1960—2021年商丘風(fēng)速風(fēng)向時(shí)空變化分析

楊君建

商丘市氣象局，河南商丘 476000

風(fēng)是重要的氣候資源，風(fēng)災(zāi)是常見的氣象災(zāi)害之一。風(fēng)速是評價(jià)氣候變化、大氣循環(huán)、污染物擴(kuò)散和風(fēng)能資源開發(fā)的重要指標(biāo)。近年來，已有大量研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)速下降現(xiàn)象普遍存在于全球各地[1]。蒙良莉等[2]研究表明：廣西近地表風(fēng)能資源豐富區(qū)春季風(fēng)速較高，冬季次之，秋夏季最低。Guo H等研究發(fā)現(xiàn)我國1969―2005年風(fēng)速降幅為0.18（ m/s）/10年。Lin C等發(fā)現(xiàn)我國1969―2000年風(fēng)速降幅較大，而2000年以后降幅減小。東北、華北、西北、西南地區(qū)分別以0.23、0.16、0.12（ m/s）/10年、0.24（ m/s）/10年的速率呈現(xiàn)遞減趨勢。青藏高原、華中、東南等地區(qū)的風(fēng)速存在不同程度的減少趨勢[3-8]。有學(xué)者分析了商丘大風(fēng)時(shí)空分布特征,大風(fēng)日數(shù)具有明顯的年代際變化，總體呈減少趨勢[9-11]。徐艷琴[12]研究了烏拉特中旗近50 年平均風(fēng)速和最大風(fēng)速年際變化均呈現(xiàn)減小趨勢，全年平均風(fēng)向以S為主。還有學(xué)者 研究了中國平均風(fēng)速減小的可能原因，得出風(fēng)速減小的原因是自然和人類強(qiáng)迫共同引起的。風(fēng)速下降給霧霾擴(kuò)散和風(fēng)能資源的開發(fā)帶來系列影響[13-17]。而針對商丘風(fēng)速風(fēng)向時(shí)空變化特征分析未見文獻(xiàn)，利用商丘市8個(gè)氣象站近62年觀測資料，選取平均風(fēng)速、風(fēng)向和各風(fēng)向平均風(fēng)速作為研究對象，采用氣候統(tǒng)計(jì)等方法，研究風(fēng)向風(fēng)速的年季月時(shí)空變化特征，以期為商丘市區(qū)域氣候規(guī)劃、合理利用風(fēng)能資源、氣候可行性論證、防災(zāi)減災(zāi)等提供參考。

1 資料與方法

利用商丘市境內(nèi)睢縣、民權(quán)、虞城、商丘市、柘城、寧陵、夏邑、永城8個(gè)國家氣象觀測站，1960—2021年62年的 逐 日4次 定 時(shí)（02:00、08:00、14:00、20:00）氣象觀測資料，以平均風(fēng)速、風(fēng)向和各風(fēng)向平均風(fēng)速作為研究對象，分析年、季、月的時(shí)空變化特征。風(fēng)速是指單位時(shí)間內(nèi)空氣移動(dòng)的水平距離，以m/s為單位，取一位小數(shù)。風(fēng)向是指風(fēng)的來向，最多風(fēng)向是指在規(guī)定時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)頻率最高的風(fēng)向,通常用十六方位法表示（十六方位順時(shí)針依次表示為N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNW）。氣象站定時(shí)觀測的風(fēng)是指距地面10.5 m高度的平均風(fēng)速和最多風(fēng)向，每日平均風(fēng)速是指4次定時(shí)觀測的風(fēng)速平均值。風(fēng)向主要統(tǒng)計(jì)年季月內(nèi)各風(fēng)向頻率，年內(nèi)各風(fēng)向頻率是指年內(nèi)各風(fēng)向出現(xiàn)次數(shù)占全年各風(fēng)向（包括靜風(fēng)）記錄總次數(shù)的百分比，頻率最高的風(fēng)向即最多風(fēng)向。常年平均值是指1991—2020年的平均值，商丘市平均值是指8個(gè)站點(diǎn)的平均值。四季劃分：冬季（12月至翌年2月）、 春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）。

