邯鄲市近46年風向風速特征分析

李菊香， 田秀霞， 谷永利， 張興山 ， 郭洪杰

(1.邯鄲市氣象局，河北 邯鄲 056001； 2.河北省氣象信息中心，石家莊 050021)

引 言

風和人們的生產生活息息相關，是影響大氣污染物擴散的重要因素之一。研究風的變化特征，對科學規劃城市布局及大氣環境污染治理等都具有十分重要的意義。前人對風的研究已經取得了許多成果。王遵婭等[1]研究了中國1951-2000年平均風速演變趨勢，顯示全國大部分地區風速都在減小，冬、春季減小趨勢最顯著。趙宗慈等[2]研究了近50年中國風速減小特征和可能原因，結果表明，1961-2014年地面風速大約以0.18(m/s)/10a的速率減小，且四個季節風速均減小，氣候系統內部自然變化是風速減小的主要原因。江瀅等[3]對近50年我國風向變化進行了研究，認為大部分地區年最大風向頻率呈減小趨勢,且最大風向頻率對應的風速均呈明顯的減小趨勢。閻訪等[4]分析了石家莊地區春季平均大風日數特征，認為石家莊地區春季大風以4月份居多,且呈減少趨勢。徐永清等[5]在對黑龍江依蘭風特征的研究中得出“增加排放高度有利于減少城市近地面的大氣污染物濃度”的結論。魏文秀等[6]對河北省霾的分布與風速的關系進行了研究，認為年平均風速與霾的頻數呈負相關，風速影響污染物擴散。這些研究成果都為了解當地風的特征提供了有價值的參考。邯鄲市位于河北省最南端的晉冀魯豫交界處，市區人口約200萬。科學做好城市規劃和大氣環境治理，都亟須了解邯鄲市風的變化特征。而已有的研究成果，多是對其他區域風或風與大氣污染關系的研究[7-15]，對邯鄲市區風向風速變化特征的研究尚未見報道。

本文采用邯鄲國家氣象觀測站1974-2019年風向風速資料，使用線性趨勢分析法[16-17]、EEMD[18-20]和Pettitt[21]、Buishand range[22]及SNHT[23]方法，研究近46年邯鄲市的風向風速特征，年、季平均風速和主導風向風速的趨勢變化、周期變化，以及風速突變規律等，為邯鄲市大氣環境治理和城市規劃等提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資 料

本文所用資料為邯鄲國家氣象觀測站1974-2019年風向風速資料。其中，1974-2003年為人工觀測資料，2004-2019年為自動觀測資料。資料來源于河北省氣象信息中心，所有數據均經過三級質量控制。平均風速采用2 min平均風速，最大風速為10 min平均風速的最大值，極大風速為 3 s瞬時風速的最大值，大風的標準為瞬時風速≥17.0 m/s。風速的日、月、年平均值，16方位風向頻率等，按照《地面氣象資料實時統計處理業務規定》進行統計。季節劃分采用常規方法：3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12月至次年2月為冬季。

1.2 主要研究方法

利用線性趨勢分析方法分析風速的氣候變化趨勢，并繪出擬合直線，直線斜率用來度量氣候傾向率的增減；使用EEMD方法分析風速的周期變化特征；風速突變檢驗采用Pettitt、Buishand range和SNHT方法綜合分析。

1.2.1 EEMD方法

EEMD是經驗模態分解(EMD)的改進，其原理是：時間序列由多個時間尺度的振蕩波構成，從資料中把固有的本征模態函數(IMF)分量逐級分離出來，得到序列多尺度振蕩特征。時間變化序列X(t)可表示為

X(t)=x(t)+ω(t)

(1)

其中,x(t)是加入白噪聲后的信號，ω(t)是符合正態分布的小幅度高斯白噪聲。利用EMD對X(t)進行分解，得到各階本征模態分量(IMF)，加入隨機白噪聲，重復上述過程，X(t)最終分解為

(2)

其中，imfn(t)為各個IMF分量，rm(t)是趨勢項。IMF量反映了序列從高頻到低頻不同時間尺度的波動特征, 趨勢項代表序列長期變化趨勢。

1.2.2 突變檢驗方法

突變檢驗有Pettitt、Buishand range和SNHT三種方法。

(1)Pettitt方法檢驗統計量的計算公式為

(3)

其中，

式中，KT為檢驗統計量，Ut,T為構建統計量，Xi、Xj為待檢序列i、j時刻值，t為序列長度，T為序列分段步長。

(2)Buishand range方法檢驗統計量的計算公式為

(4)

