百里风区代表站大风资料的连续性及其特征分析

苗运玲，秦 榕，杨艳玲，张志高

(1.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐830006；2.新疆气象信息中心，新疆 乌鲁木齐830002；3.哈密地区气象局，新疆哈密839000；4.安阳师范学院资源环境与旅游学院，河南 安阳455000）

新疆位于我国的西北边陲，地处欧亚大陆中心，地域辽阔，周围高山环绕，因其独特的地理环境和多样的气候类型形成了全疆有名的九大风区，这些风区因受西伯利亚冷空气的影响，具有风力强劲、大风频繁、持续时间长等特点，常常造成不同程度的风灾[1]，对工农牧业生产、交通运输和人民生活常造成极大危害，成为新疆主要灾害性天气之一。近年来众多气象学者针对新疆大风利用不同方法，对不同尺度区域的大风进行了大量研究[2-8]。陈洪武等[4]研究指出，新疆多风区年平均风速、大风日数、极端强风频次总体上趋于减小。王旭[6]指出新疆年平均大风日数的高值区在北疆西北部、东疆和南疆西部，阿拉山口、达坂城大风最多，准噶尔盆地中心、塔里木盆地南缘最少，大部分地区从20世纪80年代起大风日数有减少的趋势。

新疆九大风区之一——百里风区是指兰新铁路在新疆境内“红旗坎站至了墩站”全长约120 km的区间，是我国铁路沿线最强的风区，风力之大居全疆之首。百里风区的线路走向基本与风向垂直，因此运行中的列车受横风影响而被大风吹翻的危险最大[9]。自1960年十三间房车站建站以来多次发生过大风吹翻列车的重大交通事故，严重影响了交通运输生产的安全与发展。但是，大风又是一种价廉、无污染、用之不竭的绿色环保能源。由于百里风区特殊的地理环境和气候特点，近年来引起了不同部门众多学者的关注，但在资料分析过程中往往忽视了十三间房气象站迁站前后资料是否连贯的问题，即缺乏资料连续性分析。因此，本文希望通过十三间房站近61 a的大风气象资料统计分析，得到该区域大风的分布特点，变化规律，从中寻找该站在迁站前后的资料是否存在连续性、一致性。同时通过分析为防灾减灾、合理开发利用大风资源和降低气候灾害风险提供科技支撑与依据。

1 资料和方法

1.1 测站基本情况与资料

研究资料来源新疆气象信息中心，经过严格质量控制，资料真实可靠。51495站前身为哈密市七角井国家基本气象站（43°29′N，91°38′E，海拔高度873.2 m），始建于1952年7月1日，1999年迁至兰新铁路十三间房火车站以西5 km处，迁站直线距离31.9 km，即哈密市十三间房国家基本气象站（43°13′N，91°44′E，海拔高度 721.4 m）。依据 2003版《地面气象观测规范》[10]，以瞬间风速达到或超过17.0 m·s-1（或目测估计风力达到或超过8级）的风记为大风，以20：00为日界，凡在一日记载有大风天气现象，不论在此期间出现多少次大风均作为一个大风日，若某次大风跨日（或月）则按出现2个大风日数计算。本文研究时段分为两部分：1956—1998年（旧站址，1952—1955年资料缺失严重，故剔除），1999—2016年（新站址）。季节划分为：春季（3—5 月）、夏季（6—8 月）、秋季（9—11）、冬季（12—翌年2月）。

七角井站1968年以前使用维尔德测风器（轻重型）进行观测，1969—1998年使用EL型电接风向风速计进行观测。1999年七角井站迁至盆地南缘缺口出口处的十三间房站，并由EL型电接风向风速计更换为EN2型测风数据处理仪，EL型电接风向风速计和EN2型测风数据处理仪室外感应部分的原理和材质相同，只是室内的显示结构不同，所以不对其进行分析[11]。维尔德测风器更换为EL型电接风向风速计（人工观测），2004年测风仪由EN2型更换为EC9-1高动态性能测风传感器（自动观测），因其工作原理、观测方法等完全不同，故需要对1969年和2005年两个时间点的仪器变更对大风资料的影响进行讨论（主要讨论平均风速、大风日数的连续性）。

