柴达木盆地日照时数风速变化特征分析及影响研究

何生录，张亚珍，韩忠全，王发科，石秀云

(1.青海省格尔木市气象局，青海 格尔木 816099；2.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁 810001；3.青海省久治县气象局，青海 久治 814499)

引言

柴达木盆地位于青藏高原东北部青海省西北部，介于90°16′ E～99°16′ E、35°00′ N～39°20′ N之间，盆地略呈三角形，北西西-南东东方向延伸，南北宽约300 km，东西长约800 km，地域总面积25.72万km2，海拔在2675～3350 m之间，是中国海拔最高的盆地，对气候变化表现极其敏感。太阳能、风能作为清洁能源，是气象因子中表征地区气候形成及变化的重要气象要素，国内学者对不同地区日照及风速特征变化开展了诸多研究。虞海燕[1]等研究了我国近59年日照时数变化特征及其与温度、风速、降水的关系，发现全国年日照时数以-36.9 h·10a-1呈显著减少趋势，各区域变化与全国一致但减小程度不同，四季沿海地区减少速度要快于内陆，南方快于北方；黄小燕等[2]研究表明，近50年来西北地区日照时数大部分地区表现为显著的减少趋势，空间分布上以新疆中部地区、关中平原和秦巴山地减少最为突出，季节上以夏、冬两个季节的减少趋势最显著；刘义花等[3]用近50年青海省日照资料研究表明，日照时数最多的是柴达木地区，最少的是果洛地区，年际变化不均衡；杨晓玲等[4]、张克新等[5]和康淑媛等[6]分别分析了石羊河流域近50年来日照时数的时空分布特征，均表明年日照时数总体呈增加趋势；郭晓宁[7]等以格尔木为例，研究了柴达木盆地日照时数变化特征，表明格尔木日照时数以-23.8 h·10a-1的速率呈下降趋势；肖莲桂[8]等对1961～2013年青海省柴达木盆地日照时数的变化特征及其影响因素研究，表明近53年来青海省柴达木盆地日照时数在全年及四季均呈现出显著减少的年际变化特征，年日照时数呈现出从西北部向东南部减小的分布格局特点。熊敏诠[9]研究近30年中国地面风速分区及气候特征，发现中国大部分地区风速呈减小趋势，大部分区域呈单峰单谷型或双峰双谷型，高值区主要出现在春季；李悦佳[10]等、何毅[11]等分别对长江流域及南北疆风速变化特征分析，均表明年平均风速呈显著降低趋势；张占峰[12]等研究柴达木盆地平均风速与大风日数的变化特征，表明近40年柴达木盆地平均风速呈下降趋势，下降幅度为-0.28 m·s-1·10a-1，四季减小幅度表现为夏季>春季>秋季>冬季的气候特征。

日照时数和风速的变化，对柴达木盆地农牧业、生态环境及人类日常生产生活有着直接影响。同时，日照和风速降低对太阳能、风能等可再生能源的开发利用非常不利。本文对柴达木盆地10个气象站点日照时数及风速从年代际、年际和年内等不同尺度的特征变化进行分析，揭示其时空分布规律及对太阳能、风能的影响，对今后农牧业规划和生产布局调整、太阳能电站及风力发电设计与布局等清洁能源的开发利用方面具有非常重要的现实意义。

1 数据来源和研究方法

选用柴达木盆地冷湖、茶卡、小灶火、大柴旦、德令哈、天峻、格尔木、诺木洪、都兰、茫崖等10站1961～2019年逐日日照时数、2min平均风速资料为研究对象。按3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12月至次年2月为冬季建立各季节时间序列，用算术平均法生成柴达木盆地日照和风速年、季变化，用距平法建立年代际变化。

