奇臺(tái)縣近地面風(fēng)時(shí)空分布特征統(tǒng)計(jì)分析

李唐孟卓 哈菲莎 馬福云 卜樊鈺

摘要 收集了2015—2020年新疆奇臺(tái)縣21個(gè)氣象測(cè)站逐小時(shí)的平均風(fēng)向風(fēng)速、日最大風(fēng)速風(fēng)向資料，分析了奇臺(tái)縣近地面風(fēng)向、風(fēng)速的日、月變化，以及季節(jié)變化和年際變化特征，結(jié)果表明：（1）奇臺(tái)縣近地面風(fēng)向受地形影響較大，總體呈現(xiàn)冬半年盛行偏東風(fēng)，夏半年盛行偏西風(fēng);冬季多靜風(fēng)，多個(gè)氣象測(cè)站出現(xiàn)晝夜反向風(fēng)現(xiàn)象。（2）奇臺(tái)年均風(fēng)速為2.60 m/s，偏北地區(qū)存在風(fēng)速大值區(qū)，在時(shí)間序列上呈現(xiàn)逐年波動(dòng)下降的趨勢(shì)。（3）奇臺(tái)縣統(tǒng)計(jì)序列內(nèi)偏北地區(qū)極大風(fēng)速值高于南部，且夜間出現(xiàn)的極大風(fēng)速值大多高于白天;大風(fēng)日數(shù)出現(xiàn)多集中于春、夏兩季，冬季因近地面大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，除恐龍溝以外，基本沒(méi)有大于8級(jí)大風(fēng)的統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 風(fēng)速;風(fēng)向;時(shí)空分布;統(tǒng)計(jì)分析

中圖分類號(hào)：P412.16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2021）12–0035–03

近地面風(fēng)指距離地面10 m高度的風(fēng)向、風(fēng)速，風(fēng)作為最基本的氣象要素之一，對(duì)奇臺(tái)縣及沿天山北麓的昌吉地區(qū)風(fēng)場(chǎng)的研究很多，但大多集中在國(guó)家基準(zhǔn)（基本）站的基礎(chǔ)上，研究范圍廣，站點(diǎn)稀少，網(wǎng)格精度不高，需要了解奇臺(tái)縣范圍內(nèi)近地面風(fēng)地時(shí)空分布特征[1]。

1 觀測(cè)資料和方法

1.1 資料來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)均來(lái)自新疆奇臺(tái)縣轄內(nèi)氣象站2015—2020年逐時(shí)、逐日平均風(fēng)速、風(fēng)向觀測(cè)統(tǒng)計(jì)資料。以每日20：00為日界，統(tǒng)計(jì)分析了奇臺(tái)縣近6年平均風(fēng)向風(fēng)速的空間分布和季節(jié)性變化。通過(guò)初步數(shù)據(jù)質(zhì)量控制可參考測(cè)站共計(jì)21個(gè)，包括2個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)氣候站（奇臺(tái)、北塔山）和19個(gè)區(qū)域自動(dòng)站。分析過(guò)程中將當(dāng)年3—5月定義為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季。冬半年和夏半年的劃分參考北半球，將同年4—9月歸為夏半年，其余月份為冬半年。

1.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

對(duì)獲取的21個(gè)測(cè)站2015—2020年逐時(shí)資料進(jìn)行質(zhì)量控制，統(tǒng)計(jì)北京時(shí)間日界內(nèi)（21：00～次日20：00）存在缺測(cè)時(shí)次達(dá)10 h及以上，則該日不參與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，反之若該日缺測(cè)時(shí)次小于10 h，則有數(shù)據(jù)時(shí)次參與當(dāng)天統(tǒng)計(jì)，出現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)均經(jīng)過(guò)上述質(zhì)量控制，并在合理范圍內(nèi)進(jìn)一步分析選取8個(gè)測(cè)站。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

