柴達(dá)木盆地日照時數(shù)風(fēng)速變化特征分析及影響研究

何生錄，張亞珍，韓忠全，王發(fā)科，石秀云

(1.青海省格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099；2.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，青海 西寧 810001；3.青海省久治縣氣象局，青海 久治 814499)

引言

柴達(dá)木盆地位于青藏高原東北部青海省西北部，介于90°16′ E～99°16′ E、35°00′ N～39°20′ N之間，盆地略呈三角形，北西西-南東東方向延伸，南北寬約300 km，東西長約800 km，地域總面積25.72萬km2，海拔在2675～3350 m之間，是中國海拔最高的盆地，對氣候變化表現(xiàn)極其敏感。太陽能、風(fēng)能作為清潔能源，是氣象因子中表征地區(qū)氣候形成及變化的重要氣象要素，國內(nèi)學(xué)者對不同地區(qū)日照及風(fēng)速特征變化開展了諸多研究。虞海燕[1]等研究了我國近59年日照時數(shù)變化特征及其與溫度、風(fēng)速、降水的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)全國年日照時數(shù)以-36.9 h·10a-1呈顯著減少趨勢，各區(qū)域變化與全國一致但減小程度不同，四季沿海地區(qū)減少速度要快于內(nèi)陸，南方快于北方；黃小燕等[2]研究表明，近50年來西北地區(qū)日照時數(shù)大部分地區(qū)表現(xiàn)為顯著的減少趨勢，空間分布上以新疆中部地區(qū)、關(guān)中平原和秦巴山地減少最為突出，季節(jié)上以夏、冬兩個季節(jié)的減少趨勢最顯著；劉義花等[3]用近50年青海省日照資料研究表明，日照時數(shù)最多的是柴達(dá)木地區(qū)，最少的是果洛地區(qū)，年際變化不均衡；楊曉玲等[4]、張克新等[5]和康淑媛等[6]分別分析了石羊河流域近50年來日照時數(shù)的時空分布特征，均表明年日照時數(shù)總體呈增加趨勢；郭曉寧[7]等以格爾木為例，研究了柴達(dá)木盆地日照時數(shù)變化特征，表明格爾木日照時數(shù)以-23.8 h·10a-1的速率呈下降趨勢；肖蓮桂[8]等對1961～2013年青海省柴達(dá)木盆地日照時數(shù)的變化特征及其影響因素研究，表明近53年來青海省柴達(dá)木盆地日照時數(shù)在全年及四季均呈現(xiàn)出顯著減少的年際變化特征，年日照時數(shù)呈現(xiàn)出從西北部向東南部減小的分布格局特點。熊敏詮[9]研究近30年中國地面風(fēng)速分區(qū)及氣候特征，發(fā)現(xiàn)中國大部分地區(qū)風(fēng)速呈減小趨勢，大部分區(qū)域呈單峰單谷型或雙峰雙谷型，高值區(qū)主要出現(xiàn)在春季；李悅佳[10]等、何毅[11]等分別對長江流域及南北疆風(fēng)速變化特征分析，均表明年平均風(fēng)速呈顯著降低趨勢；張占峰[12]等研究柴達(dá)木盆地平均風(fēng)速與大風(fēng)日數(shù)的變化特征，表明近40年柴達(dá)木盆地平均風(fēng)速呈下降趨勢，下降幅度為-0.28 m·s-1·10a-1，四季減小幅度表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季的氣候特征。

日照時數(shù)和風(fēng)速的變化，對柴達(dá)木盆地農(nóng)牧業(yè)、生態(tài)環(huán)境及人類日常生產(chǎn)生活有著直接影響。同時，日照和風(fēng)速降低對太陽能、風(fēng)能等可再生能源的開發(fā)利用非常不利。本文對柴達(dá)木盆地10個氣象站點日照時數(shù)及風(fēng)速從年代際、年際和年內(nèi)等不同尺度的特征變化進行分析，揭示其時空分布規(guī)律及對太陽能、風(fēng)能的影響，對今后農(nóng)牧業(yè)規(guī)劃和生產(chǎn)布局調(diào)整、太陽能電站及風(fēng)力發(fā)電設(shè)計與布局等清潔能源的開發(fā)利用方面具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

