烏魯木齊東南大風(fēng)空間分布和時間變化特征

竇 剛，雅森江·庫爾班，木尼熱·艾尼

1.新疆氣象臺，新疆烏魯木齊 830000；2.新疆氣象服務(wù)中心，新疆烏魯木齊 830000；3.克州氣象局，新疆阿圖什 845350

新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市地處天山山脈中段的峽谷內(nèi)，呈西北—東南走向。當(dāng)峽谷南北兩側(cè)地面氣壓出現(xiàn)南高北低的形勢時，烏魯木齊一帶常出現(xiàn)7～8級東南大風(fēng)，平均最大風(fēng)力11級，最大瞬間風(fēng)速高達(dá)40 m/s，同時伴有升溫、降壓和降濕特點，往往給當(dāng)?shù)爻鞘性O(shè)施、民航和交通運輸、人民健康帶來較大影響。大量學(xué)者基于烏魯木齊市大風(fēng)天氣展開了相關(guān)研究，孫鳴婧等[1]通過分析春季東南大風(fēng)個例發(fā)現(xiàn)，峽谷兩端南高北低的海平面氣壓場是烏魯木齊東南大風(fēng)的必要條件，但地面蒙古冷高越強，東南風(fēng)未必越強。湯浩等[2]利用WRF模式對2007年2月28日新疆一次極端大風(fēng)事件模擬分析發(fā)現(xiàn)，重力波破碎形成的湍流活躍層和中低空風(fēng)向切變的臨界層，吸收上層波能量向下傳輸加強了穿谷急流能量。利用烏魯木齊及周邊地面氣象站小時觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了烏魯木齊東南大風(fēng)空間分布和時間變化特征，為烏魯木齊大風(fēng)預(yù)報預(yù)警和災(zāi)害防御提供參考。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

因紅雁池水庫站建站較晚，數(shù)據(jù)范圍有限，采用烏魯木齊及周邊60個地面氣象觀測站2012—2021年逐小時觀測數(shù)據(jù)對東南大風(fēng)空間分布特征分析；采用中國氣象局天擎數(shù)據(jù)系統(tǒng)下發(fā)的1961—2020年日值數(shù)據(jù)分析東南大風(fēng)時間變化特征。大風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)采用大風(fēng)藍(lán)色預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，即10 min平均風(fēng)速≥6級（10.8 m/s），或陣風(fēng)≥7級（13.9 m/s），1 d中出現(xiàn)1次或多次大風(fēng)，均記為1個大風(fēng)日。

1.2 研究方法

主要采用一元線性回歸、曼肯德爾法（M-K）和小波分析（Morlet小波）方法分析烏魯木齊站東南大風(fēng)日數(shù)趨勢、周期等變化特征。一元線性回歸是研究氣候變化趨勢的常用統(tǒng)計方法，方程表示為：

式（1）中：xi為某氣象因子，ti為xi所對應(yīng)時間，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)，傾向率正負(fù)表示增加或減少趨勢，傾向率絕對值大小表征變化幅度。曼肯德爾法（M-K）是一種非參數(shù)檢驗方法，其不需要樣本遵循一定的統(tǒng)計分布，也不受奇異值干擾，因此被廣泛應(yīng)用于序列值趨勢變化和突變點檢驗等研究[3-6]。小波分析法用于分析烏魯木齊站年東南大風(fēng)日數(shù)周期結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律，對滿足一定條件的小波函數(shù)ψ(t)，時間序列f(t)∈L2(R)的小波變換為：

式（2）中，Wf(a,b)為小波系數(shù)為共軛復(fù)數(shù)，a為尺度因子，b為平移因子。

采用的小波函數(shù)為Morlet小波函數(shù)，即：

式（3）中，c為常數(shù)，i為虛數(shù)。小波系數(shù)實部的變化趨勢與信號起伏基本一致，等值線中心為高低值中心（正小波系數(shù)為高值，負(fù)小波系數(shù)為低值），中心值大小反映出波動振蕩強度[7]。同時用小波方差反映波動的能量隨尺度分布，可確定一個時間序列中各種尺度擾動的相對強度，對應(yīng)峰值處的尺度即為該序列主要時間尺度，即主要周期。小波方差計算公式為：

為將氣象站點觀測數(shù)據(jù)插值到空間位置，使用反距離權(quán)重法將烏魯木齊市境內(nèi)60個站點數(shù)據(jù)大風(fēng)日數(shù)插值到全部區(qū)域。

