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user: 3. 研究结果 3.1. 中国区域风速的空间分布特征 Table 2 Beaufort wind ratin 风级 名称 风速(m/s) 0 无风 0.0~0.2 1 软风 0.3~1.5 2 轻风 1.6~3.3 3 微风 3.4~5.4 4 和风 5.5~7.9 5 劲风 8.0~10.7 6 强风 10.8~13.8 7 疾风 13.9~17.1 8 大风 17.2~20.7 9 烈风 20.8~24.4 10 狂风 24.5~28.4 11 暴风 28.5~32.6 12 台风 >32.7 表2. 蒲福风力等级 如表2蒲福风力等级所示，本文按照中华人民共和国国家标准《风力等级》(GB/T28591-2012)，将风速划分为12个等级(强度)，对不同强度风速的空间分布进行分析。 3.1.1. 年平均风速的空间分布 图2.中国年平均近地面不同强度风速(m/s)的空间分布图(1979~2018年) 图2为中国近地面1979~2018年多年平均不同强度风速的空间分布图，从气候分布特征来看，1979~2018年多年平均的近地面风速有着明显的空间分布差异特征，且风速等级差异很大，最小的近地面风速在1.5 m/s以下，最大的近地面风速可以达到10.7 m/s以上。从全国范围来看，多年平均近地面风速为1级软风的区域主要分布在我国新疆的部分地区、西藏东部地区、云南西南部地区、四川东部及邻近区域、重庆、湖北西部地区以及贵州与湖南、广西交界区域和福建的大部分区域。中国大部分区域的多年平均近地面风速都在2级轻风范围内，所占的面积比例最大。多年平均近地面风速为3级微风的区域主要分布在我国新疆东部地区、青海西部地区、西藏中部地区、甘肃西北部、内蒙古中部偏北的大部分区域以及我国东北的部分地区，除此之外在我国的其他地区也有很多零散的局地微风分布。多年平均近地面风速在4级和风的地区较少，分布也较为零散，主要在新疆哈密的西部侧、内蒙古巴彦淖尔西北部靠近边界线的区域、山西五台山附近区域、山西平阴县附近区域、安徽黄山附近区域以及福建中部偏东南区域。多年平均近地面风速在5级劲风的地区分布较为集中，集中在我国台湾的西北侧。多年平均的近地面风速的大值区出现在我国台湾东南侧，其中近地面风速的最大值可达到12.4 m/s，达到了强风的级别。 3.1.2. 四季平均风速的空间分布 图3. 中国四季平均近地面不同强度风速(m/s)的空间分布图(1979~2018年)。(a) 春季；(b) 夏季；(c) 秋季；(d) 冬季 图3为中国四季近地面1979~2018年多年平均不同强度风速的空间分布图，如图3(a)所示，中国春季近地面不同强度风速分布与年平均近地面风速分布型基本一致，但也存在一些细微的差别。我国春季1级软风分布情况与年平均大致相同，但面积相对有所减小。春季2级轻风与年平均类似，占据中国的大部分区域。春季的3级微风相比年平均来说影响范围明显扩大，内蒙古以及我国东北基本都表现为3级微风，我国西北地区的3级风影响范围也明显扩大。同时，我国春季的4级和风的影响范围也略微增加，并在内蒙古的苏尼特右旗附近、甘肃威武附近以及湖南衡阳东侧新增三个和风区。但是我国台湾春季的近地面风速总体有所减小，整个台湾春季受到5级劲风的控制。如图3(b)所示，相比而言，我国秋季近地面风速整体偏小，1级软风和2级轻风所影响的区域明显扩大，而3级微风和四级和风所影响的区域整体明显减小，但是也有例外，新疆地区的和风区域明显扩大，并在其中心出现一块5级劲风区。