Scientia Geographica Sinica  2014 , 34 (11): 1404-1408 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2014.011.1404

Orginal Article

1961~2010年河西地区平均风速时空变化趋势分析

张克新, 潘少明, 曹立国

南京大学地理与海洋科学学院海岸与海岛开发教育部重点实验室, 江苏 南京210023

Spatial and Temporal Trends of Average Wind Speed in Hexi Area in 1961-2010

ZHANG Ke-xin, PAN Shao-ming, CAO Li-guo

Ministry of Education Key Laboratory for Coastal and Island Development, School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing, Jiangsu 210023,China

中图分类号:  P425

文献标识码:  A

文章编号:  1000-0690(2014)11-1404-05

收稿日期: 2013-07-18

修回日期:  2013-09-11

网络出版日期:  2014-11-10

版权声明:  2014 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献,在以下情况下可以自由使用:学术研究、学术交流、科研教学等,但不允许用于商业目的.

基金资助:  国家自然科学基金项目(41166002,41271289,41230751)共同资助

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摘要

利用河西地区15个气象站点1961~2010年月平均风速和最大风速日值资料,采用M-K突变检验、ArcGIS 中的IDW插值和小波分析等方法分析河西地区平均风速的时空变化趋势。结果表明:近50 a来,河西地区年平均风速呈明显下降趋势,其递减速率为0.14 m/( s•10 a) (α=0.001);该地区四季平均风速均呈减少趋势且减少趋势相同;平均风速的变化在空间分布上存在差异,具体表现为年平均风速的递减趋势是自西向东逐渐减小,瓜州和玉门是该地区减幅最大的区域,而乌鞘岭却呈现出微增的趋势;风速的长期变化具有一定的突变性,其年平均风速在1985年发生突变;该地区平均风速存在存在多尺度的周期结构特性,其变化周期为6、19和25 a。

关键词: 河西地区 ; 平均风速 ; 时空变化

Abstract

Hexi area is characterized with a vulnerable ecological system and severe soil erosion in the northwest of China. Analyzing the trend of the average wind speed is critical for wind resources management and soil erosion control in this region. Based on the monthly average wind speed of the 15 weather stations in Hexi area from 1961 to 2010 and using the methods of climate trending rate, 5 years running mean tread, Inverse Distance Weighted interpolation, Mann-Kendall abrupt change test and wavelet analysis method, the spatial and temporal trends of the average wind speed as well as the possible influential factors were analyzed in Hexi area of Gansu Province from 1961 to 2010. The main results are as follows: 1) The annual average wind speed was 2.9 m/s in Hexi area. The annual average wind speed obviously decreased at the rate of approximately 0.14m/(s·10 a) (α=0.001) in Hexi area during the period of 1961-2010. Furthermore, on the seasonal scale, the decreased rate of four seasons was similar. The mainly reason why the annual average wind speed decreased significantly was that the frequency of 5 or more than 5 levels of wind have decreased over recent years. 2) This trend has different spatial distribution in Hexi area. The average wind speed decreased significantly in the whole region and different subregions in recent 50 years, the decreasing rate in Guangzhou County and Yumen City were the biggest and the smallest one was in Wushaoling area. 3) Abrupt change was found in the long-term climate variation. The Mann-Kendall abrupt change test showed that the year of 1985 can be viewed as turning point of the abrupt change on an annual wind speed basis. While from the perspective of seasonal wind speed, the abrupt change points in summer and autumn appeared slightly earlier than those in spring and winter. The abrupt change of the average wind speed happened in 1985 in summer and autumn while that of spring appeared in 1987. The abrupt change of winter happened in 1986. 4) Morlet wavelet analysis revealed that average wind speed exhibited quasi-periodic variations of around 6 years, 19 years and 25 years.

Keywords: Hexi area ; average wind speed ; spatial and temporal variation

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张克新, 潘少明, 曹立国. 1961~2010年河西地区平均风速时空变化趋势分析[J]. , 2014, 34(11): 1404-1408 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2014.011.1404

ZHANG Ke-xin, PAN Shao-ming, CAO Li-guo. Spatial and Temporal Trends of Average Wind Speed in Hexi Area in 1961-2010[J]. Scientia Geographica Sinica, 2014, 34(11): 1404-1408 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2014.011.1404