同时按照1980版《地面气象观测规范》[12]规定要求，51495站1999年迁站时对新旧两站1998年7月和1991年1月进行了对比观测，故选用1998年7月和1999年1月的月平均风速的同期对比观测资料进行同期对比值t检验，为了更具说服力，又以 1956—1998 年（43 a）、1999—2016 年（18 a）长序列资料进行t检验，比较迁站前后因探测环境改变对研究要素产生的影响，为资料序列延续和订正提供一定的依据。

1.2 研究方法

由于本站在1999年迁站，迁站距离较远（31.9 km），因此，先采用均一性分析方法，分析资料的连续性，然后依据资料连续性分析结果，采用线性趋势分析、相关分析等统计方法，研究十三间房站迁站前后风资料变化特征及规律。

2 资料连续性分析

2.1 仪器变更对风资料的影响

对七角井站1956—1998年观测资料的年值序列、2005年仪器换型进行均一性分析，应用最大F检验和t检验方法[18]（显著水平为0.01）对其年值序列进行检验，结果发现1968年仪器换型及风感应器距地高度发生1 m的变化、2005年仪器换型风资料均没有检测出显著的趋势拐点，可能和检验过程中，该变化被要素本身历史变化趋势的演变所掩盖，说明仪器换型及风感应器距地高度不同对七角井站风观测资料的连续性带来的影响不大。

由于2005年有自动采集与人工观测对比资料（表1），年平均风速相差不大，人工站仅比自动站大0.1 m·s-1，其中 6 月偏大较多，达 0.3 m·s-1，其它各月在±0.2 m·s-1之内；而大风日数相同。也说明观测方式、仪器变更等对数据采集没有带来大的影响，资料具有连续性。

表1 2005年观测数据对比

2.2 站址迁移对风资料均一性的影响

选用1999年迁站时新旧两站1998年7月和1991年1月同期对比观测数据进行同期资料的t检验，为了使检验结果更具有说服力，再分别使用旧站 1956—1998（43 a）和新站 1999—2016（18 a）长序列资料进行t检验（表2），检验结果在信度0.001（99.9%）的条件下，同期对比值和长序列资料均未通过检验，即迁站前后资料不能连续使用，结果与分析也将分段进行。

表2 51495站同期对比值及长序列资料t检验结果

3 大风变化特征分析

3.1 大风日数变化特征

3.1.1 年际、年代际变化特征

从上面分析得知，迁站前（1956—1998年）旧站七角井气象站与迁站后（1999—2016年）新站十三间房气象站风资料不连续，因此分别分析迁站前后大风的规律。1956—1998年七角井站年大风日数呈波动上升趋势（图 1a），递增率为 6.74 d·（10 a）-1，平均大风日数97.19 d，峰值出现在1990年，高达171 d，谷值在1974年，仅有47 d，极差达到124 d。从年代际变化可知（表3），大风日数在20世纪80年代明显高于历年平均值，高达123.6 d，这与1983、1989年和1990年大风日数异常偏多有很大的关系。通过查阅相关资料，这3 a大风日数偏多是事实，应该与冷暖空气活动异常频发有很大关系，有待于进一步研究与探讨。

近18 a十三间房站大风日数呈波动下降趋势（图1b），这与国内学者夏祎萌[21]研究结果一致。递减率为-6.72 d·（10 a）-1，平均日数 206.06 d，峰值高达224 d，出现在2010年，谷值为 188 d，在2008年，极差为36 d。1999—2006年大风日数变化幅度不太明显，最多日数与最少日数相差10 d左右；而在近10 a变化比较显著，最多与最少相差高达32 d。说明大风日数的减少与全球气候变暖的大背景有关，由于冷空气活动的频次、强度有所减小、减弱，使不同区域间大风日数也呈现减少趋势[21]。整体来看，新旧站均在大风区，七角井大风发生日数明显比十三间房少，且极差相差较大，平均而言，十三间房站比七角井站年大风日数大一倍以上为109 d左右。

