2005—2020 年新疆百里風區精細化逐時風速特征研究

王秀琴，劉 艷，盧新玉*，黃阿麗，杜 峰

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆氣象信息中心，新疆 烏魯木齊 830002；3.福?？h氣象局，新疆 福海 836400；4.烏蘭烏蘇氣象站，新疆 石河子 832199）

風是由空氣流動引起的一種自然現象，一般由太陽輻射熱引發。人類生產和生活中，風具有“致利”和“致害”兩面性。風作為無污染、可再生的清潔能源，是一種重要的氣候資源。風能開發是我國調整能源結構、大力發展低碳經濟的戰略任務之一。作為氣象災害的重要組成部分，大風災害具有影響范圍大、季節性強、災害損失大等特點，嚴重影響人居環境和社會經濟可持續發展。風能開發、大風特征及其防御研究中需要對風速特征精細把握。圍繞這一問題，已有研究對我國不同地區風速指標年際及年代際時空變化特征[1-5]以及日變化特征進行了定量分析[6]。結果顯示中國地面風速總體呈顯著下降趨勢。對于風速的日變化特征，由于小時風速資料不易獲取，日變化圍繞日最大和日極大風速展開。大部分站點日最大風速出現在午后。

新疆有老風口、阿拉山口、達坂城谷地、百里風區等九大風區，其中百里風區是我國鐵路沿線最強的風區[7]，年均八級以上大風日數高達200 d ，具有風速大、風期長、季節性強、風向穩定、起風速度快等特征[8]，風力之大居全疆之首。大風災害已成為嚴重影響百里風區安全運輸的主要氣象災害[8-11]。許多學者圍繞百里風區大風成因及特征等開展了系列研究。但是，研究多基于4 次定時觀測月平均風速、年平均風速及大風日數開展。利用24 h 觀測資料的分析，主要是從大風天氣過程入手，結論多為風區風速季節和年際特征的定量描述[12-15]。距離百里風區風預報預警等氣象科技服務能力建設需求還存在差距。新疆“三山夾兩盆”的特殊地形特征，以及復雜的多尺度地形和陸氣相互作用過程，使得新疆地區地面風分布、演變過程和異常變化中的科學問題更加突出[9]。面對風速的強脈動性，6 h 間隔的記錄數據難以捕捉到風的陣性變化和掌握風精細化時間特征。因此，本文以24 次定時高頻風速觀測記錄數據為例，開展風速精細化特征分析，與4 次定時數據進行異同性比較，精細掌握風速變化過程細節，嘗試找出強脈動性干擾下，風觀測記錄數據與風的完整表達存在的誤差[9]，以期為百里風區風的預報預警、氣象服務提供理論參考。

1 研究區概況

百里風區處于40 °N 以北，東天山隆起與哈密坳陷過渡地帶（圖1），指蘭新鐵路在新疆境內的紅旗坎至了墩站，全長約123 km。風區地勢北高南低，北面遙對博格達山與巴里坤山山間的七角井埡口。喇叭狀的谷地，主要表現為低山丘陵、石質剝蝕平原及山前洪積砂礫，呈現干旱地表狀態[8]。

圖1 百里風區地理位置

十三間房是百里風區中風力最強勁之處[16]。十三間房氣象站位于七角井風口以南約17 km，哈密以西約200 km，南面是蘭新鐵路線，北面是312 國道。

2 數據和方法

2.1 數據來源

本文選取2005—2020 年十三間房氣象站觀測的2 min 平均風速、日最大風速、日極大風速和大風日數數據。資料來源于新疆維吾爾自治區氣象信息中心，并經嚴格的數據質量控制。

2.2 數據處理方法

2.2.1 風力等級劃分

依據2003 版《地面氣象觀測規范》[17]，將風力劃分為13 級（0 ～12 級），其對應的風速范圍如表1 所示。

表1 風力等級

本文涉及相關術語見表2[7，17]。

表2 大風、大風日數等相關定義

2.2.2 計算方法

對24 次及4 次定時風速的對比，采用數據差值法計算；對風速的日變化情況進行每小時平均風速分析，確定風速日變化趨勢及高值區與低值區出現時間區間；對風速的年變化特征采用氣候趨勢率分析。