风速是表征气候变化以及气候形成的重要气象要素,被广泛应用于气候变化研究、风蚀强度评估、沙尘暴预测以及大气污染评价等领域;其中大风是形成沙尘暴的主要原因,它除了在地表裸露的沙尘源地及其附近形成沙尘暴灾害以外,还使土壤风蚀、沙化,作物和树木产生机械性损害,最终导致生态环境破坏[1]。近年来,国内外学者越来越多地关注地面附近风速的变化趋势 [2~8]。已有研究表明[2,3],在过去的30~50 a间,位于澳洲和北美中纬度的风速表现出0.004~0.017 m/(s·a)的递减速率;王遵娅、任国玉等[4,5]在研究全国地面气候变化特征时均指出:中国平均地面风速普遍呈现出明显下降趋势,平均风速递减速率为0.012 m/(s·a);刘苏峡等[6]对华北平原的风速变化研究表明该地区的风速也呈减小趋势;马芹等[7]对黄土高原地区平均风速的变化趋势研究发现黄土高原地区年、四季平均风速均呈极显著减小趋势;李耀辉等[8]研究表明西北多数地区近40 a来大风日数呈减少趋势。甘肃省河西地区东起乌鞘岭,西至甘肃、新疆两省界,南以祁连山与青海省相接,北有北山山系与内蒙古毗邻,东西长约1 000 km,南北宽50~100 km,面积21.5×104km2,约占甘肃全省面积的60%,是甘肃省重要的粮油生产中心[9~11]。因此,研究对河西地区平均风速的变化趋势,揭示其区域分布特点以及在全球变化背景下的发展情景,对合理利用风能资源,防灾减灾、改善当地生态环境等有深远意义。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源

选取河西地区(图1)15个气象台站1961~2010年月平均风速(梧桐沟、金塔站点数据分别为1966~1987年及1988~2010年)和最大风速日值资料(最大风速日值取值为1971年1月1日至2010年12月31日),资料来源于国家气象信息中心(网址: http://www.nmic. gov.cn/)。

1.2 研究方法

本文采用5 a滑动趋势,计算各气象站点各季节变化的趋势系数,并以此为参数,采用ArcGIS中的反距离加权(Inverse Distance Weighted)插值法,分析河西地区年及四季风速变化趋势在空间的变化特征;利用Mann-Kendall [12,13]对河西地区平均风速进行突变分析;采用Morlet小波分析河西地区平均风速变化的周期性。由于区域范围也较小,在计算区域平均风速序列时,采用算术平均对月、季节和年平均风速进行一次线性趋势拟合,得到线性变化趋势。季节划分: 春季为3~5月、夏季为6~8月、秋季为9~11月、冬季12月至翌年 2月;年平均风速为每年12个月的算术平均。

图1   研究区气象站点分布

Fig.1   The spatial distribution of the meteorological stations in study area

2 结果分析

2.1 平均风速的逐年变化趋势

近50 a来,河西地区全年平均风速为2.9 m/s,最大风速3.64 m/s(1972年),最小风速2.43 m/s(1993年),极差1.21 m/s。统计分析表明,该地区年平均风速呈明显下降趋势(图2a),其递减速率为0.14 m/(s·10 a)(α=0.001)。从5 a滑动平均曲线看出,该地区平均风速在1966~1987年均高于多年平均风速,而1987年以后,平均风速均低于多年平均风速。河西地区平均风速的年代际变化也较为明显(图2b),1980 s之前,年平均风速呈逐渐增大的趋势且增幅较大,1960 s和1970 s均高于多年平均值;而1970 s之后,1980 s和1990 s年平均风速均呈逐渐降低的趋势,且减小趋势明显,1990 s的年平均风速比多年平均风速小0.4 m/(s·a);2000年以后呈略微增大趋势,但仍小于多年平均风速;整个区域风速呈现出增大-降低-微增大的趋势。由此看出,河西地区平均风速的递减速率大于全国平均风速的递减速率[0.012 m/(s·a)][5],且远大于西北地区的平均风速递减速率[0.009 m/(s·a)][14],可见河西地区的风速变化和全国的风速变化趋势一致,但下降的幅度却高于全国以及西北地区。

2.2 平均风速的季节变化趋势

从平均风速的四季变化趋势(图3)中可以看出,河西地区四季平均风速均呈减少趋势,且四季减少趋势相同,均为0.14 m/(s·10 a)(α=0.001);且季节平均风速减少趋势和年平均风速减少趋势相同。该地区春季平均风速最大,达到3.38 m/s,秋季最小为2.62 m/s;四季平均风速的大小顺序为:春季>夏季>冬季>秋季。

2.3 平均风速的逐月变化趋势

河西地区1961~2010年的1~12月平均风速(表1)均呈减少趋势。其中:平均风速最大为4月,为3.57 m/s;5月次之,为3.30 m/s;平均风速最小为10月,为2.50 m/s;其它各月在2.53~2.99 m/s之间。而1月、5和6月平均风速递减趋势最强,线性变化倾向率为-0.17~ -0.15 m/(s·10 a); 7月、10月及12月平均风速递减趋势最弱,线性变化倾向率为-0.11~ -0.1 m/ (s·10 a)。

2.4 年平均风速的空间差异

为更好反映河西地区平均风速的变化趋势,本文用各站点年平均风速变化趋势系数作为参数,利用ArcGIS的反距离加权(Inverse Distance Weighted)插值法绘制河西地区平均风速的空间分布图(图4),以分析该地区平均风速的空间变化趋势。从图中可以明显看出该地区平均风速变化的空间差异,具体表现为年平均风速的递减趋势是自西向东逐渐减小,瓜州和玉门是该地区减幅最大的区域;而乌鞘岭的平均风速却呈现出微增的趋势。

图2   1961~2010年河西地区年(a)和年代际(b)平均风速变化趋势

Fig. 2   Annual and interdecadal trends of the average wind speed in Hexi area in 1961-2010