表3 七角井和十三间房大风日数、平均风速年代际变化

图1 七角井（a）和十三间房（b）年大风日数

3.1.2 季节变化特征

由图2可知，迁站前后大风日数月变化均呈先增后减变化趋势，大风日数均从1月开始逐渐增加。七角井站5月大风频率出现最多，达13.40 d；其次是4、6月；4—6月大风日数占全年的39.54%，该时期是春夏交替时期，冷暖空气活动频繁，是大风多发时期。5月之后缓慢减少，12月最少，仅有2.77 d。年内大风日数除12月呈微弱的减小趋势以外（-0.10 d·（10 a）-1），其它各月均存在不同程度的增加趋势，7 月增加最明显，达 1.18 d·（10 a）-1。对各月大风日数与年大风日数进行相关分析表明，除了12月外，其它各月均呈显著的正相关（p＜0.01），8月最大，相关系数达到0.856。

图2 七角井和十三间房各月大风日数

十三间房站大风频率出现最多的是6月，为24.39 d，其中超过22 d大风日数集中出现在5—8月，占全年45.13%；1月最少，仅有7.22 d。年内各月大风日数变化趋势有增有减，其中增加最显著是2 月，为 0.81 d·（10 a）-1，减少最明显是 9 月，为-2.31 d·（10 a）-1。从相关分析可知，仅有 3 月、4 月、7月（p＜<0.01）和 8月（p<0.05）通过显著性检验。由此可见两站大风都是暖季多、冷季少，各季节之间大风日数变化较明显。差异在于，七角井站5月大风频率出现最多，十三间房站大风频率出现最多发生在6月和7月。

从表4可以看出，春夏季是七角井站大风的高发期，平均大风日数均在30 d以上，春季略高于夏季，分别为35.42 d和32.49 d；秋、冬两季相对较少。近43 a各季大风日数出现最多的是1983年的夏季，达到70 d，最少在1963年的冬季，仅有3 d，说明各季节之间大风日数变化较明显。各季大风日数均呈上升趋势（p＜0.01），其中夏季增加最明显，为2.96 d·（10 a）-1，表明夏季对年大风日数增加的贡献最为明显；冬季增加较缓，仅为 0.57 d·（10 a）-1。

表4 七角井和十三间房四季平均大风日数变化

十三间房站大风频发的季节也是春夏季，与七角井站不同的是，十三间房站大风夏季略高于春季，且季节内大风日数比七角井站大一倍左右，分别为61.83 d和70.61 d；秋、冬季较少。各季大风日数出现最多的是2006年夏季，达到79 d，最少在2016年冬季，仅有19 d，同样表明各季节大风日数波动较明显。各季大风日数均呈现减少态势，其中春季减小最显著（p＜0.01），为-3.15 d·（10 a）-1，表明该季节对年大风日数减少的贡献最多；冬季变化最小，仅为-0.11 d·（10 a）-1。对四季大风日数相关分析表明，只有春、夏季表现为明显的正相关（p＜0.01）。造成大风日数季节分布差异的原因，是由于春夏两季中纬度地区大气环流不稳定，当强冷空气入侵新疆时，冷高压迅速推进，受地形的阻挡冷空气在天山北坡堆积，沿天山山脉形成准静止锋，天山南北形成明显的气压差，大的气压梯度极易形成大风。

由上述分析可知，七角井站大风日数倾向率均为正值，十三间房站均为负值；七角井站夏季对年大风日数增加贡献最明显，但大风多发日出现在春季；而十三间房站春季对大风日数减少贡献明显，大风多发日发生在夏季。

3.2 平均风速变化特征

3.2.1 年际、年代际变化特征

从图3a可知，七角井站年平均风速变化趋势与大风日数变化不同，而是呈现微弱的减小趋势，仅为-0.01 m·s-1·（10 a）-1。平均风速为 4.77 m·s-1，最大值出现在1969年，为5.78 m·s-1，最小值在1967年，为4.03 m·s-1。从年代际变化可知（表3），20世纪60年代和90年代低于历年平均值，其它时期高于历年平均值。