利用Arcgis 10.2软件中反距离权重法(IDW)制作柴达木盆地日照及风速空间变化分布图，作空间差异分析描述。用曼-肯德尔(M-K)检验法作该地区日照和风速突变检验，若正反序列两个统计量曲线仅有一个明显的交叉点，且位于信度线之间，则表明该交叉点为突变点，且统计上显著；若交叉点位于信度线之外，或者存在多个明显的交叉点，则不确定是否为突变点，再利用滑动T检验法进行检验，以验证突变点的真伪，增强突变分析结果的可信度[13]。

2 分析与结果

2.1 日照时数变化特征

2.1.1年际时空变化特征

图1(a)是1961～2019年柴达木盆地年日照时数变化图，斜线表示趋势线，点线表示多年平均值。由图可知，柴达木盆地日照时数平均值为3 139.5 h，最高为3 336.0 h(1978年)，最低为2 707.9 h(2019年)，极差达628.1 h，占到历年平均的20%，表明年日照时数变幅较大。日照时数气候倾向率有着明显的递减趋势，以-47.8 h·10a-1减少，通过了0.001的显著性检验，同时存在明显的阶段性变化，1990年之前大多数为正距平，1990年之后大多数为负距平，2019年降至历史最低值，其值比历年平均值偏少13.7%，为异常偏少年。21世纪起，日照时数气候倾向率为-76.7 h·10a-1，递减速度明显加快，且近3a减少尤为突出，这表明柴达木盆地年日照时数减少的趋势在逐渐增大。

图1 1961～2019年柴达木盆地年日照时数变化曲线及日照时数气候倾向率空间分布图

图1(b)显示日照时数在柴达木盆地空间上的变化也不尽相同。总体呈现出不同程度减少趋势， 其中诺木洪、德令哈、冷湖减少最为明显，气候倾向率分别达到-70.3 h·10a-1、-62.8 h·10a-1、-62.3 h·10a-1，均通过0.001的显著性检验；其次为茫崖、小灶火、都兰、茶卡气候倾向率依次为-56.9 h·10a-1、-55.7 h·10a-1、-49.3 h·10a-1、-40.9 h·10a-1，同样通过0.001的显著性检验；格尔木和天峻以-30.5 h·10a-1、-29.8 h·10a-1的速率在减少，通过0.01的显著性检验；减少最小的是位于中北部的大柴旦，为-19.4 h·10a-1，通过了0.05的显著性检验。日照时数减少很大程度上与近年来降水量总体呈增加趋势有关[14]。

2.1.2季节时空变化特征

柴达木盆地四季日照时数变化倾向率(图2)同样表现出各季变化在空间上的差异，总体表现与年变化一致呈减少趋势，变幅夏季>秋季>冬季>春季。春季格尔木和大柴旦分别以2.0 h·10a-1、0.8 h·10a-1的气候倾向率在增加，但两站均未通过显著性检验；其他站点不同程度减少，都兰减幅最大为-10.8 h·10a-1，德令哈和诺木洪次之为-10.2 h·10a-1、-9.9 h·10a-1，均通过0.01的显著性检验；冷湖、茫崖、小灶火以-9.0 h·10a-1左右在递减，均通过0.05的显著性检验；天峻、茶卡以小于-7.0 h·10a-1减少最慢，天峻未通过显著性检验。夏季、秋季和冬季全部站点均呈现出下降趋势，夏季德令哈、茫崖两站下降最快为-32.0 h·10a-1，大柴旦、格尔木、天峻下降较慢为-13.0 h·10a-1左右，所有站点均通过0.01信度检验；秋季诺木洪降幅最大为-21.3 h·10a-1，降幅最小的大柴旦、格尔木、天峻3站为-5.5 h·10a-1左右，除天峻、茶卡未通过显著性检验外，其他均通过0.1显著性检验；冬季最大降幅在冷湖，最小在大柴旦，分别为-14.3 h·10a-1、-1.3 h·10a-1，除大柴旦、茫崖未通过显著性检验外，其他均通过0.05显著性检验。总之，四季变化中大柴旦变幅最小，诺木洪变幅最大。

