我国北方风蚀区风速时空变化特征及其对风蚀气候侵蚀力的影响

发布时间：2020-10-19 17:26

　　 我国北方风蚀区土壤风蚀严重,戈壁沙漠广布,沙尘源极为丰富。而风作为土壤风蚀的动力因素对土壤风蚀的发生和移动起着至关重要的作用。本研究利用北方风蚀区186个地面气象观测站1970-2017年的观测资料,采用气候侵蚀力、空间插值、BFAST突变分析和小波分析等方法,分析该地区平均风速的空间及多元时间尺度的变化特征和趋势、周期性特征和突变情况;统计不同等级风速日数,分析每一等级风速累计日数的时空特征,并分析不同等级风速日数与平均风速的时空相关性;利用风蚀气候因子指数计算该地区风蚀气候侵蚀力,分析风蚀气候侵蚀力的时空分布和变化特征,并采用时空相关性和敏感性分析等方法重点展开对我国北方风蚀区风蚀气候侵蚀力的驱动力分析,主要得出如下结论:(1)1970—2017年间中国北方风蚀区多年平均风速为2.66 m/s,呈现显著下降趋势,其下降速率为0.016 m/(s·a),不同年代不同季节风速变化存在较大差异;整个北方风蚀区年均风速倾向率变化范围在-0.084—0.104 m/(s·a)之间,风速变化存在空间差异,北方风蚀区内的新疆西北部和东南部、青海、内蒙古中部和东北部、黑龙江以及吉林为风速降低较快的区域,甘肃东南部、宁夏、山西和陕西北部、辽宁、新疆的东北部和西部等地区是风速降低不明显的区域;风速变化存在多时间尺度的周期结构特性,28年时间尺度左右为风速周期变化的主周期,平均变化周期为19年;BFAST算法处理北方风蚀区逐月平均风速结果显示趋势成分中出现两个突变点,时间节点分别为1988年6月和2011年3月。(2)我国北方风蚀区Ⅰ等级(0-5 m/s)风速日数呈现增加趋势Ⅱ等级(5-10m/s)和Ⅲ等级(10 m/s以上)风速日数均呈现减少趋势各个等级四季变化趋势均与年变化趋势一致,变化速度四季间有明显差异;Ⅰ等级的风速日数的空间分布与Ⅱ等级和Ⅲ等级具有较好的高低对应性;在近48年来,随着风速等级的升高,年风速日数减少,变化速度减缓,年际间的差异缩小,季节与地区间的差异减小;三个等级的风速日数变化均存在多时间尺度的周期性特征,Ⅰ等级风速日数变化的主周期为30年时间尺度,Ⅱ等级和Ⅲ等级日数变化的主周期均为29年时间尺度;BFAST算法检测结果显示三个等级风速日数中均在趋势组份中检测到突变点,发生突变后风速日数的变化速度变缓。仅Ⅱ等级风速日数在季节性组份中存在1个突变点,突变后该等级风速日数季节变化幅度缩小。(3)1970-2017年我国北方风蚀区风蚀气候侵蚀力呈显著的下降趋势,下降速度为每年0.745。年内变化趋势显示,从1月开始风蚀气候侵蚀力逐渐升高,在4月达到最高,随后逐渐下降;整个北方风蚀区年均风蚀气候侵蚀力变化范围在2-698之间,气候侵蚀力倾斜率在-11.78—32.05之间,虽然绝大部分年均气候风蚀力倾斜率小于零,但是风蚀气候侵蚀力降低的幅度存在着明显的空间差异;风蚀气候侵蚀力变化存在10-14年、15-24年25-32和三个变化周期;29年时间尺度左右主周期,平均变化周期为19年;BFAST算法处理北方风蚀区逐月风蚀气候侵蚀力结果显示季节性组份中未出现突变点,趋势成分中在1993年8月有1个突变点,突变发生的95%置信区间在1993年5月到1994年4月。(4)平均风速与Ⅰ等级风速日数都呈现较好的时空相关关系,Ⅰ等级风速日数的时空变化基本可以反映平均风速的变化。我国北方风蚀区风蚀气候侵蚀力与气象要素的相关性分析显示,风速是影响风蚀气候侵蚀力变化的重要因素,平均风速的降低直接导致了我国北方风蚀区风蚀气候侵蚀力在整体上呈现减小趋势。从风速的内部结构来看,风作为风蚀气候侵蚀力最重要的驱动因子,风速在10m/s以上的累计日数表现是最好的并且优于平均风速。
【学位单位】：鲁东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S157.1
【部分图文】：

