烏拉特中旗1971—2019年風(fēng)氣候特征分析

徐艷琴

（內(nèi)蒙古氣象信息中心，呼和浩特 010000）

近年來(lái)，隨著極端氣象事件的發(fā)生及氣候資源的逐漸開(kāi)發(fā)利用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)近地層地表風(fēng)的氣候變化特征的關(guān)注越來(lái)越多. 如Pirazzoli和Tomasin探究地中海中部和亞得里亞海地區(qū)的近地表風(fēng)速風(fēng)向變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)1951—1970年風(fēng)的活動(dòng)在減少，之后呈增加趨勢(shì)［1］；Tuller等研究了加拿大西海岸地區(qū)的四個(gè)站點(diǎn)風(fēng)速變化趨勢(shì)，結(jié)果表明20世紀(jì)中后期加拿大西海岸大部分地區(qū)風(fēng)速呈下降趨勢(shì)［2］；Klink發(fā)現(xiàn)，美國(guó)明尼蘇達(dá)州大多數(shù)氣象觀測(cè)站的年平均風(fēng)速在20世紀(jì)60年代初到90年代中期呈下降趨勢(shì)［3］；任國(guó)玉、王遵婭、Xu Ming等研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)的年平均風(fēng)速存在顯著減小的趨勢(shì)，主要減小區(qū)域?yàn)槲鞅?、?nèi)蒙古、東北中南部地區(qū)［4-7］.在區(qū)域尺度上，韓柳、田莉等發(fā)現(xiàn)，近50 a中國(guó)北方地區(qū)的平均風(fēng)速呈顯著減小趨勢(shì)，其中準(zhǔn)噶爾盆地、高原東北部、內(nèi)蒙古中部和東北平原的平均風(fēng)速減小趨勢(shì)最顯著［8-9］；田莉、丁彩霞、羅萬(wàn)琦等的研究表明，西北地區(qū)風(fēng)速呈下降趨勢(shì)，存在局部突變［10-12］；甄敬、賈詩(shī)超、許超宗、劉強(qiáng)吉等對(duì)新疆地區(qū)平均風(fēng)速、極大風(fēng)速等進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其風(fēng)速隨時(shí)間變化趨勢(shì)與全國(guó)風(fēng)速變化趨勢(shì)一致［13-16］；張宇、郭春燕等發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙古年平均風(fēng)速、逐日最大風(fēng)速均呈減小趨勢(shì)，全區(qū)最大風(fēng)速高值區(qū)為阿拉善東北部—巴彥淖爾市西北部［17-18］.

烏拉特中旗風(fēng)能資源豐富，其風(fēng)能資源占內(nèi)蒙古有效風(fēng)能資源的四分之一，是內(nèi)蒙古自治區(qū)3個(gè)國(guó)家百萬(wàn)千瓦風(fēng)電基地之一，也是重點(diǎn)畜牧業(yè)和重要農(nóng)業(yè)區(qū)之一. 然而該地區(qū)氣候干旱少雨，地表植被稀疏、土壤結(jié)構(gòu)松散，在春秋季節(jié)大風(fēng)和沙塵暴頻發(fā)，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧區(qū)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失. 本文基于烏拉特中旗1971—2019年風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，對(duì)1971—2019年平均風(fēng)速（2 min風(fēng)速）、最大風(fēng)速（逐日最大風(fēng)速）、大風(fēng)（日最大風(fēng)速≥17.0 m·s-1）及風(fēng)向變化規(guī)律進(jìn)行探究，以期為烏拉特中旗風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)利用、沙塵防治、工業(yè)廠區(qū)選址等領(lǐng)域提供參考.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏拉特中旗位于中蒙邊境交界處，地處內(nèi)蒙古巴彥淖爾市東北部，地理坐標(biāo)：107°16′E～109°42′E，41°07′N(xiāo)～41°28′N(xiāo). 該研究區(qū)屬大陸性干旱氣候區(qū)，氣候差異較大，具有高原寒暑劇變的特點(diǎn)，四季分明，夏季短促，冬季漫長(zhǎng)，春季干燥多風(fēng)，秋季溫和涼爽；年均氣溫5.8 ℃，年最高氣溫38.7 ℃，年最低氣溫-29.1 ℃；年平均降水量198.6 mm，降水主要集中在夏季（7—8 月），多陣雨；年均日照時(shí)數(shù)3 100.2 h，年均日照百分率71%.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

依據(jù)氣象數(shù)據(jù)的連續(xù)性及最長(zhǎng)時(shí)段性等標(biāo)準(zhǔn)，選取烏拉特中旗國(guó)家氣象站1971—2019 年的2 min 風(fēng)速風(fēng)向和日最大風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，所用氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象信息中心. 季節(jié)劃分為春季（3—5 月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—翌年2月）.

