2005—2020年新疆百里风区精细化逐时风速特征研究.pdf

研究论文第17 卷第5期沙漠与绿洲气象2023年10 月Desert and Oasis Meteorology王秀琴，刘艳，卢新玉，等.2 0 0 52 0 2 0 年新疆百里风区精细化逐时风速特征研究沙漠与绿洲气象，2 0 2 3，17(5）：9 3-9 9.doi:10.12057/j.issn.1002-0799.2023.05.012开放科学（资源服务）标识码（OSID）：2005一2 0 2 0 年新疆百里风区精细化逐时风速特征研究王秀琴12,刘艳，卢新玉，黄阿丽”，杜峰4（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐8 30 0 0 2;2.新疆气象信息中心，新疆乌鲁木齐8 30 0 0 2；3.福海县气象局，新疆福海8 36 40 0；4.乌兰乌苏气象站，新疆石河子8 32 19 9）摘要：基于2 0 0 5一2 0 2 0 年百里风区气象观测站的风速数据，对质量控制后的2 min平均风速、大风日数、日最大风速、日极大风速资料进行计算，得到百里风区精细化逐时风速特征。结果表明：（1)随时间分辨率的提高，2 4次与4次定时观测值差异明显增大，且偏差随风力等级增高而增大；（2）百里风区风速变化规律与大气环流紧密相关，地形起到加强放大作用。在太阳辐射及地形地貌影响下，百里风区年平均风速达8.3ms-，年平均大风日数为2 0 0.6 d,地面风速持续较高；（3)春夏季平均风速最大，且较大风速持续时间长；（4)平均风速高峰时段与大风易发时段不完全重合，平均风速最大值出现在0 4时前后，大风高发时段峰值集中在17 2 0 时。关键词：精细化；百里风区；逐时风速；特征中图分类号：P425.4文献标识码：A文章编号：10 0 2-0 7 9 9(2 0 2 3)0 5-0 0 9 3-0 7风是由空气流动引起的一种自然现象，一般由太阳辐射热引发。人类生产和生活中，风具有“致利”和“致害两面性。风作为无污染、可再生的清洁能源，是一种重要的气候资源。风能开发是我国调整能源结构、大力发展低碳经济的战略任务之一。作为气象灾害的重要组成部分，大风灾害具有影响范围大、季节性强、灾害损失大等特点，严重影响人居环境和社会经济可持续发展。风能开发、大风特征及其防御研究中需要对风速特征精细把握。围绕这一问题，已有研究对我国不同地区风速指标年际及年代际时空变化特征1-5I以及日变化特征进行了定量分析。结果显示中国地面风速总体呈显著下降趋势。对于风速的日变化特征，由于小时风速资料不易获取，日变收稿日期：2 0 2 2-0 9-11；修回日期：2 0 2 2-12-2 2基金项目：中国沙漠气象科学研究基金（Sqj2021009）作者简介：王秀琴（19 8 1一），女，高级工程师，主要从事气候资料分析及数据管理。E-mail：10 449 59 2 0 q q.c o m通信作者：卢新玉（19 7 9 一），男，副研究员，主要从事气象灾害研究。E-mail:化围绕日最大和日极大风速展开。大部分站点日最大风速出现在午后。新疆有老风口、阿拉山口、达坂城谷地、百里风区等九大风区，其中百里风区是我国铁路沿线最强的风区闪，年均八级以上大风日数高达2 0 0 d，具有风速大、风期长、季节性强、风向稳定、起风速度快等特征8，风力之大居全疆之首。大风灾害已成为严重影响百里风区安全运输的主要气象灾害8-川。许多学者围绕百里风区大风成因及特征等开展了系列研究。但是，研究多基于4次定时观测月平均风速、年平均风速及大风日数开展。利用2 4h观测资料的分析，主要是从大风天气过程人手，结论多为风区风速季节和年际特征的定量描述112-15。距离百里风区风预报预警等气象科技服务能力建设需求还存在差距。新疆“三山夹两盆”的特殊地形特征，以及复杂的多尺度地形和陆气相互作用过程，使得新疆地区地面风分布、演变过程和异常变化中的科学问题更加突出9。面对风速的强脉动性，6 h间隔的记录数据难以捕捉到风的阵性变化和掌握风精细化时间特93研究论文征。因此，本文以2 4次定时高频风速观测记录数据为例，开展风速精细化特征分析，与4次定时数据进行异同性比较，精细掌握风速变化过程细节，尝试找出强脉动性干扰下，风观测记录数据与风的完整表达存在的误差9，以期为百里风区风的预报预警、气象服务提供理论参考。