邯郸市近46年风向风速特征分析

李菊香， 田秀霞， 谷永利， 张兴山 ， 郭洪杰

(1.邯郸市气象局，河北 邯郸 056001； 2.河北省气象信息中心，石家庄 050021)

引 言

风和人们的生产生活息息相关，是影响大气污染物扩散的重要因素之一。研究风的变化特征，对科学规划城市布局及大气环境污染治理等都具有十分重要的意义。前人对风的研究已经取得了许多成果。王遵娅等[1]研究了中国1951-2000年平均风速演变趋势，显示全国大部分地区风速都在减小，冬、春季减小趋势最显著。赵宗慈等[2]研究了近50年中国风速减小特征和可能原因，结果表明，1961-2014年地面风速大约以0.18(m/s)/10a的速率减小，且四个季节风速均减小，气候系统内部自然变化是风速减小的主要原因。江滢等[3]对近50年我国风向变化进行了研究，认为大部分地区年最大风向频率呈减小趋势,且最大风向频率对应的风速均呈明显的减小趋势。阎访等[4]分析了石家庄地区春季平均大风日数特征，认为石家庄地区春季大风以4月份居多,且呈减少趋势。徐永清等[5]在对黑龙江依兰风特征的研究中得出“增加排放高度有利于减少城市近地面的大气污染物浓度”的结论。魏文秀等[6]对河北省霾的分布与风速的关系进行了研究，认为年平均风速与霾的频数呈负相关，风速影响污染物扩散。这些研究成果都为了解当地风的特征提供了有价值的参考。邯郸市位于河北省最南端的晋冀鲁豫交界处，市区人口约200万。科学做好城市规划和大气环境治理，都亟须了解邯郸市风的变化特征。而已有的研究成果，多是对其他区域风或风与大气污染关系的研究[7-15]，对邯郸市区风向风速变化特征的研究尚未见报道。

本文采用邯郸国家气象观测站1974-2019年风向风速资料，使用线性趋势分析法[16-17]、EEMD[18-20]和Pettitt[21]、Buishand range[22]及SNHT[23]方法，研究近46年邯郸市的风向风速特征，年、季平均风速和主导风向风速的趋势变化、周期变化，以及风速突变规律等，为邯郸市大气环境治理和城市规划等提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资 料

本文所用资料为邯郸国家气象观测站1974-2019年风向风速资料。其中，1974-2003年为人工观测资料，2004-2019年为自动观测资料。资料来源于河北省气象信息中心，所有数据均经过三级质量控制。平均风速采用2 min平均风速，最大风速为10 min平均风速的最大值，极大风速为 3 s瞬时风速的最大值，大风的标准为瞬时风速≥17.0 m/s。风速的日、月、年平均值，16方位风向频率等，按照《地面气象资料实时统计处理业务规定》进行统计。季节划分采用常规方法：3-5月为春季，6-8月为夏季，9-11月为秋季，12月至次年2月为冬季。

1.2 主要研究方法

利用线性趋势分析方法分析风速的气候变化趋势，并绘出拟合直线，直线斜率用来度量气候倾向率的增减；使用EEMD方法分析风速的周期变化特征；风速突变检验采用Pettitt、Buishand range和SNHT方法综合分析。

1.2.1 EEMD方法

EEMD是经验模态分解(EMD)的改进，其原理是：时间序列由多个时间尺度的振荡波构成，从资料中把固有的本征模态函数(IMF)分量逐级分离出来，得到序列多尺度振荡特征。时间变化序列X(t)可表示为

X(t)=x(t)+ω(t)

(1)

其中,x(t)是加入白噪声后的信号，ω(t)是符合正态分布的小幅度高斯白噪声。利用EMD对X(t)进行分解，得到各阶本征模态分量(IMF)，加入随机白噪声，重复上述过程，X(t)最终分解为

(2)

其中，imfn(t)为各个IMF分量，rm(t)是趋势项。IMF量反映了序列从高频到低频不同时间尺度的波动特征, 趋势项代表序列长期变化趋势。

1.2.2 突变检验方法

突变检验有Pettitt、Buishand range和SNHT三种方法。

(1)Pettitt方法检验统计量的计算公式为

(3)

