韓柳 王靜璞 柴國奇 王光鎮(zhèn) 王周龍

摘要 利用1971—2011年北方風(fēng)蝕區(qū)146個(gè)氣象站的逐時(shí)風(fēng)速資料，將5 m/s以上風(fēng)速劃分為和風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)、大風(fēng)、狂風(fēng)4個(gè)等級(jí)，采用線性趨勢(shì)分析、小波分析、M-K突變檢驗(yàn)分析和空間相似度分析等方法分析了該地區(qū)不同等級(jí)土壤風(fēng)蝕力時(shí)空分布特征，并討論了與平均風(fēng)速的時(shí)空相關(guān)性。結(jié)果表明，在空間分布上和風(fēng)時(shí)數(shù)與強(qiáng)風(fēng)時(shí)數(shù)空間分布相似，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟西部、烏蘭察布和包頭市北部為高值區(qū)，新疆天山山脈以南為和風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)時(shí)數(shù)的低值區(qū)，除新疆天山以北，大部分地區(qū)大風(fēng)和狂風(fēng)時(shí)數(shù)極少；4個(gè)等級(jí)風(fēng)速平均時(shí)數(shù)季節(jié)變化規(guī)律均為春夏秋冬遞減，風(fēng)速等級(jí)越高，累計(jì)時(shí)數(shù)越少，季節(jié)與地區(qū)間的差異越??；在時(shí)間變化上，和風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)、大風(fēng)和狂風(fēng)年總時(shí)數(shù)和四季時(shí)數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，四季間有明顯差異；和風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)和大風(fēng)時(shí)數(shù)變化的主周期均為28年，而狂風(fēng)時(shí)數(shù)變化的主周期為11年；和風(fēng)與平均風(fēng)速呈現(xiàn)較好的時(shí)空相關(guān)性，基本可以反映平均風(fēng)速的時(shí)空變化。

關(guān)鍵詞 土壤風(fēng)蝕力；累計(jì)時(shí)數(shù)；時(shí)空特征；北方風(fēng)蝕區(qū)

中圖分類號(hào) S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）32-0059-07

Spatial and Temporal Characteristics of Wind Erosion Forces in Northern China

HAN Liu，WANG Jingpu，CHAI Guoqi et al

（College of Resource and Environmental Engineering，Ludong University，Yantai，Shandong 264025）

Abstract Using the hourly wind speed data of 146 meteorological stations in the northern wind erosion area from 1971 to 2011， the wind speed above 5 m/s was divided into four levels：moderate breeze， strong breeze， fresh gale and whole gale.The spatial and temporal distribution characteristics of different grades of soil wind erosion in this area were analyzed by linear trend analysis， wavelet analysis，MK mutation analysis and spatial similarity analysis， and the temporal and spatial correlation with average wind speed was discussed.The results showed as follows： From the spatial distribution of the display， moderate breeze and strong breeze hours were similar. The western part of Xilinguole and the northern part of Wulanchabu and Baotou was high value region， the south of the Tianshan mountains in Xinjiang was the low value region. For fresh gale and whole gale， except for the north of Tianshan Mountains in Xinjiang， there were very few hours in most regions. The average seasonal variation of moderate breeze， strong breeze， fresh gale and whole gale was decreasing in proper order of spring， summer， autumn and winter. The higher wind speed grade was， the less the accumulated time was， and the smaller the difference between season and area was. The hours of moderate breeze， strong breeze， fresh gale and whole gale showed decreased trends without exception.The total annual and seasonal hours of moderate breeze， strong breeze， fresh gale and whole gale showed a decreasing trend，and there were significant differences between the four seasons；the hours of moderate breeze，strong breeze and fresh gale exhibited quasiperiodic variations of around 28 year， but the main period of whole gale was around 11 years.There was a good correlation between average wind speed and moderate breeze. Therefore， the temporal and spatial variation of average wind can be basically reflected by the hours of moderate breeze.