图3   河西地区季节平均风速的变化趋势

Fig.3   Treads of seasonal average wind speed in Hexi area

表1   平均风速的月变化趋势[m/(s·a)]

Table 1   Annual decline rate of monthly average wind velocity in the Hexi area[m/(s·a)]

月份(月)123456
倾向率-0.015*-0.012**-0.014*-0.013*-0.016*-0.017*
月份(月)789101112
倾向率-0.011**-0.014*-0.014*-0.011*-0.014*-0.01**

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注:***分别代表α=0.001和α=0.01。

图4   河西地区平均风速空间变化趋势(1961~2010年)

Fig.4   The spatial variation trend of average wind speed in Hexi area in 1961-2010

2.5 平均风速的突变分析

采用Mann-Kendall 非参数统计检验方法对河西地区的平均风速进行突变检验。结果表明:该地区年和各季节平均风速的突变点都发生在1985 年左右;年平均风速在1985 年发生突变;春季平均风速发生突变较晚,在1987年;夏、秋季平均风速突变年份一致,均在1985 年发生突变;冬季平均风速在1986 年发生突变。此结果与全国范围平均得到的突变点年限为1969 年的结论[5]不一致,说明在大尺度范围内风速的空间差异。

2.6 年平均风速的周期分析

采用Morlet小波分析,分析了河西地区平均风速变化的周期性,小波分析通过平移和伸缩参数对信号的不同频率分量采用不同持续时间的窗函数来分析信号,它不仅可以给出气候序列变化的尺度,还可以显示出变化的时间位置。通过对河西地区平均风速的Morlet小波功率谱分析(图5)表明,该地区平均风速存在多尺度的周期结构特性,该地区平均风速存在6、19和25 a的变化周期。

3 风速变化原因分析

风速的减小与气候变暖有一定的关系,风速的变化是因为温度差异和高空气流幅合(幅射)所致;蒋冲[15]分析发现风速与最低气温的相关性最好。其次,中国大部分地区收亚洲季风控制,近50 a来,东亚夏季风、南海疾风明显减弱,意味着中国大部分地区夏季偏南风减小;而亚洲冬季环流的减弱必然会导致冬季风减弱[16,17]。再次,最大风速的变化也会影响平均风速的变化[7];本文拟采用日最大风速的变化趋势来分析对平均风速变化的影响。

图5   平均风速的周期强弱与小波方差系数

Fig. 5   Cycle strength and wavelet variance coefficient of average wind speed

在河西地区选取具有代表性的 6个站点 1971~2010年的最大风速日值资料来分析最大风速变化特征。本文主要研究5级 和5级以上风速在不同年代大风日数的发生频率;风速等级划分为风速5 级(8~10.7 m/s)和5 级以上(≥10.7 m/s)(表2)。最大风速的发生频率是指该级别最大风速发生的日数占所统计总日数的比例。

表2   各站点日最大风速为 5 级或 5 级以上的发生频率(%)

Table 2   Frequency of maximum wind speed ≥5 grades in all stations(%)

瓜州酒泉张掖武威民勤乌鞘岭
1970 s12.446.676.084.959.9422.44
1980 s7.744.203.643.947.2022.63
1990 s4.581.992.191.575.5722.23
2000 s4.253.281.351.854.7221.68

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从各站点日最大风速为 5 级或 5 级以上的发生频率的变化趋势(见表2)可以看出, 1970 s至1990 s,各站点5级或5 级以上大风日数的发生频率(除乌鞘岭外)都呈逐渐减少趋势,瓜州减少趋势最明显,从12.44%减少到4.58%,减少约8%;武威减少趋势最弱,减少3.38%;乌鞘岭的5 级大风发生频率在1980 s略微增加,之后也呈减少趋势;1990 s~2000 s,除酒泉和武威的5 级或5 级以上大风日数的发生频率呈微增加趋势外,其余的均呈减少趋势。由此可以推断:河西地区平均风速显著减小的原因主要是由于 5 级或 5 级以上的大风发生频率减少造成的。

4 结 论

通过上述分析与讨论,可以得出以下结论:

1) 近50 a来,河西地区年平均风速呈明显下降趋势,其递减速率为0.14 m/(s·10 a)(α=0.001); 该地区四季平均风速也呈减少趋势,且四季减少趋势相同,均为0.14 m/(s·10 a)。其平均风速减小的主要原因是5 级或 5 级以上的大风发生频率降低造成的。

2) 河西地区平均风速变化存在空间差异,具体表现为年平均风速的递减趋势是自西向东逐渐减小,瓜州和玉门是该地区减幅最大的区域;而乌鞘岭的平均风速却呈现微增的趋势。

3) 该地区年平均风速在1985 年发生突变;春季平均风速发生突变较晚,在1987年;夏、秋季平均风速突变年份一致,均在1985年发生突变;冬季平均风速在1986年发生突变。

4) 近50 a来,该地区平均风速存在多尺度的周期结构特性,其平均风速存在6、19和25 a的变化周期。

The authors have declared that no competing interests exist.


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