与春季类似，我国台湾夏季近地面风速为受到5级劲风的控制。如图3(c)所示，我国秋季近地面风速整体偏低，1级软风区相对夏季范围更大，尤其是新疆西部出现大片的软风区，近地面风速整体偏低。1级软风和2级轻风所影响的区域相比夏季进一步扩大，而3级微风和四级和风所影响的区域也进一步减小。但是我国台湾却整体表现为一个6级强风区，近地面风速相对春季和夏季有着明显的增强。如图3(d)所示，我国冬季1级软风和2级轻风所影响的区域占据了绝大部分区域，3级微风主要集中在西藏和内蒙古以及青海西南部，并且在青海西南部出现了一个和风区。山西的和风区明显偏强，并在其中心区域出现一个劲风区，其余地区的和风区都明显偏小。我国台湾地区近地面风速在冬季达到最强，在台湾东南部甚至达到7级疾风。 3.2. 中国区域风速的时间变化特征 图4. 1979~2018年中国区域内近地面风速逐月平均风速(m/s) 从1979~2018年中国区域内近地面风速逐月平均风速图(图4)中可以看到，中国区域近地面风速年内变化呈单峰型，即只有一个最大值，最大值出现在每年的4月份，最大值为3.06 m∙s −1 ，最小值为2.19 m∙s −1 ，出现在12月份。在8月份之前，月际变化起伏较大。8月份之后，月际变化起伏较小。 3.2.1. 年平均风速的时间变化 图5. 1979~2018年中国区域年平均近地面风速的变化趋势 中国区域内1979~2018年平均近地面风速的结果显示(图5)，中国区域内的近地面风速年际变化明显，区域年平均近地面风速为2.52 m/s，年均近地面风速的最大值出现在1979年，近地面风速值达到2.84 m/s，年均近地面风速的最小值出现在1997年，近地面风速可达到2.29 m/s。在1979~2018年间，整个中国区域内的近地面风速呈显著的减小趋势，年均近地面风速的变化率为0.0038 m∙s −1 ∙a −1 ，而且通过了95%的显著性检验(p = 0.04)。由11年滑动平均曲线发现中国近地面风速整体上经历了一个先减小后增加的趋势1979~1994年中国近地面风速呈现处一个减小的趋势，1995~2018年又表现出缓慢增加的趋势。 3.2.2. 四季平均风速的时间变化 图6. 1979~2018年中国区域四季平均近地面风速的变化趋势。(a) 春季；(b) 夏季；(c) 秋季；(d) 冬季 从图6可以看出，近地面风速分别为2.95 m/s、2.45 m/s、2.30 m/s、2.38 m/s，四季的最大近地面风速分别出现在1980年、1981年、1981年、1979年，均出现在1980年左右，且近地面风速的最大值分别为3.43 m/s、2.75 m/s、2.66 m/s、2.87 m/s、四季的最小近地面风速分别出现在1997年、1998年、1998年、1992年，冬季近地面最小风速出现的时间较其他季节略有偏差，近地面风速的最小值分别为2.74 m/s、2.27 m/s、2.08 m/s、2.11 m/s。从11年滑动平均曲线可以看出，四季近地面风速与年均近地面风速的变化基本一致，都表现出先减少后增加的趋势，不同的是春季与冬季的近地面风速在1979~1995年表现为减小趋势，1996~2018年表现为增加趋势，与年近地面风速变化一致。夏季近地面风速在1979~1997年表现为减小趋势，在1998~2018年表现为增加趋势，转折点出现的年份较春季略微偏晚。秋季近地面风速在1979~1993年表现为减小趋势，在1994~2018年表现为增加趋势，转折点出现的年份较为偏早。 3.3. 