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(fēng)和人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，是影響大氣污染物擴(kuò)散的重要因素之一。研究風(fēng)的變化特征，對科學(xué)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(fēng)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(fēng)速演變趨勢，顯示全國大部分地區(qū)風(fēng)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(fēng)速減小特征和可能原因，結(jié)果表明，1961-2014年地面風(fēng)速大約以0.18(m/s)/10a的速率減小，且四個季節(jié)風(fēng)速均減小，氣候系統(tǒng)內(nèi)部自然變化是風(fēng)速減小的主要原因。江瀅等[3]對近50年我國風(fēng)向變化進(jìn)行了研究，認(rèn)為大部分地區(qū)年最大風(fēng)向頻率呈減小趨勢,且最大風(fēng)向頻率對應(yīng)的風(fēng)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(fēng)日數(shù)特征，認(rèn)為石家莊地區(qū)春季大風(fēng)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(fēng)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(fēng)速的關(guān)系進(jìn)行了研究，認(rèn)為年平均風(fēng)速與霾的頻數(shù)呈負(fù)相關(guān)，風(fēng)速影響污染物擴(kuò)散。這些研究成果都為了解當(dāng)?shù)仫L(fēng)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。科學(xué)做好城市規(guī)劃和大氣環(huán)境治理，都亟須了解邯鄲市風(fēng)的變化特征。而已有的研究成果，多是對其他區(qū)域風(fēng)或風(fēng)與大氣污染關(guān)系的研究[7-15]，對邯鄲市區(qū)風(fēng)向風(fēng)速變化特征的研究尚未見報(bào)道。

本文采用邯鄲國家氣象觀測站1974-2019年風(fēng)向風(fēng)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(fēng)向風(fēng)速特征，年、季平均風(fēng)速和主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速的趨勢變化、周期變化，以及風(fēng)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(xué)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(fēng)向風(fēng)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(fēng)速采用2 min平均風(fēng)速，最大風(fēng)速為10 min平均風(fēng)速的最大值，極大風(fēng)速為 3 s瞬時風(fēng)速的最大值，大風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)為瞬時風(fēng)速≥17.0 m/s。風(fēng)速的日、月、年平均值，16方位風(fēng)向頻率等，按照《地面氣象資料實(shí)時統(tǒng)計(jì)處理業(yè)務(wù)規(guī)定》進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。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(fēng)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(fēng)速的周期變化特征；風(fēng)速突變檢驗(yàn)采用Pettitt、Buishand range和SNHT方法綜合分析。

1.2.1 EEMD方法

EEMD是經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)的改進(jìn)，其原理是：時間序列由多個時間尺度的振蕩波構(gòu)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(jìn)行分解，得到各階本征模態(tài)分量(IMF)，加入隨機(jī)白噪聲，重復(fù)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(xiàng)。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(xiàng)代表序列長期變化趨勢。

1.2.2 突變檢驗(yàn)方法

突變檢驗(yàn)有Pettitt、Buishand range和SNHT三種方法。

(1)Pettitt方法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算公式為

(3)

其中，

式中，KT為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，Ut,T為構(gòu)建統(tǒng)計(jì)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(yàn)統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算公式為

(4)

(5)

(3)SNHT方法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算公式為

(6)

其中，

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

2 結(jié)果與分析

2.1 邯鄲市風(fēng)向風(fēng)速平均特征

2.1.1 年平均風(fēng)向和風(fēng)速頻率特征

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

統(tǒng)計(jì)各風(fēng)向的多年平均風(fēng)速，繪制各風(fēng)向平均風(fēng)速玫瑰圖(圖1b)。由圖1(b)可以看出，各風(fēng)向的平均風(fēng)速為1.9～3.2 m/s。出現(xiàn)頻率較高的風(fēng)向?yàn)镾、N、NNE、SSW，其對應(yīng)風(fēng)速為2.9～3.2 m/s，高于其他風(fēng)向的平均風(fēng)速。即邯鄲市以S和 N風(fēng)向?yàn)橹鲗?dǎo)風(fēng)向，主導(dǎo)風(fēng)向的平均風(fēng)速較大。

