1. 引言
民和县平均海拔高度2100~2500米。境内沟壑纵横，地形复杂。地貌特征大致可概括为“八条大沟九道山，两大谷地三大垣”。民和县为黄土高原向青藏高原过渡地带。祁连山系的达坂山和拉脊山余脉，构成县境地架。地势西北高，东南低，西南部多为高山，是兰西城市群发展的重要节点城市。近些年随着民和县高等级公路、高铁站、光伏电站、高楼、旅游区开发等的开发，带动了民和县的经济飞快发展，但随之而来的是对大风天气对周边环境的影响也更为突出，给市民出行旅游、施工、公路等造成了一定影响。另外风能也是一种高效清洁，具有极大发展潜力的新能源。近年来，在常规能源短缺和全球生态环境恶化的制约下，世界各国越来越重视风能资源的开发利用[1]。寻求风速在过去历史阶段的变化规律，进而更好地利用风能这种可再生且无污染的绿色能源，本文通过分析民和大风风速及日数等变化特征，针对性地提出防灾减灾措施与对策，以降低风灾带来的生命财产安全。同时对缓解当前的人口、资源、环境等诸多压力具有重要的意义。
2. 资料及方法
2.1. 资料来源
研究选取资料为民和县国家基准气候站(纬度\经度和海拔高度) 1990~2020年逐月大风日数、平均风速、风向数据等观测资料，运用气候资料统计整理方法，分析大风日数月、季、年的变化特征。
2.2. 分析方法
2.2.1. 线性回归分析
运用一元线性回归分析方法模拟气象要素的变化趋势，计算其气候倾向率，分析大风日数的年、季节及月变化趋势。利用最小二乘法建立一元线性回归方程，见公式(1)
y (x) = a + bx (1)
(1)式中：a为常数，b为回归系数(即气候变化量的倾向率)，b > 0表示直线递增，b < 0表示直线递减，b*10表示每10a的变化率，表征时间序列的变化趋势。变化趋势的显著性，采用气候要素与年份之间的相关系数进行检验。
2.2.2. 统计分析
利用数理统计的方法进行趋势显著性及相关性等数据处理和分析。季节按照3~5月为春季、6~8月为夏季、9~11月为秋季、12月~次年2月为冬季的时间进行划分，对民和县大风日数特征进行统计分析。根据中国气象局《地面气象观测规范》规定，最大风速为某个时间段内出现的最大10 min平均风速达到6级(10.8~13.8 m/s) [2]或瞬时风速达到或超过17.2 m/s [3]。只要1日内记有大风天气现象，不论时间长短和出现次数，均记为1个大风日。
3. 民和地区平均风速变化特征
3.1. 年平均风速
图1为民和地区年平均风速变化趋势图，可以看出，民和地区年平均风速呈缓慢递增趋势，近30a民和地区年平均风速为1.5 m/s，气候倾向率为0.27 m/s /10a，年平均风速最大值为1.9 m/s，出现在2016年，平均风速最小值为0.9 m/s，出现在1992年，次最小平均风速值为1.0 m/s，出现在1991年和1993年；从1990年开始风速呈现逐年增加趋势，期间仅小幅回落。从1990年一直到1993年平均风速绝大部分在近30a平均线以下，表明该时段为民和地区风速较小时期；从1994年开始到2016年年平均风速均在近30a平均线以上，仅2000年、2009年、2012年平均风速小于平均值，表明该时段为民和地区风速较大时期，1990~2020年中有11a年平均风速偏小，均低于多年平均值。有20a年平均风速偏多，高于多年平均值。年平均风速偏少年份占35%，偏多年份占75%。从1990年开始年平均风速逐年增大，可以得出民和地区年平均风速变化基本呈逐年递增趋势。
Figure 1. Trend chart of the annual average wind speed in Minhe area
图1. 民和地区年平均风速变化趋势图
3.2. 季平均风速
从民和地区季节平均风速变化趋势图(图2)可以看出，1990~2020年民和地区平均风速从大到小依次排列为春季、夏季、冬季、秋季，平均风速分别为1.8 m/s、1.6 m/s、1.4 m/s、1.3 m/s。可以看出民和地区春季平均风速最大，秋季平均风速最小。春季、夏季、冬季、秋季的平均风速变化趋势与年平均风速变化趋势基本一致，都呈现逐年递增趋势。
春季平均风速最大值为2.2 m/s，出现在2011年、2014年、2016年、2018年，平均风速最小值为1.2 m/s，出现在1991~1993年，从1994年开始到2016年春季平均风速均在近30a平均线以上，从1990年一直到1993年春季平均风速绝大部分在近30a平均线以下。和年平均风速一样变化基本呈逐年递增趋势。夏季平均风速最大值为2.0 m/s，出现在2015年和2020年，平均风速最小值为0.8 m/s，出现在1993年；秋季平均风速最大值为1.8 m/s，出现在2013年，平均风速最小值为0.7 m/s，出现在1992年；冬季平均风速最大值为1.8 m/s，出现在20.13年，平均风速最小值为0.9 m/s，出现在1990年到1992年。