1研究区概况百里风区处于40 N以北，东天山隆起与哈密坳陷过渡地带（图1），指兰新铁路在新疆境内的红旗坎至了墩站，全长约12 3km。风区地势北高南低，北面遥对博格达山与巴里坤山山间的七角井垭口。喇叭状的谷地，主要表现为低山丘陵、石质剥蚀平原及山前洪积砂砾，呈现干旱地表状态。十三间房是百里风区中风力最强劲之处。十三间房气象站位于七角井风口以南约17 km，哈密以西约2 0 0 km，南面是兰新铁路线，北面是312 国道。44N-420N-8RE2数据和方法2.1类数据来源本文选取2 0 0 52 0 2 0 年十三间房气象站观测的2 min平均风速、日最大风速、日极大风速和大风日数数据。资料来源于新疆维吾尔自治区气象信息中心，并经严格的数据质量控制。2.2楼数据处理方法2.2.1风力等级划分依据2 0 0 3版地面气象观测规范17 1,将风力划分为13级（0 12 级），其对应的风速范围如表1所示。本文涉及相关术语见表2 17.17。2.2.2计算方法对2 4次及4次定时风速的对比，采用数据差值法计算；对风速的日变化情况进行每小时平均风速分析，确定风速日变化趋势及高值区与低值区出现时94沙漠与绿洲气象Desert and Oasis Meteorology风力/级0123456789101112表2 大风、大风日数等相关定义名词定义瞬间风速达到或超过17.0 m?s（或目测估计大风风力达到或超过8 级）的风以2 0:0 0 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红旗块了墩90E92E图1百里风区地理位置第17 卷第5期2023年10 月表1风力等级风速/ms)0.00.20.31.51.63.33.45.45.57.98.010.710.813.813.917.117.220.720.824.424.528.428.532.632.7大风日数大风日，若某次大风跨日（或月）则按出现2 个大风日数计算海技/igh:474Low-15194E最大风速在某个时段内出现的最大的10 min平均风速值某个时段内出现的最大瞬时风速值。瞬时风速极大风速是指3s的平均风速春季：35月；夏季：6 8 月；秋季：9 11月；季节划分冬季：12 月一翌年2 月根据新疆地方平均太阳时与北京时的换算关上（下）午系，定义北京时间0 9 14时为上午时段，1520时为下午时段4次定时每日0 2、0 8、14、2 0 时24次定时每日2 4个定时时次差值绝对值2 4次定时与4次定时观测数据差值的绝对值间区间；对风速的年变化特征采用气候趋势率分析。(1)数据差值计算2 4次与4次定时观测风速差值。首先对24次定时观测的2 min平均风速进行处理，计算2102时、0 30 8 时、0 9 14时、152 0 时的平均值，再将其分别与0 2、0 8、14、2 0 时4次定时观测值进行差值计算，得到2 337 6 对风速差数据序列。差值绝对值指2 4次定时观测的时（日、月、年）平均值与4次定时观测的时（日、月、年）平均值的差的绝对值。王秀琴等：2 0 0 5-2 0 2 0 年新疆百里风区精细化逐时风速特征研究（2）风速日变化ZR(t,d)R(t)=d.式中：R(t,d）表示第d天t时（t=1,2，,2 4)的小时风速，d,是有观测资料的总天数，R（t）是t时的平均风速。（3）气候趋势率气候要素变化的趋势，采用一元线性回归表示，即：x=ao+at(2)式中：x表示气候要素，表示时间；a表示回归常数，a表示回归系数8。3结果与分析3.1风速特征差异将2 0 0 52 0 2 0 年十三间房气象站58 44d自动气象观测站2 4次与4次定时观测的风速数据进行对比分析。从各定时及日平均差值（表3）可知，02、2 0 时差值为负值，0 8、14时差值为正值，日平均差值为正值。2 4次定时观测数据平均高于4次定时观测值。14、2 0 时差值绝对值平均明显高于0 2、0 8时，即白天时段风速阵性强于夜间，观测频数越多，越能真实反映风速变化特征。由各月平均及年平均差值（表4）可知，春、夏季差值负值偏多，秋、冬季正值偏多，说明春、夏季2 4次定时值平均低于4次定时观测值，秋、冬季反之。