借助SPSS、ArcGIS和Origin等軟件，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，統(tǒng)計(jì)2015—2020年逐小時(shí)、逐日風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，選用風(fēng)速距平來(lái)表現(xiàn)不同地段風(fēng)速與背景風(fēng)速之間的變化，為使結(jié)果變得更加直觀，該計(jì)算結(jié)果均以百分?jǐn)?shù)形式表現(xiàn)[2-4]。距平百分比計(jì)算公式：

（1）

式中Ka為距平百分比，Va表示統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)各年平均風(fēng)速，a為統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)年份排序，取值為1，2，…，6;是2015—2020年年平均風(fēng)速，式（1）中出現(xiàn)的所有風(fēng)速數(shù)據(jù)均以m/s為單位。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)向的時(shí)空變化特征

奇臺(tái)縣內(nèi)地形復(fù)雜多樣，縱橫跨越3個(gè)經(jīng)緯度，北至北塔山邊境，南部以天山為界，形成兩邊高、中間低的凹型結(jié)構(gòu)，海拔高度落差近1 500 m。位于南部山區(qū)的刀條嶺、吉布庫(kù)和半截溝站內(nèi)冬半年和夏半年盛行風(fēng)向較一致，受山脈影響，自南向北海拔變低，風(fēng)向由東北沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)為西南;中部平原區(qū)和北部戈壁山地區(qū)測(cè)站因受地形影響較小，在高空不同性質(zhì)氣團(tuán)的控制下冬、夏半年風(fēng)向均有不同程度的變化，較為明顯的奇臺(tái)和北塔山兩站，風(fēng)向角度差分別達(dá)到112.5°和135°。總體來(lái)看，奇臺(tái)縣冬半年盛行偏東風(fēng)，夏半年盛行偏西風(fēng)（圖1）。

表1統(tǒng)計(jì)了近6年奇臺(tái)縣8個(gè)站點(diǎn)包含靜風(fēng)在內(nèi)的月地面最多風(fēng)向，高頻次靜風(fēng)多出現(xiàn)在冬季，以恐龍溝、西地和西北灣站表現(xiàn)更加明顯，其中西北灣的冬季靜風(fēng)頻率達(dá)到26%。4—5月和10月前后處于奇臺(tái)縣風(fēng)向轉(zhuǎn)變的過(guò)渡時(shí)段，進(jìn)入春季，縣內(nèi)背景風(fēng)向就逐漸由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，至6月入夏后，除半截溝、刀條嶺、吉布庫(kù)等山區(qū)測(cè)站因地形作用而大尺度風(fēng)的傳播受到一定程度的影響，其他測(cè)站多表現(xiàn)為偏西風(fēng)。

對(duì)比8個(gè)站點(diǎn)逐小時(shí)平均風(fēng)速時(shí)發(fā)現(xiàn)，奇臺(tái)縣近地面風(fēng)向多呈現(xiàn)晝夜反向特征。00：00（夜間）前后各站風(fēng)向多為偏東風(fēng)，14：00（白天）風(fēng)向多集中于270°～360°范圍，以西北風(fēng)為主。這個(gè)結(jié)果與李振朝等[5]研究發(fā)現(xiàn)河西綠洲的部分臺(tái)站風(fēng)向存在晝夜反向情況相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了蘇從先等[6]提出的因綠洲與戈壁灘或者沙漠下墊面熱力學(xué)性質(zhì)不同，白天升溫時(shí)，綠洲因升溫弱于戈壁或者沙漠而形成“冷島”。類似于山谷風(fēng)的原理，奇臺(tái)縣位于準(zhǔn)噶爾盆地東南緣，西北方大片沙漠與其形成了完整的環(huán)流，從而導(dǎo)致存在晝夜反向風(fēng)。

2.2 風(fēng)速時(shí)空變化特征

據(jù)統(tǒng)計(jì)近50年來(lái)全國(guó)范圍內(nèi)的平均風(fēng)速呈現(xiàn)出明顯減弱的趨勢(shì)，以西北地區(qū)最為明顯。查閱資料發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)末奇臺(tái)縣年均風(fēng)速為2.80 m/s，截至2020年年底，奇臺(tái)縣城年均風(fēng)速僅為1.86 m/s，風(fēng)速值較20世紀(jì)末偏小34%。

