乌鲁木齐东南大风空间分布和时间变化特征

窦 刚，雅森江·库尔班，木尼热·艾尼

1.新疆气象台，新疆乌鲁木齐 830000；2.新疆气象服务中心，新疆乌鲁木齐 830000；3.克州气象局，新疆阿图什 845350

新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市地处天山山脉中段的峡谷内，呈西北—东南走向。当峡谷南北两侧地面气压出现南高北低的形势时，乌鲁木齐一带常出现7～8级东南大风，平均最大风力11级，最大瞬间风速高达40 m/s，同时伴有升温、降压和降湿特点，往往给当地城市设施、民航和交通运输、人民健康带来较大影响。大量学者基于乌鲁木齐市大风天气展开了相关研究，孙鸣婧等[1]通过分析春季东南大风个例发现，峡谷两端南高北低的海平面气压场是乌鲁木齐东南大风的必要条件，但地面蒙古冷高越强，东南风未必越强。汤浩等[2]利用WRF模式对2007年2月28日新疆一次极端大风事件模拟分析发现，重力波破碎形成的湍流活跃层和中低空风向切变的临界层，吸收上层波能量向下传输加强了穿谷急流能量。利用乌鲁木齐及周边地面气象站小时观测数据，统计分析了乌鲁木齐东南大风空间分布和时间变化特征，为乌鲁木齐大风预报预警和灾害防御提供参考。

1 资料和方法

1.1 数据来源

因红雁池水库站建站较晚，数据范围有限，采用乌鲁木齐及周边60个地面气象观测站2012—2021年逐小时观测数据对东南大风空间分布特征分析；采用中国气象局天擎数据系统下发的1961—2020年日值数据分析东南大风时间变化特征。大风标准采用大风蓝色预警标准，即10 min平均风速≥6级（10.8 m/s），或阵风≥7级（13.9 m/s），1 d中出现1次或多次大风，均记为1个大风日。

1.2 研究方法

主要采用一元线性回归、曼肯德尔法（M-K）和小波分析（Morlet小波）方法分析乌鲁木齐站东南大风日数趋势、周期等变化特征。一元线性回归是研究气候变化趋势的常用统计方法，方程表示为：

式（1）中：xi为某气象因子，ti为xi所对应时间，a为回归常数，b为回归系数，倾向率正负表示增加或减少趋势，倾向率绝对值大小表征变化幅度。曼肯德尔法（M-K）是一种非参数检验方法，其不需要样本遵循一定的统计分布，也不受奇异值干扰，因此被广泛应用于序列值趋势变化和突变点检验等研究[3-6]。小波分析法用于分析乌鲁木齐站年东南大风日数周期结构和变化规律，对满足一定条件的小波函数ψ(t)，时间序列f(t)∈L2(R)的小波变换为：

式（2）中，Wf(a,b)为小波系数为共轭复数，a为尺度因子，b为平移因子。

采用的小波函数为Morlet小波函数，即：

式（3）中，c为常数，i为虚数。小波系数实部的变化趋势与信号起伏基本一致，等值线中心为高低值中心（正小波系数为高值，负小波系数为低值），中心值大小反映出波动振荡强度[7]。同时用小波方差反映波动的能量随尺度分布，可确定一个时间序列中各种尺度扰动的相对强度，对应峰值处的尺度即为该序列主要时间尺度，即主要周期。小波方差计算公式为：

为将气象站点观测数据插值到空间位置，使用反距离权重法将乌鲁木齐市境内60个站点数据大风日数插值到全部区域。

2 乌鲁木齐东南大风空间分布特征

从近10年东南大风日数和最大风速统计看，乌鲁木齐年均东南大风日数和最大风速位置分布较一致，主要在乌鲁木齐市达坂城区、天山区南部和头屯河区的八一钢铁公司一带，呈东南—西北走向带状分布，大值区在天山区南部郊区乌拉泊至红雁池，最大年均大风日数和风速均出现在红雁池水库站，分别为31.7 d/年和38.2 m/s（图1）。焦化山附近为次大值区，年均10～15 d/年。除东南—西北向分布的大风日数带状大值区外，其他地区年均大风日数在0.1～5 d/年，最大风速为11～16.5 m/s。可见乌鲁木齐东南大风空间分布与地形特征相对应，当柴窝堡山谷出现东南风后，气流沿峡谷向西北方向流动，狭管效应使东南风逐渐增强，到达峡谷北部开口区的红雁池水库一带时风速最大，因此呈现东南—西北带状分布特征。

图1 2012—2021年乌鲁木齐市东南大风的平均日数(a)、最大风速(b)