選用柴達(dá)木盆地冷湖、茶卡、小灶火、大柴旦、德令哈、天峻、格爾木、諾木洪、都蘭、茫崖等10站1961～2019年逐日日照時數(shù)、2min平均風(fēng)速資料為研究對象。按3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月至次年2月為冬季建立各季節(jié)時間序列，用算術(shù)平均法生成柴達(dá)木盆地日照和風(fēng)速年、季變化，用距平法建立年代際變化。

利用Arcgis 10.2軟件中反距離權(quán)重法(IDW)制作柴達(dá)木盆地日照及風(fēng)速空間變化分布圖，作空間差異分析描述。用曼-肯德爾(M-K)檢驗法作該地區(qū)日照和風(fēng)速突變檢驗，若正反序列兩個統(tǒng)計量曲線僅有一個明顯的交叉點，且位于信度線之間，則表明該交叉點為突變點，且統(tǒng)計上顯著；若交叉點位于信度線之外，或者存在多個明顯的交叉點，則不確定是否為突變點，再利用滑動T檢驗法進行檢驗，以驗證突變點的真?zhèn)?，增強突變分析結(jié)果的可信度[13]。

2 分析與結(jié)果

2.1 日照時數(shù)變化特征

2.1.1年際時空變化特征

圖1(a)是1961～2019年柴達(dá)木盆地年日照時數(shù)變化圖，斜線表示趨勢線，點線表示多年平均值。由圖可知，柴達(dá)木盆地日照時數(shù)平均值為3 139.5 h，最高為3 336.0 h(1978年)，最低為2 707.9 h(2019年)，極差達(dá)628.1 h，占到歷年平均的20%，表明年日照時數(shù)變幅較大。日照時數(shù)氣候傾向率有著明顯的遞減趨勢，以-47.8 h·10a-1減少，通過了0.001的顯著性檢驗，同時存在明顯的階段性變化，1990年之前大多數(shù)為正距平，1990年之后大多數(shù)為負(fù)距平，2019年降至歷史最低值，其值比歷年平均值偏少13.7%，為異常偏少年。21世紀(jì)起，日照時數(shù)氣候傾向率為-76.7 h·10a-1，遞減速度明顯加快，且近3a減少尤為突出，這表明柴達(dá)木盆地年日照時數(shù)減少的趨勢在逐漸增大。

圖1 1961～2019年柴達(dá)木盆地年日照時數(shù)變化曲線及日照時數(shù)氣候傾向率空間分布圖

圖1(b)顯示日照時數(shù)在柴達(dá)木盆地空間上的變化也不盡相同?？傮w呈現(xiàn)出不同程度減少趨勢， 其中諾木洪、德令哈、冷湖減少最為明顯，氣候傾向率分別達(dá)到-70.3 h·10a-1、-62.8 h·10a-1、-62.3 h·10a-1，均通過0.001的顯著性檢驗；其次為茫崖、小灶火、都蘭、茶卡氣候傾向率依次為-56.9 h·10a-1、-55.7 h·10a-1、-49.3 h·10a-1、-40.9 h·10a-1，同樣通過0.001的顯著性檢驗；格爾木和天峻以-30.5 h·10a-1、-29.8 h·10a-1的速率在減少，通過0.01的顯著性檢驗；減少最小的是位于中北部的大柴旦，為-19.4 h·10a-1，通過了0.05的顯著性檢驗。日照時數(shù)減少很大程度上與近年來降水量總體呈增加趨勢有關(guān)[14]。

