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        川西高原近地面風(fēng)速時(shí)空變化特征及影響因素

        2023-01-03 02:45:40
        關(guān)鍵詞:川西高原風(fēng)速變化

        甄 英

        (內(nèi)江師范學(xué)院 地理與資源科學(xué)學(xué)院,四川 內(nèi)江 641100)

        0 引言

        風(fēng)是研究大氣動(dòng)力學(xué)和氣候變化的一個(gè)重要參量[1-2].其中,風(fēng)速是連接大氣和近地面物質(zhì)循環(huán)的重要紐帶,對氣候變化有很大影響[3],而近地面風(fēng)速的變化對人們的生產(chǎn)生活更是產(chǎn)生著直接的影響.隨著近些年來對風(fēng)能資源的廣泛開發(fā)和利用,加上日益嚴(yán)峻的空氣狀況,風(fēng)速的變化越來越受到人們的關(guān)注.

        國內(nèi)外針對近地面風(fēng)速的研究已有較多成果.如Vautard等[3]分析了1979—2008年北半球882個(gè)站點(diǎn)的近地面風(fēng)速,結(jié)果表明該時(shí)期大部分區(qū)域風(fēng)速下降了5%~15%;李艷等[4]、任國玉等[5]對我國近地面風(fēng)速資料分析發(fā)現(xiàn),過去的幾十年地面風(fēng)速整體呈下降的趨勢;金巍等[6]、黃小燕等[7]、劉蘇峽等[8]、張志斌等[9]分別分析了我國東北三省、西北地區(qū)、華北平原和西南地區(qū)的風(fēng)速變化情況,得出了分別以-0.23 m/(s·10 a)、-0.09 m/(s·10 a)、-0.16 m/(s·10 a)和-0.24m/(s·10 a)的速率呈下降的變化趨勢;由于所在地理位置和所有環(huán)流形勢的不同,各季節(jié)變化又均有差別.此外,還有針對小區(qū)域風(fēng)速變化特征和影響因素分析的研究,如邢麗珠等[10]對內(nèi)蒙古風(fēng)速變化及影響因素進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)其平均風(fēng)速總體呈下降趨勢,其中春季平均風(fēng)速下降最為明顯.范帥邦等[11]對遼寧省平均風(fēng)速時(shí)空演變特征分析發(fā)現(xiàn)1964-2019年間其平均風(fēng)速呈顯著降低的態(tài)勢,月尺度上呈現(xiàn)出“雙峰型”變化特點(diǎn),季尺度上表現(xiàn)為春季>冬季>秋季>夏季,均未發(fā)生明顯的突變現(xiàn)象.張培峰等[12]對青島市北區(qū)風(fēng)速時(shí)空變化研究時(shí)發(fā)現(xiàn),北區(qū)夏季與冬季風(fēng)速逐年降低,低風(fēng)速區(qū)域面積比重逐年增加,較高風(fēng)速區(qū)域面積比重逐年降低;1.5、10和30 m高度上風(fēng)速時(shí)空變化趨勢一致,風(fēng)速空間分布不均勻.付建新等[13]對祁連山區(qū)風(fēng)速和風(fēng)向變化特征研究時(shí)發(fā)現(xiàn),祁連山區(qū)平均風(fēng)速和最大風(fēng)速年變化整體均呈下降趨勢,春季的平均風(fēng)速和最大風(fēng)速是年內(nèi)風(fēng)速變化的峰值區(qū).風(fēng)速的降低不利于空氣中污染物擴(kuò)散,使得近年來中國中東部地區(qū)霧霾日數(shù)明顯增多[14-16],對人們的健康也有一定影響.

        四川省所在地理位置的特殊性,使得其屬于我國風(fēng)能資源貧乏區(qū),而川西高原卻是四川省能達(dá)到可開發(fā)風(fēng)能資源等級標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)域之一[17].川西高原位于青藏高原東緣和橫斷山脈的一部分,平均海拔4000m~4500m,包括甘孜藏族自治州、阿壩藏族自治州[18].由于川西高原地勢高,空氣稀薄,太陽年輻射量和年日照時(shí)數(shù)均為四川省最高值,是四川省主要的牧業(yè)基地[19].分析川西高原風(fēng)速變化,可為進(jìn)一步研究該區(qū)域氣候變化和風(fēng)能、光能等資源的利用提供數(shù)據(jù)和理論支撐.

        1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

        1.1 數(shù)據(jù)來源

        文中氣象資料均來源于國家氣象服務(wù)中心.選取了15個(gè)較能均勻分布且年代連續(xù)的氣象臺(tái)站1968-2017年的日平均數(shù)據(jù)代表川西高原,具體如圖1所示.DEM數(shù)據(jù)(數(shù)字高程數(shù)據(jù))來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站,分辨率為90 m.