平均风速的突变特征 为了分析1979~2018年近40年中国区域内近地面风速变化趋势和突变发生的时间，本节通过曼–肯德尔突变检验法，对中国近地面风速的突变情况进行研究。分别绘制处UF (红色实线)以及UB (蓝色虚线)曲线图(UB、UF的计算的详细方法请看第二节)。如果UF k 和UB k 的值大于0，则表明近地面风速呈现处增加的趋势，小于0则表示呈现处减小的趋势。当他们超过α = 0.05的显著性水平临界值，则表明增加或者减小的趋势显著。超过显著性水平临界值的范围为近地面风速突变发生的时间区域。如果UF k 和UB k 两条曲线出现交点，而且交点出现在两条显著性水平临界线以内，则该交点所对应的时间为突变发生的时间。 3.3.1. 年平均风速突变 图7. 1979~2018年中国区域年平均近地面风速M-K统计量曲线(灰色虚线为α = 0.05的显著性水平临界值) 从1979~2018年中国区域内近地面风速M-K统计量曲线图(图7)可以看到，由UF曲线可见，自1979年开始，中国近地面风速有一明显的减小趋势。20世纪80年代至21世纪10年代这种近地面风速的减小趋势大大超过了显著性水平0.05临界线，甚至超过0.01显著性水平( u 0.01 = 2.56 )，这表明近地面风速的减小趋势是十分显著的。根据UF和UB曲线交点的位置，可以确定中国的平均近地面风速在20世纪80年代以来减弱是一种突变现象，具体是从1980年开始的。 3.3.2. 四季平均风速突变 图8. 1979~2018年中国区域四季平均近地面风速M-K统计量曲线。(a) 春季；(b) 夏季；(c) 秋季；(d) 冬季 如图8所示1979~2018年中国区域四季近地面风速M-K统计量曲线，由图8(a)的UF曲线可见，自1982年开始，中国春季近地面风速有明显的减小趋势。从1985~2018年这种春季近地面风速的减小趋势是十分显著的，通过了95%甚至99%的显著性检验。根据春季UF和UB曲线交点的位置，可以确定春季的平均近地面风速自20世纪80年代以来的减弱是一种突变现象，具体是从1984年开始的。同样，由图8(b)的UF曲线可见，自1979年开始，中国夏季近地面风速有同样的减小趋势。从1984~2016年这种春季近地面风速的减小趋势是十分显著的，通过了95%甚至99%的显著性检验。根据夏季UF和UB曲线交点的位置，可以确定夏季的平均近地面风速自20世纪80年代以来的减弱是一种突变现象，具体的突变年份为1981年。由图8(c)的UF曲线可见，自1982年开始，中国秋季近地面风速有明显的减小趋势。从1988~2016年这种秋季近地面风速的减小趋势开始变得显著，通过了95%甚至99%的显著性检验。根据秋季UF和UB曲线交点的位置，可以确定秋季的平均近地面风速的减弱也是突变现象，具体的突变年份为1981年。同样，由图8(d)可知，自1979年开始，中国冬季近地面风速开始呈现减小趋势。从1986~2013年冬季近地面风速的减小趋势是十分显著的，且通过了显著性检验。但是中国冬季近地面风速不存在突变点，突变现象不明显。 3.4. 中国区域风速变化的空间分布特征 3.4.1. 年平均风速变化的空间分布 图9. 1979~2018年中国区域年平均近地面风速趋势(m∙s −1 ∙a −1 )变化分布 图9给出1979~2018年中国区域年平均近地面风速趋势变化分布的情况，图中空白区域表示没有通过显著性检验，填色区域表示通过了95%及以上的显著性检验。从中国年平均近地面风速的趋势系数分布来看，中国年平均近地面风速趋势系数的变化范围在−0.34 m∙s −1 ∙a −1 到0.15 m∙s −1 ∙a −1 之间，近地面风速趋势系数相差很大，存在很明显的区域差异。