2.1.2季節(jié)時空變化特征

柴達(dá)木盆地四季日照時數(shù)變化傾向率(圖2)同樣表現(xiàn)出各季變化在空間上的差異，總體表現(xiàn)與年變化一致呈減少趨勢，變幅夏季>秋季>冬季>春季。春季格爾木和大柴旦分別以2.0 h·10a-1、0.8 h·10a-1的氣候傾向率在增加，但兩站均未通過顯著性檢驗；其他站點不同程度減少，都蘭減幅最大為-10.8 h·10a-1，德令哈和諾木洪次之為-10.2 h·10a-1、-9.9 h·10a-1，均通過0.01的顯著性檢驗；冷湖、茫崖、小灶火以-9.0 h·10a-1左右在遞減，均通過0.05的顯著性檢驗；天峻、茶卡以小于-7.0 h·10a-1減少最慢，天峻未通過顯著性檢驗。夏季、秋季和冬季全部站點均呈現(xiàn)出下降趨勢，夏季德令哈、茫崖兩站下降最快為-32.0 h·10a-1，大柴旦、格爾木、天峻下降較慢為-13.0 h·10a-1左右，所有站點均通過0.01信度檢驗；秋季諾木洪降幅最大為-21.3 h·10a-1，降幅最小的大柴旦、格爾木、天峻3站為-5.5 h·10a-1左右，除天峻、茶卡未通過顯著性檢驗外，其他均通過0.1顯著性檢驗；冬季最大降幅在冷湖，最小在大柴旦，分別為-14.3 h·10a-1、-1.3 h·10a-1，除大柴旦、茫崖未通過顯著性檢驗外，其他均通過0.05顯著性檢驗。總之，四季變化中大柴旦變幅最小，諾木洪變幅最大。

圖2 1961～2019年柴達(dá)木盆地各站四季日照時數(shù)氣候傾向率分布圖

2.1.3突變檢驗

圖3為1961～2019年柴達(dá)木盆地日照時數(shù)M-K突變檢驗及滑動T檢驗，因M-K檢驗時盆區(qū)及部分站點UF和UB曲線相交點在置信區(qū)間外，故配合滑動T檢驗確認(rèn)突變年份。由圖3(a)可知，盆區(qū)日照時數(shù)自20世紀(jì)90年代起下降明顯，UF和UB曲線于1998年左右相交，但交點超出0.05的置信區(qū)間，為確定此交點是否為突變點，采用滑動T檢驗再次配合檢驗圖3(b)，由兩種方法綜合得出，柴達(dá)木盆地日照時數(shù)在1998年左右發(fā)生突變，表明日照從1998年起逐漸減少。由春季圖3(c)可知，日照時數(shù)20世紀(jì)80年代前為上升趨勢，80年代后為下降趨勢，兩曲線相交于1986年，突變年份大約在1986年；夏季圖3(d)日照時數(shù)自20世紀(jì)70年代起持續(xù)波動下降，兩曲線相交于21世紀(jì)初，其后下降較快，突變年份大約在2000年，這與整個盆區(qū)日照時數(shù)突變基本一致；秋季圖3(e)日照時數(shù)在20世紀(jì)90年代前期變化平穩(wěn)，90年代末下降趨勢加快，從兩曲線相交點確認(rèn)突變年份大約在2006年；冬季圖3(f)日照時數(shù)統(tǒng)計量曲線相交在20世紀(jì)80年代末期，這比盆區(qū)發(fā)生突變提前了10a左右。

圖3 1961～2019年柴達(dá)木盆地日照時數(shù)年及四季突變檢驗圖

2.1.4月變化特征

1961～2019年柴達(dá)木盆地平均日照時數(shù)各月變化規(guī)律總體呈現(xiàn)出雙峰型(圖4)，年內(nèi)最大值為293.0 h，出現(xiàn)在5月份，形成年內(nèi)最高峰，由于柴達(dá)木盆地干旱少雨且雨量集中在6～9月份汛期期間，故汛期之前的5月份出現(xiàn)日照時數(shù)最大值，后期雨量增多，日照時數(shù)有所減少；汛期后的10月份日照時數(shù)再次增多，形成第二峰值，年內(nèi)最低值出現(xiàn)在2月份，為222.7 h，最大與最小值相差70.3 h。

圖4 柴達(dá)木盆地日照時數(shù)月分布圖

2.1.5年代際距平變化特征

從柴達(dá)木盆地日照時數(shù)年代際距平變化來看(表1)，從20世紀(jì)60年代到20世紀(jì)結(jié)束為正距平，21世紀(jì)起為負(fù)距平，表明盆地20世紀(jì)日照豐富，70年代表現(xiàn)尤為顯著，進入21世紀(jì)日照相對減少。由季節(jié)變化來看，春、冬季變化相同，20世紀(jì)90年代前為正距平，后為負(fù)距平，表明春、冬季90年代起日照時數(shù)減少較為明顯；夏、秋季日照變化一致表現(xiàn)為2000年前為正距平，2000年后為負(fù)距平，說明21世紀(jì)起日照顯著減少，夏季減少比秋季快。