利用Excel和SPSS軟件對商丘市8個(gè)站點(diǎn)1960—2021年逐日平均風(fēng)速與風(fēng)向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用氣候統(tǒng)計(jì)、回歸方程、趨勢分析等方法，對平均風(fēng)速年、季、月線性變化趨勢進(jìn)行分析和顯著性檢驗(yàn)，分析年代、空間的變化差異，并分析年季月各風(fēng)向的平均風(fēng)速變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 平均風(fēng)速變化

2.1.1 年平均風(fēng)速變化1960—2021年商丘市年平均風(fēng)速呈現(xiàn)出極顯著的減小趨勢（圖1），氣候傾向率-0.36（ m/s）/10年（︱r︱=0.9204＞r0.001=0.4078），通過0.001的顯著性檢驗(yàn)。

圖1 1960—2021年商丘市歷年平均風(fēng)速和年代變化

分析可知，全市年平均風(fēng)速為2.4 m/s，年平均風(fēng)速最大值為3.7 m/s（1960、1969年），最 小 值 為 1.5 m/s（2011、2012、2014、2015年），兩 者 相 差 2.2 m/s。年平均風(fēng)速年代變化，從20世紀(jì)60年代最大值3.5 m/s，逐年代波動(dòng)下降，20世紀(jì)60年代到80年代下降速度最快，2001—2010年和2011—2012年為谷底,達(dá)到最小值1.7 m/s，年代最大值與最小值相差1.8 m/s，年代最小值只有年代最大值的48.6%。

年平均風(fēng)速距平為-0.9～1.3 m/s，表明年平均風(fēng)速的年際變化較大，年平均風(fēng)速變化可分2個(gè)明顯的階段，1960—1987年年平均風(fēng)速距平多在平均值上變動(dòng)，為平均風(fēng)速偏大階段（正距平27年，負(fù)距平1年），1988年后年平均風(fēng)速全部為負(fù)距平，即年平均風(fēng)速持續(xù)偏小。

2.1.2 季平均風(fēng)速變化分析1960—2021年商丘市季平均風(fēng)速，春季平均風(fēng)速最大2.8 m/s,冬季次之2.4 m/s，夏季次小2.3 m/s，秋季最小2.1 m/s。各季平均風(fēng)速變化均呈極顯著的減少趨勢，減少速率春季＞冬季＞夏季 ＞ 秋 季（春 季-0.40（ m/s）/10年，︱r︱=0.9253＞r0.001=0.4078、 冬 季 -0.37（m/s）/10年，︱r︱=0.8922＞r0.001=0.4078、夏 季-0.34（ m/s）/10年， ︱r︱=0.9127＞r0.001=0.4078、 秋 季-0.33（ m/s）/10年，︱r︱=0.8998＞r0.001=0.4078）。四季平均風(fēng)速呈極顯著減少趨勢，導(dǎo)致年平均風(fēng)速呈極顯著的減少趨勢。

從季平均風(fēng)速年代變化可知，四季平均風(fēng)速年代變化都呈波動(dòng)下降趨勢，冬、春、夏3季平均風(fēng)速年代最大值均出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，分別為3.6、4.0、3.3 m/s，年代最小值出現(xiàn)在2011—2020年，分別為1.7、2.0、1.5 m/s，秋季平均風(fēng)速年代最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代為3.1 m/s，最小值出現(xiàn)在2001—2010年和2011—2020年為1.4 m/s，與上述分析的年平均風(fēng)速年代最大值和最小值出現(xiàn)時(shí)間相同。冬、春、夏、秋季年代平均風(fēng)速最大值與最小值分別相差1.9、2.0、1.8、1.7 m/s。

2.1.3 月平均風(fēng)速變化1960—2021年商丘市年內(nèi)各月平均風(fēng)速分布呈單峰型（圖2），春季的3月、4月平均風(fēng)速最大，為3.0 m/s，夏、秋季的8月、9月、10月平均風(fēng)速最小，為2.0 m/s。月平均風(fēng)速氣候傾向率顯示，各月平均風(fēng)速都在減少，減少趨勢極其顯著（︱r︱=0.8641～0.9440＞r0.001=0.4078)，通 過0.001水平的顯著性檢驗(yàn)，4月減少幅度最大為-0.46（ m/s）/10年，8月減少幅度最小為-0.3（ m/s）/10年。各月平均風(fēng)速極顯著減少趨勢，導(dǎo)致各季平均風(fēng)速均呈極顯著的減少趨勢。

