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        邯鄲市近46年風向風速特征分析

        2021-08-27 02:26:12李菊香田秀霞谷永利張興山郭洪杰
        氣象與環(huán)境科學 2021年4期
        關鍵詞:風速趨勢特征

        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(chǎn)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(guī)劃城市布局及大氣環(huán)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(jīng)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(qū)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(jié)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(jié)風速均減小,氣候系統(tǒng)內(nèi)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(qū)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(qū)春季平均大風日數(shù)特征,認為石家莊地區(qū)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(jié)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(shù)呈負相關,風速影響污染物擴散。這些研究成果都為了解當?shù)仫L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(qū)人口約200萬??茖W做好城市規(guī)劃和大氣環(huán)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(qū)域風或風與大氣污染關系的研究[7-15],對邯鄲市區(qū)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(guī)律等,為邯鄲市大氣環(huán)境治理和城市規(guī)劃等提供科學依據(jù)。

        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(shù)據(jù)均經(jīng)過三級質(zhì)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(tǒng)計處理業(yè)務規(guī)定》進行統(tǒng)計。季節(jié)劃分采用常規(guī)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(jīng)驗模態(tài)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(tài)函數(shù)(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(tài)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(tài)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(tǒng)計量的計算公式為

        (3)

        其中,

        式中,KT為檢驗統(tǒng)計量,Ut,T為構建統(tǒng)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(tǒng)計量的計算公式為

        (4)

        (5)

        (3)SNHT方法檢驗統(tǒng)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(jīng)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)頻率較高的風向,WSW和W風向出現(xiàn)頻率最低。

        統(tǒng)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(xiàn)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(jié)變化特征

        統(tǒng)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(tài),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(tǒng)計逐時各風向出現(xiàn)頻率發(fā)現(xiàn),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(xiàn)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(xiàn)頻率之和為54.6%)。年最大風速出現(xiàn)在4月的頻率為36.4%,遠高于其他月份出現(xiàn)頻率;其次是3月和7月,出現(xiàn)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(xiàn),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(tài)基本一致。

        邯鄲市平均大風日數(shù)為5.7天,近46年大風日數(shù)呈現(xiàn)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(xiàn)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(shù)為0.12,年平均風速代表性較好,數(shù)據(jù)較穩(wěn)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(xiàn)在1976年;歷年平均風速最小值為1.8 m/s,出現(xiàn)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(fā)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(fā)現(xiàn),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(shù)為-0.707,夏、秋、冬三季的趨勢系數(shù)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(xiàn)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(shù)統(tǒng)計結(jié)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(shù)-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(shù)-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(xiàn)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(xiàn)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(xù)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(shù)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?zhèn)?,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(jié)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(tǒng)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(jié)果一致且通過了信度檢驗,年平均風速在1988年發(fā)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(jié)果,春、夏、秋三季突變點出現(xiàn)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(xiàn)在2007年和2004年可信。

        綜上,年平均風速在1988年發(fā)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(jié)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(xiàn)在4月的頻率最高,年最大風速經(jīng)常出現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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!

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