表1 季節(jié)、年日照時數(shù)的年代際距平(單位：h)

2.2 風(fēng)速變化特征

2.2.1年際時空變化特征

圖5(a)顯示，1961～2019年柴達(dá)木盆地年平均風(fēng)速為2.9 m·s-1，最大年平均風(fēng)速為3.9 m·s-1，出現(xiàn)在1969年，最小年平均風(fēng)速為2.3 m·s-1，出現(xiàn)于2019年；極差為1.6 m·s-1，達(dá)到歷年平均風(fēng)速的54.6%。由統(tǒng)計分析可知，盆區(qū)年平均風(fēng)速以-0.2 m·s-1·10a-1呈下降趨勢，通過0.001顯著性檢驗；1988年以前以正距平為主，1989年起以負(fù)距平為主。風(fēng)速的減小和沙塵天氣的減少總體趨勢基本一致[15]，風(fēng)速減小降低了沙塵天氣出現(xiàn)的動力和頻率，同時降低了風(fēng)能蘊藏量。

圖5 1961～2019年柴達(dá)木盆地年平均風(fēng)速變化曲線及平均風(fēng)速氣候傾向率空間分布圖

由圖5(b)可知，盆區(qū)風(fēng)速變化的空間分布同樣表現(xiàn)出顯著的地域差異?？傮w來看，小灶火以0.04 m·s-1·10a-1的氣候傾向率在增加，但未通過顯著性檢驗；其他站點風(fēng)速氣候傾向率均呈下降趨勢，其中茶卡未通過顯著性檢驗，其余站點均通過0.1顯著性檢驗。以格爾木為界，西部地區(qū)呈現(xiàn)出自東向西減少趨勢，茫崖減少最明顯為-0.57 m·s-1·10a-1；東部地區(qū)同樣呈由東向西減少趨勢，諾木洪減幅最大為-0.43 m·s-1·10a-1。

由柴達(dá)木盆地四季風(fēng)速變化分布圖(圖6)同樣可以看出其不同空間差異。盆地風(fēng)速在四季變化中總體表現(xiàn)均為減小趨勢，減幅春季>夏季>秋季>冬季。在四季風(fēng)速變化傾向率空間分布圖中減少最顯著的是茫崖站，其四季風(fēng)速氣候傾向率在-0.55～-0.61 m·s-1·10a-1之間，通過0.01顯著性檢驗，春季減幅最大；其次是諾木洪站在-0.33～-0.51 m·s-1·10a-1之間，通過0.01顯著性檢驗。小灶火站春、夏、秋3季都在增加，尤其是夏季較為明顯，其氣候傾向率為0.10 m·s-1·10a-1，通過0.01顯著性檢驗；冬季以微弱減幅在減少。其他站點減幅較小，表現(xiàn)不明顯。

圖6 1961～2019年柴達(dá)木盆地四季平均風(fēng)速氣候傾向率空間分布圖

2.2.2突變檢驗

根據(jù)M-K突變檢驗對盆區(qū)風(fēng)速突變做檢驗，給定顯著性水平α=0.001， 臨界線U=±2.56。從圖7(a)得知，雖然UF與UB線相交于2001年左右，但相交點處于臨界線之外，不能確認(rèn)其為盆區(qū)風(fēng)速突變年份，故用滑動T檢驗圖7(b)多次滑動檢驗后確認(rèn)2001年左右為盆區(qū)風(fēng)速減少的突變點。從季節(jié)突變來看，春、秋季M-K檢驗交點同樣在臨界線外，經(jīng)滑動T檢驗(圖略)再次檢驗后確認(rèn)其分別在2000年、2003年左右發(fā)生風(fēng)速減少突變。夏、冬季風(fēng)速自20世紀(jì)80年代持續(xù)下降，兩曲線分別于1999年、1993年相交，之后超出置信區(qū)間，因此認(rèn)定1999年、1993年分別為夏、冬兩季風(fēng)速減少突變年。