        圖1 研究區(qū)氣象站點(diǎn)分布

        1.2 研究方法

        1.2.1 小波變換

        對于給定的小波函數(shù)ψ(t),離散水文時(shí)間序列f(kt)(k=1,2,…,n),t為取樣時(shí)間間隔)的離散小波變換為[20]:

        式中:Wf(a,b)為小波變換系數(shù);a為尺度因子;b為時(shí)間因子;ψ為小波函數(shù)ψ(t)的復(fù)共軛函數(shù).本文選用Morlet小波函數(shù)ψ(t)=eiω0te-t2/2,其中i為樣本尺度,ω0≥5為常數(shù),取ω0=6.

        1.2.2 小波方差

        小波方差Var(a)反映了波動(dòng)的能量隨尺度的分布,它是指小波變換系數(shù)Wf(a,b)的平方在時(shí)間域上對b的積分[21],即

        1.2.3 反距離加權(quán)插值

        在空間數(shù)據(jù)連續(xù)分布的條件下, 兩個(gè)物體離得越近, 它們的值就越相似, 這就是地理學(xué)第一定律. 反距離加權(quán)插值就是基于這種相近相似原理[22], 設(shè)采樣點(diǎn)對插值點(diǎn)具有不同權(quán)重的影響, 其權(quán)重隨著采樣點(diǎn)至插值點(diǎn)之間距離的增加而減小.在有效距離內(nèi), 所有有效采樣點(diǎn)對插值點(diǎn)的插值影響如公式所示[23]:

        式中:n為采樣點(diǎn)數(shù)目;Zi為第i個(gè)有效采樣點(diǎn)數(shù)值;di為i個(gè)點(diǎn)到插值點(diǎn)的距離;k為冪級數(shù), 通常取1或2,Z(x,y) 為插值點(diǎn)最終數(shù)值.

        2 結(jié)果分析

        2.1 風(fēng)速的年際變化

        為分析川西高原風(fēng)速時(shí)間變化特征,統(tǒng)計(jì)近50年平均風(fēng)速數(shù)據(jù),得到其風(fēng)速變化時(shí)間趨勢情況(見圖2).由圖2(a)可知,近50年年均風(fēng)速為1.95 m/s,傾向率為-0.087 m/(s·10 a),這與全國風(fēng)速均呈下降的變化趨勢相一致,但其年均風(fēng)速值及下降速率都要小于全國水平(2.14 m/s、0.12 m/ (s·10 a))[24],其中最高風(fēng)速是1973年2.32 m/s,最低風(fēng)速是2002年1.52 m/s.利用三階多項(xiàng)式曲線擬合川西高原風(fēng)速變化趨勢,不難發(fā)現(xiàn)其風(fēng)速變化具有明顯的階段性特點(diǎn),大致可分為3個(gè)階段和4個(gè)時(shí)期:1968-1973年和2003-2017年處于上升階段、1974-2002年處于下降階段;1968-1969年和1990-2014年是相對小風(fēng)期,1970-1989年和2015-2017年是相對大風(fēng)期.這與張志斌等[9]研究的西南地區(qū)風(fēng)速變化趨勢相一致,年均風(fēng)速變化整體趨勢:上升-下降-上升.

        圖2 1968-2017年川西高原年均風(fēng)速變化趨勢

        為分析川西高原風(fēng)速變化的空間特征,利用ArcGIS反距離權(quán)重插值法做空間分布圖.由圖2(b)可見,研究區(qū)15個(gè)站點(diǎn)多年平均風(fēng)速在1.1 m/s~2.9 m/s之間,呈西北、東南風(fēng)速大,中部風(fēng)速小的特征.風(fēng)速最大值位于東南部的康定(2.94 m/s)、九龍(2.62 m/s)和西北的石渠(2.71 m/s),平均風(fēng)速最小值出現(xiàn)在巴塘(1.2 m/s),其次是德格(1.3 m/s)、馬爾康(1.1 m/s)、松潘(1.4 m/s)一帶.川西高原的風(fēng)速分布除了受環(huán)流、季風(fēng)等的影響外,所在地形也是重要的影響因素.石渠-色達(dá)-紅原-若爾蓋一帶以及理塘-稻城地區(qū)屬于高原區(qū),地勢由西北向東南傾斜,由西部的石渠-色達(dá)一帶平均海拔4000 m~4500 m過渡到東部紅原-若爾蓋一帶的3500 m~4000 m[25],因此風(fēng)速隨海拔降低而減小.巴塘、德格位于金沙江以東,絕對海拔5000 m以上,屬于極高山地區(qū)[26].而康定、九龍、稻城一帶屬于橫斷山脈中部,是典型的嶺谷相間地形,山谷風(fēng)最為強(qiáng)大.馬爾康、松潘平均海拔1500 m~3500 m,位于高原與嶺谷過渡帶,風(fēng)速最小.

