近年来世界大多数地区风速降低已经对风能资源的开发利用带来了极大挑战，因此地面风速变化受到社会各界的广泛关注。Robert等^[1]利用882个地表气象站风速观测资料对1979—2008年北半球中纬度地区风速变化进行分析，研究表明研究区内大多数区域该时段风速降低了5%—15%，而且强风降低的速率明显大于弱风。20世纪40年代末期至90年代中期，加拿大西海岸地区年和冬季平均风速也表现出减弱趋势^[2]，而且美国地区1973—2005年风速变化也表现为降低趋势^[3]。澳大利亚1975—2006年风速以-0.009 m s^-1 a^-1的速率明显降低，全境约88%的气象站均显示风速减弱^[4]。Wang和Li^[5]对我国1951—2000年的风速变化研究表明，我国风速降低趋势普遍，最大降幅发生在西北地区，季节最大降幅发生在冬季。在此基础上Xu等^[6]对我国1969—2000 年的风速变化做进一步研究，发现年均风速降低约28%，平均降低速率为-0.021 m s^-1 a^-1，最大降幅主要发生在冬季和夏季。此外，黑龙江、重庆、华北等地区近年来风速也显著降低^{[7, 8, 9, 10]}。 已有研究表明，风速降低不仅是青藏高原及我国地表蒸发量降低的重要因子^[11]，也是引起沙尘暴减少的关键因素^[12]。本文选取110个台站日风速观测数据为基础数据，对我国西南地区1969—2009年风速的时空变化及其影响因素进行分析，从而揭示风速变化特征及其内在规律，为更系统地认识气候变化及其对环境、生态和社会经济的影响提供可参考依据。

我国西南地区包括四川省、云南省、贵州省、重庆市和西藏自治区，其总面积为2.333×10⁶ km²，占我国陆地国土面积的24.5%(图 1)。该区是我国地形最复杂的区域之一，高原、山地、丘陵、盆地和平原五种基本地貌类型齐全，地势从西到东、从北到南依次降低，该区是亚洲重要的季风区之一，季风期主要受南亚季风和东亚季风影响，非季风期主要受西风环流影响，此外高原季风对其也有重要影响。

依据数据的连续性、完整性及站址的一致性等标准，共选取符合条件的气象站110个，气象站具体位置详见图 1。地面气象站的每日风速和气温资料来自于中国气象局国家气象信息中心的中国地面均一化气象观测数据库(http://www.nmic.gov.cn/)。但由于风速观测仪器在20世纪60年代做了更换，为了尽可能保证所有气象站数据资料长度的均一和稳定，因此，气象资料时间跨度取为1969年1月1日至2009年12月31日。此外，利用美国国家大气研究中心/国家环境预报中心(NCEP/NCAR)的大气再分析资料，如1969—2009年经向风、纬向风、地面气压和气温等数据分析影响风速变化的原因。高原季风指数数据由国家气候中心提供(http://ncc.cma.gov.cn/cn/)。

图 1 我国西南地区及所选气象站点分布 Fig.1 Southwestern China and the distribution of the selected meteorological stations

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为了避免个别台站或个别年份异常高或低值对整个区域序列的影响，首先，对各个台站的风速数据进行均值化处理，利用公式(1)计算研究区风速的变化序列。按12月—翌年2月为冬季、3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、5—10月为季风期、11月—翌年4月为非季风期^[13]生成各台站不同季节及非季风和季风期气候要素序列，计算区域的年、季节及非季风和季风期风速序列。然后，采用9a趋势滑动和线性倾向估计法分析气候变化趋势，计算采取最小二乘法进行估计，用其线性倾向率分析要素的年际变化率，研究显著性水平取0.05，如果统计量小于显著性水平，则认为趋势是显著的。最后，运用ArcGIS 绘制风速倾向率变化空间分布图，进行空间变化分析。

风速区域序列按照如下公式计算：

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式中,x_r,t为区域风速在t年的年或季节均值，x_i,t为i站某风速在t年的值，_i为i站1961—2009年风速均值，n_t为t年风速符合条件站数，为避免异常高值影响，x_i,t和 在计算前均进行标准化处理。