1.3 研究方法

線性趨勢(shì)分析［19］是氣象上最常用的氣象要素趨勢(shì)分析方法，公式為：

式中：b為常數(shù)；a 為氣候傾向率，即回歸系數(shù)，a 的正負(fù)代表氣象要素在計(jì)算時(shí)間內(nèi)線性增加或減少，自變量x 為時(shí)間.

Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)法［20］是世界氣象組織推薦并已經(jīng)廣泛運(yùn)用于氣象數(shù)據(jù)時(shí)間序列突變的一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，該方法計(jì)算迅速、不受少數(shù)異常值干擾，也不需要樣本遵從一定的分布.

2 結(jié)果分析

2.1 平均風(fēng)速

2.1.1 平均風(fēng)速特征分析 對(duì)烏拉特中旗近1971—2019年各月平均風(fēng)速（圖1（a））進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，烏拉特中旗平均風(fēng)速年內(nèi)變化呈明顯雙峰狀分布，3—6 月和9—11月為波峰. 平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)，在4月，達(dá)到4.2 m·s-1，之后出現(xiàn)明顯的減弱，最低值出現(xiàn)在1月，僅為2.9 m·s-1. 統(tǒng)計(jì)烏拉特中旗各季節(jié)平均風(fēng)速可發(fā)現(xiàn)春季平均風(fēng)速最大，為4.1 m·s-1，冬季平均風(fēng)速最小，為3.0 m·s-1，四季平均風(fēng)速的大小順序?yàn)椋捍杭荆鞠募荆厩锛荆径?

由圖1（b）可見(jiàn)，近1971—2019年以來(lái)，烏拉特中旗平均風(fēng)速整體呈下降趨勢(shì)，每10 a減少5.1 m·s-1，最大值出現(xiàn)在1972年，最小值出現(xiàn)在2019年，多年平均值為3.7 m·s-1，波動(dòng)范圍為2.6～5.2 m·s-1. 圖2給出了1971—2019年烏拉特中旗平均風(fēng)速距平變化，可見(jiàn)平均風(fēng)速的減弱趨勢(shì)有顯著的年代際波動(dòng)，20 世紀(jì)70年代到90年初期，風(fēng)速為正距平，之后轉(zhuǎn)為負(fù)距平，轉(zhuǎn)折前后風(fēng)速增強(qiáng)和減弱的速率明顯減小.

應(yīng)用M-K突變檢驗(yàn)法檢測(cè)近1971—2019年烏拉特中旗平均風(fēng)速時(shí)間序列的突變，給定顯著性水平α=0.05（圖略）. M-K檢驗(yàn)結(jié)果與線性趨勢(shì)結(jié)果一致，均呈明顯減小趨勢(shì)，1971—1973年平均風(fēng)速呈不顯著（P＞0.05）局部上升趨勢(shì)，1977—1981年降幅顯著（P＜0.05），1982年后降幅極顯著（P＜0.01），1994年出現(xiàn)突變點(diǎn).

圖1 烏拉特中旗1971—2019年平均風(fēng)速年內(nèi)、年際變化Fig.1 Intra-year and inter-annual changes in average wind speed in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

圖2 烏拉特中旗1971—2019年平均風(fēng)速距平圖Fig.2 Average wind speed anomaly in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

圖3 烏拉特中旗1971—2019年平均風(fēng)速玫瑰圖Fig.3 Wind rose illustration of average wind speed in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

2.1.2 平均風(fēng)向特征分析 依據(jù)16方位風(fēng)向資料，從近1971—2019年平均風(fēng)向年頻率分布來(lái)看（圖3），烏拉特中旗全年平均風(fēng)向以S 為主，占總風(fēng)向的11.32%，其次為NNE、NW、NE、NNW、SSW，出現(xiàn)頻率分別為9.90%、9.49%、9.38%、8.79%、8.55%. 從季節(jié)來(lái)看（圖4），春季以NNE 和NW 風(fēng)為主，冬季以NW 風(fēng)為主，夏季、秋季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾，這是由于烏拉特中旗處于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，夏季受溫帶海洋氣團(tuán)影響，冬季受強(qiáng)大的西伯利亞大陸冷高壓控制，因而夏季以偏南風(fēng)為主，冬季以偏西北風(fēng)為主.