其中，

式中，KT为检验统计量，Ut,T为构建统计量，Xi、Xj为待检序列i、j时刻值，t为序列长度，T为序列分段步长。

(2)Buishand range方法检验统计量的计算公式为

(4)

(5)

(3)SNHT方法检验统计量的计算公式为

(6)

其中，

定义：三种方法得到的突变点一致且通过显著性检验，即可认为是该序列存在突变点且可信；任意两种方法得到的突变点一致且同时通过信度检验，可以认为突变点的可信度较大；没有经过显著性检验或通过显著性检验但三种方法得到的突变点不一致，则认为突变点不可信；其他情况下突变点的可信度较小。

2 结果与分析

2.1 邯郸市风向风速平均特征

2.1.1 年平均风向和风速频率特征

邯郸市多年平均风向频率中，静风出现频率为10.9%。16方位风向频率玫瑰图(图1a)形状近似呈南北向，S风向频率为18.9%，是年最多风向，次多风向为N风向，频率为14.7%。NNE和SSW风向也是出现频率较高的风向，WSW和W风向出现频率最低。

统计各风向的多年平均风速，绘制各风向平均风速玫瑰图(图1b)。由图1(b)可以看出，各风向的平均风速为1.9～3.2 m/s。出现频率较高的风向为S、N、NNE、SSW，其对应风速为2.9～3.2 m/s，高于其他风向的平均风速。即邯郸市以S和 N风向为主导风向，主导风向的平均风速较大。

图1 1974-2019年邯郸市风向频率(a)和平均风速(b)玫瑰图

2.1.2 风的日、月和季节变化特征

统计2004-2019年逐时平均风速，绘制风速日变化图(图 2a)。由图 2(a)可见，逐时风速变化呈单峰形态，08时后风速逐渐增大，14-16时风速达到3.0 m/s左右，是一日中风速最大的时段。17时后风速快速减小，21时至次日08时风速保持在2.1 m/s以下，凌晨03-06时是一日中风速最小的时段。统计逐时各风向出现频率发现，邯郸市风向有明显的日变化特征：03-10时N风向频率高于S风向频率，其他时段S风向为最多风向。其中06-08时N风向频率达20%以上，17-19时S风向频率超过25%。

风速的月变化呈单峰形状(图 2b)，3-5月风速在3.0 m/s以上，其中4月平均风速最高，从6月开始风速明显减小，8月至次年1月风速为2.0～2.1 m/s，为一年中风速较小的时段。分析各月最多和次多风向频率和对应风速(表 1)可以看出，风向的月变化明显，3-7月S风向为最多风向，其中4-6月次多风向均为SSW，S和SSW风向的频率高且风速大。8月开始，S风频率明显减小，N风频率逐渐增大，11月至次年2月N为最多风向，但与次多风向S的频率和风速相差不大，这一时期N风相对强盛。

表1 1974-2019年邯郸市月平均风速及月最多、次多风向、频率及平均风速

图2 2004-2019年邯郸市平均风速日变化(a)和1974-2019年邯郸市平均风速月变化(b)

一年中，春季平均风速最大,为3.1 m/s；夏季的次之，为2.4 m/s；秋、冬季风速相差不大，平均风速为2.1-2.2 m/s。春、夏、秋三季均以S风为主导风向，N风为冬季的主导风向。

2.1.3 风的极值特征

邯郸市近46年年最大风速平均值为12.7 m/s,历史最大值为19.0 m/s,出现在1980年7月24日。最大风速的风向多为N和NNE风向(两风向出现频率之和为54.6%)。年最大风速出现在4月的频率为36.4%，远高于其他月份出现频率；其次是3月和7月，出现频率均为13.6%。这与邯郸市春季多风、夏季多强对流性天气的季风性气候特征相吻合[24]。

年最大风速在一天中各个时间段均有出现，15-16时是最大风速频率最高的时段，年最大风速的各时频率曲线与风速日变化曲线形态基本一致。

邯郸市平均大风日数为5.7天，近46年大风日数呈现减少趋势(气候倾向率为-1.73天/10a)。2004年风由人工观测改为自动观测，增加了极大风速记录。2004-2019年极大风速平均值为18.7 m/s，比同期最大风速平均值偏大8.0 m/s。极大风速的极大值为2010年4月26日的24.3 m/s，比当日最大风速高10.7 m/s。极大风速的出现时间、对应风向特征等与最大风速特征基本相同。