(5)

(3)SNHT方法檢驗統計量的計算公式為

(6)

其中，

定義：三種方法得到的突變點一致且通過顯著性檢驗，即可認為是該序列存在突變點且可信；任意兩種方法得到的突變點一致且同時通過信度檢驗，可以認為突變點的可信度較大；沒有經過顯著性檢驗或通過顯著性檢驗但三種方法得到的突變點不一致，則認為突變點不可信；其他情況下突變點的可信度較小。

2 結果與分析

2.1 邯鄲市風向風速平均特征

2.1.1 年平均風向和風速頻率特征

邯鄲市多年平均風向頻率中，靜風出現頻率為10.9%。16方位風向頻率玫瑰圖(圖1a)形狀近似呈南北向，S風向頻率為18.9%，是年最多風向，次多風向為N風向，頻率為14.7%。NNE和SSW風向也是出現頻率較高的風向，WSW和W風向出現頻率最低。

統計各風向的多年平均風速，繪制各風向平均風速玫瑰圖(圖1b)。由圖1(b)可以看出，各風向的平均風速為1.9～3.2 m/s。出現頻率較高的風向為S、N、NNE、SSW，其對應風速為2.9～3.2 m/s，高于其他風向的平均風速。即邯鄲市以S和 N風向為主導風向，主導風向的平均風速較大。

圖1 1974-2019年邯鄲市風向頻率(a)和平均風速(b)玫瑰圖

2.1.2 風的日、月和季節變化特征

統計2004-2019年逐時平均風速，繪制風速日變化圖(圖 2a)。由圖 2(a)可見，逐時風速變化呈單峰形態，08時后風速逐漸增大，14-16時風速達到3.0 m/s左右，是一日中風速最大的時段。17時后風速快速減小，21時至次日08時風速保持在2.1 m/s以下，凌晨03-06時是一日中風速最小的時段。統計逐時各風向出現頻率發現，邯鄲市風向有明顯的日變化特征：03-10時N風向頻率高于S風向頻率，其他時段S風向為最多風向。其中06-08時N風向頻率達20%以上，17-19時S風向頻率超過25%。

風速的月變化呈單峰形狀(圖 2b)，3-5月風速在3.0 m/s以上，其中4月平均風速最高，從6月開始風速明顯減小，8月至次年1月風速為2.0～2.1 m/s，為一年中風速較小的時段。分析各月最多和次多風向頻率和對應風速(表 1)可以看出，風向的月變化明顯，3-7月S風向為最多風向，其中4-6月次多風向均為SSW，S和SSW風向的頻率高且風速大。8月開始，S風頻率明顯減小，N風頻率逐漸增大，11月至次年2月N為最多風向，但與次多風向S的頻率和風速相差不大，這一時期N風相對強盛。

表1 1974-2019年邯鄲市月平均風速及月最多、次多風向、頻率及平均風速

圖2 2004-2019年邯鄲市平均風速日變化(a)和1974-2019年邯鄲市平均風速月變化(b)

一年中，春季平均風速最大,為3.1 m/s；夏季的次之，為2.4 m/s；秋、冬季風速相差不大，平均風速為2.1-2.2 m/s。春、夏、秋三季均以S風為主導風向，N風為冬季的主導風向。

2.1.3 風的極值特征

邯鄲市近46年年最大風速平均值為12.7 m/s,歷史最大值為19.0 m/s,出現在1980年7月24日。最大風速的風向多為N和NNE風向(兩風向出現頻率之和為54.6%)。年最大風速出現在4月的頻率為36.4%，遠高于其他月份出現頻率；其次是3月和7月，出現頻率均為13.6%。這與邯鄲市春季多風、夏季多強對流性天氣的季風性氣候特征相吻合[24]。

年最大風速在一天中各個時間段均有出現，15-16時是最大風速頻率最高的時段，年最大風速的各時頻率曲線與風速日變化曲線形態基本一致。

邯鄲市平均大風日數為5.7天，近46年大風日數呈現減少趨勢(氣候傾向率為-1.73天/10a)。2004年風由人工觀測改為自動觀測，增加了極大風速記錄。2004-2019年極大風速平均值為18.7 m/s，比同期最大風速平均值偏大8.0 m/s。極大風速的極大值為2010年4月26日的24.3 m/s，比當日最大風速高10.7 m/s。極大風速的出現時間、對應風向特征等與最大風速特征基本相同。