图2 1961～2019年柴达木盆地各站四季日照时数气候倾向率分布图

2.1.3突变检验

图3为1961～2019年柴达木盆地日照时数M-K突变检验及滑动T检验，因M-K检验时盆区及部分站点UF和UB曲线相交点在置信区间外，故配合滑动T检验确认突变年份。由图3(a)可知，盆区日照时数自20世纪90年代起下降明显，UF和UB曲线于1998年左右相交，但交点超出0.05的置信区间，为确定此交点是否为突变点，采用滑动T检验再次配合检验图3(b)，由两种方法综合得出，柴达木盆地日照时数在1998年左右发生突变，表明日照从1998年起逐渐减少。由春季图3(c)可知，日照时数20世纪80年代前为上升趋势，80年代后为下降趋势，两曲线相交于1986年，突变年份大约在1986年；夏季图3(d)日照时数自20世纪70年代起持续波动下降，两曲线相交于21世纪初，其后下降较快，突变年份大约在2000年，这与整个盆区日照时数突变基本一致；秋季图3(e)日照时数在20世纪90年代前期变化平稳，90年代末下降趋势加快，从两曲线相交点确认突变年份大约在2006年；冬季图3(f)日照时数统计量曲线相交在20世纪80年代末期，这比盆区发生突变提前了10a左右。

图3 1961～2019年柴达木盆地日照时数年及四季突变检验图

2.1.4月变化特征

1961～2019年柴达木盆地平均日照时数各月变化规律总体呈现出双峰型(图4)，年内最大值为293.0 h，出现在5月份，形成年内最高峰，由于柴达木盆地干旱少雨且雨量集中在6～9月份汛期期间，故汛期之前的5月份出现日照时数最大值，后期雨量增多，日照时数有所减少；汛期后的10月份日照时数再次增多，形成第二峰值，年内最低值出现在2月份，为222.7 h，最大与最小值相差70.3 h。

图4 柴达木盆地日照时数月分布图

2.1.5年代际距平变化特征

从柴达木盆地日照时数年代际距平变化来看(表1)，从20世纪60年代到20世纪结束为正距平，21世纪起为负距平，表明盆地20世纪日照丰富，70年代表现尤为显著，进入21世纪日照相对减少。由季节变化来看，春、冬季变化相同，20世纪90年代前为正距平，后为负距平，表明春、冬季90年代起日照时数减少较为明显；夏、秋季日照变化一致表现为2000年前为正距平，2000年后为负距平，说明21世纪起日照显著减少，夏季减少比秋季快。

表1 季节、年日照时数的年代际距平(单位：h)

2.2 风速变化特征

2.2.1年际时空变化特征

图5(a)显示，1961～2019年柴达木盆地年平均风速为2.9 m·s-1，最大年平均风速为3.9 m·s-1，出现在1969年，最小年平均风速为2.3 m·s-1，出现于2019年；极差为1.6 m·s-1，达到历年平均风速的54.6%。由统计分析可知，盆区年平均风速以-0.2 m·s-1·10a-1呈下降趋势，通过0.001显著性检验；1988年以前以正距平为主，1989年起以负距平为主。风速的减小和沙尘天气的减少总体趋势基本一致[15]，风速减小降低了沙尘天气出现的动力和频率，同时降低了风能蕴藏量。

图5 1961～2019年柴达木盆地年平均风速变化曲线及平均风速气候倾向率空间分布图

由图5(b)可知，盆区风速变化的空间分布同样表现出显著的地域差异。总体来看，小灶火以0.04 m·s-1·10a-1的气候倾向率在增加，但未通过显著性检验；其他站点风速气候倾向率均呈下降趋势，其中茶卡未通过显著性检验，其余站点均通过0.1显著性检验。以格尔木为界，西部地区呈现出自东向西减少趋势，茫崖减少最明显为-0.57 m·s-1·10a-1；东部地区同样呈由东向西减少趋势，诺木洪减幅最大为-0.43 m·s-1·10a-1。