2.2 邯郸市风的趋势特征

2.2.1 年、季平均风速趋势

邯郸市年平均风速为2.4 m/s,标准差为0.3 m/s，风速的变差系数为0.12，年平均风速代表性较好，数据较稳定。从邯郸市历年平均风速变化(图3)可以看出，历年平均风速最大值为3.1 m/s，出现在1976年；历年平均风速最小值为1.8 m/s，出现在2017年和2019年。拟合年平均风速变化趋势线，得到年平均风速的气候变化倾向率为-0.18(m/s)/10a。邯郸市年平均风速呈减小趋势，且在α=0.01水平上显著，近46年邯郸市年平均风速减小了约0.8 m/s。多项式拟合曲线显示，邯郸市年平均风速减小主要发生在1984-1991年和2005年之后。

图3中年代平均值曲线显示，20世纪80年代平均风速比70年代减小了0.3 m/s；而90年代和21世纪前10年平均风速下降又回升，波动幅度仅有0.1 m/s；21世纪10年代至今，平均风速大幅减小，比00年代减小了0.5 m/s。

图3 1974-2019年邯郸市年平均风速和年代平均风速

对春、夏、秋、冬四季平均风速做线性拟合(图4)发现，春季平均风速减小最快，气候倾向率达到-0.22(m/s)/10a，春季的风速减小对年平均风速的减小贡献最大。夏、秋、冬三季平均风速减小速率差异不大，气候变化倾向率为-0.15～-0.17 (m/s)/10a，冬季的略快于夏秋两季的。春季风速的趋势系数为-0.707，夏、秋、冬三季的趋势系数为-0.594～-0.678，均通过了α=0.01的显著性检验，四季平均风速下降趋势显著。

图4 1974-2019年邯郸市春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)四季平均风速和年代平均风速

四季平均风速的年代际曲线显示，春、夏、秋、冬四季风速减小均出现在两个年代，一是20世纪80年代，风速比70年代减小了0.2～0.4 m/s，其中春季和冬季减小幅度较大；二是21世纪10年代至今，四季平均风速较上一年代减小了0.4～0.6 m/s，其中春季和夏季平均风速减小幅度较大。20世纪90年代和21世纪00年代，四季风速均仅有微小的波动。

2.2.2 主导风向平均风速趋势

主导风向S和N平均风速的年气候倾向率、趋势系数统计结果(表2)表明，S风速的年气候倾向率为-0.24(m/s)/10a，趋势系数-0.708。通过了α=0.01的显著性检验，S风速减小趋势显著；N风速年气候倾向率为-0.43(m/s)/10a，趋势系数-0.854通过了α=0.01的显著性检验，N风速减小趋势显著。与S风速相比，N风速减小速率偏高0.19(m/s)/10a，且S和N风速的减小速率均高于年平均风速的减小速率。

从S和N风速的年代际差值(表2)可以看出，S和N风速的年代际变化有所不同。S风速减小主要出现在20世纪80年代和21世纪10年代两个时段，20世纪90年代到21世纪00年代，平均风速呈现微降又回升的小幅波动。N风速20世纪80年代与70年代相比无变化，从90年代开始，平均风速逐年代持续减小，21世纪10年代平均风速减小幅度最大，达到0.8 m/s。

表2 1974-2019年邯郸市主导风向S、N风速气候倾向率、趋势系数和年代际风速差值

2.3 邯郸市风的周期特征

2.3.1 年平均风速周期特征

对邯郸市年平均风速序列运用EEMD 分解, 得到4个IMF分量(图 5a-d)和一个趋势项RES (图5e)。IMF各分量反映了风速从高频到低频不同时间尺度的波动特征, 趋势项代表风速随时间的长期变化趋势，近46年年平均风速趋势项显示邯郸市年平均风速呈减小趋势。

图5 1974-2019年邯郸市年平均风速EEMD分解的4个IMF分量(a-d)和趋势项RES(e)的年变化

IMF1分量表明平均风速在年际尺度上有准3 a的周期波动，方差贡献率为29.4%，振荡信号较为明显；IMF2分量表明平均风速在年际尺度上有准7 a的周期，方差贡献率低，信号不明显；IMF3分量的准23 a周期方差贡献率达43.2%，振荡信号极为明显；IMF4分量的准31 a周期波动方差贡献也较小，信号不明显。综上，邯郸市年平均风速存在两个固有时间尺度变化周期，即年际尺度和年代际尺度变化周期，其中年际尺度以准3 a的周期波动为主,年代际变化周期以准23 a为主。