2.2 最大風(fēng)速

2.2.1 最大風(fēng)速特征分析 烏拉特中旗1971—2019 年最大風(fēng)速各月變化圖（圖5（a））顯示，烏拉特中旗近1971—2019年的最大風(fēng)速年內(nèi)變化明顯，其中：最大風(fēng)速最大為5月，為9.3 m·s-1；4月次之，為9.2 m·s-1；最低值出現(xiàn)在1 月，僅為6.3 m·s-1，比5 月風(fēng)速偏小32%；其他各月在6.4～8.3 m·s-1之間.

圖4 烏拉特中旗1971—2019年各季度平均風(fēng)速玫瑰圖Fig.4 Wind rose illustration of average wind speed of the different seasons in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

從各季節(jié)來(lái)看，春季最大風(fēng)速為9.0 m·s-1，夏季最大風(fēng)速為7.9 m·s-1，秋季最大風(fēng)速為7.0 m·s-1，冬季最大風(fēng)速為6.6 m·s-1，在一年之中，春季風(fēng)速最大，冬季風(fēng)速最小.

由圖5（b）可見(jiàn)，近1971—2019年以來(lái)，烏拉特中旗最大風(fēng)速的年際變化曲線呈波動(dòng)減小的趨勢(shì)，線性?xún)A向率為7.8 m·s-1·10 a-1，最大值（9.8 m·s-1）與最小值（3.9 m·s-1）出現(xiàn)年份同平均風(fēng)速的最大最小值出現(xiàn)年份一致. 對(duì)近1971—2019年以年，烏拉特中旗最大風(fēng)速進(jìn)行距平分析（圖6）可以發(fā)現(xiàn)，年最大風(fēng)速可分為明顯偏強(qiáng)期、明顯偏弱期、一般偏強(qiáng)期及一般偏弱期. 1972—1981 年為明顯偏強(qiáng)期，均為正距平分布，2002—2019年為明顯偏弱期，均為負(fù)距平分布，明顯偏強(qiáng)期年均最大風(fēng)速均較近1971—2019年的年均最大風(fēng)速偏強(qiáng)15%～29%，明顯偏弱期的年均最大風(fēng)速均較近1971—2019年的年均最大風(fēng)速偏弱10%～23%. 1981—1991年、1993—1994年為一般偏強(qiáng)期，1992年、1995—2001年則為一般偏弱期.

圖5 烏拉特中旗1971—2019年最大風(fēng)速年內(nèi)、年際變化Fig.5 Intra-year and inter-annual changes of maximum wind speed in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

圖6 烏拉特中旗1971—2019年最大風(fēng)速距平變化圖Fig.6 Maximum wind speed anomaly in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

1971—2019 年烏拉特中旗最大風(fēng)速的M-K 突變檢驗(yàn)結(jié)果（圖略）表明：1971—1973 年最大風(fēng)速呈不顯著（P＞0.05）局部上升趨勢(shì)，1980—1981年降幅顯著，1982年后降幅極顯著，1993年發(fā)生突變，其結(jié)果與巴彥淖爾市年均最大風(fēng)速突變年限為2000年以后的結(jié)論不一致，說(shuō)明在大尺度范圍上，風(fēng)速變化存在著顯著的空間差異［17］.

2.2.2 最大風(fēng)速的風(fēng)向特征分析 1971—2019年最大風(fēng)速的風(fēng)玫瑰圖（圖7）表明，烏拉特中旗全年最大風(fēng)速的風(fēng)向以NW、S、WNW為主，出現(xiàn)的頻率分別為15.69%、14.43%、12.94%，其次為SSW和NNW，而E方向上風(fēng)頻率最少，僅占所有風(fēng)向的0.55%. 從季節(jié)風(fēng)玫瑰圖（圖8）來(lái)看，春季最大風(fēng)速的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)閃NW，夏、秋、冬季的主導(dǎo)風(fēng)向分別為S、S、NW.