圖2 1960—2021年商丘市各月平均風(fēng)速及氣候傾向率變化

2.1.4 平均風(fēng)速空間變化差異分析1960—2021年商丘市年平均風(fēng)速空間分布（表1），東南部大，中部較小，年平均風(fēng)速最大值2.6 m/s，出現(xiàn)在永城，最小值2.2 m/s，出現(xiàn)在柘城，兩者相差0.4 m/s。8站點(diǎn)年、季平均風(fēng)速氣候傾向率均為負(fù)值，呈極顯著減少趨勢（︱r︱=0.8212～0.9156＞r0.001=0.4078，通過0.001的顯著檢驗(yàn)）。年平均風(fēng)速減少幅度最大值0.44（ m/s）/10年（寧陵），減少幅度最小值0.23（ m/s）/10年（商丘），兩者相差0.21（ m/s）/10年。

表1 1960—2021年商丘市各站點(diǎn)年、冬、春、夏、秋平均風(fēng)速變化特征統(tǒng)計(jì)

從季節(jié)平均風(fēng)速分布可知，冬季平均風(fēng)速2.2（柘城）～2.6（睢縣） m/s，春季平均風(fēng)速2.6（ 柘城）～3.0（睢縣、永城） m/s，夏季平均風(fēng)速2.1（柘城、寧陵）～2.6（永城） m/s，秋季平均風(fēng)速1.9（柘城）～2.3（永城） m/s。8個(gè)站點(diǎn)四季平均風(fēng)速氣候傾向率為-0.23～-0.53（ m/s）/10年，呈一致的極顯著減少趨勢（︱r︱=0.7519～0.9417＞r0.001=0.4078， 通過0.001的顯著檢驗(yàn)），與年平均風(fēng)速減少趨勢一致。冬、春、夏、秋季平均風(fēng)速減少幅度最大值分別為-0.53、-0.53 、-0.45、-0.46（ m/s）/10年，均出現(xiàn)在寧陵，冬、春、夏、秋季平均風(fēng)速減少幅度最小值分別為-0.26、-0.26、-0.23、-0.25（ m/s）/10年，均出現(xiàn)在商丘。

2.2 風(fēng)向變化

2.2.1 年最多風(fēng)向及頻率繪制1960—2021年商丘市年風(fēng)向頻率玫瑰圖（圖3），從圖3可以看出，商丘市全年以N、SSE風(fēng)向最多，頻率為8%；其次ESE、SE、S、SSW風(fēng)向次多，頻率為7%，ESE至SSW風(fēng)向的頻率為36%；SSW、NW風(fēng)向次少，頻率為3%；W、WNW風(fēng)向最少，頻率為2%。

圖3 1960—2021年商丘市年風(fēng)向頻率玫瑰圖

2.2.2 季最多風(fēng)向及頻率商丘市屬于典型的季風(fēng)氣候，風(fēng)向隨季節(jié)不同而有明顯的變化，分析商丘市最多風(fēng)向隨季節(jié)變化情況，繪制1960—2021年商丘市四季風(fēng)向頻率玫瑰圖（圖4）。

圖4 1960—2021年商丘市冬、春、夏、秋季風(fēng)向頻率玫瑰圖

由圖4可知，商丘市冬季以N、NNE風(fēng)最多，其頻率為10%；其次NNW風(fēng)較多，其頻率為8%；若將NNW至NNE方向的風(fēng)都稱為偏北風(fēng)，其頻率可達(dá)28%；NW風(fēng)次少，風(fēng)向頻率為4%；WNW、W、SSW風(fēng)最少，風(fēng)向頻率為3%。