圖7 1961～2019年柴達(dá)木盆地年及四季平均風(fēng)速突變檢驗圖

2.2.3月變化特征

圖8顯示， 柴達(dá)木盆地年內(nèi)風(fēng)速變化呈單峰型。春季平均風(fēng)速較大，為3.5 m·s-1，形成年內(nèi)峰值；絕大部分站點最大風(fēng)速出現(xiàn)在4月份，平均風(fēng)速達(dá)到3.6 m·s-1；最小風(fēng)速為2.3 m·s-1，出現(xiàn)在12月份。春季風(fēng)速增大的同時形成了沙塵天氣的多發(fā)。

圖8 柴達(dá)木盆地平均風(fēng)速月變化圖

3 日照及風(fēng)速變化對太陽能、風(fēng)能的影響

柴達(dá)木盆地屬太陽能特豐富區(qū)和豐富區(qū)[16]，年日照時數(shù)2 974.0～3 575.0 h，日照百分率達(dá)69%～73%，年太陽總輻射量6 000 MJ·m-2以上，80%以上地區(qū)屬太陽能資源特豐富區(qū)，太陽能資源僅次于西藏。區(qū)內(nèi)絕大部分區(qū)域?qū)儆陲L(fēng)能可利用區(qū)，年平均風(fēng)功率密度多在80～150 W·m-2，全年風(fēng)能可用時間3 500～5 000 h，頻率50%～70%，全區(qū)太陽能資源開發(fā)利用前景十分廣闊，風(fēng)能資源亦可適度開發(fā)。

3.1 太陽能資源

太陽能資源的利用與日照時數(shù)有密切的關(guān)系，柴達(dá)木地區(qū)是日照時數(shù)最多的地區(qū)，1961～2019年各站年平均日照時數(shù)在2 974.0～3 432.8 h之間。其中冷湖最多，為3 432.8 h，天峻最小為2 974.0 h，德令哈、格爾木、茶卡、天峻、都蘭、大柴旦、小灶火、茫崖年平均日照時數(shù)依次為3 051.3 h、3 055.6 h、3 023.9 h、2 974.0 h、3 029.4 h、3 226.9 h、3 143.1 h、3 217.8 h。年太陽總輻射量在7 000 MJ·m-2左右[17]，均大于6 800 M·m-2，屬太陽能特別豐富區(qū)，也是年太陽總輻射量最大的地區(qū)。

3.1.1太陽能特別豐富區(qū)

柴達(dá)木盆地中部年太陽總輻射量在7000 MJ/m2以上，利用佳期(一年中日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃的日數(shù)，下同)在220 d以上，晴天(日照百分率≥80%，下同)日數(shù)350 d以上，最長連續(xù)陰天(日照百分率≤20%，下同)日數(shù)4～5 d；年日照時數(shù)在3 000 h以上，平均每天日照時數(shù)7 h以上，其中4～8月平均每天日照時數(shù)8.62～9.73 h，年日照百分率70%以上[16]。

3.1.2太陽能豐富區(qū)

柴達(dá)木盆地的西北部及大柴旦至都蘭縣、烏蘭縣一帶，年太陽總輻射量在6 827～7 420 MJ·m-2之間，利用佳期192～219 d，晴天日數(shù)340 d以上，其中柴達(dá)木盆地西北部的茫崖、冷湖兩地達(dá)359 d，最長連續(xù)陰天日數(shù)3～5 d；年日照時數(shù)3 000 h以上，其中冷湖達(dá)3 520.6 h，4～8月平均每天日照時數(shù)可達(dá)9.12～10.77 h，年日照百分率70%～80%。本區(qū)除利用佳期略短外，資源量同屬豐富地區(qū)，具有廣闊的開發(fā)利用前景[16]。

3.1.321世紀(jì)初氣候變化對太陽能的影響

進入21世紀(jì)以來(表2)，柴達(dá)木盆地平均日照時數(shù)為3 020.0 h，減少163.2 h，各地減少85.3～222.8 h，相對而言，盆地東部減少幅度更大一些。雖然太陽能有一定的減少，但太陽能特別豐富區(qū)的格局沒有發(fā)生變化，對太陽能發(fā)電利用影響不大。