此外，两组对比值中的差值绝对值显示，随时间分辨率提高，两组数据差异程度增大。表34次定时及日平均风速差值时次02时 08时14时20时日平均风速差值平均-0.41差值绝对值平均1.55月份1差值平均0.14-0.010.00-0.05-0.01-0.06-0.07-0.020.11差值绝对值平均0.14风力出现时数/h差值平均/（ms-）差值绝对值平均/（ms-）对不同等级风速数据进行差异分析。以0 2、0 8、14、2 0 时观测值进行风速等级划分，各级风速出现时数见表5。0 4级，以正偏差为主，5 12 级以负偏(1)差为主，即风力在4级及以下时，2 4次定时观测数据高于4次定时观测值；5级或5级以上。从差值偏差程度可知，风力等级越高，偏差越大。各级风力出现时数与差值呈反相关，即出现时数越多，数据差异越小，如2 3级风出现时数最多，差值绝对值最小。但日常服务往往关注的是风力较大时风速测量的精确度。由不同时间分辨率对比情况可知，数据观测频次越密，差值越大；风速越大，差值越大。采用每小时1次时间分辨率的观测数据，比每日4次的观测频次更能全面、准确反映风速的变化特征。故本文选取24次定时观测值进行风特征分析。3.2风速变化特征分析3.2.1风速日变化特征由十三间房2 0 0 52 0 2 0 年2 4次定时观测各时平均风速序列分布（图2)可知，风速全天持续较高，日平均风速达8.3ms，最高值出现在0 4时左右，平均风速达8.9 ms，最低值出现在15时，平均风速为7.6 ms。夜间平均风速为8.6 ms，上午时段平均风速为8.2 ms，下午时段平均风速为7.9 ms，即该地平均风速最大值出现在夜间，最小值出现在10.5800时平均风速日平均风速大风平均出现次数大风出现次数(sm)/区9.0ms-17.50.120.561.441.61230.010.10表5各级风速出现时数及平均差值012072.0983.9784.0872.8822.6482.7252.18616237061921.791.320.730.060.070.05-0.37-0.69-0.90-1.43-1.73-2.58-3.301.761.401.041.25 1.721.871.891.951.942.192.092.882.75700600-0.100.041.691.58表4月平均及年平均差值450.110.12 0.15236.021图2平均风速与大风出现次数日变化670.110.114550015890.180.100.130.1967910110.1189130.120.1310114017时ms-l12年平均风速0.040.1212495研究论文下午。百里风区以风大、大风日数多而著称。对20052020年32 0 9 个大风日157 8 6 个大风时数按出现时间（图2）进行分类。十三间房大风出现次数最多的时次为17 一2 0 时，处于小时平均风速较低时段。日变化规律与新疆整个区域大风的日变化趋势一致，具有明显阶段性，集中在下午时段9。对16 a的58 44d各日极大风速和最大风速出现时间（图3）进行统计。日极大风速日变化规律与大风出现时间日变化规律相似。日极大风速出现时间发生次数较多的集中在16 2 0 时，最大值为2 0时的10 9 3次，占总次数的18.7%，其次为16 时，为537次。11 12 级风集中在1518 时。日最大风速出现时间发生次数最多的为2 0 时，为8 6 5次，占总次数的14.8%，与极大风速最大值为同一时次。但最大风速在夜间到10 时出现频数一直处于较高位，且相对稳定，均高于2 10 次。即最大风速与平均风速持续较高时段均在夜间到上午，但下午时段极大风速出现次数高于其他时段。从最大风速与极大风速定义可以判断，下午时段风速阵性特征凸显。说明受太阳辐射作用影响，下午是该地风速波动最大的时段。1200最大风速出现次数极大风速出现次数8004000图3最大风速与极大风速出现次数日变化十三间房平均风速、最大风速、极大风速、大风出现时次的日变化规律存在一定差异，各指标显示的峰谷值出现时间明显不一。平均风速和最大风速表示一段时间内风的平均状况，可代表一日中持续时间较长的风速情况。