3 红雁池水库站东南大风时间分布特征

对乌鲁木齐市近10年东南大风日数月分布统计，红雁池水库站在10、11和4月出现东南大风最多，依次分别为46、42和39 d，7、6和8月最少，大风日数分别为7、8和10 d，说明乌鲁木齐市南郊东南大风主要在春、秋季，分别占全部大风日数的33%和37%，冬季为22%，夏季东南大风最少，仅为8%（图2a）。乌鲁木齐东南大风形成除了与地形有关，也与峡谷两端南高北低气压场密相关。大风发生前，新疆多为高空暖性高压脊控制，地面有冷空气从蒙古高压后部流向南疆，使南疆中底层气压不断升高，形成南疆高、北疆低的气压场分布，有利于乌鲁木齐峡谷地带形成东南风。上述环流场形势多出现在冷热空气交汇频繁的春秋季，因此乌鲁木齐东南大风也多出现春秋季。

由图2b可看出，红雁池水库东南大风日变化呈双峰型，主峰在08:00～09:00（北京时间，下同），出现频率为0.07；次峰在04:00左右，频率为0.06；17:00左右为低谷时段，频率为0.01。可见红雁池水库南大风多出现夜间和清晨，日出后东南大风次数较少，或日出后东南风风速迅速降低，日落后东南风出现频次又逐渐增加。因峡谷两端南高北低的气压差是形成乌鲁木齐东南大风的必要条件，因此气压差的日变化也会造成东南风日差异；日出后随着太阳辐射影响，南北疆空气温差减弱，气压差也减小，东南大风出现频次较少；日落后地面受太阳辐射减少而冷却降温，此时南疆受冷空气回流影响，气温降幅更剧烈，而北疆由于受高空暖性高压脊控制，气温降幅较小，因此南北疆夜间温差、气压差比白天大，东南大风也更易在夜间出现。

图2 红雁池水库站东南大风日数的月、日分布

4 乌鲁木齐站近60年东南大风变化特征

乌鲁木齐站与红雁池水库站相距7 km，但东南大风日数有明显差异。乌鲁木齐东南大风多出现在南部郊区，市区较少，但市区出现东南大风时，易造成航班延误，广告牌等高空物体被吹落，严重威胁人民生命财产安全。

从1961—2020年乌鲁木齐市长期变化曲线看，乌鲁木齐市东南大风年大风日数变化波动较大，年代际差异明显，1980—1991年连续12年东南大风日数均低于平均值12.7 d，最小值为1967年，仅为2 d，最大值在1975年，达到29 d（图3）。总体看，乌鲁木齐市东南大风日数呈不断减少趋势，气候倾向率为-0.44 d/10年。图3b为M-K突变分析，可看出乌鲁木齐市东南大风日数未出现突变，UF曲线一直小于0，表明乌鲁木齐近60年年东南大风日数处在下降通道中。从年代际变化看，20世纪60至80年代初乌鲁木齐东南大风日数虽趋于减少，但未超过-1.96线，没通过0.05显著性水平，说明减少不明显；20世纪80年代中后期至21世纪10年代初，减少趋势超过-1.96线，通过0.05显著性水平，说明减少明显；21世纪10年中后期，UF线又逐渐返回至±1.96之间，说明减少趋势有所减弱。

图3 1961—2020年乌鲁木齐站东南大风日数的年际变化

从小波分析看，1961—2020年乌鲁木齐站东南大风日数变化存在多时间尺度特征（图4a）。总体上，大风日数变化存在3～6、10～15和30～60年的震荡周期，3～6和30～60年振荡在60年中始终存在，其中3～6年振荡在1961—1993年和2011—2020年2个时段振荡较稳定，分别出现7和2次的多—少交替的振荡变化周期。30～60年振荡在整个过程中都较稳定，出现准1次振荡。10～15年振荡主要出现在20世纪90年代后，共出现准2次振荡。从小波方差图看，曲线存在3个明显峰值，分别对应5、14和45年的时间尺度（图4b）。其中最大峰值对应着45年时间尺度，说明45年左右的周期振荡最强，为乌鲁木齐站东南大风日数变化的第1主周期；第2峰值为14年周期，为大风日数变化第2主周期；第3峰值为5年周期，为第3主周期。上述分析表明，45、14和5年左右的周期波动控制着1961—2020年乌鲁木齐站东南大风日数变化特征。

图4 1961—2020年乌鲁木齐站东南大风日数的小波分析

5 总结与讨论

（1）乌鲁木齐市东南大风主要出现在南郊达坂城至红雁池水库一带，年均大风日数和极大风速极大值均在红雁池水库站，分别为31.7 d/年和38.2 m/s。焦化山附近为次大风日数大值区。东南大风常出现在春秋季，分别占全年大风日数的33%和37%。红雁池水库站东南大风呈双峰型日变化特征，主峰在08:00～09:00，次峰出现后04:00左右，日出后东南大风次数迅速降低，低谷在17:00。

（2）近60年乌鲁木齐站年东南大风日数年代际差异明显，未出现突变点，总体呈不断减少趋势，气候倾向率为-0.44 d/10年，其中20世纪60至80年代初为振荡期，减少趋势不明显，20世纪80年代中后期至21世纪10年代初为迅速减少期。

（3）乌鲁木齐站年东南大风日数存在3～6、10～15和30～60年左右的震荡周期，分别对应第3、第2和第1主周期。