1980—2015年廊坊市风的气候变化特征分析

刘小雪 郭立平 周玉都 王梦 李娜

摘要 利用1980—2015年河北省廊坊市9个气象观测站逐日风速、风向数据，采用线性回归分析和M-K突变检验等方法，分析了近36年廊坊市主导风向和平均风速的气候变化特征。结果表明，廊坊市南部地区平均风速略大于北部和中部地区；全市平均风速以0.162 m/（s·10年）的速率递减，并以小风（风力0～2级）日数增加和风力3级以上日数减少为主要表现特征；北部和南部地区逐年平均风速未出现显著突变，而中部地区平均风速在1985年发生突变；各县主导风向因其地理位置呈现不同特征，北部地区常年主导风向以西北风和偏东风为主，中部地区以偏北风和西南风为主，南部地区主导风向以偏南风或西南风为主；全市静风出现的频率呈下降趋势，北部地区主导风向由西北风转为东风，中部地区主导风向由南风转为西南风，南部地区主导风向由西南风转为南风。

关键词 平均风速；M-K检验；主导风向；气候变化特征；河北廊坊；1980—2015年

中图分类号 P425.4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）04-0175-04

Abstract In this paper，based on the data of wind speed and direction of 9 counties in Langfang City from 1980 to 2015，the temporal and spatial climate change characteristics were analyzed using methods of linear regression analysis and M-K test.The results showed that the average wind speed of south Langfang City was slightly higher than the central area and north area.The decadal decline rate of average wind speed was 0.162 m/s，increase of Level 0-2 wind days and the reduction of days above Level 3 were the main characteristics of the wind.There was no significant sudden change of annual average wind speed in north or south area，but there was annual average wind speed of central area sudden changed in 1985.The characteristics of dominant wind direction varied from county to county due to the various geographical positions.The main dominant wind direction was northwest and east in north area，north and southwest in central area，south and southwest in south area.The frequency of static wind was on the decline.The main dominant wind direction in north area turned from northwest to the east，that in central area turned from south to southwest，and that in south area turned from southwest to south.

Key words average wind speed；M-K test；dominant wind direction；climatic characteristic；Langfang Hebei；1980-2015

风是重要的气象要素之一，主要受大氣环流形势、地表摩擦、地形等因素影响。地面风速和风向的观测对于城市建设、空气污染扩散、风资源利用等均具有重要现实意义。近年来，众多学者的研究结果显示，全国大部分台站多年风速呈显著减弱趋势[1-4]。风向的分布除受大尺度环流背景的影响外，地形地貌和观测环境对其影响也较大[5-6]。廊坊市境内地貌差异性较大，北部地区地势较高，为燕山南侧余脉，北高南低，中、南部为平原地区，受其影响，风向和风速往往呈现出不同特点。因此，对廊坊市9个县近36年风向、风速的气候特征进行细致分析，掌握其变化规律，对地面风的预报和气象服务有参考意义。

1 研究资料与分析方法

本文选取廊坊市1980—2015年9个自动气象观测站逐日2：00、8：00、14：00和20：00的10 m高度的风速和风向数据，月、季和年平均风速分别是取对应日数、对应月份的平均值，月和年风向频数是取每日4次风向的累计值，频率为某一风向频数占总风向频数的百分比。分析中用Mann-Kendall突变检验方法进行分析。

2 风速变化特征分析

2.1 平均风速的变化特征

廊坊市地处东亚季风区，属于暖温带半干旱半湿润季风气候。统计分析发现，廊坊市多年平均风速为1.92 m/s（2级风，蒲福风级等级标准，下同），北部地区（三河市、大厂回族自治县和香河县）平均风速为1.87 m/s，中部地区（廊坊市区、固安县和永清县）和南部地区（包括霸州市、文安县和大城县）平均风速分别为1.8 m/s和2.1 m/s。其中，最大平均风速出现在大城县，为2.3 m/s；最小值出现在固安县，为1.6 m/s。总体来看，廊坊市南部地区平均风速略大于北部地区和中部地区。

进一步分析各气象站逐年平均风速（图1），可以看出，随着时间变化，全市平均风速呈现逐年减小的趋势，风速以0.162 m/（s·10年）的速率递减，回归系数为0.557 4，见图1（a）。

选择1980年之后一直未迁站的气象观测站点作为代表站点，见图1（b），即三河市（54520）、香河县（54521）、廊坊市区（54515）和大城县（54613），分别计算其风速趋势变化。可以看出，三河气象站平均风速趋势变化为-0.084 m/（s·10年），在-0.1～0.1 m/（s·10年）范围内，可以视为无明显趋势变化；其他3个观测站点平均风速随时间推移均有不同程度的下降，平均风速递减率香河气象站为0.183 m/（s·10年）、廊坊市区为0.189 m/（s·10年）、大城县为0.308 m/（s·10年）。纵观廊坊全市，南部地区风速递减速率要明显大于中部和北部地区。

多年季平均风速分布见图2（a），可以看出，一年中春季（3—5月）平均风速最大，为2.5 m/s；秋季（9—11月）平均风速最小，为1.6 m/s；而夏季和冬季的平均风速处于中间值，其中冬季平均风速略大于夏季。逐月平均风速呈现波动变化，波峰出现在4月，全市平均风速为2.6 m/s；波谷出现在8月，平均风速为1.4 m/s。

四季平均风速的年际变化，见图2（b），可以看出，各季节的平均风速随时间的推移均呈现波动下降的趋势，下降趋势均不显著；风速递减速率春季为0.212 m/（s·10年）（R2=0.467 5），夏季为0.144 m/（s·10年）（R2=0.552 8），秋季为0.14 m/（s·10年）（R2=0.527 1），冬季为0.152 m/（s·10年）（R2=0.346 6），春季风速下降的幅度最大。