Key words Wind erosion forces；Accumulative hours；Temporal and spatial characteristics； Wind erosion region of Northern China

基金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（41701005）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2017PD006）。

作者簡(jiǎn)介 韓柳（1994—），女，河北唐山人，碩士研究生，研究方向：氣候變化及其影響與響應(yīng)。*通訊作者，講師，博士，從事遙感、沙漠化過程研究。

收稿日期 2018-06-29

風(fēng)蝕作用在我國北方地區(qū)影響范圍十分廣泛，受其影響的區(qū)域主要位于我國西北干旱半干旱氣候區(qū)，總面積達(dá)340萬km2，地表植被稀疏，以草原和荒漠為主，生態(tài)環(huán)境十分脆弱[1]。在自然和人為因素的作用下水土流失、植被退化、土壤風(fēng)蝕、沙塵暴災(zāi)害頻發(fā)[2]，其中土壤風(fēng)蝕是該地區(qū)土地退化和環(huán)境惡化的主要原因，是我國急需解決的一個(gè)環(huán)境問題[3-6]。

我國已有大量關(guān)于風(fēng)蝕的動(dòng)力因素方面的研究，但大部分是圍繞著平均風(fēng)速[7-9]、大風(fēng)日數(shù)[10-13]、最大風(fēng)速[14]這些指標(biāo)展開的，這些指標(biāo)雖然能夠很好地反映當(dāng)?shù)仫L(fēng)速的時(shí)空特征，但對(duì)于諸如風(fēng)速等級(jí)結(jié)構(gòu)、大風(fēng)持續(xù)狀況的反映能力較差，甚至?xí)霈F(xiàn)相反的結(jié)論。而不同等級(jí)風(fēng)速累計(jì)時(shí)數(shù)提高了對(duì)風(fēng)速分析的時(shí)間精度，較好地彌補(bǔ)了這方面不足，對(duì)于生態(tài)環(huán)境非常脆弱的北方風(fēng)蝕區(qū)有著十分重要的意義，不僅能夠提高對(duì)該地區(qū)氣候變化的認(rèn)識(shí)[15]，為預(yù)測(cè)未來的氣候變化奠定基礎(chǔ)，而且對(duì)防御大風(fēng)、減輕風(fēng)沙災(zāi)害對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響和改善北方風(fēng)蝕區(qū)的生態(tài)環(huán)境有著極其現(xiàn)實(shí)的意義[16]。國內(nèi)外學(xué)者通常認(rèn)為我國北方地區(qū)5 m/s為臨界風(fēng)沙起動(dòng)風(fēng)速[17-18]，筆者利用我國北方風(fēng)蝕區(qū)146個(gè)基本氣象站點(diǎn)的1971—2011年逐時(shí)風(fēng)速資料，依據(jù)氣象局風(fēng)力等級(jí)的劃分將5 m/s以上的風(fēng)速重新劃分為和風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)、大風(fēng)、狂風(fēng)4個(gè)等級(jí)，分析了該地區(qū)土壤風(fēng)蝕力時(shí)間變化趨勢(shì)、空間分布特征、周期性和突變特征，并進(jìn)一步探究了不同等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)與平均風(fēng)速的時(shí)空相關(guān)性。

1 材料與方法

1.1 資料及來源

我國北方風(fēng)蝕區(qū)地處74°～125°E、33°～53°N，包括黑龍江、吉林、遼寧的西部，河北、北京、山西、陜西的北部，青海省西北部以及內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅、新疆的絕大部分地區(qū)。根據(jù)全國第一次水利普查收集的各縣逐日24 h整點(diǎn)風(fēng)速資料，從中選取北方風(fēng)蝕區(qū)具有1971—2011年完整觀測(cè)記錄的146個(gè)氣象觀測(cè)站（圖1）的逐時(shí)風(fēng)速資料，并把一年分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）4個(gè)季度，分別計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)年與四季不同等級(jí)風(fēng)速的累計(jì)時(shí)數(shù)。

