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！