山西省近50年风速变化及突变特征分析

郭伟等

摘 要：利用线性拟合、M-K方法对山西省22个气象观测站1960—2010年的逐日风速资料进行了倾向、突变、逐年代变化等特征分析。研究表明，近50年来山西省平均风速存在明显的下降趋势，平均风速由20世纪60年代的2.16 m/s下降到21世纪初的1.86 m/s；不同时间段呈现不同的变化特征，1979—1989年风速出现显著下降，年均递减率达到0.046 m/s，变率远超出其他时段；对近50年山西省平均风速进行M-K检验后发现，在1982年出现明显的突变点。山西省四季平均风速均呈下降趋势，四季风速下降速率最快的为春季，冬季次之，夏季风速下降速率最慢。同样，四季风速均发生突变，突变时间点分布在1980—1985年间。除8月外，山西省各个月份风速也呈下降趋势，且均出现突变现象。

关键词：风速变化；线性拟合；突变点；风速测量

中图分类号：P425.44 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.001

风速是一个重要的气候学统计特征，风速对各种有利或不利天气的形成过程均有显著影响。在荒漠或水土流失严重的地区，较大的风速会增加沙尘暴天气中的降尘量和沙丘移动过程中的输沙量；而在城市中，较大的风速却有利于冬春季节空气中污染物的扩散，缓解雾霾天气。最近，另外一项研究热点也与风速的变化有关，就是在我国大部地区广泛出现的“蒸发悖论”，即气温升高而蒸发量下降的现象，其主要原因之一就是这些地区风速的显著下降。风速变化的影响因素很多，除大气的大尺度环流系统的变化外，还受到小尺度的地形、热力作用和观测环境改变的影响。到目前为止，风速下降的原因仍存分歧，主要观点有两种：①大气环流的减弱。江莹等的研究发现大气环流的变化是造成中国年平均风速呈显著减小趋势最可能的原因。此外，由于中国是典型的季风区，一些针对东亚地区的研究也显示东亚冬季风确实存在缓慢减弱的变化趋势。②人类活动的影响，土地利用的变化，例如农业活动引起的下垫面变化、城市化进程等都导致了我国近地层风速的减弱。本研究采用山西省22个站点近50年的气象资料，分析了山西省风速变化的趋势及突变特征，以期为山西省未来风速预测、风能资源利用开发、空气污染气象预报等领域的研究提供科学依据。

1 资料与方法

风速观测记录受迁站、测风仪的改变、维护不周导致的测风仪性能下降、观测环境改变等影响，易出现较大的非均一性。因此，本文首先排除了迁站次数较多、迁站距离较远、迁站前后海拔高差较大的站点，之后对每一个站点风速数据的时间序列进行了均一性检验，即根据各气象站观测记录报表所记载的情况结合t检验方法（直接检验方法）对气象站1960—2010年逐年年平均风速序列进行均一性检验，同时考虑台站地理位置和资料的完整性，最终我们选取了风速观测值无断点、相对均一的22个台站。站点分布如图1所示。为了得到山西省风速变化的总体趋势，将各站资料进行算术

平均，得到1960—2010年各月、各季以及各年的平均风速数据。

采用线性倾向率进行趋势性分析，并进行显著性检验。将气象要素的趋势变化用一次线性方程表示，即：

t=a0+a1t（t=1，2 …n）. （1）

式（1）中： t为气象要素拟合值；a1为线性倾向率，表示气象要素每年的变化率。

根据观测数据，采用F检验法对拟合得到的线性回归方程进行显著性检验，可得到其显著性水平。

2 结果与分析

2.1 山西省近50年的风速变化特征

本研究所选的山西省22个站点近50年的平均风速变化趋势基本一致，有19个站点平均风速呈下降趋势，仅有3个站（离石、榆社、兴县）风速出现上升趋势。将22个站点平均风速做算术平均（如图2和表1所示）。结果表明，山西省1960—2010年平均风速存在明显的下降趋势，风速由20世纪60年代的2.16 m/s下降到21世纪初的1.86 m/s，年平均递减速率为0.003 9 m/s。从图2中可以看出，在山西省近50年风速变化过程中，最明显的变化出现在20世纪80年代前后，即1979—1989年，风速出现显著下降，年均递减率达到0.046 m/s，变率远超出其他时段；1960—1978年以及1990年以后，风速变化不明显，仅呈现微弱上升的趋势，风速年均递增率分别为0.006 1 m/s和0.003 3 m/s。

在时间趋势序列分析中，Mann-Kendall检验法是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法，特别适合于分析降水、径流、气温和水质等非正态分布的数据的趋势。本文对山

西省22个气象站点平均风速的序列进行M-K检验后发现，山西省年均风速的突变点在显著区内（两条虚线之间），可认为突变存在，突变的时间点为1982年。因此，山西省风速变化特征并不是一个逐渐下降的过程，而是一个突变下降的过程。