1.2 風(fēng)速等級(jí)的劃分

將原始數(shù)據(jù)以1 m/s為間隔劃分為0～0.99，1.00～1.99，2.00～2.99，…，34.00～34.99 m/s 35個(gè)等級(jí)，并統(tǒng)計(jì)不同等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)。選取大于風(fēng)蝕起動(dòng)風(fēng)速的等級(jí)，即5 m/s以上的風(fēng)速。并根據(jù)國家氣象局對(duì)風(fēng)力等級(jí)的劃分（為保證風(fēng)速在整數(shù)處劃分，對(duì)風(fēng)力等級(jí)所對(duì)應(yīng)風(fēng)速進(jìn)行了四舍五入的調(diào)整），將以上風(fēng)速等級(jí)劃分為和風(fēng)（風(fēng)力4～5級(jí)）、強(qiáng)風(fēng)（風(fēng)力6～7級(jí)）、大風(fēng)（風(fēng)力8～9級(jí)）、狂風(fēng)（風(fēng)力10級(jí)以上）4個(gè)等級(jí)，風(fēng)速分別為5.00～10.99、11.00～16.99、17.00～23.99、24.00～34.99 m/s。

1.3 研究方法

采用一元線性回歸分析方法，繪制了我國北方風(fēng)蝕區(qū)年與四季不同等級(jí)風(fēng)速累計(jì)時(shí)數(shù)變化曲線圖，并得到了年與四季的傾斜率[19]；利用ArcGIS 10.1將146個(gè)氣象站不同等級(jí)風(fēng)速平均累計(jì)時(shí)數(shù)進(jìn)行Kriging空間插值[20]繪制出研究區(qū)年與四季不同等級(jí)風(fēng)速累計(jì)時(shí)數(shù)空間分布圖；在Matlab軟件中運(yùn)用小波分析方法[21]對(duì)不同等級(jí)風(fēng)速累計(jì)時(shí)數(shù)進(jìn)行多時(shí)間尺度的周期性分析；采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)[22]的方法對(duì)不同等級(jí)風(fēng)速累計(jì)時(shí)數(shù)進(jìn)行突變分析；采用pearson相關(guān)分析的方法對(duì)不同等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)與平均風(fēng)速的相關(guān)性進(jìn)行分析，并采用F分布函數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)；另外，還采用了相似系數(shù)[23]來表示平均風(fēng)速和不同等級(jí)風(fēng)速的相似程度，即：

cosθ=ji=1xiyi/ji=1xi2 ji=1yi2（1）

其中，j 為站數(shù)；xi、yi分別為第i 站（氣象站）平均風(fēng)速和某個(gè)等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)；cosθ=1表示兩者的空間分布完全相同，cosθ=-1則表示相反，cosθ=0 表示完全不相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 空間分布特征

從1971—2011年我國北方風(fēng)蝕區(qū)不同等級(jí)風(fēng)速年平均累計(jì)時(shí)數(shù)空間分布（圖2）可以看出，4個(gè)等級(jí)的風(fēng)速時(shí)數(shù)的空間分布具有較好的一致性。北方風(fēng)蝕區(qū)

和風(fēng)累計(jì)時(shí)數(shù)為83～4 794 h，呈現(xiàn)出東高西低、北高南低的空間變化趨勢(shì)，其中高值區(qū)位于錫林郭勒盟西部、烏蘭察布和包頭市北部，累計(jì)時(shí)數(shù)在2 000 h及以上，低值區(qū)位于新疆天山以南，累計(jì)時(shí)數(shù)在400 h以下。整個(gè)區(qū)域強(qiáng)風(fēng)累計(jì)時(shí)數(shù)1～953 h，與和風(fēng)空間分布較一致，呈現(xiàn)出東高西低、北高南低的空間變化趨勢(shì)，高值區(qū)除錫林郭勒盟之外，還有新疆天山以北，累計(jì)時(shí)數(shù)在150 h及以上，天山以南和內(nèi)蒙古以南強(qiáng)風(fēng)累計(jì)時(shí)數(shù)較少，低于30 h。大風(fēng)時(shí)數(shù)空間分布圖顯示，整個(gè)區(qū)域的累計(jì)時(shí)數(shù)0～220 h，除新疆天山以北和內(nèi)蒙古北部，其他地區(qū)大風(fēng)時(shí)數(shù)大多低于3 h；高值區(qū)位于新疆天山以北，大風(fēng)累計(jì)時(shí)數(shù)高于15 h?？耧L(fēng)時(shí)數(shù)與大風(fēng)時(shí)數(shù)的空間分布較為一致，整個(gè)區(qū)域的狂風(fēng)累計(jì)時(shí)數(shù)為0～13 h，除新疆天山以北之外的大部分區(qū)域狂風(fēng)時(shí)數(shù)低于0.1 h；高值區(qū)同樣位于新疆天山以北，累計(jì)時(shí)數(shù)在0.5 h以上。