（1）數據差值

計算24 次與4 次定時觀測風速差值。首先對24 次定時觀測的2 min 平均風速進行處理，計算21—02 時、03—08 時、09—14 時、15—20 時的平均值，再將其分別與02、08、14、20 時4 次定時觀測值進行差值計算，得到23 376 對風速差數據序列。

差值絕對值指24 次定時觀測的時（日、月、年）平均值與4 次定時觀測的時（日、月、年）平均值的差的絕對值。

（2）風速日變化

式中：R（t，d）表示第d 天t 時（t=1，2，…，24）的小時風速，dz是有觀測資料的總天數是t 時的平均風速。

（3）氣候趨勢率

氣候要素變化的趨勢，采用一元線性回歸表示，即：

式中：x 表示氣候要素，t 表示時間；a0表示回歸常數，a1表示回歸系數[18]。

3 結果與分析

3.1 風速特征差異

將2005—2020 年十三間房氣象站5 844 d 自動氣象觀測站24 次與4 次定時觀測的風速數據進行對比分析。從各定時及日平均差值（表3）可知，02、20 時差值為負值，08、14 時差值為正值，日平均差值為正值。24 次定時觀測數據平均高于4 次定時觀測值。14、20 時差值絕對值平均明顯高于02、08時，即白天時段風速陣性強于夜間，觀測頻數越多，越能真實反映風速變化特征。由各月平均及年平均差值（表4）可知，春、夏季差值負值偏多，秋、冬季正值偏多，說明春、夏季24 次定時值平均低于4 次定時觀測值，秋、冬季反之。此外，兩組對比值中的差值絕對值顯示，隨時間分辨率提高，兩組數據差異程度增大。

表3 4 次定時及日平均風速差值 m·s-1

表4 月平均及年平均差值 m·s-1

對不同等級風速數據進行差異分析。以02、08、14、20 時觀測值進行風速等級劃分，各級風速出現時數見表5。0～4 級，以正偏差為主，5～12 級以負偏差為主，即風力在4 級及以下時，24 次定時觀測數據高于4 次定時觀測值；5 級或5 級以上。從差值偏差程度可知，風力等級越高，偏差越大。各級風力出現時數與差值呈反相關，即出現時數越多，數據差異越小，如2～3 級風出現時數最多，差值絕對值最小。但日常服務往往關注的是風力較大時風速測量的精確度。

表5 各級風速出現時數及平均差值

由不同時間分辨率對比情況可知，數據觀測頻次越密，差值越大；風速越大，差值越大。采用每小時1 次時間分辨率的觀測數據，比每日4 次的觀測頻次更能全面、準確反映風速的變化特征。故本文選取24 次定時觀測值進行風特征分析。

3.2 風速變化特征分析

3.2.1 風速日變化特征

由十三間房2005—2020 年24 次定時觀測各時平均風速序列分布（圖2）可知，風速全天持續較高，日平均風速達8.3 m·s-1，最高值出現在04 時左右，平均風速達8.9 m·s-1，最低值出現在15 時，平均風速為7.6 m·s-1。夜間平均風速為8.6 m·s-1，上午時段平均風速為8.2 m·s-1，下午時段平均風速為7.9 m·s-1，即該地平均風速最大值出現在夜間，最小值出現在下午。

圖2 平均風速與大風出現次數日變化

百里風區以風大、大風日數多而著稱。對2005—2020 年3 209 個大風日15 786 個大風時數按出現時間（圖2）進行分類。十三間房大風出現次數最多的時次為17—20 時，處于小時平均風速較低時段。日變化規律與新疆整個區域大風的日變化趨勢一致，具有明顯階段性，集中在下午時段[19]。