2.2 邯鄲市風的趨勢特征

2.2.1 年、季平均風速趨勢

邯鄲市年平均風速為2.4 m/s,標準差為0.3 m/s，風速的變差系數為0.12，年平均風速代表性較好，數據較穩定。從邯鄲市歷年平均風速變化(圖3)可以看出，歷年平均風速最大值為3.1 m/s，出現在1976年；歷年平均風速最小值為1.8 m/s，出現在2017年和2019年。擬合年平均風速變化趨勢線，得到年平均風速的氣候變化傾向率為-0.18(m/s)/10a。邯鄲市年平均風速呈減小趨勢，且在α=0.01水平上顯著，近46年邯鄲市年平均風速減小了約0.8 m/s。多項式擬合曲線顯示，邯鄲市年平均風速減小主要發生在1984-1991年和2005年之后。

圖3中年代平均值曲線顯示，20世紀80年代平均風速比70年代減小了0.3 m/s；而90年代和21世紀前10年平均風速下降又回升，波動幅度僅有0.1 m/s；21世紀10年代至今，平均風速大幅減小，比00年代減小了0.5 m/s。

圖3 1974-2019年邯鄲市年平均風速和年代平均風速

對春、夏、秋、冬四季平均風速做線性擬合(圖4)發現，春季平均風速減小最快，氣候傾向率達到-0.22(m/s)/10a，春季的風速減小對年平均風速的減小貢獻最大。夏、秋、冬三季平均風速減小速率差異不大，氣候變化傾向率為-0.15～-0.17 (m/s)/10a，冬季的略快于夏秋兩季的。春季風速的趨勢系數為-0.707，夏、秋、冬三季的趨勢系數為-0.594～-0.678，均通過了α=0.01的顯著性檢驗，四季平均風速下降趨勢顯著。

圖4 1974-2019年邯鄲市春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)四季平均風速和年代平均風速

四季平均風速的年代際曲線顯示，春、夏、秋、冬四季風速減小均出現在兩個年代，一是20世紀80年代，風速比70年代減小了0.2～0.4 m/s，其中春季和冬季減小幅度較大；二是21世紀10年代至今，四季平均風速較上一年代減小了0.4～0.6 m/s，其中春季和夏季平均風速減小幅度較大。20世紀90年代和21世紀00年代，四季風速均僅有微小的波動。

2.2.2 主導風向平均風速趨勢

主導風向S和N平均風速的年氣候傾向率、趨勢系數統計結果(表2)表明，S風速的年氣候傾向率為-0.24(m/s)/10a，趨勢系數-0.708。通過了α=0.01的顯著性檢驗，S風速減小趨勢顯著；N風速年氣候傾向率為-0.43(m/s)/10a，趨勢系數-0.854通過了α=0.01的顯著性檢驗，N風速減小趨勢顯著。與S風速相比，N風速減小速率偏高0.19(m/s)/10a，且S和N風速的減小速率均高于年平均風速的減小速率。

從S和N風速的年代際差值(表2)可以看出，S和N風速的年代際變化有所不同。S風速減小主要出現在20世紀80年代和21世紀10年代兩個時段，20世紀90年代到21世紀00年代，平均風速呈現微降又回升的小幅波動。N風速20世紀80年代與70年代相比無變化，從90年代開始，平均風速逐年代持續減小，21世紀10年代平均風速減小幅度最大，達到0.8 m/s。

表2 1974-2019年邯鄲市主導風向S、N風速氣候傾向率、趨勢系數和年代際風速差值

2.3 邯鄲市風的周期特征

2.3.1 年平均風速周期特征

對邯鄲市年平均風速序列運用EEMD 分解, 得到4個IMF分量(圖 5a-d)和一個趨勢項RES (圖5e)。IMF各分量反映了風速從高頻到低頻不同時間尺度的波動特征, 趨勢項代表風速隨時間的長期變化趨勢，近46年年平均風速趨勢項顯示邯鄲市年平均風速呈減小趨勢。

圖5 1974-2019年邯鄲市年平均風速EEMD分解的4個IMF分量(a-d)和趨勢項RES(e)的年變化

IMF1分量表明平均風速在年際尺度上有準3 a的周期波動，方差貢獻率為29.4%，振蕩信號較為明顯；IMF2分量表明平均風速在年際尺度上有準7 a的周期，方差貢獻率低，信號不明顯；IMF3分量的準23 a周期方差貢獻率達43.2%，振蕩信號極為明顯；IMF4分量的準31 a周期波動方差貢獻也較小，信號不明顯。綜上，邯鄲市年平均風速存在兩個固有時間尺度變化周期，即年際尺度和年代際尺度變化周期，其中年際尺度以準3 a的周期波動為主,年代際變化周期以準23 a為主。