近地面风速趋势系数小于−0.3 m∙s −1 ∙a −1 的区域集中在我国台湾的东南沿海一带。近地面风速的趋势系数介于−0.3 m∙s −1 ∙a −1 和−0.2 m∙s −1 ∙a −1 之间的区域集中在我国台湾西北侧沿海一带，近地面风速趋势的大值均集中在我国台湾，且呈现显著的减小趋势。近地面风速的趋势系数介于−0.2 m∙s −1 ∙a −1 和−0.1 m∙s −1 ∙a −1 之间的区域分布较为零散且区域较小，主要分布在我国新疆、山西、吉林、重庆、湖南、浙江境内。近地面风速趋势系数在−0.1 m∙s −1 ∙a −1 和0 m∙s −1 ∙a −1 之间的区域分布较为广泛，主要集中在我国东北三省、华北的内蒙古、西北的青海、西南的西藏、华东五省、华中的江西以及华南福建等地。近地面风速趋势系数在0 m∙s −1 ∙a −1 和0.1 m∙s −1 ∙a −1 之间的区域分布面积较大，主要集中在内蒙古东北部、新疆、甘肃、陕西、四川、重庆、湖南、湖北、云南、贵州、广东等地。近地面风速的趋势系数大于0.1 m∙s −1 ∙a −1 的区域分布较为零散且区域较小，主要分布在新疆东北部和山东境内。 3.4.2. 四季平均风速变化的空间分布 图10. 1979~2018年中国区域四季平均近地面风速趋势(m∙s −1 ∙a −1 )变化分布 图10给出1979~2018年中国区域四季平均近地面风速趋势变化分布的情况，图中填色区域表示通过了95%及以上的显著性检验。春、夏、秋、冬四季平均近地面风速趋势系数的最小值分别为−0.30 m∙s −1 ∙a −1 、−0.30 m∙s −1 ∙a −1 、−0.40 m∙s −1 ∙a −1 、−0.41 m∙s −1 ∙a −1 ，趋势系数最大值分别为0.17 m∙s −1 ∙a −1 、0.19 m∙s −1 ∙a −1 、0.15 m∙s −1 ∙a −1 、0.17 m∙s −1 ∙a −1 。春季，在通过显著性检验的地区平均近地面风速以减小为主。春季近地面风速减小趋势最大出现在我国台湾，趋势系数介于−0.3~−0.2 m∙s −1 ∙a −1 之间。近地面风速趋势系数在−0.2~−0.1 m∙s −1 ∙a −1 之间的地区与年平均近地面风速分布基本一致。近地面风速趋势系数在−0.1~0 m∙s −1 ∙a −1 之间的地区主要集中在我国西北、东北以及华东一带。近地面风速趋势系数在0~0.1 m∙s −1 ∙a −1 之间的地区主要集中在我国新疆、内蒙古东北部、华中、川渝、广东、湖南等地。近地面风速趋势系数大于0.1 m∙s −1 ∙a −1 的地区在新疆东北部和山东境内。夏季近地面风速减小趋势最大出现在我国台湾，趋势系数介于−0.3~−0.2 m∙s −1 ∙a −1 之间。近地面风速趋势系数在−0.2~−0.1 m∙s −1 ∙a −1 之间的地区零星的分布在我国新疆、重庆、湖南、福建境内。近地面风速趋势系数在−0.1~0 m∙s −1 ∙a −1 之间的地区主要集中在我国西北、内蒙古、东北以及华东一带。近地面风速趋势系数在0~0.1 m∙s −1 ∙a −1 之间的地区主要集中在我国新疆、内蒙古东北部、甘肃、陕西、川渝、云贵、广东、湖南等地。近地面风速趋势系数大于0.1 m∙s −1 ∙a −1 的地区较少，主要在新疆东北部和山东局部地区。秋季，在通过显著性检验的地区平均近地面风速以增加为主，近地面风速减小趋势最大出现在我国台湾，趋势系数介于−0.4~−0.3 m∙s −1 ∙a −1 之间。