從北方風(fēng)蝕區(qū)不同等級(jí)風(fēng)速累計(jì)時(shí)數(shù)季節(jié)變化（圖3和表1）可以看出，我國北方風(fēng)蝕區(qū)不同等級(jí)風(fēng)速累計(jì)時(shí)數(shù)的季節(jié)變化特征明顯，和風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)、大風(fēng)和狂風(fēng)平均時(shí)數(shù)季節(jié)變化規(guī)律均為春季、夏季、秋季、冬季遞減，等級(jí)越高，累計(jì)時(shí)數(shù)越少，季節(jié)與地區(qū)間的差異越小。北方風(fēng)蝕區(qū)和風(fēng)時(shí)數(shù)春季、夏季、秋季、冬季平均值分別為458、304、270、249 h，站點(diǎn)間標(biāo)準(zhǔn)差分別為266、238、227、247 h。北方風(fēng)蝕區(qū)強(qiáng)風(fēng)平均累計(jì)時(shí)數(shù)春季、夏季、秋季、冬季分別為35、12、12、12 h，站點(diǎn)間標(biāo)準(zhǔn)差分別為47、32、24、28 h。北方風(fēng)蝕區(qū)大風(fēng)平均累計(jì)時(shí)數(shù)春季、夏季、秋季、冬季分別為2、1、1、1 h，站點(diǎn)間標(biāo)準(zhǔn)差分別為9、3、5、3 h。北方風(fēng)蝕區(qū)狂風(fēng)平均累計(jì)時(shí)數(shù)春季、夏季、秋季、冬季均不足1 h，同樣站點(diǎn)間標(biāo)準(zhǔn)差也非常小，不足1 h。

2.2 時(shí)間變化趨勢(shì)

從1971—2011年4個(gè)等級(jí)風(fēng)速年與四季時(shí)數(shù)變化特征（表1）以及不同等級(jí)風(fēng)速四季累計(jì)時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)（圖4）可以看出，近41年北方風(fēng)蝕區(qū)和風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)、大風(fēng)時(shí)數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，其中和風(fēng)時(shí)數(shù)減少速度最快，而狂風(fēng)時(shí)數(shù)無明顯的變化趨勢(shì)。各個(gè)等級(jí)四季變化趨勢(shì)均與年變化趨勢(shì)一致，變化速度四季間有明顯差異。在近41年來，隨著風(fēng)速等級(jí)的升高，年風(fēng)速時(shí)數(shù)減小，變化速度減緩，年際間的差異縮小。

和風(fēng)時(shí)數(shù)多年平均值為1 281 h，最小值838 h（2011年），最大值1 835 h（1972年），極差997 h。結(jié)合表1可以看出，對(duì)于該等級(jí)的年總時(shí)數(shù)，春季貢獻(xiàn)最大，冬季最小。該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)的傾向率為-21.4 h/a，其中春季、夏季、秋季、冬季分別為-5.8、-6.2、-5.0、-4.4 h/a，并且均通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，說明和風(fēng)時(shí)數(shù)年與四季呈顯著減少的趨勢(shì)。和風(fēng)年總時(shí)數(shù)的年際間差異非常大，標(biāo)準(zhǔn)差為268 h，四季的年際間差異夏季最大、冬季最小。從累計(jì)時(shí)數(shù)變化曲線可以看出，該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)在下降的過程中自1986年開始低于多年平均值。