1 969—2009年我国西南地区年均风速为1.75m/s，以0.24 m s^-1 10a^-1的速率显著降低(表 1)。年均最大风速4.26m/s，出现在西藏自治区班戈站，最小风速0.54m/s，出现在四川省万县。季节平均风速春季最高(2.15m/s)，余者依次为冬季(1.78m/s)、夏季(1.61 m/s)和秋季(1.47m/s)，春夏秋冬四季的最小风速分别为0.64、0.59、0.35、0.35 m/s，最大风速依次为4.80、3.96、3.71、5.00 m/s。季风期和非季风期年均、最大和最小风速分别为1.80、0.55、3.61 和 1.51、0.59、2.87 m/s。春、夏、秋、冬、非季风期和季风期风速变化趋势与年序列相似(图 2)，变化幅度依次为-0.28、-0.16、-0.14、-0.22、-0.26和-0.18 m s^-1 10a^-1。

图 2 我国西南地区风速年际变化 Fig.2 The change of annual wind speed in Southwestern Chinas

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分时段分析，1969—2000年平均风速以0.37 m s^-1 10a^-1的速率下降，2001—2009年风速以0.55 m s^-1 10a^-1的速率上升，这与我国年均风速总体变化趋势(1969—1990年风速以0.25 m s^-1 10a^-1速率显著降低，1991—2005年降低速率剧烈减小为0.06 m s^-1 10a^-1)相似^[14]。但研究区年均风速的降低幅 度高于我国平均水平及其他区域^{[7, 8, 9, 10]}。春、夏、秋、 冬、非季风期和季风期，1969—2000年风速下降，变化幅度分别为-0.35、-0.26、-0.30、-0.38、-0.39和-0.29 m s^-1 10a^-1，均高于整个研究时段的降低幅度，冬季降幅最大，秋季降幅最小。2001—2009年风速变化转降为升，变化幅度分别为0.13、0.82、0.65、0.60、0.33和0.74 m s^-1 10a^-1，只有春季未能通过显著性水平检验，夏季增加幅度最大。季节风速降低幅度明显高于全国及华北平原地区，但低于东北及青藏高原地区^{[7, 8, 9, 10]}。总体而言，1969—2009年的年、季节、非季风期和季风期风速明显降低，其中1969—2000年风速下降，2000年后风速上升，这一变化趋势是否标志着风速的增加，仍有待后续观测数据的证实。

1969—2009年110个台站中除了四川盆地、贵州高原和云南高原西部的一些台站风速增加外(部分台站表现为显著增加)，77%的台站年均风速均以较大幅度降低，66%台站通过显著性水平检验，主要位于西藏高原、横断山区和云南高原(图 3)。春季，84%的台站风速降低，显著降低台站67%，主要位于西藏高原和横断山区，而位于低海拔区的台站降低幅度明显较小。夏季，75%的台站风速降低，显著降低台站约53%，主要位于西藏高原和横断山区，而云贵高原和四川盆地的大多数台站表现为非显著降低或增加，只有部分台站显著增加。秋季，70%的台站风速降低，但只有48%的台站通过了显著性水平检验，主要位于西藏高原东部和横断山区，而云贵高原和四川盆地的大多数台站增加或非显著降低。冬季，76%台站风速降低，显著降低台站57%，主要位于西藏高原和横断山区，而云贵高原和四川盆地的大多数台站表现为非显著降低或增加。非季风期，80%的台站风速降低，显著降低台站65%，主要位于西藏高原、横断山区和云南高原，而云南高原西南边缘、贵州高原和四川盆地中部的少数台站风速增加。季风期，71%台站风速降低，显著降低台站56%，主要位于西藏高原和横断山区，而分布在贵州高原、云南高原和四川盆地占总站数29%的台站表现为增加趋势。总体而言，风速降低的台站主要位于高海拔区，降低幅度表现为由西向东逐渐变小的规律，反映了地形的影响(图 3)。

图 3 我国西南地区风速变化幅度空间分布 Fig.3 Spatial distribution of variation in wind speed in Southwestern China

