中国近地面1969—2005年间的风速变化外文翻译资料

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中国近地面1969—2005年间的风速变化

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a中国科学院地理科学和自然资源研究所，生态系统网络观测和建模重点实验室，中国 北京，100101

b内布拉斯加州大学自然资源学院和地球科学系，美国 林肯，内布拉斯加州68583－0987

c罗格斯大学生态、进化和自然资源系，美国 新不伦瑞克，新泽西州

摘要：本研究是在1969－2005年间中国及其季风区近地面风速变化分析和详细资料的基础上，使用一个由652个台站组成的新资料。此外，还检测了风速变化的原因。主要结果表明，在研究期间，我国大部分台站年平均风和季节平均风均有明显减弱。中国年平均风速平均递减率为minus;0.018。季节平均风的减少不同。春季的递减率最大，为minus;0.021，而夏季的递减率最小，为－0.015。在空间上，中国北部、青藏高原以及中国东部和东南部沿海地区的风速降低幅度较大，而中国中部和中南部的风速变化最小。风速的明显减弱主要发生在强风类。弱风种类的减少是不明显的，中国中部部分地区的弱风甚至略有增加。这些变化表明近几十年来风和风暴波动减少，导致沙尘暴的频度和强度下降。中国东部和东南部夏季风的微小变化表明，几十年来季风相当稳定。

风减弱的一个主要原因是对流层低层气压梯度力的减弱，这指出气候变化是风速变化的主要原因。叠加在气候效应上的是城市效应。城乡站点之间的风的分析恢复了城市摩擦效应的同时，在1990之后的突发性城市化后，城市站点的风比农村站点的风有特殊强增长，这表明了城市对风速影响的一个新方面。版权copy; 2010皇家气象学会。

关键词：风速减弱；气压梯度力；城市效应；季风；气候变化；中国

1. 引言

风是大气环流的重要指示。风速的变化是由于自然或人为过程引起的环流变化的一个标志。作为了解气候和相关环流变化的成就的一部分，最近的几项研究已经对世界各地的风速变化进行了研究。例如，Pirazzoli和Tomasin(2003)表示，意大利17个沿海测站的近地面风速从1951年至1970年代中期大幅度下降，自1980年以来下降速度已经放缓或趋于平稳。Brazdil等(2009)研究说明捷克共和国大部分地区的地面风更平静。Tuller(2004)发现，加拿大西海岸沿线测站的年平均风和冬季平均风在1940年代末至1990年代中期减弱。在1973－2005年间，邻近的美国也观测到了阵风(Pryor等，2009)。据研究，在1975至2006年间澳大利亚超过88%的气象站的风速以minus;0.009的平均趋势下降，(McVicar等，2008)。在中国，Wang等(2004a)研究了1951至2000年间的风速变化，也显示出风速的减弱，尤其是在中国西北部冬季。Xu等(2006a)记录了这些风速变化的附加细节，显示出风从1969至2000年间以minus;0.021 的平均速率减弱(图1，Xu等(2006年a))。风速减弱在冬季和夏季都发生。地面风速的减弱被认为是导致中国表面蒸发(Liu等，2004；Chen等，2006；Shenbin等，2006；Xu等，2006b；Zhang等,2007)和沙尘暴频率(Qian等，2002；Wang等，2004b；Liu等，2005；Huang等，2006；Yin和Wang,2007)减少的主要因素。

静风形成的部分原因是海洋与主要大陆之间减弱的气压梯度。后者被认为是近几十年来，由于人为引起的大气边界层气溶胶/尘埃浓度的增加以及随后对低层云量和地表辐射收支的影响导致的陆地地区气温上升(Nazarenko和Menon，2005；Huang等，2006；Trenberth等，2007；Lau等，2008)。

近地面风速的变化可能会产生一些重要的环境和社会经济后果。Zhou等(2006)表明，风速的下降导致了中国珠江三角洲风能供应的减少。Liu等(2005)表明，在中国鄂尔多斯高原，近些年风速和风向的变化可能在很大程度上加速了干旱地区的不断拓大。因此，研究风的变化可以提高我们对气候变化及其对中国和其他国家/地区环境、生态和社会经济系统影响的了解。

本研究是在以前对中国风的变化分析的基础上进行，使用了652个气象站的改进数据库，以前的研究是在305个或更少的气象站上进行(例如Xu等,2006a)。1969至2005年间的研究时间也比以前更长。通过对扩展风记录的检测，我们提供了更全面的结果来描述中国及其季风区的风场变化。除了1969至2005年间在季节和年季时间尺度上提供详细的风速变化外，我们还提出了过去几十年中风速变化的主要原因。检测和探讨了城市效应和风速变化的影响及其与气候变化效应的关系的重要性。

