彰武县风的变化特征

1 研究区地理气候概况

风要素对气候变化、风蚀、大气污染、沙尘暴、风能及蒸散过程影响重大，风速与大风日数还直接关联沙尘天气变化[1]。风能作为可再生能源，对治污和能源结构调整意义显著 [2]。大风会危害健康、农业等，彰武县位于辽宁大风带中心，大风灾害频发，故对其大风研究意义重大 [3]。彰武县地处内蒙科尔沁沙地南缘，气候属温带半干旱半湿润气候区，属季风大陆性气候。全年四季变化明显，雨热同季。春季风大且频，多西南风；夏季雨量适中，但时空分布不均；秋季雨水减少，降温快多寒潮；冬季寒冷时间长，干燥降雪少，偏北风多。

2 资料与方法

2.1 资料

选取辽宁省彰武县气象站风速、风向资料，资料时段 1991—2020 年，资料序列持续时间长，可信度高。《地面气象观测规范》[4] 规定，日风速、风向以4 个时次（2 ：00、8 ：00、14 ：00、20 ：00） 2m 高度的平均值为平均风速、风向频率，风向及对应字母见表 1 ；静风标准为平均风速 ⩽0.3m/s ，用 C 表示；大风日数以瞬间风速 ⩾17.0m/s 计，若大风跨越20 ：00，则计为 2 个大风日数；季节划分：春季3—5 月、夏季 _6-8 月、秋季9—11、冬季 12 月至次年2 月。

2.2 研究方法

2.2.1 气候倾向率

气候倾向率即为线性变化趋势，用 y 表示样本量为 n 的某一气候要素，用 x 表示对应的年序，采用最小二乘法拟合得到一元线性回归方程，即y=a+bx(x=1,2,3,...,n)

式中 a 为截距；b 为回归系数。以 b 的 10 倍作为气象要素的气候倾向率，单位为（如 mm⋅10a-1 ， C⋅10a-1 ），正的（或负的）b 值表明增加（或减少）趋势，b 值采用最小二乘法确定。

2.2.2 滑动平均法

滑动平均法通过平均值逐项推移使原序列光滑化，消除统计序列中的随机波动。

对于样本量为 Π_n 的序列 y_t ，其数学表达式 [5] 如下：

式中，k 为滑动长度； y_t 为序列在 i+j+l 时刻的滑动平均值。k 通常为奇数，考虑到本研究大风资料波动变化态势较为明显，取 k=5 。

3 结果与分析

3.1 平均风速变化特征

3.1.1 平均风速年变化

由图 1 可知，彰武县年平均风速呈波动减小态势，气候倾向率为 -0.4m/AA （ ε_s⋅ε₁₀ 年）。彰武县年平均风速为 3.6m/s ，峰值出现在 1997 年，为 4.4m/s ，谷值出现在 2020 年，为 2.9m/s ，由此可见，彰武县属于风速较大的地区。这是由于，一是地处蒙古高原气流南下通道，地形压缩效应显著；二是作为农牧交错带，冬春季地表植被少、沙地多，摩擦系数小；三是温带半干旱季风气候助力风速增强。

图 1 1991—2020 年彰武县平均风速年变化

5 年滑动曲线显示，彰武县平均风速为波动性变化，整体呈“上升- 下降”2个阶段。1991— 2003 年平均风速为 4.0m/s ，高于多年平均值，为风速较大阶段；2004—2020 年平均风速为 3.3m/s ，低于多年平均值，为风速较小阶段。

3.1.2 平均风速季变化

彰武县平均风速春季最大，夏季、秋季一致、冬季较小；峰值表现为春季> 秋季 > 夏季 Σ=Σ 冬季，高峰值出现在 2001 年春季，为 5.5m/s ；谷值表现为春季 > 夏季 > 秋季 Σ=Σ 冬季，低谷值出现在2019 年冬季，为 2.5m/s （表 2）。

彰武县各季节平均风速标准差较大，变幅明显，春季平均风速差异最大，秋季次之，再次为冬季、夏季最小。春、夏、秋、冬四季平均风速均呈减小趋势，春季递减率最大，为 -0.6m/ （ s^∙¹⁰ 年），秋季次之，再次为冬季、夏季最小。

表2 1991—2020 年彰武县平均风速季节变化特征

3.1.3 平均风速月变化

彰武县月平均风速变化总体表现为 2 峰 2 谷型（图 2），2~6 月是风速偏大的月份，为风速高峰期，平均风速为 4.1m/s ，其中 4 月达全年最高峰，平均风速为 4.7 。7~9 月是风速偏小的月份，为风速低谷期，平均风速为 3.1m/s ，其中 8 月为全年最低谷，平均风速为 2.9m/s 。10~11 月风速逐渐增大，平均风速为 3.5m/s_⨀ 。12 月至次年1 月风速逐渐减小，平均风速为 3.0m/s_⨀ 。