強(qiáng)風(fēng)時(shí)數(shù)平均值為71 h，最小值25 h（2011年），最大值156 h（1972年），極差131 h。對(duì)于該等級(jí)的年總時(shí)數(shù)，春季貢獻(xiàn)最大，夏季、秋季、冬季貢獻(xiàn)相同。該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)傾向率為-3.0 h/a，春季、夏季、秋季、冬季分別為-1.4、-0.6、-0.5、-0.5 h/a，均能夠通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，說明強(qiáng)風(fēng)年總時(shí)數(shù)和四季時(shí)數(shù)都呈現(xiàn)出顯著的減少趨勢(shì)。強(qiáng)風(fēng)年總時(shí)數(shù)的年際間差異較大，標(biāo)準(zhǔn)差為39 h，四季中年際間差異春季最大，夏季和秋季最小。從累計(jì)時(shí)數(shù)變化曲線可以看出，該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)在下降的過程中自1988年開始低于多年平均值。

大風(fēng)時(shí)數(shù)平均值為4.0 h，最小值0.3 h（2011年），最大值11.0 h（1979年），極差10.7 h。對(duì)于該等級(jí)的年總時(shí)數(shù)，春季貢獻(xiàn)最大，夏季、秋季、冬季貢獻(xiàn)較小。該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)的傾向率為-0.3 h/a，并且通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，說明大風(fēng)年總時(shí)數(shù)呈顯著減少的趨勢(shì)。春季傾向率為-0.1 h/a，夏季、秋季和冬季減少率均不足0.1 h/a。大風(fēng)年總時(shí)數(shù)的年際間差異較小，標(biāo)準(zhǔn)差為3 h，四季中年際間差異春季最大、夏季最小。從累計(jì)時(shí)數(shù)變化曲線可以看出，該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)減少的過程中自1988年開始低于多年平均值。

狂風(fēng)時(shí)數(shù)年與四季的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差均不足1 h，并且無明顯的上升和下降趨勢(shì)。

2.3 不同等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)的周期性

2.3.1 和風(fēng)。由和風(fēng)時(shí)數(shù)小波系數(shù)實(shí)部等值線圖（圖5a1）可知，該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)在15～20和25～32年2個(gè)時(shí)間尺度上發(fā)生周期振蕩。同時(shí)可以從小波方差結(jié)果（圖5b1）中看出小波方差存在2個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)19和28年，其中以28年時(shí)間尺度的振蕩最為顯著，為該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)變化的主周期，掌控著和風(fēng)時(shí)數(shù)在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的變化特征。在主周期上該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)經(jīng)歷了由少到多2個(gè)半周期的轉(zhuǎn)換，且在2011年等值線尚未閉合，之后和風(fēng)時(shí)數(shù)仍將處于偏少期。

2.3.2 強(qiáng)風(fēng)。

強(qiáng)風(fēng)時(shí)數(shù)小波系數(shù)的實(shí)部等值線圖（圖5a2）顯示，該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)在4～6、10～14、15～24和25～32年時(shí)間尺度上存在周期振蕩，對(duì)應(yīng)的小波方差結(jié)果（圖5b2）中存在4個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)4、12、18、28年時(shí)間尺度，其中以28年時(shí)間尺度的振蕩最為顯著，所以28年時(shí)間尺度為強(qiáng)風(fēng)時(shí)數(shù)變化的主周期，掌控著該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的變化特征。在主周期上該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)經(jīng)歷了由少到多2個(gè)半周期的轉(zhuǎn)換，且在2011年等值線尚未閉合，之后強(qiáng)風(fēng)時(shí)數(shù)仍將處于偏少期。

2.3.3 大風(fēng)。

從大風(fēng)時(shí)數(shù)小波系數(shù)的實(shí)部等值線圖（圖5a3）可以看出，該等級(jí)風(fēng)速在10～15和16～25年時(shí)間尺度上存在周期振蕩，對(duì)應(yīng)的小波方差結(jié)果（圖5b3）中存在12和28年2個(gè)峰值，其中以28年時(shí)間尺度的周期振蕩最為顯著，為該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)周期變化的主周期。在主周期上該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)同樣經(jīng)歷了由少到多2個(gè)半周期的轉(zhuǎn)換，且在2011年等值線尚未閉合，之后大風(fēng)時(shí)數(shù)仍將處于偏少期。