十三间房平均风速与最大风速高值出现在凌晨到上午，极大风速及大风出现最多的时次为午后，说明风速变化在地形作用的基础上，还一定程度上受太阳辐射日变化影响。另外一个重要影响因子是十三间房区域性大风在大气环流背景下的动量下传2 。因此在预报过程中，针对下午时段风阵性预报，可多关注西风急流的影响，针对上午及傍晚，可多关注气温变化。96沙漠与绿洲气象Desertand Oasis Meteorology3.2.2风速月变化特征十三间房月平均风速季节变化特征（图4）明显，春、夏季平均风速大，秋季次之，冬季最小。5一8月月平均风速均超过10.0 ms，其中6 月最大，月平均风速达10.9 6 ms。其次是5月，月平均风速为10.66msl。1月最小，月平均风速为3.9 4msl,12月次之，为4.56 ms。大风日数各月分布与平均风速规律一致（图4），春、夏季出现次数明显高于秋、冬季。最高值出现在6 月，月平均大风日数为2 4.5d，其次是7 月，为23.3d。58 月是大风易发月，平均达2 3.2 d，大风日数全年共2 0 0.6 d，这一时段就有9 2.6 d，占全年大风日数的46%129630各月各等级风速分布呈现春、夏季平均风速大，且较大风速持续时间长；秋、冬季风速相对较小，大风出现次数也较少。从各月各级风速分布（图5）及不同风力等级各月出现时数和不同月份各级风力出现时数占比（图6）可以看出，2 7 级风出现频次2102第17 卷第5期2023年10 月27.5一一平均风速一大风日数20102.524图4风速及大风日数月变化0814620时较多，2 级风年平均出现时数为157 1.5h，3级为1555.3h；出现时数最少的是11、12 级，分别为12.3、1.3h。冬半年（10 3月），0 3级风出现时数占全年总时数的7 1%，夏半年（49 月）4 10 级风出现时数占全年总时数的6 7%。春、夏季频繁的天气过程是引起风区风力增加的重要驱动因素。春季北方冷空气活动频繁，受地形影响，积聚在准噶尔盆地，与盆地上升的热气流相遇，因南北地势海拔落差较大，气压梯度力剧增；夏季新疆受副热带西风急流影响，以及本地沙漠和戈壁在日光照射下升温快，使地面附近的空气层十分不稳定，加之喇叭口地形产生的狭管效应，致使十三间房春、夏季多大风。汤浩等119 使用WRF模式进行中尺度模拟，通过强风天气个例分析，进一步说明该地夏季风力强劲的重要成因是地形强迫引发有限振81012月王秀琴等：2 0 0 52 0 2 0 年新疆百里风区精细化逐时风速特征研究300ra300一3月一4月5月b一6 月0 7 月个8 月2002001001000024681012级风力等级300C00300一0 9 月0 10 月11月d24681012级风力等级一12 月0 1月2 月20020010010000a10080%/7160402000幅重力波，背风坡上空大风区之上的临界层吸收上层能量并向下传递，增大了风区风速19 。潘新民等2 0 1通过对天山色皮山口的狭管效应和越山后流风作用形成强风的试算、验算，发现人侵的冷空气越冷，背风坡山脚处的气温越高时流风的风速越大。在冬季，由于近地层逆温层的出现，背风坡山脚处的气温不高，所以在这个季节流风的作用大为减弱。十三间房月平均风速变化规律与大气环流紧密相关，地形起到放大作用。因此，建议加强春夏期间大风的预报和预防12.19-2 。024681012级风力等级图5各季不同风力等级风速出现时数（a 为春季，b为夏季，c为秋季，d为冬季）12月b10011月10月98月17月165月4月3月2月1月101112级图6 不同风力等级分布（a 为不同风力等级各月出现时数占比，b为不同月份各级风力出现时数占比）3.2.3风速年变化特征十三间房年平均风速与年大风日数均呈微弱减小趋势（图7）。2 0 0 5一2 0 2 0 年的年平均风速达8.3ms-，最大值出现在2 0 10 年，是16 a中唯一年平均风速超过9.0 ms的年份。这与2 0 10 年多大风有关，这一年大风日数为2 2 4d，达139 6 h，是近16 年持续大风时数最长的一年。其中风力达30ms以上的就有6 2 d。年平均风速最小值出现在2 0 2 0 年，为8.0 ms。其他年份平均风速变化不大，为8.0 8.5msl。