1. 数据和方法

中国1969－2005年间的日风速数据最初来自中国国家气象中心(CNMC)。Feng等(2004)检查了来自726个台站的这些数据，测试了它们的时空一致性，对可疑数据进行了标记，并就如何调整/使用这些数据提出了建议。在他们的质量控制过程中，Feng等(2004)评估了站点移动/重新安置以及其他偏差来源对数据连续性的影响。他们使用了现有元数据和数据一致性检查，将这种影响最小化。基于Feng等(2004)的这一质量控制的日风速资料，我们进一步评估了地面上10米风，并对这些风数据进行了额外的质量检查。由于强烈的不均匀性，726个台站中有19个被排除在分析之外。此外，从数据库中除去了包含的数据不到30年的台站。在应用这些附加的质量约束后，我们获得了1969至2005年间(37年)652个台站的高质量日风速数据序列。在652个台站中，“年数”的平均值和标准差分别为36.6年和1.3年。这些参数表示出此分析的丰富和高质量的数据库。

这个改进的风数据库被运用于分析风速的变化。我们采用线性回归、累积和图(CUSUM)和引导带法(Taylor，2000)相结合的方法来检测风速变化及其趋势。采用滑动t检验和Mann－Kendall检验来检测风速变化的统计学意义。此外，城市化对风速变化的影响通过对比研究期间大型城市站和农村站的风速变化来评估。采用Robeson(2004)描述的方法，对不同风速类别的风速变化进行了分析。该方法以某一站或某一地区1969至2005年37年间的日风速为基础，计算了该日风速的变化趋势。在一个月中每天风速变化的趋势根据该月的日平均风速被归类为第5至第95个平均风速百分比。该分析程序首先应用于中国的平均风速，然后应用于6个具有相似风变化特征的子区域的平均风速。这些结果提供了中国不同地区不同风速类别的风速变化的相关信息。这些子区域是用一种具有组内平均连锁的层次聚类方法来识别，其细节Kaufman等(1990)有描述。这些子区域的风变化有助于揭示1969至2005年间中国季风的变化。

为了处理是什么可能引起了1969到2005年间观测到的风速变化的问题，我们使用国家环境预测中心－国家大气研究中心(NCEP－NCAR)的再分析数据(Kalnay等，1996)研究了同期对流层低层气压梯度力的变化。气压梯度力是风速的大尺度驱动力(Holton，1979)，计算由850 hPa地转风所代表的力用以检测大尺度环流变化如何可能对1969至2005年间的地面风速变化产生的影响。地转风和观测风变化的比较有助于区分大尺度强迫对观测风速变化的影响。观测风与地转风之间的差异可能是由于地面风的湍流和涡动强迫所导致。湍流和涡旋混合引起的大气动量向下传递通常能增强近地面的风速(例如，mahrt等，1979；Stull，1988)。由于缺乏数据，就没有研究垂直涡动量和地面风场变化混合的影响。由于这种垂直混合会影响地面风速，特别是在小或负理查森数的不稳定分层中(Mahrtete等，1979)，因此在使用850 hPa地转风来解释观测到的地面风速变化时应注意。此外，从起源于地形(Stull，1988；McVicar等，2007)和土壤水分异质性(Stull，1988；Ozdogan等，2004，2006)的城市摩擦力和局部湍流效应也开始改变地面风，使它们与气压梯度力不同。本研究通过对中国主要城市站点和农村站点地面风速变化的比较，对城市影响进行了评价。

1. 结论

3.1中国年平均风速的变化

图1(a)为中国652个测站的年平均风速。可以发现南部沿海和东南沿海地区有强风，山东半岛年平均风速在4至8.2毫秒之间，在内陆地区年平均风速较大，为2至6.3毫秒，显示在中国北部从东北到内蒙古，在中国西部的站点包括新疆自治区和西藏高原的北部斜坡。相反，扬子江盆地中游，特别是在四川盆地为年平均弱风。

图1(b)的1969至2005年间各站年平均风速的变化是用风变化的线性趋势表示。我们发现，在研究期间，在中国大部分地区的风速显著降低，有469站出现明显的风速下降（文中的“显著”指的是95%置信水平下的统计显著性）。只有30个测站得风速显著增加。在研究期间，中国年平均风速的平均递减率是－0.018。图1(a)和(b)表明，测站强平均风场中风速发生了显著的下降。图1(c)进一步表明，风速下降速率大于－0.07只发生在年平均风速大于2的站点。弱风站（＜2 ），如在四川盆地，有降低率更小的站点，约为－0.01。