對16 a 的5 844 d 各日極大風速和最大風速出現時間（圖3）進行統計。日極大風速日變化規律與大風出現時間日變化規律相似。日極大風速出現時間發生次數較多的集中在16—20 時，最大值為20時的1 093 次，占總次數的18.7%，其次為16 時，為537 次。11～12 級風集中在15—18 時。日最大風速出現時間發生次數最多的為20 時，為865 次，占總次數的14.8%，與極大風速最大值為同一時次。但最大風速在夜間到10 時出現頻數一直處于較高位，且相對穩定，均高于210 次。即最大風速與平均風速持續較高時段均在夜間到上午，但下午時段極大風速出現次數高于其他時段。從最大風速與極大風速定義可以判斷，下午時段風速陣性特征凸顯。說明受太陽輻射作用影響，下午是該地風速波動最大的時段。

圖3 最大風速與極大風速出現次數日變化

十三間房平均風速、最大風速、極大風速、大風出現時次的日變化規律存在一定差異，各指標顯示的峰谷值出現時間明顯不一。平均風速和最大風速表示一段時間內風的平均狀況，可代表一日中持續時間較長的風速情況。十三間房平均風速與最大風速高值出現在凌晨到上午，極大風速及大風出現最多的時次為午后，說明風速變化在地形作用的基礎上，還一定程度上受太陽輻射日變化影響。另外一個重要影響因子是十三間房區域性大風在大氣環流背景下的動量下傳[12]。因此在預報過程中，針對下午時段風陣性預報，可多關注西風急流的影響，針對上午及傍晚，可多關注氣溫變化。

3.2.2 風速月變化特征

十三間房月平均風速季節變化特征（圖4）明顯，春、夏季平均風速大，秋季次之，冬季最小。5—8月月平均風速均超過10.0 m·s-1，其中6 月最大，月平均風速達10.96 m·s-1。其次是5 月，月平均風速為10.66 m·s-1。1 月最小，月平均風速為3.94 m·s-1，12月次之，為4.56 m·s-1。

圖4 風速及大風日數月變化

大風日數各月分布與平均風速規律一致（圖4），春、夏季出現次數明顯高于秋、冬季。最高值出現在6 月，月平均大風日數為24.5 d，其次是7 月，為23.3 d。5—8 月是大風易發月，平均達23.2 d，大風日數全年共200.6 d，這一時段就有92.6 d，占全年大風日數的46%。

各月各等級風速分布呈現春、夏季平均風速大，且較大風速持續時間長；秋、冬季風速相對較小，大風出現次數也較少。從各月各級風速分布（圖5）及不同風力等級各月出現時數和不同月份各級風力出現時數占比（圖6）可以看出，2～7 級風出現頻次較多，2 級風年平均出現時數為1 571.5 h，3 級為1 555.3 h；出現時數最少的是11、12 級，分別為12.3、1.3 h。冬半年（10—3 月），0～3 級風出現時數占全年總時數的71%，夏半年（4—9 月）4～10 級風出現時數占全年總時數的67%。

圖5 各季不同風力等級風速出現時數

圖6 不同風力等級分布

春、夏季頻繁的天氣過程是引起風區風力增加的重要驅動因素。春季北方冷空氣活動頻繁，受地形影響，積聚在準噶爾盆地，與盆地上升的熱氣流相遇，因南北地勢海拔落差較大，氣壓梯度力劇增；夏季新疆受副熱帶西風急流影響，以及本地沙漠和戈壁在日光照射下升溫快，使地面附近的空氣層十分不穩定，加之喇叭口地形產生的狹管效應，致使十三間房春、夏季多大風。湯浩等[19]使用WRF 模式進行中尺度模擬，通過強風天氣個例分析，進一步說明該地夏季風力強勁的重要成因是地形強迫引發有限振幅重力波，背風坡上空大風區之上的臨界層吸收上層能量并向下傳遞，增大了風區風速[19]。潘新民等[20]通過對天山色皮山口的狹管效應和越山后流洩風作用形成強風的試算、驗算，發現入侵的冷空氣越冷，背風坡山腳處的氣溫越高時流洩風的風速越大。在冬季，由于近地層逆溫層的出現，背風坡山腳處的氣溫不高，所以在這個季節流洩風的作用大為減弱。