秋季和冬季趋势线基本一致，风速呈现逐年上升趋势，从1990年一直到1993年两个季节平均风速绝大部分在近30a平均线以下，属于风速较小期，之后逐年上升，2013年达到平均风速最大期，属于风速较大期。民和地区四季平均风速变化趋势与年平均风速变化趋势基本一致，都呈现递增趋势。
Figure 2. Trend chart of seasonal average wind speed in Minhe area
图2. 民和地区季节平均风速变化趋势图
3.3. 月平均风速
图3为民和地区1990~2020年月平均风速变化趋势图。月平均风速为1.5 m/s，最大月平均风速出现在4月，为1.9 m/s，最小月平均风速为1.3 m/s，平均月最大风速和平均月最小风速相差0.6 m/s，月平均风速1~4月是缓慢递增趋势，5~12月是缓慢递减趋势。民和地区各月平均风速整体分布较为平均。
Figure 3. Trend chart of monthly average wind speed in Minhe Areas
图3. 民和地区月份平均风速变化趋势图
3.4. 大风日数年际变化
图4为民和地区大风日数的年际变化趋势，从年大风日数曲线图可以看出，1990~2020年民和地区平均大风日数为2.5 d，气候倾向率为0.3 d/10a (P < 0.05)，年大风日数呈略增加趋势。从图4曲线变化上看，大风日数最大值出现在2016年，为7 d，最低值出现在1991年、1994年、2009年、2020年，未出现大风日数。从1990年开始到1995年大风日数表现为一个较少的趋势，1996到1999期间出现急剧上升和下降的情况，1999年~2000年处于一个稳定期。2002~2003年处于一个稳定期[4]，2004年到2012年期间处于活跃期，呈现心电图式增大降低，并于2009年达到最低值0d。2012年~2014年处于一个相对稳定期，之后逐年增大，2016年达到30a最大值7 d，之后逐年断崖式降低，2020年达到最低值0 d。1990~2020年中有17a大风日数偏少，均低于多年平均值。有14a大风日数日数偏多，高于多年平均值。大风日数偏少年份占55%，偏多年份占45%。年大风日数1 d及1 d以下的有14a，约占45%。可以得出民和地区年大风日数趋势分为2个显著特点：增加剧烈期和稳定区[5]。
Figure 4. Trend chart of the annual number of strong wind days in Minhe Areas
图4. 民和地区年大风日数变化趋势图
3.5. 大风日数季节变化
从季节变化来看，民和地区一年四季均有大风天气出现。按春、夏、秋、冬的时段分别统计大风日数气候平均值，分析大风日数的季节分布状况。从表1可见，民和地区大风日数最多的是夏季，为1.5 d，占1990~2020年总数的57.7%；其次是春季，为0.8 d，占近30a总数的30.7%；再次是秋季，为0.2 d，占近30a总数的7.6%；最少的是冬季，为0.1 d．占近30a总数的4%。从民和地区大风日数的季节变化趋势看(图略)，民和地区春、夏、秋、冬四季大风日数变化趋势不太一致，春、夏两季呈现增加趋势，秋冬两季呈现减小趋势。从曲线图来看，夏季大风日数变化趋势与年大风日数变化趋势较为一致，均表现在2002~2004年期间处于一个稳定期，波动不大；在2001年和2016年都出现了一个显著增加的趋势，夏季中2016年是出现大风日数最多，为6 d，春季中1998年是出现大风日数最多，为3 d，秋季民和地区大风天气较少，最大值为l d，没有出现大风天气的年数为23a，占1990~2020年总数的74%。冬大风天气也较少，最大值为1 d，出现在2005年和2020年，没有出现大风天气的年数有29a，占1990~2020年总数的94%。
Table 1. Seasonal characteristics of the number of strong wind days in Minhe Areas
表1. 民和地区大风日数季节特征
项目 |
季节 |
春 |
夏 |
秋 |
冬 |
全年 |
大风日数 |
平均值(d) |
0.8 |
1.5 |
0.2 |
0.1 |
2.6 |
|
占比(%) |
30.8 |
57.7 |
7.7 |
3.8 |
|
3.6. 大风日数月变化