2.3.4 狂風(fēng)。

狂風(fēng)時(shí)數(shù)小波系數(shù)的實(shí)部等值線圖（圖5a4）顯示，該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)存在較復(fù)雜的周期性振蕩，主要有10～15、16～25年2個(gè)時(shí)間尺度的變化周期?？耧L(fēng)時(shí)數(shù)小波方差結(jié)果（圖5b4）中存在11和20年2個(gè)峰值，其中11年時(shí)間尺度上的周期振蕩最為顯著，所以狂風(fēng)時(shí)數(shù)變化的主周期在11年時(shí)間尺度上。在主周期上該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)同樣經(jīng)歷了由多到少6個(gè)周期的轉(zhuǎn)換，且在2011年等值線尚未閉合，之后狂風(fēng)時(shí)數(shù)仍將處于偏少期。

2.4 不同等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)變化突變性檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步討論不同等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)的突變特征，采用M-K突變檢驗(yàn)方法對(duì)不同等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)序列進(jìn)行分析（圖6）。由圖6可知，和風(fēng)時(shí)數(shù)在1975年之后有逐年減少的趨勢(shì)；并從1980年開始突破了0.01顯著水平線，呈顯著減少趨勢(shì)。UF和UB曲線于1988年左右相交，交點(diǎn)位于顯著性水平線區(qū)間之外，說明和風(fēng)時(shí)數(shù)在1988年可能發(fā)生突變。強(qiáng)風(fēng)時(shí)數(shù)同樣從1975年開始有逐年減少的趨勢(shì)，并在1980年突破0.01顯著水平線，開始呈顯著減少趨勢(shì)；UF和UB曲線也于1987年左右在顯著水平線之外相交，說明強(qiáng)風(fēng)時(shí)數(shù)在1987年可能突變。大風(fēng)時(shí)數(shù)1972—1976年呈逐年減少的趨勢(shì)，1977—1981年呈上升趨勢(shì)，均未通過顯著性檢驗(yàn)；1981年之后該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)又呈減少趨勢(shì)，并在1988年突破0.01顯著水平線，呈顯著減少趨勢(shì)；UF和UB曲線于1992年左右在顯著水平線之外相交，說明大風(fēng)時(shí)數(shù)在1992年可能發(fā)生突變。狂風(fēng)和大風(fēng)時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)相似，1972—1976年呈逐年減少的趨勢(shì)，1977—1981年呈上升趨勢(shì)，均未通過顯著性檢驗(yàn)；1981年之后該等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)又呈減少趨勢(shì)，并在1997年突破0.01顯著水平線，開始呈顯著減少趨勢(shì)；UF和UB曲線的交點(diǎn)稍有推后，在1996年左右且位于顯著性水平線區(qū)間內(nèi)，說明狂風(fēng)時(shí)數(shù)在1996年發(fā)生了明顯突變。

由上述可知，1971—2011年我國北方風(fēng)蝕區(qū)除狂風(fēng)時(shí)數(shù)在1996年發(fā)生明顯突變外，其他等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)均無明顯突變現(xiàn)象。

2.5 不同等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)與平均風(fēng)速的時(shí)空相關(guān)性分析

近41年來我國北方風(fēng)蝕區(qū)平均風(fēng)速呈現(xiàn)北高南低的空間分布特征，在時(shí)間上為顯著的下降趨勢(shì)，變化幅度空間差異明顯。結(jié)合以上分析可知，我國北方風(fēng)蝕區(qū)平均風(fēng)速與不同等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)時(shí)空分布既有相似也有不同。

將1971—2011年逐年平均風(fēng)速與對(duì)應(yīng)年份的和風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)、大風(fēng)、狂風(fēng)4個(gè)等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)進(jìn)行pearson相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平均風(fēng)速與和風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)、大風(fēng)、狂風(fēng)4個(gè)等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)的pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.981、0.988、0.921、0.614，且全部通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，說明平均風(fēng)速與和風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)、大風(fēng)分別呈極強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，而平均風(fēng)速與狂風(fēng)呈強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。另外，對(duì)北方風(fēng)蝕區(qū)各個(gè)氣象站平均風(fēng)速與對(duì)應(yīng)的4個(gè)等級(jí)的風(fēng)速時(shí)數(shù)進(jìn)行空間相似度分析，得出平均風(fēng)速與和風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)、大風(fēng)、狂風(fēng)4個(gè)等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)的空間相似系數(shù)分別為0.953、0.672、0.340、0.221，表明平均風(fēng)速與和風(fēng)時(shí)數(shù)的空間分布非常一致，與強(qiáng)風(fēng)時(shí)數(shù)空間分布較為一致，而與大風(fēng)和狂風(fēng)時(shí)數(shù)的空間分布較不一致。