2.3.2 四季和主導風向平均風速的周期特征

對四季和S、N風向的平均風速做EEMD分解，均得到4個IMF分量和一個趨勢項(圖略)。四季和主導風向的風速趨勢項均為負值，風速均呈下降趨勢。分析各階分量的周期和方差貢獻(表3)可以看出，四季平均風速第一分量IMF1年際變化周期均為準3 a周期，方差貢獻率均在32%以上，準3 a的年際變化周期極為明顯；第二分量為準7 a周期，方差貢獻率較小，周期信號不明顯；第三分量夏季準23 a周期信號明顯；第四分量春、冬季準31 a年代際周期信號明顯。S和N風速準3 a年際周期明顯，年代際周期S風速為準18 a、N風速為準31 a周期。

表3 1974-2019年邯鄲市四季和主導風向平均風速各IMF分量周期和方差貢獻

2.4 邯鄲市風的突變檢驗

做突變檢驗時，多種方法同時使用，可以相互驗證突變點真偽，增強突變點分析效果。采用Pettitt、Buishand range、SNHT三種方法，對邯鄲市年、季平均風速及主導風向的風速進行突變檢驗，結果見表4。

表4 1974-2019年邯鄲市年、季、主導風向平均風速突變檢驗

年平均風速的三種檢驗方法得到的P值均小于0.01，檢驗統計量均通過了99%置信水平的檢驗，Pettitt、Buishand range檢出的突變年為1988年，但SNHT檢出的突變年為2011年，三種方法中兩種方法檢驗結果一致且通過了信度檢驗，年平均風速在1988年發生突變的可信度較高。

四季平均風速突變檢驗中，三種方法的P值也均通過了99%置信水平的檢驗，春、夏、秋季Pettitt、Buishand range檢出的突變年份一致，但與SNHT檢出的突變年份不一致，冬季三種方法檢出的突變年份基本一致(SNHT檢出的突變年份1987年與另外兩種方法檢出的1988年僅相差一年)。綜合檢驗結果，春、夏、秋三季突變點出現在1988年、2007年、2007年的可信度較高，冬季平均風速的突變年份在1988年可信。

S和N風速三種方法檢出的突變年份基本一致(S風向Buishand range檢出的突變年份2006年與另外兩種方法檢出的突變年份2007年僅相差一年)，P值均通過了99%置信水平的檢驗，認為S和N平均風速的突變年分別出現在2007年和2004年可信。

綜上，年平均風速在1988年發生突變，冬、春季風速突變年為1988年，夏、秋季風速突變年為2007年。S和N平均風速的突變年分別為2007年和2004年。

3 結論與討論

(1)邯鄲市以S、N風向為主導風向，其次是SSW、NNE風向，頻率高的風向平均風速也較大。一天中14-16時風速最大，03-06時風速最小。03-10時N風向頻率高于S風向頻率，其他時段S為最多風向。一年中，春季風速最大，夏季的次之；春、夏、秋季S風為主導風向，N風為冬季的主導風向。年最大風速的風向多為N和NNE風向，最大風速出現在4月的頻率最高，年最大風速經常出現在15-16時，極大風速比同期最大風速平均偏大8.0 m/s。

(2)邯鄲市多年平均風速為2.4 m/s,年平均風速的氣候變化傾向率為-0.18(m/s)/10a，年平均風速減小顯著。四季風速均呈顯著減小趨勢，其中春季平均風速減小最快。風速減小主要出現在20世紀80年代和21世紀10年代至今，S和N風速減少速率高于年平均風速的減少速率。

(3)邯鄲市平均風速的年際變化以準3 a的周期波動為主,年代際周期以準23 a為主。四季和主導風向的風速準3 a年際周期明顯，年代際周期夏季風速為準23 a、春季和冬季風速為準31 a、S風速為準18 a、N風速為準31 a。年平均風速在1988年發生突變。冬、春季風速突變年為1988年，夏、秋季風速突變年為2007年。S和N平均風速的突變年分別為2007年和2004年。

致謝：本文得到河北省氣象科學研究所魏瑞江正研的悉心指導，特此致謝！