郭偉等
摘 要:利用線性擬合、M-K方法對山西省22個氣象觀測站1960—2010年的逐日風(fēng)速資料進行了傾向、突變、逐年代變化等特征分析。研究表明,近50年來山西省平均風(fēng)速存在明顯的下降趨勢,平均風(fēng)速由20世紀(jì)60年代的2.16 m/s下降到21世紀(jì)初的1.86 m/s;不同時間段呈現(xiàn)不同的變化特征,1979—1989年風(fēng)速出現(xiàn)顯著下降,年均遞減率達到0.046 m/s,變率遠超出其他時段;對近50年山西省平均風(fēng)速進行M-K檢驗后發(fā)現(xiàn),在1982年出現(xiàn)明顯的突變點。山西省四季平均風(fēng)速均呈下降趨勢,四季風(fēng)速下降速率最快的為春季,冬季次之,夏季風(fēng)速下降速率最慢。同樣,四季風(fēng)速均發(fā)生突變,突變時間點分布在1980—1985年間。除8月外,山西省各個月份風(fēng)速也呈下降趨勢,且均出現(xiàn)突變現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞:風(fēng)速變化;線性擬合;突變點;風(fēng)速測量
中圖分類號:P425.44 文獻標(biāo)識碼:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.001
風(fēng)速是一個重要的氣候?qū)W統(tǒng)計特征,風(fēng)速對各種有利或不利天氣的形成過程均有顯著影響。在荒漠或水土流失嚴(yán)重的地區(qū),較大的風(fēng)速會增加沙塵暴天氣中的降塵量和沙丘移動過程中的輸沙量;而在城市中,較大的風(fēng)速卻有利于冬春季節(jié)空氣中污染物的擴散,緩解霧霾天氣。最近,另外一項研究熱點也與風(fēng)速的變化有關(guān),就是在我國大部地區(qū)廣泛出現(xiàn)的“蒸發(fā)悖論”,即氣溫升高而蒸發(fā)量下降的現(xiàn)象,其主要原因之一就是這些地區(qū)風(fēng)速的顯著下降。風(fēng)速變化的影響因素很多,除大氣的大尺度環(huán)流系統(tǒng)的變化外,還受到小尺度的地形、熱力作用和觀測環(huán)境改變的影響。到目前為止,風(fēng)速下降的原因仍存分歧,主要觀點有兩種:①大氣環(huán)流的減弱。江瑩等的研究發(fā)現(xiàn)大氣環(huán)流的變化是造成中國年平均風(fēng)速呈顯著減小趨勢最可能的原因。此外,由于中國是典型的季風(fēng)區(qū),一些針對東亞地區(qū)的研究也顯示東亞冬季風(fēng)確實存在緩慢減弱的變化趨勢。②人類活動的影響,土地利用的變化,例如農(nóng)業(yè)活動引起的下墊面變化、城市化進程等都導(dǎo)致了我國近地層風(fēng)速的減弱。本研究采用山西省22個站點近50年的氣象資料,分析了山西省風(fēng)速變化的趨勢及突變特征,以期為山西省未來風(fēng)速預(yù)測、風(fēng)能資源利用開發(fā)、空氣污染氣象預(yù)報等領(lǐng)域的研究提供科學(xué)依據(jù)。
1 資料與方法
風(fēng)速觀測記錄受遷站、測風(fēng)儀的改變、維護不周導(dǎo)致的測風(fēng)儀性能下降、觀測環(huán)境改變等影響,易出現(xiàn)較大的非均一性。因此,本文首先排除了遷站次數(shù)較多、遷站距離較遠、遷站前后海拔高差較大的站點,之后對每一個站點風(fēng)速數(shù)據(jù)的時間序列進行了均一性檢驗,即根據(jù)各氣象站觀測記錄報表所記載的情況結(jié)合t檢驗方法(直接檢驗方法)對氣象站1960—2010年逐年年平均風(fēng)速序列進行均一性檢驗,同時考慮臺站地理位置和資料的完整性,最終我們選取了風(fēng)速觀測值無斷點、相對均一的22個臺站。站點分布如圖1所示。為了得到山西省風(fēng)速變化的總體趨勢,將各站資料進行算術(shù)
平均,得到1960—2010年各月、各季以及各年的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)。
采用線性傾向率進行趨勢性分析,并進行顯著性檢驗。將氣象要素的趨勢變化用一次線性方程表示,即:
t=a0+a1t(t=1,2 …n). (1)
式(1)中: t為氣象要素擬合值;a1為線性傾向率,表示氣象要素每年的變化率。
根據(jù)觀測數(shù)據(jù),采用F檢驗法對擬合得到的線性回歸方程進行顯著性檢驗,可得到其顯著性水平。
2 結(jié)果與分析
2.1 山西省近50年的風(fēng)速變化特征
本研究所選的山西省22個站點近50年的平均風(fēng)速變化趨勢基本一致,有19個站點平均風(fēng)速呈下降趨勢,僅有3個站(離石、榆社、興縣)風(fēng)速出現(xiàn)上升趨勢。將22個站點平均風(fēng)速做算術(shù)平均(如圖2和表1所示)。結(jié)果表明,山西省1960—2010年平均風(fēng)速存在明顯的下降趨勢,風(fēng)速由20世紀(jì)60年代的2.16 m/s下降到21世紀(jì)初的1.86 m/s,年平均遞減速率為0.003 9 m/s。從圖2中可以看出,在山西省近50年風(fēng)速變化過程中,最明顯的變化出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代前后,即1979—1989年,風(fēng)速出現(xiàn)顯著下降,年均遞減率達到0.046 m/s,變率遠超出其他時段;1960—1978年以及1990年以后,風(fēng)速變化不明顯,僅呈現(xiàn)微弱上升的趨勢,風(fēng)速年均遞增率分別為0.006 1 m/s和0.003 3 m/s。