        2.2 風(fēng)速的季節(jié)變化

        表1 年均風(fēng)速季節(jié)變化幅度 單位:m/(s·10 a)

        川西高原月均風(fēng)速高于年均風(fēng)速,其中3月最大,12月最小,且3月風(fēng)速是12月的1.56倍.季節(jié)平均風(fēng)速春季最大(2.37 m/s),其后依次為冬季(1.93 m/s)、夏季(1.79 m/s)和秋季(1.70 m/s),呈現(xiàn)出冬春風(fēng)速大而夏秋風(fēng)速小的特征.這與川西高原冬季受冷高壓和西風(fēng)南支流的影響有關(guān),加上來自阿拉伯、巴基斯坦和印度北部的溫帶大陸氣團(tuán),使得冬季天氣寒冷干燥、風(fēng)速大[19].下半年在副熱帶高壓和青藏高原低值天氣系統(tǒng)共同作用下,川西高原多雨,風(fēng)速小.川西高原年均風(fēng)速四季均呈減少趨勢(表1).由表1可見,春季減幅最明顯,為-0.131 m/(s·10 a),其次冬季為-0.081 m/(s·10 a),夏、秋季減幅度均為-0.072 m/(s·10 a),呈現(xiàn)春季下降趨勢大夏秋下降趨勢小的特征,這也與我國地面風(fēng)速的長期變化趨勢相一致[26].分時(shí)段來看,20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)以來年均風(fēng)速變率呈上升趨勢,四個(gè)季節(jié)風(fēng)速變率均高于整個(gè)研究時(shí)段,風(fēng)速變率幅度最大的主要是夏季;1980年代年均風(fēng)速下降,風(fēng)速變率幅度最大由春季變?yōu)榍锛?川西高原年均風(fēng)速季節(jié)空間分布特征如圖3所示.

        由圖3可見,冬季和春季變化特征相似,且春季風(fēng)速整體略大于冬季.如康定冬季和春季風(fēng)速分別為2.9 m/s、3.4 m/s;馬爾康風(fēng)速只有1.0 m/s、1.4 m/s;石渠冬季風(fēng)速3.2 m/s,略大于春季3.1 m/s.西北部石渠和東南部康定成為兩個(gè)相對大風(fēng)區(qū),中東部馬爾康成為相對小風(fēng)區(qū),這與所在地勢有密切關(guān)系.西北部石渠位于甘孜-阿壩高原,風(fēng)速較大;康定位于峽谷區(qū),山谷風(fēng)較強(qiáng).夏秋季風(fēng)速大值中心都在東南部康定,風(fēng)速2.7 m/s;小值中心都在馬爾康,風(fēng)速分別為1.0 m/s、0.9 m/s.

        2.3 風(fēng)速周期分析

        對研究區(qū)內(nèi)1968-2017年平均風(fēng)速資料標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化后的序列施行Morlet小波變換,分別得到了小波系數(shù)的模平方和實(shí)部的分布情況(見圖4).

        圖3 川西高原風(fēng)速四季變化分布圖

        圖4 Morlet小波變換的時(shí)頻分布

        圖4(a)是川西高原1968-2017年平均風(fēng)速序列小波變換后的模平方分布圖.可見在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi),25~50 a變化周期性十分明顯,中心位于1991年,中心時(shí)間尺度為45 a;以7~12 a為時(shí)間尺度的周期在研究時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)烈中心,位于2006年,中心時(shí)間尺度為10 a.其他周期相對變化較微弱.

        圖4(b)是研究區(qū)1968-2017年平均風(fēng)速序列小波系數(shù)實(shí)部的分布圖,能夠反映出風(fēng)速序列不同時(shí)間尺度變化位相結(jié)構(gòu)和突變線分布.小波系數(shù)零等值線對應(yīng)為突變線,實(shí)線(正的等值線)表示風(fēng)速偏大,虛線(負(fù)的等值線)表示風(fēng)速偏小.風(fēng)速序列在周期為41~50 a的變化中出現(xiàn)了2條突變線:第一條1990年左右,第二條出現(xiàn)在2008至2017年.由此可見,在1960年代至1980年代中期、21世紀(jì)中后期為大風(fēng)時(shí)期,1980年代后期至21世紀(jì)初期為小風(fēng)時(shí)期.周期為23~40 a的振蕩中出現(xiàn)了3條突變線:分別在1960年代、1990年、21世紀(jì)中期至2010年;1960年代、1980后期至21世紀(jì)初期為小風(fēng)時(shí)期,1970年代至1980年代中期和2010年之后為大風(fēng)時(shí)期.周期小于23 a的變化中突變線結(jié)構(gòu)分布更加復(fù)雜和頻繁,以突變線為界大風(fēng)期與小風(fēng)期交替出現(xiàn).