圖7 烏拉特中旗1971—2019年最大風(fēng)速玫瑰圖Fig.7 Wind rose illustration of maximum wind speed in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

2.3 大風(fēng)

2.3.1 大風(fēng)日數(shù)特征分析 1971—2019 年烏拉特中旗共出現(xiàn)大風(fēng)日286 d，統(tǒng)計(jì)各月大風(fēng)日數(shù)出現(xiàn)情況（圖9（a））可以得出：大風(fēng)主要集中發(fā)生在春季，3—5月大風(fēng)日數(shù)占全年大風(fēng)總?cè)諗?shù)的50.70%，8月大風(fēng)最少發(fā)生，僅出現(xiàn)6 d.

從大風(fēng)日數(shù)逐年變化圖（圖9（b））來(lái)看，1971—2019年大風(fēng)日數(shù)呈現(xiàn)顯著減小趨勢(shì)，其M-K突變檢測(cè)結(jié)果顯示1982年發(fā)生突變. 大風(fēng)日數(shù)變化可分為3個(gè)階段：1971—1983年大風(fēng)日數(shù)出現(xiàn)較多，年大風(fēng)日數(shù)均大于10 d；1981—1994年平均大風(fēng)日數(shù)僅為5 d；1995—2019年幾乎無(wú)大風(fēng)出現(xiàn). 這種變化形勢(shì)與烏拉特中旗氣象觀測(cè)站周?chē)h(huán)境變化有關(guān).

圖8 烏拉特中旗1971—2019年最大風(fēng)速各季度風(fēng)玫瑰圖Fig.8 Wind rose illustration of maximum wind speed of the different season in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

圖9 烏拉特中旗1971—2019年大風(fēng)出現(xiàn)日數(shù)年內(nèi)、年際變化Fig.9 Intra-year and inter-annual changes of gale days in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

2.3.2 大風(fēng)風(fēng)向特征分析 統(tǒng)計(jì)大風(fēng)發(fā)生時(shí)的風(fēng)向（表1）可以發(fā)現(xiàn)，大風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠鞅憋L(fēng)（WNW、NW、NNW），其中NW出現(xiàn)次數(shù)最多，占所有風(fēng)向的44.06%，加上NNW和WNW，共占到所有風(fēng)向的86%，而偏東風(fēng)（ENE、E、ESE、SE）沒(méi)有出現(xiàn).

表1 烏拉特中旗1971—2019年大風(fēng)風(fēng)向頻率Tab.1 Frequency of gale direction in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

3 結(jié)論與討論

1）烏拉特中旗平均風(fēng)速年內(nèi)變化呈雙峰狀分布，四季平均風(fēng)速?gòu)拇蟮叫∫来螢榇骸⑾?、秋、冬，年際變化呈逐年振蕩減小趨勢(shì)，且在20世紀(jì)90年代以后發(fā)生突變，全年平均風(fēng)向以S為主.

2）烏拉特中旗最大風(fēng)速年內(nèi)最大值出現(xiàn)在5月，最小值出現(xiàn)在1月. 季節(jié)變化呈春季最大、冬季最小，年際變化以0.8 m·s-1·a-1的速率逐年減小，于1993年發(fā)生突變，突變前后風(fēng)速距平變化幅度明顯減小，最大風(fēng)速的全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹W.

3）逐年大風(fēng)日數(shù)的年際變化先劇烈后平緩，整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，1995—2019年幾乎無(wú)大風(fēng)出現(xiàn). 季節(jié)變化呈春冬多、夏秋少，4月大風(fēng)日數(shù)出現(xiàn)最多，8月最少. 大風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠鞅憋L(fēng).

風(fēng)速風(fēng)向與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、能源開(kāi)發(fā)、城市布局關(guān)系密切. 本文對(duì)烏拉特中旗風(fēng)速風(fēng)向的氣候特征和突變特點(diǎn)進(jìn)行了分析. 從分析結(jié)果看，風(fēng)速風(fēng)向的變化特征主要受季節(jié)交替、周?chē)h(huán)境變化等因素的影響. 為進(jìn)一步明確風(fēng)速氣候突變的原因，下一步工作將從土地利用、植被覆蓋變化與風(fēng)的定量關(guān)系出發(fā)，結(jié)合區(qū)域站和其他站數(shù)據(jù)，綜合研究烏拉特中旗風(fēng)速風(fēng)向時(shí)空分布特征及變化原因.