风蚀导致表层土壤养分流失、结构破坏、肥力下降,是土地退化及荒漠化的重要环节。土壤风蚀模型是土壤风蚀量预测、土地退化风险评估的重要工具,逐小时近地层风速是土壤风蚀动力过程及预报模型的核心驱动要素,也是风蚀和粉尘释放量的主要控制因子,是土壤风蚀机制分析、诸多地表地理现象和过程的重要参数之一,其分布与特点是风蚀建模和区域粉尘释放预报与模拟的关键。然而,高精度逐小时风力模拟研究一直是风蚀研究的难点。风蚀预报系统（WEPS）是目前公认的最完整、手段最先进的风蚀模型,为进一步拓宽该模型的应用,验证其在逐小时风速预测方面的性能。本研究基于WEPS模型,利用2009-2018年美国西北太平洋内陆地区13个站点高精度逐小时近地层观测风速数据,在分析实测逐小时风速年际、年内及季节变化特征的基础上,使用WEPS风速概率直方图得到模拟风速数据,将实测风速数据与模拟风速数据进行对比,分析实测风速与模拟风速的拟合效果,验证该模型模拟逐小时近地层风速性能。在此基础上,进一步尝试提高模型模拟效果,获取未使用空间插值的实测与模拟风速数据,验证该模型性能是否可广泛应用。主要结论如下:
（1）通常将10 m高度处,达到8 m s-1的风速称为临界侵蚀风速（TWS）。本文选取6个不同的风速特征指标,包括年平均风速,每小时风速大于8 m s-1计算的年平均风速(>8 m s-1年均),每月风速大于8 m s-1计算的平均风速(>8 m s-1月均),一天内至少有一个小时风速大于8 m s-1的天数每年总和(>8 m s-1风速年天数,或称为侵蚀风年天数),风速大于8 m s-1的每月总小时数(>8 m s-1风速月总小时数),速度大于8 m s-1的年总小时数风速(>8 m s-1风速年总小时数),以精准解析该地区逐时近地表风速年际年内及季节分布特征。该地区风速的下降似乎与温度的升高相对应,但风速和温度的变化趋势并不显著。
（2）本文采用WEPS模型模拟美国西北太平洋区域2009-2018年13个气象站点逐小时近地层风速,得到模拟值。WEPS（2.0）使用逐小时风速/风向概率表的直方图表示该地近地层风特征,应用空间插值法模拟WEPS数据库气象站点以外区域的逐小时风速数据。分析模拟值与观测值数据可以发现,2009-2018年该区域风速模拟值比观测值趋于平滑,比如>8 m s-1月总小时数观测值的最大和最小在Anatone站点和Konnowac Pass站点分别为375 h和15 h,但是>8 m s-1月总小时数模拟值最大和最小在Broadview站点和Anatone站点分别为330 h和75 h。研究分析,自然界风速具有极不稳定性,风速常常剧变,振幅较大,周期较短,故观测值更易出现极端值;而模拟值波动较小,振幅较小,周期较长;该模型模拟结果欠佳。
（3）西北太平洋地区下垫面情况复杂,大多数插值方法依赖于空间距离不能准确表征区域地形地貌等变化,是该模型模拟性能不佳的原因之一。尝试使用WEPS数据库站点的原位实时观测数据,即消除空间插值对于WEPS模拟性能的影响,提高其预报精度。对比美国西北太平洋地区13个站点6个风速指标的两套逐时风速数据,未使用空间插值时模型一致性指数（d值）比原始d值明显提升;未使用空间插值的13个站点>8 m s-1风速月总小时数和>8 m s-1年均风速模拟结果具有良好的一致性。与使用空间插值法相比6个风速指标模型性能均有所提高。总体而言,该模型在一定条件下,模拟性能尚可,需要在更广泛区域验证和改进WEPS模型性能,为其应用于美国以外其他区域提供参考依据。
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