        圖5為小波方差圖.由圖5可知,川西高原風(fēng)速變化具有多時(shí)間尺度特征,研究區(qū)風(fēng)速序列存在10 a、18 a和45 a三個(gè)時(shí)間尺度的主周期,其中45 a尺度的主周期最為明顯.

        圖5 研究區(qū)風(fēng)速小波方差圖

        2.4 風(fēng)速變化影響因素分析

        川西高原近50 a的氣溫與氣壓數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖6所示.風(fēng)是由于氣團(tuán)之間存在的溫差及氣壓梯度而形成的氣體流動(dòng).因此,選取與風(fēng)速數(shù)據(jù)時(shí)間段相同的氣溫、氣壓兩個(gè)要素作為影響風(fēng)速變化的氣象因子進(jìn)行分析.由圖6可見,川西高原近50 a的平均氣溫呈增加趨勢,而平均氣壓呈減小趨勢.

        圖6 年均風(fēng)速與氣溫、氣壓時(shí)間序列

        為進(jìn)一步明確風(fēng)速與兩者的相關(guān)性,利用SPSS軟件作Pearson(皮爾遜)相關(guān)分析并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).結(jié)果顯示,風(fēng)速與氣溫、氣壓相關(guān)系數(shù)分別為-0.301和0.311,在0.05置信水平下分別呈顯著的負(fù)相關(guān)和顯著的正相關(guān)關(guān)系,從數(shù)值來看氣壓對風(fēng)速的影響略大于氣溫.

        風(fēng)的本質(zhì)是大氣運(yùn)動(dòng),從動(dòng)力學(xué)角度來看,驅(qū)動(dòng)力和阻力的改變是導(dǎo)致風(fēng)速發(fā)生變化的關(guān)鍵因素[27].除氣象因子的影響外,在氣候變暖的背景下,海陸熱力差異、南北熱力差異同時(shí)減小,造成了東西向和南北向氣壓梯度力的同步減弱,進(jìn)而減弱地面風(fēng)速,張愛英等[2]、趙佳瑩等[28]對我國高空風(fēng)速變化的分析都驗(yàn)證了這一點(diǎn).此外,大尺度大氣環(huán)流的變化也對地面風(fēng)速減弱具有一定影響.如江瀅等[29]、Xu等[30]認(rèn)為亞洲緯向環(huán)流加強(qiáng)、經(jīng)向環(huán)流指數(shù)減弱導(dǎo)致東亞季風(fēng)減弱,是中國平均風(fēng)速減小的主要原因.

        另一方面,下墊面的改變(如土地利用和城市化),使得大氣運(yùn)動(dòng)下邊界的地表屬性發(fā)生直接變化,影響了地氣系統(tǒng)能量交換等過程,從而導(dǎo)致區(qū)域性風(fēng)速狀況的變化.如查進(jìn)林[31]定量評估了中國地面風(fēng)速受土地利用影響的程度,認(rèn)為城市化率每增加10%,相應(yīng)地區(qū)的風(fēng)速將降低約0.11 m/s;鄭祚芳等[32]采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析(EOF)方法對近40年北京20個(gè)氣象站地面風(fēng)速資料進(jìn)行了分析,結(jié)果表明方差占比為27.1%的第2模態(tài)與站點(diǎn)下墊面以及和市區(qū)的距離有關(guān),即反映了下墊面改變的影響.

        3 結(jié)論

        (1)近50年來川西高原年均風(fēng)速整體呈下降趨勢,減小率為-0.087m/(s·10a).空間呈西北、東南風(fēng)速大,中部風(fēng)速小的特征.

        (2)川西高原2-5月月均風(fēng)速高于年均風(fēng)速,其中3月最大,12月最小.季節(jié)上風(fēng)速春季>冬季>夏季>秋季,呈現(xiàn)出冬春風(fēng)速大而夏秋風(fēng)速小的特征.由地勢影響在空間上形成西北部石渠和東南部康定兩個(gè)相對大風(fēng)區(qū),中東部馬爾康為相對小風(fēng)區(qū).

        (3)川西高原風(fēng)速具有多時(shí)間尺度變化特征.存在10 a、18 a和45 a三個(gè)時(shí)間尺度的主周期,其中以45 a的變化主周期最明顯,1960年代至1980年代中期以及21世紀(jì)中后期為大風(fēng)時(shí)期,1980年代后期至21世紀(jì)初期為小風(fēng)期.

        (4)通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)速與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與氣壓呈顯著正相關(guān)關(guān)系,氣壓對風(fēng)速的影響略大于氣溫.此外,環(huán)流和下墊面的改變也是引起風(fēng)速變化的主要原因.

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