由柴达木盆地四季风速变化分布图(图6)同样可以看出其不同空间差异。盆地风速在四季变化中总体表现均为减小趋势，减幅春季>夏季>秋季>冬季。在四季风速变化倾向率空间分布图中减少最显著的是茫崖站，其四季风速气候倾向率在-0.55～-0.61 m·s-1·10a-1之间，通过0.01显著性检验，春季减幅最大；其次是诺木洪站在-0.33～-0.51 m·s-1·10a-1之间，通过0.01显著性检验。小灶火站春、夏、秋3季都在增加，尤其是夏季较为明显，其气候倾向率为0.10 m·s-1·10a-1，通过0.01显著性检验；冬季以微弱减幅在减少。其他站点减幅较小，表现不明显。

图6 1961～2019年柴达木盆地四季平均风速气候倾向率空间分布图

2.2.2突变检验

根据M-K突变检验对盆区风速突变做检验，给定显著性水平α=0.001， 临界线U=±2.56。从图7(a)得知，虽然UF与UB线相交于2001年左右，但相交点处于临界线之外，不能确认其为盆区风速突变年份，故用滑动T检验图7(b)多次滑动检验后确认2001年左右为盆区风速减少的突变点。从季节突变来看，春、秋季M-K检验交点同样在临界线外，经滑动T检验(图略)再次检验后确认其分别在2000年、2003年左右发生风速减少突变。夏、冬季风速自20世纪80年代持续下降，两曲线分别于1999年、1993年相交，之后超出置信区间，因此认定1999年、1993年分别为夏、冬两季风速减少突变年。

图7 1961～2019年柴达木盆地年及四季平均风速突变检验图

2.2.3月变化特征

图8显示， 柴达木盆地年内风速变化呈单峰型。春季平均风速较大，为3.5 m·s-1，形成年内峰值；绝大部分站点最大风速出现在4月份，平均风速达到3.6 m·s-1；最小风速为2.3 m·s-1，出现在12月份。春季风速增大的同时形成了沙尘天气的多发。

图8 柴达木盆地平均风速月变化图

3 日照及风速变化对太阳能、风能的影响

柴达木盆地属太阳能特丰富区和丰富区[16]，年日照时数2 974.0～3 575.0 h，日照百分率达69%～73%，年太阳总辐射量6 000 MJ·m-2以上，80%以上地区属太阳能资源特丰富区，太阳能资源仅次于西藏。区内绝大部分区域属于风能可利用区，年平均风功率密度多在80～150 W·m-2，全年风能可用时间3 500～5 000 h，频率50%～70%，全区太阳能资源开发利用前景十分广阔，风能资源亦可适度开发。

3.1 太阳能资源

太阳能资源的利用与日照时数有密切的关系，柴达木地区是日照时数最多的地区，1961～2019年各站年平均日照时数在2 974.0～3 432.8 h之间。其中冷湖最多，为3 432.8 h，天峻最小为2 974.0 h，德令哈、格尔木、茶卡、天峻、都兰、大柴旦、小灶火、茫崖年平均日照时数依次为3 051.3 h、3 055.6 h、3 023.9 h、2 974.0 h、3 029.4 h、3 226.9 h、3 143.1 h、3 217.8 h。年太阳总辐射量在7 000 MJ·m-2左右[17]，均大于6 800 M·m-2，属太阳能特别丰富区，也是年太阳总辐射量最大的地区。

3.1.1太阳能特别丰富区

柴达木盆地中部年太阳总辐射量在7000 MJ/m2以上，利用佳期(一年中日平均气温稳定通过0℃的日数，下同)在220 d以上，晴天(日照百分率≥80%，下同)日数350 d以上，最长连续阴天(日照百分率≤20%，下同)日数4～5 d；年日照时数在3 000 h以上，平均每天日照时数7 h以上，其中4～8月平均每天日照时数8.62～9.73 h，年日照百分率70%以上[16]。

