67.9%，靜風發(fā)生頻率僅為0.18%，其余風向頻率占30.3%，WNW發(fā)生頻率最少，僅占0.09%。同時對四季進行分析，發(fā)現(xiàn)各季節(jié)主導(dǎo)風向發(fā)生頻率與年主導(dǎo)風向基本一致，說明風向頻率季節(jié)性變化規(guī)律比較穩(wěn)定，這與該站所處的地理位置有關(guān)。

圖5 七角井（a）和十三間房（b）年風向玫瑰圖

以上分析表明，遷站前后年大風日數(shù)、平均風速不存在連續(xù)性和一致性。大風日數(shù)和平均風速十三間房站明顯高于七角井站，大風日數(shù)是它的2.12倍，平均風速是1.77倍，這與肖建華等[1]研究結(jié)論一致；但是在主導(dǎo)風向的發(fā)生頻率上卻有相似之處，七角井站年主導(dǎo)風向為以北風（N）和靜風（C）為主，十三間房站以偏北風（N、NNW、NNE）為主，其中北風（N）在各個風向中出現(xiàn)的頻率最高。

4 地形與大風的關(guān)系

由于研究的大風記錄來自百里風區(qū)代表站七角井站和十三間房站，從圖6可知七角井鎮(zhèn)位于天山山脈東段馬爾塔拉山南側(cè)凹陷地——七角井盆地，七角井站位于盆地南緣缺口入口處北側(cè)，新站址位于盆地南緣缺口的出口處，搬遷后兩站直線距離為31.9 km，海拔高度相差151.8 m[1]。

地形對區(qū)域性大風的形成影響作用十分大[1，3，19]。新疆的地形特點是山脈與盆地相間排列，中部有天山山脈橫亙，每當有冷空氣來的時候，天山山脈會擋住冷空氣的去路。百里風區(qū)地處東天山南側(cè)，大多為戈壁沙丘，植被稀少，地勢北高南低，西高東低，還有因常年風蝕、水濁等原因構(gòu)成的南北向干溝；同時位于天山東段有一小的缺口，就是東天山山脈的博格達山與巴里坤山脈之間的色皮山山口，當有較強冷空氣從缺口翻越天山時，與吐魯番、鄯善、托克遜盆地上升的熱氣流相遇，在天山南北形成很大的氣壓梯度力；同時冷空氣翻山下坡使風速迅速增大，坡度越大，風速越易得到加速[20]，當冷空氣堆積到一定程度便從缺口傾瀉到七角井盆地，而七角井站位于盆地南緣缺口的入口處，即十三間房站的上游，海拔高度873.2 m，然后冷空氣從七角井盆地的南緣缺口向百里風區(qū)的十三間房移動（十三間房站位于南緣缺口的出口處），海拔高度降低到721.4 m；又由于翻山的冷空氣進入山口后，會因為地形的“狹管效應(yīng)”風速也會得到進一步加大，冷空氣愈強，大風愈猛烈，持續(xù)時間也愈長，從而在百里風區(qū)形成區(qū)域性大風[1，21，24]。因此百里風區(qū)代表站的大風不僅與天山有著直接的關(guān)系，還與所處的特殊地理環(huán)境有關(guān)。

圖6 七角井、十三間房站地理位置及地形

5 結(jié)論

（1）51495站站址遷移距離達31.9 km，加之地理環(huán)境差異很大，未通過t檢驗，表明大風資料是非均一性的，資料無法連續(xù)使用。由于該站四周無參考站，且無參考站的條件下，風資料如何訂正，國內(nèi)還在研討階段，只有等待用本站數(shù)據(jù)訂正方法成熟后方可進行訂正。

（2）從 1956—1998年七角井站年大風日數(shù)（43 a）和 1999—2016（18 a）十三間房站兩段資料的對比分析得出兩站大風日數(shù)變化趨勢相反，七角井站年大風日數(shù)呈波動上升趨勢，而十三間房站大風日數(shù)呈波動下降趨勢；七角井大風發(fā)生日數(shù)明顯比十三間房少，數(shù)值相差較大為一倍左右。兩站季節(jié)大風日數(shù)都是暖季多、冷季少，各季節(jié)之間大風日數(shù)變化較明顯。七角井站5月大風頻率出現(xiàn)最多，十三間房站大風頻率發(fā)生最多在6月和7月。七角井站夏季對大風日數(shù)增加貢獻最明顯，但大風多發(fā)日出現(xiàn)在春季；十三間房站春季對大風日數(shù)減少貢獻明顯，大風多發(fā)日發(fā)生在夏季。

（3）51495站在遷站前后年平均風速均表現(xiàn)為減小趨勢，只是遷站后下降速率更明顯；年內(nèi)平均風速與大風日數(shù)變化一致，均呈現(xiàn)先增后減的態(tài)勢；四季平均風速表現(xiàn)為：夏季＞春季＞秋季＞冬季。七角井站四季變化幅度不太明顯。

（4）近43 a七角井站主導(dǎo)風向以北風（N，23.5%）和靜風（C，23.3%）為主，風向季節(jié)性規(guī)律變化明顯，春、夏季主要以偏北風（N、NNW）為主，秋、冬季以靜風為主，偏北風為次主導(dǎo)風向。近18 a十三間房站年和各季的主導(dǎo)風向基本一致，以偏北風（N、NNW、NNE）為主。