由于时间分辨率较低，基于2 4次观测的年平均风速与4次定时观测计算的年平均080%/16040200246810风力等级9101112月12级1210197研究论文沙漠与绿洲气象Desertand Oasis Meteorology第17 卷第5期2023年10 月9.6+一年平均风速一年平均大风日数(s/m)/区8.88.07.22005图7 十三间房年平均风速及大风日数年变化风速差值不大，与其他研究结果基本一致。大风日数分布趋势与年平均风速一致，2 0 14一2 0 2 0 年连续7 a的年大风日数均低于平均值2 0 0.6 d。4讨论风的预报预警是气象服务的重要内容，同时也是难点之一。新疆风口大风对当地生产生活造成极大影响2。长期以来，受风资料时间频次限制，风的日变化、强度变化特征研究受到一定制约。相对于百里风区，苗运玲等17.12-14基于4次定时观测数据，对百里风区风速变化特征进行了分析，结果表明，百里风区年平均风速呈减小趋势，春、夏季风速大于秋、冬季，月平均风速最大值出现在5月。对风速的日变化特征分析主要从大风出现时间着手，结果显示百里风区与新疆整个区域大风的日变化趋势一致，具有明显阶段性，集中在下午时段9 但各时次风速变化的分析较少。本研究基于2 4次定时风速观测数据，首先对24次定时与4次定时的差异性进行对比，不同时间分辨率平均风速的数据差异可见，随风速增大，二者差异随之增大。且时间分辨率越高，越能捕捉风的阵性特征。考虑以往研究对日变化分析较少，本文着重对风速的日变化特征进行了探讨，发现十三间房平均风速最大值出现在夜间，最小值出现在下午，这与新疆气象预报手册2 1所描述“主要风口及风区风速上午最小”结论有所不同。考虑这2 个时次为非4次定时观测时间，故4次定时观测不能正常捕捉小时平均风速最高值及最低值出现时间。但极大风速与大风出现时间与前人研究结果一致，均出现在17一2 0 时，说明风阵性特征最明显的时间出现在下午。在月变化特征分析中，将2 4次定时与4次定时分析结果也进行了对比，二者也有一定差异，2 4次观测值显示月平均风速最大值出现在6 月，与前人研究结果略有不同。年变化特征2 4次定时与4次定98240平均风速福-平均大风日数21018015020102015时观测表现出的变化趋势基本一致。风作为一种阵性特征极强的天气现象，观测时P/豫日区?间分辨率越高，对临近或短期预报的参考性越强。随着气象观测自动化水平的不断提高，风特征的研究可基于更高时间分辨率的观测数据。5结论通过基于小时频次的风速数据，对百里风区风2020年况特征进行分析，得出如下结论：（1)2 4次与4次定时观测数据对比结果显示，随观测频次加密，数据差异明显增大，且风力级别越高，偏差越大。（2）百里风区风速变化规律与大气环流紧密相关，地形起加强放大作用，风速一直处较高水平，年平均风速为8.3ms。年平均大风日数为2 0 0.6 d。年平均风速与大风日数均呈微弱减小趋势。（3）月变化表现为春、夏季平均风速明显高于秋、冬季，其中6 月平均风速最大。58 月大风出现日数最多，占全年大风日数的46%。（4）风速日变化主要表现为夜间起风，平均风速最大值出现在夜间0 4时前后。下午风速波动最大，大风易发时段为17 一2 0 时。即平均风速最大时段与大风易发时段不完全重合。参考文献：1王楠，游庆权，刘菊菊.19 7 9 2 0 14年中国地面风速的长期变化趋势.自然资源学报，2 0 19,34（7）：1531-1542.2韩柳，王静璞，王光镇，等.中国北方风蚀区风速变化时空特征分析千旱区地理，2 0 18.41（5）：9 6 3-9 7 0.3史培军，张钢锋，孔锋，等.中国19 6 1-2 0 12 年风速变化区划J气候变化研究进展，2 0 15,11（6)：38 7-39 4.4贾诗超，陈晓梅，宋义和，等.19 7 0 一2 0 13年新疆地区风速变化特征分析J鲁东大学学报（自然科学版），2 0 19,35(4):352-359.5刘苏峡，邱建秀，莫兴国，等.