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1969—2000年，82%的台站年均风速降低，显著降低台站69%，主要位于西藏高原、横断山区、云南高原、贵州高原西部及四川盆地东部，而贵州高原中部、四川盆地中部和云南高原西南边缘的少数台站则呈增加势头。春季，86%台站风速降低，显著降低台站63%，主要位于西藏高原、横断山区和云南高原，而贵州高原和四川盆地的大多数台站为非显著降低且部分台站有增加趋势。夏季，79%台站风速降低，61%的台站为显著降低，主要位于西藏高原、横断山区和云南高原。另外，贵州高原和四川盆地较多台站呈增加趋势。秋季，约78%的台站风速降低，但显著降低的台站只占59%，主要位于西藏高原、横断山区和云南高原，而非显著降低或增加的台站主要位于云南高原边缘地带、贵州高原和四川盆地。冬季，86%的台站风速降低，显著降低台站73%，主要位于西藏高原、横断山区和云南高原，而贵州高原和四川盆地的部分台站为非显著降低或增加。非季风期，87%的台站降低，显著降低台站76%，主要位于西藏高原、横断山区和云南高原，而非显著降低的台站位于四川盆地和贵州高原。季风期，位于西藏高原、横断山区和云南高原占总站数73%的台站风速降低，通过显著性水平检验的站数约65%，贵州高原增加趋势最为显著。

2001—2009年，只有35%的台站年均风速降低，主要位于西藏高原和贵州高原，幅度显著增加的台站主要位于横断山区、云南高原和四川盆地西部。春季，59%的台站风速增加，显著增加台站42%，主要位于横断山区、云南高原和四川盆地，而西藏高原、贵州高原和横断山中部的部分台站表现降低趋势(其中较多台站为显著降低)。夏季，67%的台站风速增加，显著增加台站55%，主要位于横断山区、云南高原和四川盆地西部，而西藏高原东部、贵州高原和四川盆地东部的部分台站降低趋势显著。秋季，66%台站风速增加，显著增加台站56%，主要位于云南高原、横断山区及四川盆地西部，而贵州高原和西藏高原东部的大多数台站仍然表现为显著降低。冬季，65%的台站风速增加，显著增加台站51%，主要位于横断山区、云南高原和四川盆地，而西藏高原和贵州高原的较多台站呈降低趋势。非季风期，63%的台站风速增加，显著增加台站51%，主要位于横断山区、云南高原和四川盆地，而西藏高原东部、贵州高原、横断山东南部及云南高原东南部风速仍为降低趋势。季风期，67%的台站风速增加，显著性增加台站58%，主要位于除西藏高原东部和贵州高原以外的其他区域。

为了探究大气环流变化对风速变化的影响，将经向风和纬向风变化情况分1969—2000年和2000—2009年两个时段进行分析，其中1969—2000年以1985年为界，绘制500hPa等压面经向风和纬向风的差值图(以后一时段减去前一时段代表环流变化情况)，选定区域范围为20°—40° N和75°—115°E。比较明显的是，除西藏高原西部外，经向风从1969—1985年到1986—2000年呈现降低趋势，而纬向风后一时段比前一时段降低幅度更大，表明西风环流和季风环流风速减弱可能是2000年之前风速降低的主要原因(图 4)。Dash等和吴绍洪等的研 究结果也证实印度季风近年来处于不稳定状态,且呈降低趋势^{[15, 16]}。为进一步分析环流系统变化与2001—2009年风速增加的关系，绘制500 hPa等压面1991—2000年和2001—2009年经向风和纬向风差值图(图 5)，总体上2001—2009年与1991—2000年相比，经向风明显降低，特别是西藏高原降低幅度最大，而四川盆地和贵州高原呈增加趋势。纬向风除云南高原外，其他地区呈明显增加势头，表明2000年以来纬向风的加强可能对西南地区风速增大有重要贡献，而且IPCC第四次评估报告也证实近年来北半球西风环流加强迹象明显^[17]。

图 4 我国西南地区从1969—1985年到1986—2000年纬向风与经向风变化量 Fig.4 The change of the altitudinal wind speed and the longitudinal wind speed from 1969—1985 to1986—2000 in Southwestern China

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图 5 我国西南地区从1991—2000年到2001—2009年纬向风与经向风变化量 Fig.5 The change of the altitudinal wind speed and the longitudinal wind speed at 500 hPa from 1991—2000 to 2001—2009 in Southwestern China