图1(d)总结了所有站点平均风速的变化，表明从1969大约到1990年间，风速几乎以minus;0.025的恒定速度下降。在1990之后(由CUSUM和引导方法确定)，风的减弱减少了。最近的风速平缓与中国许多地区太阳辐射和盘面蒸发量下降趋势相似(例如，Wild等，2005；Liu等，2004)。即使是这种一致性的检验，因为从1991到2005年间有很短的风记录，在解释最近的风速变化减弱时也应注意这是气候变化的一个可能迹象。

图1 （a）中国年平均地表风速站点（b）1969－2005年台站年平均风速变化趋势(单位：)。一个圆圈表示站点的风速已经下降；而圆圈越大，减小的幅度就越大。一个方块表示空间站的风速增加；方块越大，增加的幅度就越大。填充的方块或圆圈表明，在95%的置信度水平上，站点风速的增加或下降具有统计学显著（c）652个站点的平均风速变化趋势与其年平均风速相比较(叉表示统计上不重要，填充方块表示统计上的显着性)（d）中国年平均风速的时间变化和趋势(实线)

3.2城市效应对风速的影响

许多因素可能影响这些观测到的年平均风速变化。其中之一是中国的会改变当地的景观并影响风速的城市化和相关的大规模住宅建设。为检验这一影响，我们在2000年人口调查的基础上，选取了人口大于50万的城市地区的63个站点和农村人口小于10000的100个站点，并对两组站点的平均风速变化进行了比较和对比。为了最佳地评估城市影响，这些城市和农村站点是从中国中部地区同一地区（气候环境相似）的站点中挑选出来的，其位置介于92°至122°E之间，而这些站点也位于高密度地区(图1(a))。

图2显示了这些城市和农村站点平均风速的变化情况。在1969到1990年间，农村和城市测站的风速的下降速率都是相似的，并且在95%的置信度水平上显著。尽管风的减弱有相同速率，平均风速还是有很大不同，农村风速比城市风速平均强0.3。此外，农村和城市之间的测站在1990以后还出现了不同的变化。在1990至1995年间，各城市测站平均风速停止了下降的趋势并逐渐增强，此后几乎稳定在2.3左右。另一方面，农村站的风速持续下降，但下降速率较小。在1990至2005年间，风速变化在城市和农村测站的不同说明城市效应对风有了新的影响。如果农村站点的风速变化可以看作是自然风速的变化的话，1990年以来城市测站风速的强烈增强，将预示着城市效应对风速的影响。然而，这种影响与我们对城市摩擦阻力的了解是相反的。Xu等(2006a)指出，中国的城市建设在1980年代末和1990年代初达到顶峰。如果城市化有很强的拖曳作用使风速减弱，那么自1990年以来，城市测站的风速就应该会有较大的下降。观测到的城市测站的增强风与农村测站持续减少的风相比，揭示了城市对风速变化的一个新的影响方面。这种特殊的影响可以进一步研究并通过详细的建模研究，但这类工作超出了本研究的范围。有趣的是，在澳大利亚昆士兰东南部和新南威尔士东北部的城市化进程之后，风速也出现了类似的增长(McVicar等，2008)。

图2 1969－2005年农村和大的城市站点的风速变化。风降低的速率和它们的值表示在边缘空白处

3.3季节性风速变化

由于不同季节的风变化很大，因此有必要研究季节性风的变化及其差异。这种差异可能会说明在中国的季风气候中的变化。例如，夏季风的大幅度减少将表明季风的减弱对中国的南部和东部的降水有很大的影响。

图3显示了中国的季节性风变化。从1969至2005年，四季的平均风速都下降，并在95%的置信度水平上有统计学意义。以minus;0.021的速率下降最大的是春季，也是各季节中风力最强的季节。秋季风最弱的其他三个季节的风，有相对较弱的下降。夏季风下降速率最小，为minus;0.015，冬季风减少速率为－0.019。

图3 1969－2005年中国季节平均风速的时间变化和趋势(实线)。1990年前后的季节风速变化趋势用不同的线来表示(冬季包括十二月、一月和二月；春季为三月、四月和五月；夏季为六月、七月和八月；秋季为九月、十月和十一月)

将图3中的季节性风变化与图1(d)中的年平均风速变化进行比较表明，自1990年代初以来，风速的下降也出现了类似的减弱。这种减弱在冬季尤其强烈。

3.4不同风速百分比下的月风速变化

季节平均风速和年平均风速的变化是各种风速类别中风速变化的综合效应。由于这些变化的含义不同，研究风速在不同类别中的变化是非常重要的。强风类的减弱意味着风暴的减少和沙尘暴次数的减少。中强风类风的静止可以反映出影响空气质量和地表蒸发的更多平和天气。为了了解这些细节，我们评估了不同的风速类别的风速变化。图4显示了中国在1969至2005年间不同风速百分比下的月平均风速变化。观察图4中的变化我们发现中国的风速在所有类型的风速中都有下降。同样，在强风类别中有从minus;0.02

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