华北平原19 51一2 0 0 6 年风速变化特征分析J资源科学，2 0 0 9.31（9）：158 6-149 2.6DAI A,DESER C.Diurnal and semidiurnal variations inglobal surface wind and divergence fields J.Journal ofGeophysical Research,1999,104(D24),31:109(D24).7苗运玲，秦榕，杨艳玲，等.百里风区代表站大风资料的连续性及其特征分析沙漠与绿洲气象，2 0 18 12(6)：32-39.8王敏仲，何清，魏文寿，等.新疆百里风区大风天气的风廓线雷达资料分析.沙漠与绿洲气象，2 0 12.6（4)：52-59.9孙淑芳，张广兴.新疆百里风区近地层垂直风切变指数特征J沙漠与绿洲气象，2 0 19 13（3）：9 9-10 410潘新民，彭艳梅，届梅，等.新疆铁路沿线前百公里风区王秀琴等：2 0 0 52 0 2 0 年新疆百里风区精细化逐时风速特征研究大风特征统计分析.沙漠与绿洲气象,2 0 19,13(3)：6 6-71.11 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Station,Shihezi 832199,China)Abstract Based on the wind speed record from 2005 to 2020 provided by the meteorological stationat the 100-kilometer gale area,wind speed metrics were obstained by caculating 2-minute averagewind speed,gale days,daily maximum wind speed,and daily extreme wind speed after a solid qualitycontrol.The results show that:(1)With the increase of time resolution,the difference between windspeed metrics generated by the 24-and the 4-observations was noticeably enlarged,and the deviationincreases with the increase of wind level.(2)The variation of wind speed was closely related to theatmospheric circulation in the region,which was strengthened by the topographic feature of thesurrounding landscape.Under the synergism influence of solar radiation and topography,the annualaverage wind speed is 8.3 ms-,the annual average gale days were 200.6 d,and the surface windspeed maintained a high-level.(3)The average wind speed reached its peak in spring and summer,with long-lasting high-level wind speed.(4)The period that had the maximum average wind speedappeared around 04:00,CST.The period that occupied the highest wind speed at the same dayconcentrated between 17:00-20:00,CST.The two periods did not completely coincide with each other.Key words fineness;Xinjiang 100-kilometer gale area;hourly wind speed;characteristic99