圖2統(tǒng)計(jì)了2015—2020年奇臺(tái)縣21個(gè)測(cè)站6年的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)，背景年均風(fēng)速為2.60 m/s，偏北地區(qū)存在風(fēng)速大值區(qū)，以恐龍溝為代表，該站年均風(fēng)速超過(guò)同期均值63%，為縣內(nèi)觀測(cè)站點(diǎn)中年平均風(fēng)速最大站點(diǎn)，南部近山區(qū)風(fēng)速近平均值略偏高;中部平原地帶出現(xiàn)風(fēng)速低值區(qū)，圍繞奇臺(tái)縣城范圍站點(diǎn)風(fēng)力均較同期均值偏低，其中奇臺(tái)年均風(fēng)速僅為1.88 m/s，較背景同期均值偏少28%。

對(duì)本次選用的8個(gè)站點(diǎn)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行日變化和季節(jié)變化的統(tǒng)計(jì)，從圖3中可見(jiàn)奇臺(tái)、恐龍溝春季平均風(fēng)速高于夏季，吉布庫(kù)春季風(fēng)速均值（2.08 m/s）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他季節(jié)，其他測(cè)站均以夏季平均風(fēng)速為最大，除吉布庫(kù)以外其他站點(diǎn)冬季風(fēng)速較其他季節(jié)整體偏小。從單個(gè)站點(diǎn)來(lái)看，北塔山和恐龍溝各季風(fēng)速較其他站點(diǎn)值均偏高，自北向南呈現(xiàn)階梯性減弱的趨勢(shì)。圖4中通過(guò)統(tǒng)計(jì)處理逐小時(shí)風(fēng)速，以上8個(gè)站點(diǎn)均表現(xiàn)出不同程度的雙峰雙谷分布，波峰集中出現(xiàn)在00：00～03：00和16：00～18：00兩個(gè)時(shí)段，為風(fēng)速的2個(gè)大值區(qū)，低值峰谷分別出現(xiàn)在每日09：00和21：00前后。半截溝的日平均風(fēng)速變化幅度最大，為1.59 m/s，日變化幅度最小的是吉布庫(kù)，差值僅為0.44 m/s。

2.3 大風(fēng)日數(shù)與極大風(fēng)速

根據(jù)定義將出現(xiàn)瞬時(shí)風(fēng)速≥17.2 m/s（8級(jí)）的日數(shù)定義為1個(gè)大風(fēng)日，表2中統(tǒng)計(jì)了近年來(lái)各站出現(xiàn)大風(fēng)日數(shù)的年均值?？铸垳纤募揪写箫L(fēng)天氣出現(xiàn)，以春、夏季最多，秋季略少，冬季次之，該地區(qū)多為戈壁灘地貌，因無(wú)高大樹(shù)木與建筑物阻擋也使得風(fēng)力猛烈而持續(xù);其他各站點(diǎn)冬季均幾乎無(wú)達(dá)到8級(jí)或8級(jí)以上的天氣，其中半截溝站出現(xiàn)大風(fēng)日數(shù)天數(shù)最少[7-8]。