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对经向风与纬向风在两个时段季节变化分析发现，1986—2000年与1969—1985年相比，春季，经向风和纬向风略有增加，呈微弱增加趋势，但1969—2000年风速降低趋势显著；夏季和秋季，纬向风增加，经向风西藏高原地区相对增大，其他地区降低；冬季，纬向风和经向风大幅降低，反映了环流系统的减弱。这些结果表明，从1969—1985年到1986—2000年，除春季外，其他季节风速变化均与经向风与纬向风的减弱有关，也证实了大气环流系统变化影响风速变化的普遍性。2001—2009年与1991—2000年相比，春季，纬向风风速降低趋势明显，高海拔区降低幅度最大，除云南高原和贵州高原西部外，经向风降低趋势也较明显，这在一定程度上解释了春季风速相对较小的增加幅度；夏季，纬向风风速微弱降低，经向风除高原西部地区略有降低外，大多数地区增加，说明经向风增大可能是风速加大的原因之一；秋季，纬向风风速增加幅度较大，除西藏高原地区降低外，其余地区均呈增加趋势，表明秋季纬向风增强影响风速变化；冬季，纬向风在西藏高原及四川盆地北部显著降低，而南部特别是云贵高原增加幅度显著，经向风也表现出类似的变化特征，这部分地解释了冬季风速的增加。

近年来大量研究证实季风环流减弱对我国风速降低有重要贡献。Xu等^[6]研究发现过去30年东亚季风减弱是我国地表平均风速降低的重要原因，而且中国东部及其边缘海区域850hPa年均风速也表现为降低趋势，反映了东亚季风的减弱^[18]，此外，海陆气压差的降低也证实了季风环流系统近年来的减弱^[19]，此类证据还包括我国中东部850和500hPa南北方向平均风速的降低以及我国境内500hPa等压面加强的位势高度等^{[20, 21]}。而且，1961—2001年亚欧大陆和西太平洋850和500 hPa等压面位势高度展现出相似的变化趋势^[22]，暗示了东亚季风强度的减弱与影响亚太地区大尺度气候变化的相关因子之间的关联，除全球变暖这一最明显的因子外，其他因子还包括北半球环状模态正指数增加的频率^[23]和1976年左右北太平洋地区发生的年代际尺度的气候机制转变等^[5]。张爱英等^[24]的研究结果也表明1980—2006年我国境内对流层上、中和下部年均风速均表现为降低趋势。这些事实表明以季风环流减弱为主要特征的大尺度大气环流系统变化是导致我国西南地区地表风速降低的重要因素之一。

除西风和季风环流外，我国西南地区还受高原季风的影响，因此对高原季风对风速变化的影响进行分析。高原季风变化通常用青藏高原指数来衡量，其具体含义是指特定区域内各格点高度值减去500位势米后的累计值，有两个指数：其中指数A计算的区域为25°—35°N，80°—100°E；指数B的计算区域为30°—40°N，75°—105°E。本文采用的是青藏高原指数B。如表 2所示，年和季节青藏高原指数1969—2009年呈增强趋势，变化幅度均通过显著性水平检验，冬季增强幅度最大，达7.38hPa/10a。更重要的是，年均风速与高原指数显著负相关，相关系数-0.56(P<0.01)，季节变化也表现显著负相关，特别是秋季相关系数达-0.67(P<0.05)。由此证明，青藏高原季风指数加强对我国西南地区风速降低具有明显影响，因为它可通过改变区域大气环流模态进而影响地面风速的变化。众所周知，青藏高原通过强大的热力和动力作用影响全球和区域大气环流系统，如西风、亚洲季风的强度等，而高原指数的显著增强势必对区域季风环流和西风环流产生影响，进而导致地面风速发生改变，但其具体作用机制仍有待进一步研究。