图5为民和地区大风日数的年际变化趋势民和地区月平均大风日数的呈单峰型，各月分布很不均匀，月变化特征十分明显，大风日数主要集中在4~8月，是全年大风日数的87%。其中近30a内出现大风最多的月份是6月，总计达到18 d，占全年大风日数的23%。9月、10月和11月大风日数均为2 d，占全年大风日数的7%，30a内2月和12月均没有出现大风天气，1月大风日数为1 d。7月和8月大风日数均为14 d，占总大风日数的36%，4月和5月大风日数分别为12 d和10 d，分别是总大风日数的15%和13%。每年4月开始一直到6月民和地区的大风日数开始逐渐增加到6月份达到最高值，然后逐月减小12月达到最低值。由于大风日数主要集中在4~8月，因此本文仅分析了4~8月大风日数变化趋势。民和地区各月大风日数分布不仅存在差异，它们长期变化趋势也有所不同。4~8月均为同样的波动。均表现为1990~1994年期间处于一个稳定期，波动不大；1995~2001年都出现了一个显著增加的趋势，2002~2003年期间又处于一个相对稳定期；6月份2001年和2016年都出现了一个显著增加的趋势，出现最大值4 d。
Figure 5. Variation trend chart of the number of monthly gale days in Minhe Areas
图5. 民和地区月大风日数变化趋势图
4. 风向频率变化特征
4.1. 年风向频率变化
图6为民和1990~2020年最多风向玫瑰图，从图6可以看出，民和地区全年以东东南风、和西北风为主，其次是东南风。根据近30a平均风向频率统计，东东南风向占全年的14.9%，西北风向占全年的13.2%，东南风向占全年的12.3%。出现最少的风向为西南风和南西南风，其次是北东北风。据近30a平均风向频率数字来统计，西南风向占全年的1.8%，南西南风向占全年的1.7%，东北风向占全年的2.3%。
Figure 6. The most wind direction rose map in Minhe Areas from 1990 to 2020
图6. 民和1990~2020年最多风向玫瑰图
4.2. 季风向频率
分析民和地区春季、夏季、秋季、冬季最多风向频率变化特征(图略)，民和地区春季以东东南风和东南风为主，其次是西北风。根据近30a春季平均风向频率统计，东东南风向占16%，东南风向占13.8%，西北风向占11.6%。出现最少的风向为南西南风和西南风，次之是西西南风，据近30a平均风向频率统计，南西南风向占2.1%，西南风向占2.2%，西西南风向占2.5%；
民和地区夏季和秋季以西北风和东东南风为主，其次是西西北风。根据近30a平均风向频率统计，夏季西北风向占13.2%，东东南风向占14.3%，西西北风向占11.8%；秋季西北风向占13.6%，东东南风向占14.2%，西西北风向占12%。夏季和秋季出现最少的风向为南西南风和西南风，次之是北东北风，据近30a平均风向频车统计，夏季南西南风向占1.9%，西南风向占全年的2.3%，北东北风向占全年的2.6%；秋季南西南风向占2.3%，西南风向占全年的2.4%，北东北风向占全年的2.4%。民和地区冬季以东东南风和东南风为主，其次是西北风。根据近30a春季平均风向频率统计，东东南风向占14.2%，东南风向占13%，西北风向占12.6%。出现最少的风向为南西南风和北东北风，次之是西南风，据近30a平均风向频率统计，北东北风向占2.2%，东北风向占2.3%，东风向占2.4%。
4.3. 月风向频率
图7为民和地区最多风向月变化特征，由于民和地区出现最多的风向为东东南风、西北风、东南风和西西北风，因此本文仅分析东东南风、西北风、东南风和西西北风月变化趋势。1~5月东东南风较多，尤其2~4月最为明显，6~12月西北风向出现较多，1~12月呈凸字型分布出现，8月出现频率较其他月份呈现倍数增加，东南风和西西北风出现次数略相同。变化较小。
Figure 7. Characteristics of monthly variation of wind direction in Minhe Areas
图7. 民和地区最多风向月变化特征
5. 结论
民和地区年平均风速呈缓慢递增趋势，近30a民和地区年平均风速为1.5 m/s，以平均0.27 (m/s)/10a增大，年平均风速最大值为1.9 m/s，出现在2016年，平均风速最小值为0.9 m/s，出现在1992年；四季平均风速从大到小依次排列为春季、夏季、冬季、秋季，四季平均风速变化趋势与年平均风速变化趋势基本一致，都呈现逐年递增趋势。
民和地区近30a平均大风日数为2.5 d，每10a增大0.3 d。民和地区大风日数最多的是夏季，其次是春季，再次是秋季，最少的是冬季。春、夏、秋、冬四季大风日数变化趋势不太一致，春、夏两季呈现增加趋势，秋冬两季呈现减小趋势。
民和地区全年以东东南风和西北风为主，其次是东南风。