第 2 章 研究区概况与研究方法2.1 研究区概况2.1.1 研究区地理位置我国北方风蚀区地处 33°～53°N，74°～125°E 范围内，包括黑龙江、吉林、辽宁的西部，河北、北京、山西、陕西的北部，青海省西北部以及内蒙古、宁夏、甘肃、新疆的绝大部分地区，幅员辽阔，总面积达 340 万 km2。东西跨度非常大，横跨一、二、三大阶梯，地貌种类复杂多样，山地、平原、高原、丘陵、盆地、沙漠等交错分布[61]。植被类型从东到西为温带草原渐变成温带沙漠，内蒙古东北地区进入大兴安岭地区植被为寒温带针叶林，北疆最北部为温带草原植被。研究区河流湖泊较少，典型的有黄河和塔里木河，河流多有断流现象，并且盐碱度较高。能源和矿产资源富足，内蒙古和山西煤炭资源为典型的富煤省区，且开发利用率较高。

图 3.4 年与季平均风速变化趋势（a，b，c，d，e 分别表示年、春、夏、秋、冬）3.3 平均风速的突变性与周期性研究3.3.1 基于 bfast 算法的平均风速变化突变性检验图 3.5 为我国北方风蚀区月平均风速时间数据( Yt)通过 BFAST 突变检验算法处理所得到的结果，月平均风速的时间序列被分解成为三部分，其中 St 为周期组份、Tt 为趋势组份、et 为余下组份。趋势组份揭示了我国北方风蚀区月均风速的长期时间变化，并分析了风速突变的状况。在趋势组份中表现出的突变情况中可以看出，BFAST 在 1988 年 6 月和 2011 年 3 月检测到两个突变点。在 1988 年 6 月，北方风蚀区平均风速降低速度突然减缓; 在 2011 年 3 月，北方风蚀区平均风速突然升高。第一次突变和第二次突变发生的 95%置信区间分别在 1988 年 2 月到 1988 年 8 月和 2008 年 7 月到 2011 年 4 月。在第一次突变发生前的 1970－1988 年间，北方风蚀区风速以

我国北方风蚀区风速时空特征及其对风蚀气候侵蚀力的影响现北低南高的空间变化趋势，其中低值区位于锡林郭勒盟西部地区、乌兰察布和包头市北部，累计日数在 290 d 及以下，高值区位于新疆天山以南，累计日数在350 d 以上。整个区域Ⅱ等级累计日数（图 4.3b）范围为（0.4-176.9） d，与Ⅰ等级空间分布相反，呈现出东高西低、北高南低的空间变化趋势，高值区除锡林郭勒盟之外，还有新疆东北和内蒙古西北地区，累计日数在 65 d 及以上，天山以南和内蒙古以南Ⅱ等级累计日数较少，低于 20 d。Ⅲ等级日数（图 4.3c）空间分布图显示，该等级风速日数的空间分布与Ⅱ等级较为一致，整个区域的累计日数范围在（0-64.5）d 之间，新疆的东北部和内蒙古的西北部为高值区，累计日数在 9 d以上，天山以南和内蒙古南部及其以南为低值区，该等级风速累计日数低于 1 d。
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本文编号：2847497