3.1.2太阳能丰富区

柴达木盆地的西北部及大柴旦至都兰县、乌兰县一带，年太阳总辐射量在6 827～7 420 MJ·m-2之间，利用佳期192～219 d，晴天日数340 d以上，其中柴达木盆地西北部的茫崖、冷湖两地达359 d，最长连续阴天日数3～5 d；年日照时数3 000 h以上，其中冷湖达3 520.6 h，4～8月平均每天日照时数可达9.12～10.77 h，年日照百分率70%～80%。本区除利用佳期略短外，资源量同属丰富地区，具有广阔的开发利用前景[16]。

3.1.321世纪初气候变化对太阳能的影响

进入21世纪以来(表2)，柴达木盆地平均日照时数为3 020.0 h，减少163.2 h，各地减少85.3～222.8 h，相对而言，盆地东部减少幅度更大一些。虽然太阳能有一定的减少，但太阳能特别丰富区的格局没有发生变化，对太阳能发电利用影响不大。

表2 柴达木盆地1961～2000年、2001～2019年日照时数差值(单位：h)

3.2 风能资源

3.2.1柴达木盆地风能资源特征

根据《风电场风能资源评估方法GB/T 18710-2002》规定[18]，距地10 m高度年平均风功率密度≥200 W·m-2为风能资源丰富区，年平均风功率密度在150～200 W·m-2之间，为风能资源较丰富区。经资料分析及实地考察，柴达木盆地西北部、中部，年平均风功率密度大于200 W·m-2，为风能资源丰富区；柴达木盆地西南部和东部，年平均风功率密度一般在150～200 W·m-2，为风能资源较丰富区[16]。

3.2.221世纪初气候变化对风能的影响

进入21世纪，随着气候的持续变暖，柴达木盆地风速持续减小，2001～2019年(2.5 m·s-1)与1961～2019年(2.9 m·s-1)相比，减小0.4 m·s-1。各地风速减小在0.1～1.7 m·s-1之间，其中茫崖、柴达木盆地的南缘减少幅度较大，减少0.6～1.7 m·s-1(表3)，其他地区减少幅度不明显。受其影响，茫崖、都兰、诺木洪、德令哈、格尔木对风能发电影响较大，其余地区没有影响，风能资源仍为丰富区。

表3 柴达木盆地1961～2000年、2001～2019年风速差值(单位：m·s-1)

4 结论

(1)柴达木盆地平均日照时数为3 139.5 h，且以-47.8 h·10a-1的气候倾向率递减，1998年发生减少突变，进入21世纪后递减更明显，达-76.7 h·10a-1。年内日照时数变化呈现出双峰型，5月份达到最大值293.0 h，出现第一峰值；10月份再次增多，形成第二峰值。平均日照时数最小为222.7 h，出现在2月份。日照时数空间分布表现为减少趋势，西部的冷湖和东部的诺木洪、德令哈减少最为明显。

(2)日照时数四季变化来看，格尔木及大柴旦在春季略微增加外，其他季节所有站点均呈减少趋势，减幅夏季>秋季>冬季>春季，四季变化中大柴旦变幅最小，诺木洪最大。

(3)柴达木盆地平均风速为2.93 m·s-1，以-0.20 m·s-1·10a-1呈下降趋势，2001年左右发生减少突变。年内风速变化呈单峰型，春季形成峰值；4月份达到最大3.6 m·s-1。空间分布上小灶火风速略微增大；以格尔木为界，其东、西部均呈现出自东向西减少趋势，茫崖减少最为明显。

(4)风速四季变化来看，总体表现为减小趋势，减幅春季>夏季>秋季>冬季，减少最显著的是茫崖站，小灶火站春、夏、秋3季均在增加。

(5)柴达木盆地太阳能及风能较为充足，进入21世纪后，太阳能虽然有一定的减少，但其特别丰富区和丰富区的格局没发生变化，对太阳能资源开发利用影响不大；风速持续减小，除对柴达木南缘及茫崖风能资源造成一定影响外，其余地区无影响，风能资源仍为丰富区。