十三間房月平均風速變化規律與大氣環流緊密相關，地形起到放大作用。因此，建議加強春夏期間大風的預報和預防[12，19-22]。

3.2.3 風速年變化特征

十三間房年平均風速與年大風日數均呈微弱減小趨勢（圖7）。2005—2020 年的年平均風速達8.3 m·s-1，最大值出現在2010 年，是16 a 中唯一年平均風速超過9.0 m·s-1的年份。這與2010 年多大風有關，這一年大風日數為224 d，達1 396 h，是近16 年持續大風時數最長的一年。其中風力達30 m·s-1以上的就有62 d。年平均風速最小值出現在2020 年，為8.0 m·s-1。其他年份平均風速變化不大，為8.0～8.5 m·s-1。由于時間分辨率較低，基于24次觀測的年平均風速與4 次定時觀測計算的年平均風速差值不大，與其他研究結果基本一致。大風日數分布趨勢與年平均風速一致，2014—2020 年連續7 a的年大風日數均低于平均值200.6 d。

圖7 十三間房年平均風速及大風日數年變化

4 討論

風的預報預警是氣象服務的重要內容，同時也是難點之一。新疆風口大風對當地生產生活造成極大影響[12]。長期以來，受風資料時間頻次限制，風的日變化、強度變化特征研究受到一定制約。相對于百里風區，苗運玲等[7，12-14]基于4 次定時觀測數據，對百里風區風速變化特征進行了分析，結果表明，百里風區年平均風速呈減小趨勢，春、夏季風速大于秋、冬季，月平均風速最大值出現在5 月。對風速的日變化特征分析主要從大風出現時間著手，結果顯示百里風區與新疆整個區域大風的日變化趨勢一致，具有明顯階段性，集中在下午時段[19]，但各時次風速變化的分析較少。

本研究基于24 次定時風速觀測數據，首先對24 次定時與4 次定時的差異性進行對比，不同時間分辨率平均風速的數據差異可見，隨風速增大，二者差異隨之增大。且時間分辨率越高，越能捕捉風的陣性特征?？紤]以往研究對日變化分析較少，本文著重對風速的日變化特征進行了探討，發現十三間房平均風速最大值出現在夜間，最小值出現在下午，這與《新疆氣象預報手冊》[22]所描述“主要風口及風區風速上午最小”結論有所不同?？紤]這2 個時次為非4次定時觀測時間，故4 次定時觀測不能正常捕捉小時平均風速最高值及最低值出現時間。但極大風速與大風出現時間與前人研究結果一致，均出現在17—20 時，說明風陣性特征最明顯的時間出現在下午。在月變化特征分析中，將24 次定時與4 次定時分析結果也進行了對比，二者也有一定差異，24 次觀測值顯示月平均風速最大值出現在6 月，與前人研究結果略有不同。年變化特征24 次定時與4 次定時觀測表現出的變化趨勢基本一致。

風作為一種陣性特征極強的天氣現象，觀測時間分辨率越高，對臨近或短期預報的參考性越強。隨著氣象觀測自動化水平的不斷提高，風特征的研究可基于更高時間分辨率的觀測數據。

5 結論

通過基于小時頻次的風速數據，對百里風區風況特征進行分析，得出如下結論：

（1）24 次與4 次定時觀測數據對比結果顯示，隨觀測頻次加密，數據差異明顯增大，且風力級別越高，偏差越大。

（2）百里風區風速變化規律與大氣環流緊密相關，地形起加強放大作用，風速一直處較高水平，年平均風速為8.3 m·s-1。年平均大風日數為200.6 d。年平均風速與大風日數均呈微弱減小趨勢。

（3）月變化表現為春、夏季平均風速明顯高于秋、冬季，其中6 月平均風速最大。5—8 月大風出現日數最多，占全年大風日數的46%。

（4）風速日變化主要表現為夜間起風，平均風速最大值出現在夜間04 時前后。下午風速波動最大，大風易發時段為17—20 時。即平均風速最大時段與大風易發時段不完全重合。