在時間趨勢序列分析中,Mann-Kendall檢驗法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗方法,特別適合于分析降水、徑流、氣溫和水質(zhì)等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)的趨勢。本文對山
西省22個氣象站點平均風(fēng)速的序列進行M-K檢驗后發(fā)現(xiàn),山西省年均風(fēng)速的突變點在顯著區(qū)內(nèi)(兩條虛線之間),可認為突變存在,突變的時間點為1982年。因此,山西省風(fēng)速變化特征并不是一個逐漸下降的過程,而是一個突變下降的過程。
2.2 山西省不同季節(jié)風(fēng)速變化特征
山西省不同季節(jié)風(fēng)速有較大差異,春季風(fēng)速最大,達到2.48 m/s,其次是冬季,平均風(fēng)速為1.93 m/s;平均風(fēng)速最小的季節(jié)為秋季,風(fēng)速僅為1.75 m/s。對山西省不同季節(jié)近50年的風(fēng)速變率進行分析后發(fā)現(xiàn),四季平均風(fēng)速都存在顯著下降的特征。風(fēng)速下降幅度最大的季節(jié)是春季,每10年降幅為0.120 m/s,其次是冬季,每10年降幅為0.117 m/s;下降幅度較小的季節(jié)是夏季和秋季,每10年降幅分別為0.059 m/s和0.074 m/s,同時也可以看出,風(fēng)速下降速率的大小基本上與風(fēng)速大小成正比——季節(jié)風(fēng)速越大,風(fēng)速的下降幅度也越大。
為了研究山西省近50年不同季節(jié)風(fēng)速的突變特征,將22個站風(fēng)速合計成平均值構(gòu)成新的季平均風(fēng)速序列,再運用M-K檢驗,尋找突變的時間。圖3給出了山西省四季平均風(fēng)速序列的M-K檢驗。結(jié)果顯示,春夏秋冬四季的突變點均在顯著區(qū)內(nèi),可認為突變存在,四季突變時間依次為1982年、1982年、1985年、1980年,同時也表明不同季節(jié)出現(xiàn)突變的時間有前后之分,冬季最先出現(xiàn)突變,其次是春季和夏季,最晚出現(xiàn)突變的是秋季。
2.3 山西省月平均風(fēng)速年變化特征
一般來說,年內(nèi)不同月份風(fēng)速大小有顯著差異。從圖4可以看出,山西省年內(nèi)平均風(fēng)速的最大和最小值分別出現(xiàn)在4月和9月。
對1960—2010年各月份平均風(fēng)速變化特征擬合得到的線性回歸方程進行顯著性檢驗后發(fā)現(xiàn),多數(shù)月份風(fēng)速下降趨勢都達到顯著水平,僅8月份風(fēng)速變化未達到顯著水平,但仍顯示其有下降趨勢。從各個月份風(fēng)速變化線性傾向率來看,各月風(fēng)
速遞減率仍然以冬春季節(jié)的月份變率較大,1月、4月、5月的線性趨勢率明顯高于其他月份,而夏秋季節(jié)的月份風(fēng)速變率較小,例如7—10月份的線性趨勢率明顯低于其他月份。
從各個月份的M-K序列來看,各月在70年代后期都呈現(xiàn)下降趨勢。從表3中可以看出,風(fēng)速的突變現(xiàn)象在各個月份均有發(fā)生,且風(fēng)速突變時域較為統(tǒng)一,大多月份都出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代前中期,只有10月和12月的突變時間較為復(fù)雜,10月突變時間較晚,而12月突變時間則較早。
3 結(jié)論
綜上所述,近幾十年山西省風(fēng)速出現(xiàn)了較大變化,其變化特征可歸納如下:①近50年來山西省平均風(fēng)速存在明顯的下降趨勢,平均風(fēng)速由20世紀(jì)60年代的2.16 m/s下降到21世紀(jì)初的1.86 m/s,年均遞減率為0.009 3 m/s;不同時間段呈現(xiàn)不同的變化特征,其中,以1979—1989年的下降過程最為顯著,風(fēng)速年均遞減率達到0.046 m/s,其他時間段風(fēng)速變化則不顯著,僅呈現(xiàn)微弱的上升趨勢;對近50年風(fēng)速變化特征進行M-K檢驗后發(fā)現(xiàn),平均風(fēng)速在1982年出現(xiàn)明顯的突變點。因此,山西省風(fēng)速變化特征并不是一個逐漸下降的過程,而是一個突變下降的過程。②對山西省四季平均風(fēng)速變化特征分析后發(fā)現(xiàn),四個季節(jié)風(fēng)速均呈下降趨勢,風(fēng)速下降幅度較大的季節(jié)是春季和冬季,每10年降幅分別為0.120 m/s和0.117 m/s,下降幅度較小的季節(jié)是夏季、秋季,每10年降幅分別為0.059 m/s和0.074 m/s。同時,四季風(fēng)速均發(fā)生突變,突變時間點分布在1980—1985年間。山西省各個月份風(fēng)速除8月外均呈下降趨勢,且均出現(xiàn)突變現(xiàn)象。
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