圖1 1974-2019年邯鄲市風(fēng)向頻率(a)和平均風(fēng)速(b)玫瑰圖

2.1.2 風(fēng)的日、月和季節(jié)變化特征

統(tǒng)計(jì)2004-2019年逐時平均風(fēng)速，繪制風(fēng)速日變化圖(圖 2a)。由圖 2(a)可見，逐時風(fēng)速變化呈單峰形態(tài)，08時后風(fēng)速逐漸增大，14-16時風(fēng)速達(dá)到3.0 m/s左右，是一日中風(fēng)速最大的時段。17時后風(fēng)速快速減小，21時至次日08時風(fēng)速保持在2.1 m/s以下，凌晨03-06時是一日中風(fēng)速最小的時段。統(tǒng)計(jì)逐時各風(fēng)向出現(xiàn)頻率發(fā)現(xiàn)，邯鄲市風(fēng)向有明顯的日變化特征：03-10時N風(fēng)向頻率高于S風(fēng)向頻率，其他時段S風(fēng)向?yàn)樽疃囡L(fēng)向。其中06-08時N風(fēng)向頻率達(dá)20%以上，17-19時S風(fēng)向頻率超過25%。

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

表1 1974-2019年邯鄲市月平均風(fēng)速及月最多、次多風(fēng)向、頻率及平均風(fēng)速

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

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

2.1.3 風(fēng)的極值特征

邯鄲市近46年年最大風(fēng)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(fēng)速的風(fēng)向多為N和NNE風(fēng)向(兩風(fēng)向出現(xiàn)頻率之和為54.6%)。年最大風(fēng)速出現(xiàn)在4月的頻率為36.4%，遠(yuǎn)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(fēng)、夏季多強(qiáng)對流性天氣的季風(fēng)性氣候特征相吻合[24]。

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

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

2.2 邯鄲市風(fēng)的趨勢特征

2.2.1 年、季平均風(fēng)速趨勢

邯鄲市年平均風(fēng)速為2.4 m/s,標(biāo)準(zhǔn)差為0.3 m/s，風(fēng)速的變差系數(shù)為0.12，年平均風(fēng)速代表性較好，數(shù)據(jù)較穩(wěn)定。從邯鄲市歷年平均風(fēng)速變化(圖3)可以看出，歷年平均風(fēng)速最大值為3.1 m/s，出現(xiàn)在1976年；歷年平均風(fēng)速最小值為1.8 m/s，出現(xiàn)在2017年和2019年。擬合年平均風(fēng)速變化趨勢線，得到年平均風(fēng)速的氣候變化傾向率為-0.18(m/s)/10a。邯鄲市年平均風(fēng)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(fēng)速減小了約0.8 m/s。多項(xiàng)式擬合曲線顯示，邯鄲市年平均風(fēng)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(jì)80年代平均風(fēng)速比70年代減小了0.3 m/s；而90年代和21世紀(jì)前10年平均風(fēng)速下降又回升，波動幅度僅有0.1 m/s；21世紀(jì)10年代至今，平均風(fēng)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(fēng)速和年代平均風(fēng)速

對春、夏、秋、冬四季平均風(fēng)速做線性擬合(圖4)發(fā)現(xiàn)，春季平均風(fēng)速減小最快，氣候傾向率達(dá)到-0.22(m/s)/10a，春季的風(fēng)速減小對年平均風(fēng)速的減小貢獻(xiàn)最大。夏、秋、冬三季平均風(fēng)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(fēng)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(yàn)，四季平均風(fēng)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(fēng)速和年代平均風(fēng)速

四季平均風(fēng)速的年代際曲線顯示，春、夏、秋、冬四季風(fēng)速減小均出現(xiàn)在兩個年代，一是20世紀(jì)80年代，風(fēng)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(jì)10年代至今，四季平均風(fēng)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(fēng)速減小幅度較大。20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)00年代，四季風(fēng)速均僅有微小的波動。

2.2.2 主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速趨勢

主導(dǎo)風(fēng)向S和N平均風(fēng)速的年氣候傾向率、趨勢系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)表明，S風(fēng)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(yàn)，S風(fēng)速減小趨勢顯著；N風(fēng)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(yàn)，N風(fēng)速減小趨勢顯著。與S風(fēng)速相比，N風(fēng)速減小速率偏高0.19(m/s)/10a，且S和N風(fēng)速的減小速率均高于年平均風(fēng)速的減小速率。