2 烏魯木齊東南大風(fēng)空間分布特征

從近10年東南大風(fēng)日數(shù)和最大風(fēng)速統(tǒng)計看，烏魯木齊年均東南大風(fēng)日數(shù)和最大風(fēng)速位置分布較一致，主要在烏魯木齊市達(dá)坂城區(qū)、天山區(qū)南部和頭屯河區(qū)的八一鋼鐵公司一帶，呈東南—西北走向帶狀分布，大值區(qū)在天山區(qū)南部郊區(qū)烏拉泊至紅雁池，最大年均大風(fēng)日數(shù)和風(fēng)速均出現(xiàn)在紅雁池水庫站，分別為31.7 d/年和38.2 m/s（圖1）。焦化山附近為次大值區(qū)，年均10～15 d/年。除東南—西北向分布的大風(fēng)日數(shù)帶狀大值區(qū)外，其他地區(qū)年均大風(fēng)日數(shù)在0.1～5 d/年，最大風(fēng)速為11～16.5 m/s?？梢姙豸斈君R東南大風(fēng)空間分布與地形特征相對應(yīng)，當(dāng)柴窩堡山谷出現(xiàn)東南風(fēng)后，氣流沿峽谷向西北方向流動，狹管效應(yīng)使東南風(fēng)逐漸增強，到達(dá)峽谷北部開口區(qū)的紅雁池水庫一帶時風(fēng)速最大，因此呈現(xiàn)東南—西北帶狀分布特征。

圖1 2012—2021年烏魯木齊市東南大風(fēng)的平均日數(shù)(a)、最大風(fēng)速(b)

3 紅雁池水庫站東南大風(fēng)時間分布特征

對烏魯木齊市近10年東南大風(fēng)日數(shù)月分布統(tǒng)計，紅雁池水庫站在10、11和4月出現(xiàn)東南大風(fēng)最多，依次分別為46、42和39 d，7、6和8月最少，大風(fēng)日數(shù)分別為7、8和10 d，說明烏魯木齊市南郊東南大風(fēng)主要在春、秋季，分別占全部大風(fēng)日數(shù)的33%和37%，冬季為22%，夏季東南大風(fēng)最少，僅為8%（圖2a）。烏魯木齊東南大風(fēng)形成除了與地形有關(guān)，也與峽谷兩端南高北低氣壓場密相關(guān)。大風(fēng)發(fā)生前，新疆多為高空暖性高壓脊控制，地面有冷空氣從蒙古高壓后部流向南疆，使南疆中底層氣壓不斷升高，形成南疆高、北疆低的氣壓場分布，有利于烏魯木齊峽谷地帶形成東南風(fēng)。上述環(huán)流場形勢多出現(xiàn)在冷熱空氣交匯頻繁的春秋季，因此烏魯木齊東南大風(fēng)也多出現(xiàn)春秋季。

由圖2b可看出，紅雁池水庫東南大風(fēng)日變化呈雙峰型，主峰在08:00～09:00（北京時間，下同），出現(xiàn)頻率為0.07；次峰在04:00左右，頻率為0.06；17:00左右為低谷時段，頻率為0.01?？梢娂t雁池水庫南大風(fēng)多出現(xiàn)夜間和清晨，日出后東南大風(fēng)次數(shù)較少，或日出后東南風(fēng)風(fēng)速迅速降低，日落后東南風(fēng)出現(xiàn)頻次又逐漸增加。因峽谷兩端南高北低的氣壓差是形成烏魯木齊東南大風(fēng)的必要條件，因此氣壓差的日變化也會造成東南風(fēng)日差異；日出后隨著太陽輻射影響，南北疆空氣溫差減弱，氣壓差也減小，東南大風(fēng)出現(xiàn)頻次較少；日落后地面受太陽輻射減少而冷卻降溫，此時南疆受冷空氣回流影響，氣溫降幅更劇烈，而北疆由于受高空暖性高壓脊控制，氣溫降幅較小，因此南北疆夜間溫差、氣壓差比白天大，東南大風(fēng)也更易在夜間出現(xiàn)。