2.2 山西省不同季节风速变化特征

山西省不同季节风速有较大差异，春季风速最大，达到2.48 m/s，其次是冬季，平均风速为1.93 m/s；平均风速最小的季节为秋季，风速仅为1.75 m/s。对山西省不同季节近50年的风速变率进行分析后发现，四季平均风速都存在显著下降的特征。风速下降幅度最大的季节是春季，每10年降幅为0.120 m/s，其次是冬季，每10年降幅为0.117 m/s；下降幅度较小的季节是夏季和秋季，每10年降幅分别为0.059 m/s和0.074 m/s，同时也可以看出，风速下降速率的大小基本上与风速大小成正比——季节风速越大，风速的下降幅度也越大。

为了研究山西省近50年不同季节风速的突变特征，将22个站风速合计成平均值构成新的季平均风速序列，再运用M-K检验，寻找突变的时间。图3给出了山西省四季平均风速序列的M-K检验。结果显示，春夏秋冬四季的突变点均在显著区内，可认为突变存在，四季突变时间依次为1982年、1982年、1985年、1980年，同时也表明不同季节出现突变的时间有前后之分，冬季最先出现突变，其次是春季和夏季，最晚出现突变的是秋季。

2.3 山西省月平均风速年变化特征

一般来说，年内不同月份风速大小有显著差异。从图4可以看出，山西省年内平均风速的最大和最小值分别出现在4月和9月。

对1960—2010年各月份平均风速变化特征拟合得到的线性回归方程进行显著性检验后发现，多数月份风速下降趋势都达到显著水平，仅8月份风速变化未达到显著水平，但仍显示其有下降趋势。从各个月份风速变化线性倾向率来看，各月风

速递减率仍然以冬春季节的月份变率较大，1月、4月、5月的线性趋势率明显高于其他月份，而夏秋季节的月份风速变率较小，例如7—10月份的线性趋势率明显低于其他月份。

从各个月份的M-K序列来看，各月在70年代后期都呈现下降趋势。从表3中可以看出，风速的突变现象在各个月份均有发生，且风速突变时域较为统一，大多月份都出现在20世纪80年代前中期，只有10月和12月的突变时间较为复杂，10月突变时间较晚，而12月突变时间则较早。

3 结论

综上所述，近几十年山西省风速出现了较大变化，其变化特征可归纳如下：①近50年来山西省平均风速存在明显的下降趋势，平均风速由20世纪60年代的2.16 m/s下降到21世纪初的1.86 m/s，年均递减率为0.009 3 m/s；不同时间段呈现不同的变化特征，其中，以1979—1989年的下降过程最为显著，风速年均递减率达到0.046 m/s，其他时间段风速变化则不显著，仅呈现微弱的上升趋势；对近50年风速变化特征进行M-K检验后发现，平均风速在1982年出现明显的突变点。因此，山西省风速变化特征并不是一个逐渐下降的过程，而是一个突变下降的过程。②对山西省四季平均风速变化特征分析后发现，四个季节风速均呈下降趋势，风速下降幅度较大的季节是春季和冬季，每10年降幅分别为0.120 m/s和0.117 m/s，下降幅度较小的季节是夏季、秋季，每10年降幅分别为0.059 m/s和0.074 m/s。同时，四季风速均发生突变，突变时间点分布在1980—1985年间。山西省各个月份风速除8月外均呈下降趋势，且均出现突变现象。

参考文献

[1]强明瑞，肖舜，张家武，等.柴达木盆地北部风速对尘暴事件降尘的影响[J].中国沙漠，2007，27（2）：290-295.

[2]马淑红，戈峰，陈晓光，等.古尔班通古特沙漠瞬间最大风速的时空分布特征[J].资源科学，2007，29（4）：46-53.

[3]蒲维维，赵秀娟，张小玲.北京地区夏末秋初气象要素对PM2.5污染的影响[J].应用气象学报，2011，22（6）：716-723.

[4]蒋冲，王飞，刘思洁，等.“蒸发悖论”在秦岭南北地区的探讨[J].生态学报，2013，33（3）：844-855.

[5]Y.Jiang，Y.Luo，Z.Zhao，et al.Changes in wind speed over China during 1956—2004[J].Theoretical and Applied Climatology，2010，99（3-4）：421-430.

[6]邵鹏程，李栋梁.东亚冬季风指数的分类和比较[J].气象科学，2012，32（2）：226-235.

[7]何冬燕，田红，邓伟涛.多种方法在年平均风速均一性检验中的效果对比[J].大气科学学报，2012，35（3）：342-349.

[8]魏凤英.现代气候统计诊断预测技术[M].北京：气象出版社，1999.