中国观测风速长期变化的原因和机制研究

The study of causes and mechanism of long-term changes in observed wind speed under the background of global warming may provide the in-depth and comprehensive understanding of the climate system and climate change, and the scientific support to the climate change policy, natural disaster prevention, and the national planning of wind energy exploitation and electricity grid. So far, only few studies are carried out on the long-term changes and its reason of surface wind speed. Almost all of these studies applied statistical methods, which can not well revealed the causes and mechanisms of the wind speed changes. This project will firstly conduct systematical analysis of the features of long-term change in different level wind speed, followed by the simulation experiments, including the current period simulation, the natural external forcing simulation, human activities simulation, and the full-forcing simulation. The NCEP reanalysis data, global climate model (ECHAM5) and regional climate model (RegCM3) will be applied in these simulation experiments. The focus of this project will be the quantitative assessments of the impact of global warming and the changes in East Asian monsoon on long-term changes in surface wind speed. Furthermore, the impact and its extent of the surrounding human construction on observed wind speed will be studied by using the methods of statistical classification and dynamic simulation (CFD).

在全球变暖的背景下，弄清中国近地层风速变化的原因和机制，能更深入和全面地了解气候系统和气候变化、更有效地应对气候变化和防御自然灾害，同时也可以为国家风电、电网规划等方面提供科学支撑。由于目前仅有少量的研究涉及近地层风速变化及原因，且都是利用统计方法的研究，不能很好地揭示风速变化的原因及机制。因此，本课题将在系统分析观测各层风速长期变化特征的基础上，利用NCEP再分析资料和全球气候模式（ECHAM5）驱动区域气候模式（RegCM3）进行风速变化模拟试验，包括目前时期模拟、自然外强迫模拟、人类活动模拟和全强迫模拟4组试验，进而定量研究全球变暖、东亚季风等对中国近地层风速长期变化的影响，并进一步研究东亚季风和全球变暖影响中国近地层风速长期变化的可能机制。同时，分别用统计分类和动力模拟（CFD）两种方法研究测站周边人为建筑对观测风速长期变化的影响及程度。

通过实测、再分析、CMIP5多模式多情景数据以及WRF中国区域模拟试验等多角度对中国区域近地层风速长期变化原因和机制进行系统研究，发现：（1）近50年来，中国近地层（对流层中下层）年和四季平均风速（最大风速、大风日数）都呈显著的减小趋势，温度呈增加趋势，风速呈显著减小趋势的区域与温度显著增加区域相匹配。与近地层风速相关的寒潮和沙尘暴都呈明显的减弱趋势。全国性仪器变更对风速变化趋势的大小存在一定影响，但不能左右风速的减小或增加趋势。（2）近50年来，冬季风指数、冬季的欧亚和亚洲径向环流指数呈明显的减小趋势。（3）CMIP5全球气候模式在一定程度上能模拟出中国区域近地层风速的时空分布特征，且优于CMIP3。（4）用GFDL驱动WRF进行目前时期模拟、自然外强迫模拟、人类活动模拟和全强迫模拟4组敏感试验和CIMP5多模式集成研究都发现，GHG强迫下中国冬季和年风速呈减小趋势，夏季呈增加趋势；NAT强迫下冬季无明显变化趋势或略呈减小趋势，夏季呈增加趋势，年呈减小趋势；工业前（PI）冬、夏和年风速都呈增加趋势变化； GHG对中国区域年平均风速呈减小趋势变化具有显著贡献。（5）分类研究表明，测站周边环境变化对全国年平均风速变化趋势的贡献为13.7%；CFD单个实例说明楼房遮挡使得主导风向上风速减小，贡献为11.3%。（6）城市化下垫面特征变化对近地层风速呈减小趋势变化的贡献较小（3.8%）。（7）CIMP5多模式集成预估21世纪中国区域近地层年（冬季）平均风速呈减小趋势变化，且随着人类排放量的依次增加，平均风速减小趋势依次显著。（8）在变暖的背景下，人类活动（GHG）使得冬季对流层中下层温度升高，且陆地升温比海洋明显，海陆温度差减小，气压差减小，冬季风减弱，是人类活动（GHG）造成中国近地层风速呈减小趋势变化的主要原因和机制。该项目研究成果为更深入和全面地了解气候系统和气候变化、人类活动对近地层和对流层影响，并进一步为更客观科学评估和预估风能能源等方面提供科学支撑。已发表论文6篇，待发表论文3篇。