圖2 紅雁池水庫站東南大風(fēng)日數(shù)的月、日分布

4 烏魯木齊站近60年東南大風(fēng)變化特征

烏魯木齊站與紅雁池水庫站相距7 km，但東南大風(fēng)日數(shù)有明顯差異。烏魯木齊東南大風(fēng)多出現(xiàn)在南部郊區(qū)，市區(qū)較少，但市區(qū)出現(xiàn)東南大風(fēng)時，易造成航班延誤，廣告牌等高空物體被吹落，嚴(yán)重威脅人民生命財產(chǎn)安全。

從1961—2020年烏魯木齊市長期變化曲線看，烏魯木齊市東南大風(fēng)年大風(fēng)日數(shù)變化波動較大，年代際差異明顯，1980—1991年連續(xù)12年東南大風(fēng)日數(shù)均低于平均值12.7 d，最小值為1967年，僅為2 d，最大值在1975年，達(dá)到29 d（圖3）。總體看，烏魯木齊市東南大風(fēng)日數(shù)呈不斷減少趨勢，氣候傾向率為-0.44 d/10年。圖3b為M-K突變分析，可看出烏魯木齊市東南大風(fēng)日數(shù)未出現(xiàn)突變，UF曲線一直小于0，表明烏魯木齊近60年年東南大風(fēng)日數(shù)處在下降通道中。從年代際變化看，20世紀(jì)60至80年代初烏魯木齊東南大風(fēng)日數(shù)雖趨于減少，但未超過-1.96線，沒通過0.05顯著性水平，說明減少不明顯；20世紀(jì)80年代中后期至21世紀(jì)10年代初，減少趨勢超過-1.96線，通過0.05顯著性水平，說明減少明顯；21世紀(jì)10年中后期，UF線又逐漸返回至±1.96之間，說明減少趨勢有所減弱。

圖3 1961—2020年烏魯木齊站東南大風(fēng)日數(shù)的年際變化

從小波分析看，1961—2020年烏魯木齊站東南大風(fēng)日數(shù)變化存在多時間尺度特征（圖4a）?？傮w上，大風(fēng)日數(shù)變化存在3～6、10～15和30～60年的震蕩周期，3～6和30～60年振蕩在60年中始終存在，其中3～6年振蕩在1961—1993年和2011—2020年2個時段振蕩較穩(wěn)定，分別出現(xiàn)7和2次的多—少交替的振蕩變化周期。30～60年振蕩在整個過程中都較穩(wěn)定，出現(xiàn)準(zhǔn)1次振蕩。10～15年振蕩主要出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代后，共出現(xiàn)準(zhǔn)2次振蕩。從小波方差圖看，曲線存在3個明顯峰值，分別對應(yīng)5、14和45年的時間尺度（圖4b）。其中最大峰值對應(yīng)著45年時間尺度，說明45年左右的周期振蕩最強，為烏魯木齊站東南大風(fēng)日數(shù)變化的第1主周期；第2峰值為14年周期，為大風(fēng)日數(shù)變化第2主周期；第3峰值為5年周期，為第3主周期。上述分析表明，45、14和5年左右的周期波動控制著1961—2020年烏魯木齊站東南大風(fēng)日數(shù)變化特征。

圖4 1961—2020年烏魯木齊站東南大風(fēng)日數(shù)的小波分析

5 總結(jié)與討論

（1）烏魯木齊市東南大風(fēng)主要出現(xiàn)在南郊達(dá)坂城至紅雁池水庫一帶，年均大風(fēng)日數(shù)和極大風(fēng)速極大值均在紅雁池水庫站，分別為31.7 d/年和38.2 m/s。焦化山附近為次大風(fēng)日數(shù)大值區(qū)。東南大風(fēng)常出現(xiàn)在春秋季，分別占全年大風(fēng)日數(shù)的33%和37%。紅雁池水庫站東南大風(fēng)呈雙峰型日變化特征，主峰在08:00～09:00，次峰出現(xiàn)后04:00左右，日出后東南大風(fēng)次數(shù)迅速降低，低谷在17:00。

（2）近60年烏魯木齊站年東南大風(fēng)日數(shù)年代際差異明顯，未出現(xiàn)突變點，總體呈不斷減少趨勢，氣候傾向率為-0.44 d/10年，其中20世紀(jì)60至80年代初為振蕩期，減少趨勢不明顯，20世紀(jì)80年代中后期至21世紀(jì)10年代初為迅速減少期。

（3）烏魯木齊站年東南大風(fēng)日數(shù)存在3～6、10～15和30～60年左右的震蕩周期，分別對應(yīng)第3、第2和第1主周期。