图3 七角井（a）和十三间房（b）年平均风速变化趋势

近18 a十三间房站年平均风速变化趋势与年大风日数变化趋势相似（图3b），呈减小趋势，为 -0.31 m·s-1·（10 a）-1。历年平均风速为8.42 m·s-1，峰值为 9.04 m·s-1，出现在 2010 年，谷值为8.08 m·s-1，出现在2015年。可见两站相同点是风速均为减弱趋势，不同点是减弱的趋势差异大。

3.2.2 季节变化特征

从图4可以看出，虽然站址迁移后资料无法连续使用，但迁站前后月平均风速年内总体变化与大风日数变化趋势基本一致。七角井站从1月开始增大，进入3月后明显增大，月平均风速从2.83 m·s-1增大到5.41 m·s-1，增加了近一倍，6月达到最大，为6.41 m·s-1，其中4—7月是月平均风速较大时期，这与月大风日数变化略有不同。从7月开始呈持续减小趋势，12月最小，仅为2.52 m·s-1。从相关分析可知，1—10月平均风速与年平均风速均呈显著的正相关（p<0.01），5月最大，相关系数达到0.760。

图4 七角井和十三间房月平均风速变化趋势

十三间房站1—3月平均风速增加较明显，从4月开始增加较慢，6月达到最大，为11.08 m·s-1，这与七角井站变化一致；其中4—8月是月平均风速相对较大阶段。从8月开始也同样表现为持续减小趋势。该站月平均风速有9个月呈现减小趋势，其中7月减小最明显，倾向率为-1.11 m·s-1·（10 a）-1。对各月大风日数进行相关分析表明，仅有6月、9月平均风速与年平均风速通过了0.05的显著性检验，其它各月均未通过相关性检验。说明两站平均风速都是暖季大冷季小，各季节之间平均风速变化较明显。两站均是6月大风频率出现最多，但出现拐点的时间不同。

同样从四季变化可以看出（表5），迁站前后平均风速变化是相同的，夏季最大，春季次之，冬季最小。但在时间序列变化上是不同的，七角井站受月平均风速变化影响，四季变化幅度不太明显。十三间房站除了冬季呈微弱的上升趋势以外，其它三季呈明显减小趋势，倾向率在-0.41～-0.45 m·s-1·（10 a）-1之间，表明这三季对年平均风速减小的贡献几乎是相同的。相关分析表明，迁站前后平均风速与大风日数变化趋势一样。由此可知，春夏季风速较大是因为这两季天气过程较多，春季冷空气入侵较频繁，势力强，冷锋过境，多寒潮天气；夏季冷暖空气交汇较多，热力因子促使气压梯度加大，风速剧增，天气过程多以大风天气为主，所以春夏两季平均风速较大；而秋冬两季天气过程少，相对稳定，大风天气出现少，所以平均风速也较小[22-24]。

表5 七角井和十三间房四季平均风速变化

3.3 风向变化特征

通过对七角井站近43 a风向特征研究（图5），该站主导风向是北风（N，23.5%）和静风（C，23.3%）；其次是西北风（NW、NNW），占总频率28.0%，其余风向占25.1%，风向频率发生最少的是ESE，仅为0.06%，表明该站风向发生频率变化差异比较大。对四季风向进行分析，季节性规律变化比较强。春、夏季以偏北风（N、NNW）为主，由于处于春夏季交替时期，受西北气流影响较为明显[6]，夏季主导风向由春季的48.41%增至53.16%；进入秋季，偏北风逐渐减少至37.35%，静风逐渐增多；冬季偏北风降至23.89%，静风继续增多，由秋季的28.57%增至44.01%。因此，春夏季偏北风对年的主导风向（N）出现频率贡献最大，而秋冬季的静风对年的主导风向（C）贡献最强。对近18 a十三间房站风向特征进行分析，发现该站主导风向为偏北风（N、NNW、NNE），3个主导风向发生频率占67.9%，静风发生频率仅为0.18%，其余风向频率占30.3%，WNW发生频率最少，仅占0.09%。同时对四季进行分析，发现各季节主导风向发生频率与年主导风向基本一致，说明风向频率季节性变化规律比较稳定，这与该站所处的地理位置有关。