春季以SSE風(fēng)最多，其頻率為10%；其次S、SSW風(fēng)較多，其頻率為9%；若將SSE至SSW方向的風(fēng)都稱為偏南風(fēng)，其頻率可達(dá)28%；NW、SSW風(fēng)次少，風(fēng)向頻率為3%；WNW、W風(fēng)最少，風(fēng)向頻率均為2%。

夏季以SSE、ESE風(fēng)最多，其頻率為9%；其次E、SE、S、SSW風(fēng)較 多，其頻率為8%；E至SSW風(fēng)向頻率可達(dá)50%；SSW風(fēng)次少，風(fēng)向頻率為3%；NW、W風(fēng)最少，風(fēng)向頻率均為2%。

秋季以NW、NNE風(fēng)為最多，其頻率為9%；其次SSE風(fēng)較多，其頻率為7%；SW、SSW、NW風(fēng)頻率次少，為3%；W、WNW風(fēng)最少，風(fēng)向頻率為2%。

商丘市春季和夏季均以SSE風(fēng)最多，秋季和冬季均以N、NNE風(fēng)最多，四季均以W風(fēng)最少。

2.2.3 月最多風(fēng)向及頻率統(tǒng)計(jì)1960—2021年商丘市各月最多風(fēng)向和頻率，結(jié)果見表2，分析表明，每年8月至翌年2月，平均以偏北風(fēng)最多，其中2月、8月和9月以NNE風(fēng)最多，1月、10月、11月、12月以N風(fēng)最多；每年3—7月，平均以偏南風(fēng)最多，其中3月、4月、6月以SSE風(fēng)最多。

表2 1960—2021年商丘市各月最多風(fēng)向和頻率

2.3 各風(fēng)向平均風(fēng)速變化

2.3.1 各風(fēng)向年平均風(fēng)速變化繪制1960—2021年商丘市16個(gè)方位的年平均風(fēng)速玫瑰圖（圖5），由圖5可知，NNW風(fēng)向年平均風(fēng)速最大，達(dá)到3.1 m/s，其次SSW風(fēng)向年平均風(fēng)速也較大，為2.9 m/s，NE、SE風(fēng)向年平均風(fēng)速較小均為2.3 m/s，W風(fēng)向年均風(fēng)速最小為2.2 m/s。

圖5 1960—2021年商丘市各風(fēng)向年平均風(fēng)速玫瑰圖

2.3.2 各風(fēng)向季平均風(fēng)速變化繪制1960—2021年商丘市4個(gè)季節(jié)16個(gè)方位的平均風(fēng)速玫瑰圖（圖6），可以看到，冬、春、秋3個(gè)季節(jié)各風(fēng)向的平均風(fēng)速與年平均風(fēng)速分布大致相似，均呈偏北風(fēng)風(fēng)速最大、西風(fēng)風(fēng)速偏小的分布特征；夏季平均風(fēng)速呈西南風(fēng)風(fēng)速偏大、西風(fēng)風(fēng)速偏小的分布特征。商丘市是季風(fēng)氣候，受不同天氣系統(tǒng)影響，來自不同方向的風(fēng)速存在明顯的差異。

圖6 1960—2021年商丘市冬、春、夏、秋季各風(fēng)向平均風(fēng)速玫瑰圖

3 結(jié)束語

商丘市年季月平均風(fēng)速、風(fēng)向頻率、各風(fēng)向平均風(fēng)速分布存在明顯的差異，年季月平均風(fēng)速均呈顯著減少趨勢，減幅寧陵最大，商丘最小，3—4月平均風(fēng)速最大，8—10月平均風(fēng)速最小，空間分布為東南部大、中部較小；年最多風(fēng)向以N、SSE風(fēng)最多，春季和夏季以SSE風(fēng)最多，秋季和冬季以N、NNE風(fēng)最多，四季均以W風(fēng)最少，3—7月偏南風(fēng)最多，8月至翌年2月偏北風(fēng)最多；年平均風(fēng)速NNW風(fēng)向最大，W風(fēng)向最小，冬、春、秋3個(gè)季節(jié)偏北風(fēng)風(fēng)速最大，夏季西南風(fēng)風(fēng)速偏大，四季偏西風(fēng)風(fēng)速最小。