綜上所述，不管是平均風(fēng)速與各個(gè)等級(jí)的風(fēng)速時(shí)數(shù)逐年變化的相關(guān)性，還是平均風(fēng)速與各個(gè)等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)的空間相似度，平均風(fēng)速與和風(fēng)都呈現(xiàn)較好的相關(guān)關(guān)系。所以和風(fēng)時(shí)數(shù)的時(shí)空變化基本可以反映平均風(fēng)速的變化。不同等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)的分析提高了對(duì)風(fēng)速分析的時(shí)間精度，彌補(bǔ)了平均風(fēng)速、大風(fēng)日數(shù)等指標(biāo)的不足，可進(jìn)一步利用不同等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)探究風(fēng)作為動(dòng)力因素對(duì)土壤風(fēng)蝕和沙塵暴天氣的影響，對(duì)于生態(tài)環(huán)境非常脆弱的北方風(fēng)蝕區(qū)有著十分重要的意義。

3 結(jié)論

（1）不同等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)空間分布顯示，北方風(fēng)蝕區(qū)和風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)時(shí)數(shù)的空間分布特征較為一致，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟西部、烏蘭察布和包頭市北部為和風(fēng)與強(qiáng)風(fēng)時(shí)數(shù)的高值區(qū)，新疆天山山脈以南為和風(fēng)與強(qiáng)風(fēng)時(shí)數(shù)的低值區(qū)。北方風(fēng)蝕區(qū)大風(fēng)和狂風(fēng)時(shí)數(shù)的空間分布較為一致，除新疆天山山脈以北，大部分地區(qū)大風(fēng)和狂風(fēng)時(shí)數(shù)極少。

（2）我國北方風(fēng)蝕區(qū)不同等級(jí)風(fēng)速累計(jì)時(shí)數(shù)的季節(jié)變化特征明顯，和風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)、大風(fēng)和狂風(fēng)平均時(shí)數(shù)季節(jié)變化規(guī)律均為春季、夏季、秋季、冬季遞減。風(fēng)速等級(jí)越高，累計(jì)時(shí)數(shù)越少，季節(jié)與地區(qū)間的差異越小。

（3）不同等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)時(shí)間變化趨勢(shì)顯示，和風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)、大風(fēng)和狂風(fēng)時(shí)數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，其中和風(fēng)減少速度最快，而狂風(fēng)時(shí)數(shù)無明顯變化趨勢(shì)。各個(gè)等級(jí)四季變化趨勢(shì)均與年變化趨勢(shì)一致，變化速度四季間有明顯差異。在近41年來，隨著風(fēng)速等級(jí)的升高，年風(fēng)速時(shí)數(shù)減小，變化速度減緩，年際間的差異縮小。

（4）利用時(shí)、頻多分辨率Morlet小波分析方法對(duì)北方風(fēng)蝕區(qū)不同等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)和風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)和大風(fēng)時(shí)數(shù)變化的主周期均為28年時(shí)間尺度，與該地區(qū)平均風(fēng)速變化的主周期一致，而狂風(fēng)時(shí)數(shù)變化的主周期為11年。除狂風(fēng)累計(jì)時(shí)數(shù)在1996年存在突變點(diǎn)外，該地區(qū)其他等級(jí)風(fēng)速累計(jì)時(shí)數(shù)的變化無明顯突變現(xiàn)象。

（5）由不同等級(jí)風(fēng)速時(shí)數(shù)與平均風(fēng)速的時(shí)空相關(guān)性分析可知，平均風(fēng)速與和風(fēng)呈現(xiàn)較好的相關(guān)關(guān)系。所以和風(fēng)時(shí)數(shù)的時(shí)空變化基本可以反映平均風(fēng)速的變化。

參考文獻(xiàn)

[1] 李曉東，傅華，李鳳霞，等.氣候變化對(duì)西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境影響的若干進(jìn)展[J].草業(yè)科學(xué)，2011，28（2）：286-295.