2.3.2 四季和主导风向平均风速的周期特征

对四季和S、N风向的平均风速做EEMD分解，均得到4个IMF分量和一个趋势项(图略)。四季和主导风向的风速趋势项均为负值，风速均呈下降趋势。分析各阶分量的周期和方差贡献(表3)可以看出，四季平均风速第一分量IMF1年际变化周期均为准3 a周期，方差贡献率均在32%以上，准3 a的年际变化周期极为明显；第二分量为准7 a周期，方差贡献率较小，周期信号不明显；第三分量夏季准23 a周期信号明显；第四分量春、冬季准31 a年代际周期信号明显。S和N风速准3 a年际周期明显，年代际周期S风速为准18 a、N风速为准31 a周期。

表3 1974-2019年邯郸市四季和主导风向平均风速各IMF分量周期和方差贡献

2.4 邯郸市风的突变检验

做突变检验时，多种方法同时使用，可以相互验证突变点真伪，增强突变点分析效果。采用Pettitt、Buishand range、SNHT三种方法，对邯郸市年、季平均风速及主导风向的风速进行突变检验，结果见表4。

表4 1974-2019年邯郸市年、季、主导风向平均风速突变检验

年平均风速的三种检验方法得到的P值均小于0.01，检验统计量均通过了99%置信水平的检验，Pettitt、Buishand range检出的突变年为1988年，但SNHT检出的突变年为2011年，三种方法中两种方法检验结果一致且通过了信度检验，年平均风速在1988年发生突变的可信度较高。

四季平均风速突变检验中，三种方法的P值也均通过了99%置信水平的检验，春、夏、秋季Pettitt、Buishand range检出的突变年份一致，但与SNHT检出的突变年份不一致，冬季三种方法检出的突变年份基本一致(SNHT检出的突变年份1987年与另外两种方法检出的1988年仅相差一年)。综合检验结果，春、夏、秋三季突变点出现在1988年、2007年、2007年的可信度较高，冬季平均风速的突变年份在1988年可信。

S和N风速三种方法检出的突变年份基本一致(S风向Buishand range检出的突变年份2006年与另外两种方法检出的突变年份2007年仅相差一年)，P值均通过了99%置信水平的检验，认为S和N平均风速的突变年分别出现在2007年和2004年可信。

综上，年平均风速在1988年发生突变，冬、春季风速突变年为1988年，夏、秋季风速突变年为2007年。S和N平均风速的突变年分别为2007年和2004年。

3 结论与讨论

(1)邯郸市以S、N风向为主导风向，其次是SSW、NNE风向，频率高的风向平均风速也较大。一天中14-16时风速最大，03-06时风速最小。03-10时N风向频率高于S风向频率，其他时段S为最多风向。一年中，春季风速最大，夏季的次之；春、夏、秋季S风为主导风向，N风为冬季的主导风向。年最大风速的风向多为N和NNE风向，最大风速出现在4月的频率最高，年最大风速经常出现在15-16时，极大风速比同期最大风速平均偏大8.0 m/s。

(2)邯郸市多年平均风速为2.4 m/s,年平均风速的气候变化倾向率为-0.18(m/s)/10a，年平均风速减小显著。四季风速均呈显著减小趋势，其中春季平均风速减小最快。风速减小主要出现在20世纪80年代和21世纪10年代至今，S和N风速减少速率高于年平均风速的减少速率。

(3)邯郸市平均风速的年际变化以准3 a的周期波动为主,年代际周期以准23 a为主。四季和主导风向的风速准3 a年际周期明显，年代际周期夏季风速为准23 a、春季和冬季风速为准31 a、S风速为准18 a、N风速为准31 a。年平均风速在1988年发生突变。冬、春季风速突变年为1988年，夏、秋季风速突变年为2007年。S和N平均风速的突变年分别为2007年和2004年。

致谢：本文得到河北省气象科学研究所魏瑞江正研的悉心指导，特此致谢！