图5 七角井（a）和十三间房（b）年风向玫瑰图

以上分析表明，迁站前后年大风日数、平均风速不存在连续性和一致性。大风日数和平均风速十三间房站明显高于七角井站，大风日数是它的2.12倍，平均风速是1.77倍，这与肖建华等[1]研究结论一致；但是在主导风向的发生频率上却有相似之处，七角井站年主导风向为以北风（N）和静风（C）为主，十三间房站以偏北风（N、NNW、NNE）为主，其中北风（N）在各个风向中出现的频率最高。

4 地形与大风的关系

由于研究的大风记录来自百里风区代表站七角井站和十三间房站，从图6可知七角井镇位于天山山脉东段马尔塔拉山南侧凹陷地——七角井盆地，七角井站位于盆地南缘缺口入口处北侧，新站址位于盆地南缘缺口的出口处，搬迁后两站直线距离为31.9 km，海拔高度相差151.8 m[1]。

地形对区域性大风的形成影响作用十分大[1，3，19]。新疆的地形特点是山脉与盆地相间排列，中部有天山山脉横亘，每当有冷空气来的时候，天山山脉会挡住冷空气的去路。百里风区地处东天山南侧，大多为戈壁沙丘，植被稀少，地势北高南低，西高东低，还有因常年风蚀、水浊等原因构成的南北向干沟；同时位于天山东段有一小的缺口，就是东天山山脉的博格达山与巴里坤山脉之间的色皮山山口，当有较强冷空气从缺口翻越天山时，与吐鲁番、鄯善、托克逊盆地上升的热气流相遇，在天山南北形成很大的气压梯度力；同时冷空气翻山下坡使风速迅速增大，坡度越大，风速越易得到加速[20]，当冷空气堆积到一定程度便从缺口倾泻到七角井盆地，而七角井站位于盆地南缘缺口的入口处，即十三间房站的上游，海拔高度873.2 m，然后冷空气从七角井盆地的南缘缺口向百里风区的十三间房移动（十三间房站位于南缘缺口的出口处），海拔高度降低到721.4 m；又由于翻山的冷空气进入山口后，会因为地形的“狭管效应”风速也会得到进一步加大，冷空气愈强，大风愈猛烈，持续时间也愈长，从而在百里风区形成区域性大风[1，21，24]。因此百里风区代表站的大风不仅与天山有着直接的关系，还与所处的特殊地理环境有关。

图6 七角井、十三间房站地理位置及地形

5 结论

（1）51495站站址迁移距离达31.9 km，加之地理环境差异很大，未通过t检验，表明大风资料是非均一性的，资料无法连续使用。由于该站四周无参考站，且无参考站的条件下，风资料如何订正，国内还在研讨阶段，只有等待用本站数据订正方法成熟后方可进行订正。

（2）从 1956—1998年七角井站年大风日数（43 a）和 1999—2016（18 a）十三间房站两段资料的对比分析得出两站大风日数变化趋势相反，七角井站年大风日数呈波动上升趋势，而十三间房站大风日数呈波动下降趋势；七角井大风发生日数明显比十三间房少，数值相差较大为一倍左右。两站季节大风日数都是暖季多、冷季少，各季节之间大风日数变化较明显。七角井站5月大风频率出现最多，十三间房站大风频率发生最多在6月和7月。七角井站夏季对大风日数增加贡献最明显，但大风多发日出现在春季；十三间房站春季对大风日数减少贡献明显，大风多发日发生在夏季。

（3）51495站在迁站前后年平均风速均表现为减小趋势，只是迁站后下降速率更明显；年内平均风速与大风日数变化一致，均呈现先增后减的态势；四季平均风速表现为：夏季＞春季＞秋季＞冬季。七角井站四季变化幅度不太明显。

（4）近43 a七角井站主导风向以北风（N，23.5%）和静风（C，23.3%）为主，风向季节性规律变化明显，春、夏季主要以偏北风（N、NNW）为主，秋、冬季以静风为主，偏北风为次主导风向。近18 a十三间房站年和各季的主导风向基本一致，以偏北风（N、NNW、NNE）为主。