表2 柴達(dá)木盆地1961～2000年、2001～2019年日照時數(shù)差值(單位：h)

3.2 風(fēng)能資源

3.2.1柴達(dá)木盆地風(fēng)能資源特征

根據(jù)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法GB/T 18710-2002》規(guī)定[18]，距地10 m高度年平均風(fēng)功率密度≥200 W·m-2為風(fēng)能資源豐富區(qū)，年平均風(fēng)功率密度在150～200 W·m-2之間，為風(fēng)能資源較豐富區(qū)。經(jīng)資料分析及實地考察，柴達(dá)木盆地西北部、中部，年平均風(fēng)功率密度大于200 W·m-2，為風(fēng)能資源豐富區(qū)；柴達(dá)木盆地西南部和東部，年平均風(fēng)功率密度一般在150～200 W·m-2，為風(fēng)能資源較豐富區(qū)[16]。

3.2.221世紀(jì)初氣候變化對風(fēng)能的影響

進入21世紀(jì)，隨著氣候的持續(xù)變暖，柴達(dá)木盆地風(fēng)速持續(xù)減小，2001～2019年(2.5 m·s-1)與1961～2019年(2.9 m·s-1)相比，減小0.4 m·s-1。各地風(fēng)速減小在0.1～1.7 m·s-1之間，其中茫崖、柴達(dá)木盆地的南緣減少幅度較大，減少0.6～1.7 m·s-1(表3)，其他地區(qū)減少幅度不明顯。受其影響，茫崖、都蘭、諾木洪、德令哈、格爾木對風(fēng)能發(fā)電影響較大，其余地區(qū)沒有影響，風(fēng)能資源仍為豐富區(qū)。

表3 柴達(dá)木盆地1961～2000年、2001～2019年風(fēng)速差值(單位：m·s-1)

4 結(jié)論

(1)柴達(dá)木盆地平均日照時數(shù)為3 139.5 h，且以-47.8 h·10a-1的氣候傾向率遞減，1998年發(fā)生減少突變，進入21世紀(jì)后遞減更明顯，達(dá)-76.7 h·10a-1。年內(nèi)日照時數(shù)變化呈現(xiàn)出雙峰型，5月份達(dá)到最大值293.0 h，出現(xiàn)第一峰值；10月份再次增多，形成第二峰值。平均日照時數(shù)最小為222.7 h，出現(xiàn)在2月份。日照時數(shù)空間分布表現(xiàn)為減少趨勢，西部的冷湖和東部的諾木洪、德令哈減少最為明顯。

(2)日照時數(shù)四季變化來看，格爾木及大柴旦在春季略微增加外，其他季節(jié)所有站點均呈減少趨勢，減幅夏季>秋季>冬季>春季，四季變化中大柴旦變幅最小，諾木洪最大。

(3)柴達(dá)木盆地平均風(fēng)速為2.93 m·s-1，以-0.20 m·s-1·10a-1呈下降趨勢，2001年左右發(fā)生減少突變。年內(nèi)風(fēng)速變化呈單峰型，春季形成峰值；4月份達(dá)到最大3.6 m·s-1?？臻g分布上小灶火風(fēng)速略微增大；以格爾木為界，其東、西部均呈現(xiàn)出自東向西減少趨勢，茫崖減少最為明顯。

(4)風(fēng)速四季變化來看，總體表現(xiàn)為減小趨勢，減幅春季>夏季>秋季>冬季，減少最顯著的是茫崖站，小灶火站春、夏、秋3季均在增加。

(5)柴達(dá)木盆地太陽能及風(fēng)能較為充足，進入21世紀(jì)后，太陽能雖然有一定的減少，但其特別豐富區(qū)和豐富區(qū)的格局沒發(fā)生變化，對太陽能資源開發(fā)利用影響不大；風(fēng)速持續(xù)減小，除對柴達(dá)木南緣及茫崖風(fēng)能資源造成一定影響外，其余地區(qū)無影響，風(fēng)能資源仍為豐富區(qū)。