2015—2020年間統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)小時(shí)內(nèi)極大風(fēng)速極值出現(xiàn)在恐龍溝站2020年8月25日21：00為31.4 m/s，小時(shí)內(nèi)最多風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)，西北灣也于2015年春季出現(xiàn)11級(jí)大風(fēng)（30.7 m/s），其他統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)均無(wú)超過(guò)30 m/s的大風(fēng)日數(shù)。從地理位置來(lái)看，整體呈現(xiàn)出西北部戈壁區(qū)為風(fēng)速極大值區(qū)，最北部北塔山高山牧場(chǎng)區(qū)為次大值區(qū)，中部及偏南平原地區(qū)風(fēng)力偏低，南部天山北麓近山區(qū)極端大風(fēng)風(fēng)速最小。在這個(gè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)奇臺(tái)縣各站近地面出現(xiàn)大風(fēng)天氣多為偏西風(fēng)，奇臺(tái)、北塔山和恐龍溝與西地近地面風(fēng)速極值出現(xiàn)在夜間（21：00～次日08：00），半截溝、西北灣和吉布庫(kù)與刀條嶺站點(diǎn)觀測(cè)小時(shí)風(fēng)速極值多出現(xiàn)在白天（09：00～20：00），且夜間出現(xiàn)的大風(fēng)極值普遍高于白天，平均偏高15%[9-10]。

3 小結(jié)與討論

通過(guò)收集和整理奇臺(tái)2015—2020年多個(gè)測(cè)站的逐時(shí)、逐日風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)的收集整理，分別統(tǒng)計(jì)分析了全年、不同季節(jié)、不同時(shí)段的風(fēng)速變化以及風(fēng)向變化的特征。

（1）奇臺(tái)縣近地面風(fēng)向受地形影響較大，南北地區(qū)風(fēng)向多有變化，總體來(lái)說(shuō)奇臺(tái)縣冬半年盛行偏東風(fēng)，夏半年盛行偏西風(fēng);冬季多靜風(fēng)，恐龍溝、西地等中部及偏北地區(qū)更加明顯，南部山區(qū)年盛行風(fēng)向無(wú)較大變化;因受“冷島效應(yīng)”引起的局地環(huán)流，奇臺(tái)多測(cè)站出現(xiàn)晝夜反向風(fēng)的現(xiàn)象。

（2）奇臺(tái)縣年均風(fēng)速為2.60 m/s，偏北地區(qū)存在風(fēng)速大值區(qū)，圍繞奇臺(tái)縣城范圍站點(diǎn)風(fēng)力均較同期均值偏低，其中奇臺(tái)站年均風(fēng)速僅為1.88 m/s，并呈現(xiàn)逐年波動(dòng)下降的趨勢(shì)。

（3）奇臺(tái)縣偏北地區(qū)易出現(xiàn)大風(fēng)天氣，更多集中在春夏季節(jié)，冬季基本沒(méi)有出現(xiàn)大風(fēng);統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)極大風(fēng)速出現(xiàn)日也在地理位置上自北向南呈現(xiàn)波動(dòng)減弱的趨勢(shì)，偏北地區(qū)極值出現(xiàn)時(shí)段夜間多于白天，偏南地區(qū)則與之相反。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Statistical Analysis of Temporal and Spatial Distribution Characteristics of Near Surface Wind in Qitai County

LI Tang-mengzhuo et al（Qitai County Meteorological Bureau， Qitai， Xinjiang 831800）

Abstract Hourly average wind direction and wind speed， daily maximum wind speed and wind direction data of 21 meteorological stations in Qitai county of Xinjiang from 2015 to 2020 were collected， and the diurnal and monthly variation， seasonal variation and interannual variation characteristics of near surface wind direction and wind speed in Qitai county were analyzed. The results show that： （1） The wind direction near the surface in Qitai county was greatly affected by topography， prevailing easterly in winter half year and westerly in summer half year. In winter， there are still winds， and many weather stations have reverse winds. （2） The average annual wind speed of Qitai was 2.60 m/s， and there was a large value area of wind speed in the northern part of qitai， which showed a trend of fluctuation and decline year by year in time series. （3） The maximum wind speed in the northern part of qitai county was higher than that in the south， and the maximum wind speed in the night was higher than that in the daytime. The occurrence of gale days mainly occurs in spring and summer. In winter， due to the relatively stable atmospheric structure near the surface， there are almost no statistical stations with gale greater than force 8 except dinogou.

Key words Wind speed; Wind direction; Temporal and spatial distribution; Statistical analysis