近地面风速趋势系数在−0.3~−0.2 m∙s −1 ∙a −1 之间的地区出现在吉林。近地面风速趋势系数在−0.2~−0.1 m∙s −1 ∙a −1 之间的地区与年平均近地面风速分布基本一致。近地面风速趋势系数在−0.1~0 m∙s −1 ∙a −1 之间的地区主要集中在我国新疆西北部和东部沿海区域。近地面风速趋势系数在0~0.1 m∙s −1 ∙a −1 之间的地区较多，主要集中在我国西北、西南、华中、两广以及华北部分地区。近地面风速趋势系数在0.1 m∙s −1 ∙a −1 以上的地区仍在新疆东北部和山东境内。冬季，近地面风速减小趋势最大出现在我国台湾，趋势系数介于−0.4~−0.3 m∙s −1 ∙a −1 之间，甚至在台湾南部出现了趋势系数小于−0.4 m∙s −1 ∙a −1 的地方。近地面风速趋势系数在−0.3~−0.2 m∙s −1 ∙a −1 之间的地区出现在吉林和山西两地。近地面风速趋势系数在−0.2~−0.1 m∙s −1 ∙a −1 之间的地区与年平均近地面风速分布基本一致。近地面风速趋势系数在−0.1~0 m∙s −1 ∙a −1 之间的地区主要集中在我国青海、西藏、内蒙古、东北、河南、山东、浙江、江西等地。近地面风速趋势系数在0~0.1 m∙s −1 ∙a −1 之间的地区主要集中在我国新疆、甘肃、陕西、川渝、云贵和广东等地。只有在山东局部地区的近地面风速趋势系数达到了0.1 m∙s −1 ∙a −1 以上。 3.5. 地表能量在不同地貌的月平均变化趋势 图11. 三种地貌地表通量月平均比较。(a) LH；(b) HFX；(c) GRDFLX 图11为我国三种主要下垫面地貌的地表通量月变化特征。图11(a)中比较了我国三种类下垫面类型：草原，森林，沙漠的地表潜热通量的月平均变化。从图中可以看出，地表潜热通量(LH)值在森林 > 草原 > 沙漠。由于潜热通量的大小取决于地表接受辐射能和蒸发耗热的热交换量，在高纬度地区比低纬度地区接收的太阳辐射更少，由于本论文所研究的森林区域在23˚N~26˚N，草原区域在32˚N~35˚N，沙漠区域在36˚N~38˚N；森林区域相比较而言位于低纬度，沙漠位于高纬度地区。草原，森林区域的植被覆盖大于沙漠沙漠，反照率更低，接收到的辐射能也更多。而且由于植被存在，能够有效储蓄水分，减小水分蒸发，导致了森林 > 草原 > 沙漠。森林地貌和草原地貌的月变化趋势大致相同，在7~8月份达到最大值；沙漠地貌的月变化趋势不大，但在夏季还是高于冬季。 图11(b)中比较了草原，森林，沙漠三种不同地貌的地表感热通量(HFX)的月平均变化。从图中可以看出，草原和沙漠地貌的月变化趋势大致相同，森林地貌的变化有所不同。由于地表感热通量主要是受到风速和地气温差的影响，夏季白天太阳照射，地表升温明显，温差大，特别是沙漠地区温差很大，并且沙漠地区宽阔，风速也更大，导致夏季地表感热通量是沙漠 > 草原 > 森林。而在冬季，太阳辐射在高纬度地区明显不足，低纬度森林接受到更多的日照射，所以在所选取的森林区域感热通量更大。 图11(c)中比较了草原，森林，沙漠三种不同地貌的地表热通量(GRDFLX)的月平均变化。从图中可以看出，GRDFLX在森林和草原地区从4月到8月为负值，沙漠地区在2月到8月为负值，时间更久。在6月份各个地区的GRDFLX都为全年最小值。沙漠地区的最小值明显小于草原和森林地区的最小值。在11到12月份，各个地区都达到GRDFLX的最大值，其中草原地区的最大值最大。从值的正负也说明在夏季地表土壤得到能量，在冬季地表土壤失去能量。