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

表2 1974-2019年邯鄲市主導(dǎo)風(fēng)向S、N風(fēng)速氣候傾向率、趨勢系數(shù)和年代際風(fēng)速差值

2.3 邯鄲市風(fēng)的周期特征

2.3.1 年平均風(fēng)速周期特征

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

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

IMF1分量表明平均風(fēng)速在年際尺度上有準(zhǔn)3 a的周期波動，方差貢獻(xiàn)率為29.4%，振蕩信號較為明顯；IMF2分量表明平均風(fēng)速在年際尺度上有準(zhǔn)7 a的周期，方差貢獻(xiàn)率低，信號不明顯；IMF3分量的準(zhǔn)23 a周期方差貢獻(xiàn)率達(dá)43.2%，振蕩信號極為明顯；IMF4分量的準(zhǔn)31 a周期波動方差貢獻(xiàn)也較小，信號不明顯。綜上，邯鄲市年平均風(fēng)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(zhǔn)3 a的周期波動為主,年代際變化周期以準(zhǔn)23 a為主。

2.3.2 四季和主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速的周期特征

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

表3 1974-2019年邯鄲市四季和主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速各IMF分量周期和方差貢獻(xiàn)

2.4 邯鄲市風(fēng)的突變檢驗(yàn)

做突變檢驗(yàn)時，多種方法同時使用，可以相互驗(yàn)證突變點(diǎn)真?zhèn)危鰪?qiáng)突變點(diǎn)分析效果。采用Pettitt、Buishand range、SNHT三種方法，對邯鄲市年、季平均風(fēng)速及主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)速進(jìn)行突變檢驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 1974-2019年邯鄲市年、季、主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速突變檢驗(yàn)

年平均風(fēng)速的三種檢驗(yàn)方法得到的P值均小于0.01，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量均通過了99%置信水平的檢驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果一致且通過了信度檢驗(yàn)，年平均風(fēng)速在1988年發(fā)生突變的可信度較高。

四季平均風(fēng)速突變檢驗(yàn)中，三種方法的P值也均通過了99%置信水平的檢驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果，春、夏、秋三季突變點(diǎn)出現(xiàn)在1988年、2007年、2007年的可信度較高，冬季平均風(fēng)速的突變年份在1988年可信。

S和N風(fēng)速三種方法檢出的突變年份基本一致(S風(fēng)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(yàn)，認(rèn)為S和N平均風(fēng)速的突變年分別出現(xiàn)在2007年和2004年可信。

綜上，年平均風(fēng)速在1988年發(fā)生突變，冬、春季風(fēng)速突變年為1988年，夏、秋季風(fēng)速突變年為2007年。S和N平均風(fēng)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(fēng)向?yàn)橹鲗?dǎo)風(fēng)向，其次是SSW、NNE風(fēng)向，頻率高的風(fēng)向平均風(fēng)速也較大。一天中14-16時風(fēng)速最大，03-06時風(fēng)速最小。03-10時N風(fēng)向頻率高于S風(fēng)向頻率，其他時段S為最多風(fēng)向。一年中，春季風(fēng)速最大，夏季的次之；春、夏、秋季S風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，N風(fēng)為冬季的主導(dǎo)風(fēng)向。年最大風(fēng)速的風(fēng)向多為N和NNE風(fēng)向，最大風(fēng)速出現(xiàn)在4月的頻率最高，年最大風(fēng)速經(jīng)常出現(xiàn)在15-16時，極大風(fēng)速比同期最大風(fēng)速平均偏大8.0 m/s。

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

(3)邯鄲市平均風(fēng)速的年際變化以準(zhǔn)3 a的周期波動為主,年代際周期以準(zhǔn)23 a為主。四季和主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)速準(zhǔn)3 a年際周期明顯，年代際周期夏季風(fēng)速為準(zhǔn)23 a、春季和冬季風(fēng)速為準(zhǔn)31 a、S風(fēng)速為準(zhǔn)18 a、N風(fēng)速為準(zhǔn)31 a。年平均風(fēng)速在1988年發(fā)生突變。冬、春季風(fēng)速突變年為1988年，夏、秋季風(fēng)速突變年為2007年。S和N平均風(fēng)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(xué)研究所魏瑞江正研的悉心指導(dǎo)，特此致謝！