[2] 沈潔，李耀輝，朱曉煒.西北地區(qū)氣候與環(huán)境變化影響沙塵暴的研究進(jìn)展[J].干旱氣象，2010，28（4）：467-474.

[3] 吳海霞，李國龍.土壤風(fēng)蝕的危害性評(píng)價(jià)及其自然影響因素分析[J].內(nèi)蒙古水利，2009（6）：22-23.

[4] 申彥波，沈志寶，杜明遠(yuǎn)，等.敦煌春季沙塵天氣過程中某些參量和影響因子的變化特征[J].高原氣象，2003，22（4）：378-384.

[5] 李巖瑛，楊曉玲，王式功.河西走廊東部近50a沙塵暴成因、危害及防御對(duì)策[J].中國沙漠，2002，22（3）：283-287.

[6] 康鳳琴，銀燕，張逸軒.中國北方沙塵氣溶膠對(duì)云和降水影響的數(shù)值模擬研究[J].氣象，2009，35（6）：36-45.

[7] 劉國梁，郝麗珍.中國北方沙塵暴出現(xiàn)閾值風(fēng)速的估計(jì)[J].中國沙漠，2005，25（1）：134-136.

[8] LIU X D，YIN Z Y，ZHANG X Y，et al.Analyses of the spring dust storm frequency of northern China in relation to antecedent and concurrent wind，precipitation，vegetation，and soil moisture conditions[J].Journal of geophysical research，2004，109：1-16.

[9] 常兆豐，趙明，韓福貴，等.民勤沙塵暴分布的地理因素及其前期氣象特征[J].干旱區(qū)地理，2009，32（3）：412-417.

[10] ZHAO C S，DABU X，LI Y.Relationship between climatic factors and dust storm frequency in Inner Mongolia of China[J].Geophysical research letters，2004，31（1）：1-3.

[11] 劉明哲，魏文壽.南疆近60年來的氣候變化及其對(duì)沙塵暴發(fā)生條件的影響[J].干旱區(qū)地理，2005，28（4）：479-483.

[12] 姚宗國，趙光平，陳曉光，等.寧夏北部自然環(huán)境對(duì)沙塵暴天氣的影響分析[J].中國沙漠，2006，26（3）：375-379.

[13] 張鈦仁.中國北方沙塵暴災(zāi)害形成機(jī)理與荒漠化防治研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2008.

[14] 郝璐，穆斯塔發(fā).新疆綠洲區(qū)沙塵暴變化特征及氣象因子影響分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2012，26（8）：130-134.

[15] GUO H，XU M，HU Q.Changes in near-surface wind speed in China：1969-2005[J].International journal of climatology，2011，31（3）：349-358.

[16] 李耀輝，張存杰，高學(xué)杰.西北地區(qū)大風(fēng)日數(shù)的時(shí)空分布特征[J].中國沙漠，2004，24（6）：715-723.

[17] 殷海軍.RWEQ模型的改進(jìn)及其在風(fēng)沙區(qū)的應(yīng)用研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[18] 張禮春.風(fēng)沙對(duì)南疆棗樹授粉受精及果實(shí)發(fā)育的影響[D].石河子：石河子大學(xué)，2017.

[19] 林紓，陸登榮.近40年來甘肅省降水的變化特征[J].高原氣象，2004，23（6）：898-904.

[20] 楊強(qiáng)，覃志豪，王濤，等.榆林地區(qū)1970—2010年氣候因子變化特征分析[J].干旱區(qū)地理，2012，35（5）：695-707.

[21] 王存忠，牛生杰，王蘭寧.50年來中國沙塵暴的多時(shí)間尺度變化特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（4）：507-512.

[22] 杜亮亮，朱衛(wèi)浩，田秀霞，等.邯鄲地區(qū)不同等級(jí)降水日數(shù)氣候特征分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2017，33（4）：102-107.

[23] 周順武，宋瑤，李耀輝，等.西北地區(qū)東部夏季不同等級(jí)降水的空間分布特征及其在旱澇年分布的差異[J].干旱區(qū)地理，2016，39（6）：1162-1171.