大量研究证实^{[17, 25, 26]}，我国近几十年来风速降低受大陆尺度气候变化的影响，特别是我国和亚欧大陆近年来的气温上升。例如，冬季较高的地面气温可能降低地表气压，进而减弱陆地和邻近海洋之间的气温和气压梯度，最终降低气压梯度力并导致风速下降^[14]。Xu等^[6]的研究也认为我国冬季风的减弱主要与我国北方地区相对于南海地区较大幅度的变暖有关，而夏季风的降低则与我国中南部的微弱变冷和中国南海与北太平洋西部的显著变暖相关，证实了气温不对称变化引起的气压梯度变化对风速的显著影响。如表 3所示，总体上1969—2009年我国西南地区年、季节、非季风期和季风期平均气温、平均最高和最低气温均呈显著上升趋势，最低气温的升高幅度最大。更重要的是，年均风速与年均气温、平均最高气温和最低气温均表现为负相关，但与最高气温的相关性未能通过显著性水平检验。季节、非季风期和季风期，年均风速只与秋季和非季风期平均气温呈显著负相关，与夏季平均气温无明显相关，与其他季节负相关未能通过显著性水平检验。除夏季外，风速与平均最低气温均为显著负相关，但与平均最高气温变化无明显相关。由此表明气候变暖特别是最低气温的显著升高是导致研究区风速降低的又一关键因子，而且风速与气温反相的变化趋势也支持了这一结论。

水平气压梯度力是空气产生水平运动的直接原因和动力，而水平气温梯度的变化是造成水平气压梯度变化的主要因素，例如，气温不对称升高导致区域水平气温梯度降低，进而引起水平气压梯度力减弱，最终导致区域风速降低。Zhang等^[27]研究发现20世纪80年代以来经向热力梯度在中、高海拔区的降低导致高海拔区变暖幅度大于低海拔区，进而引起风速的降低。Klink^[28]的研究也认为由热力差异引起的风速变化，特别是在高海拔区，与地面气温梯度引起的地表气压梯度变化有关。为验证纬向气温梯度是否存在减弱现象，在经度范围为80°—110°E的区域内选定了3个地区：低纬度地区(15°N—25°N)、中纬度地区(35°N—45°N)和高纬度地区(55°N—65°N)。运用NCEP/NCAR 再分析月平均气温和气压数据计算了低、中和高纬度地区之间的地表气温和气压梯度差异。

如图 6所示，1969—2009年，低、中和高纬度3个地区的气温显著上升，升高幅度分别为0.13℃/10a、0.24℃/10a和0.50℃/10a，均通过显著性水平检验，高纬度地区升高幅度最大，这种不同纬度之间的不对称变暖将会减少纬向气温差异，进而导致纬向气温梯度降低。就气压变化而言，虽然3个纬度地区的地表气压均在增加，但中纬度地区气压增加幅度最大，高纬度地区增加幅度最小，也呈现不对称变化。更重要的是，不对称变暖背景下1969—2009年低-中纬度地区和中-高纬度地区年平均气压梯度呈降低趋势(图 7)，这将最终导致风速降低，因此变暖背景下不同纬度之间气压梯度的减弱也是风速下降的重要原因。

图 6 1969—2009年高、中、低纬度地区气温和气压的年际变化 Fig.6 The variation of annual temperature and pressure in lower,middle and higher altitude areas during 1969—2009

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图 7 1969—2009年不同纬度之间气压梯度的年际变化 Fig.7 The variation of annual pressure gradient in different altitudes regions during 1969—2009

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(1)1969—2009年年均风速显著降低，季节、非季风和季风期风速变化趋势与年序列相似。其中1969—2000年的年、季节、非季风和季风期风速均明显降低，年均风速降低幅度高于全国平均水平及其它区域。季节风速降幅高于全国及华北平原地区，但低于东北及青藏高原地区。2001—2009年的年、季节、非季风和季风期风速均转降为升。

(2)1969—2009年的年、季节、非季风和季风期风速降低台站主要位于高海拔地区，降低幅度表现为由西向东逐渐递减，其中1969—2000年，风速降低台站多位于西藏高原、横断山区、云南高原，风速增加台站多位于贵州高原、四川盆地。2001—2009年，风速增加台站多分布于云南高原、横断山区和四川盆地，风速降低台站主要位于西藏高原和贵州高原。

(3)大尺度大气环流影响风速变化。2000年之前风速降低的主要原因可能是西风环流和季风环流风速的减弱，而纬向风的加强可能对2000年以来风速增强有重要贡献。此外，青藏高原季风加强对风速降低作用明显。

(4)区域变暖是风速降低的另一因素。年均气温、平均最低气温与年均风速均显著负相关，年均风速与秋季和非季风期的平均气温及平均最低气温显著负相关，说明气温上升特别是最低气温的大幅变暖是导致风速降低的一个关键因子。进一步分析还发现，不同纬度之间气压梯度的减弱也是风速降低的主要因素。