2.2 平均风速的突变特征分析

用Mann-Kendall突变检验方法对廊坊市9个气象观测站1980—2015年逐年平均风速进行突变检验分析，以临界值±1.96为信度0.05的显著水平。在M-K检验中，统计量在这2条平行线内有交叉点，即检验序列在该交叉点处出现突变，有几个交叉点就代表有几次突变。为了分析廊坊市突变发生的区域特点，分别统计北部、中部和南部的风速平均值作为新的风速，进行突变检验（图3）。

从全市突变分析结果来看，廊坊市全市平均风速随时间推移呈持续递减的趋势，UF和UB 2条曲线交点<-2，不在显著水平内，即全市平均风速没有出现显著突变。北部地区和南部地区也未出现显著突变；中部地区在1985年发生显著突变，平均风速在1986年之后下降显著。

从表1各气象观测站的突变检验结果中可以看出，香河县和大城县未出现显著突变，其余各市县均出现显著突变。其中，三河市和霸州市出现多个突变点，其余各气象观测站均只出现1个突变点。从突变发生年份来看，突变发生在20世纪80年代中期较多，1983—1986年共4站次，出现在中部和北部的大厂回族自治县；1993年、2006年各出现1次；2010年之后（2011—2014年）共发生3站次，分别是三河市2011年和2014年2次突变，霸州市2013年突变。此次霸州市风速突变的时间与其气象观测站点迁站时间相对应，因而霸州市风速发生突变有一部分原因是由站点迁移造成的。

2.3 各等级风速年日数变化特征

从资源利用和环境保护的角度出发，本文将风速分为3个等级，分别统计各代表站点风速≤3.3 m/s（0～2级）、3.4 m/s≤风速<8.0 m/s（3～4级）、风速≥8.0 m/s（5级以上）3个区间内的年平均风速出现日数，分析其时间变化规律。

图4是4个气象代表站点逐年平均风速在3个风速区间内出现日数以及各县逐年平均日数随时间的变化曲线。可以看出，平均风速≤3.3 m/s的年日数随时间的推移呈明显增多趋势，4个站平均日数以1.78 d/年的速率增加（R2=0.769 4，通过α=0.05的显著性检验）。其中，大城县递增速率最快，为2.92 d/年；三河市递增速率最慢，为0.84 d/年。3.4 m/s≤风速<8.0 m/s范围内多年风日数呈显著下降趋势，3～4级风以1.71 d/年的速率减少（R2=0.729 6，通过α=0.05的显著性檢验）。同样，大城县平均风速在[3.4，8）区间出现的总日数呈显著的下降趋势，三河市3～4级风速日数递减趋势不明显。由于廊坊市处于华北平原地区，本地平均风速 ≥8.0 m/s的日数出现较少，自2002年之后，5级以上平均风速出现次数为0，整体呈减少趋势。因此，廊坊市逐年平均风速减小的主要表现特征是0～2级风日数增加以及3级风速以上的风日数减少。有研究表明，小风日数增加、平均风速偏小是造成廊坊市大气污染物扩散条件不利的原因之一[7]。

3 主导风向特征及变化特征

3.1 各县多年主导风向特征分析

选取1980—2015年廊坊市9个观测站8：00、14：00、20：00和2：00的风向数据资料，以4次风向为日风向，分别统计各县多年16个风向方位发生的频率，并分析其主导风向。

结果表明，廊坊市9个县市除文安县和大城县外，其余各县静风出现频率均为最高，其中固安县静风比例最高，为26.6%；文安县最小，为9.3%。各县主导风向分布不一致，北部三河市主导风向为东风（13.3%），大厂回族自治县主导风向为东南东风（9.0%），香河县主导风向为西北风（7.8%）；中部廊坊市区主导风向为北北西风（7.3%），固安县为南风（7.8%）；永清为北北东风（7.6%），霸州市南南西风（9.2%）；南部文安县为南南西风（11.5%）、大城县南风（11%）。

3.2 风向年代变化规律

按年代分析风向的变化规律，图5是4个方位风向出现频率为90°角范围内风向频率的总和。可以看出，廊坊全市静风出现的频率整体呈下降趋势，其中20世纪90年代（1990—1999年）静风出现频率存在波峰，之后显著减少。

由图5（a）可以看出，北部地区的主导风向为偏北风和偏东风，偏南风出现的频率最低，其中偏东风出现频率随时间推移有明显增加趋势（相关系数R2=0.603 1），其他3个方位风向频率变化不显著。由图5（d）可以看出，偏东风的增加主要表现在东北东风和东风的增加，而东南东风出现频率随时间推移略有减少，东南风出现频率随时间推移变化不大。总体而言，北部地区主导风向由20世纪90年代的西北风转为东风。

由图5（b）可以看出，中部地区主导风向为偏北风和偏南风，偏西风出现的频率最低，偏北风和偏南风多年频率没有显著变化，而偏东风和偏西风有显著增加趋势，相关系数分别为0.759 6和0.754 7。由图5（e）可以看出，偏东风的增加在5个方向角上均有体现，偏西风的增加主要体现在西南西风的增加。总体而言，中部地区主导风向由南风转为西南风。

由图5（c）可以看出，南部地区主导风向为偏南风，其静风风频下降趋势较中北部地区略缓慢，除静风外，各方位风向频率变化均不显著。由图5（f）可以看出，各个方位角风向出现的频率随时间推移呈波动变化，除静风明显下降外，其他方位风向均变化不明显。南部地区主导风向由西南风转为南风。

4 结论

（1）廊坊市南部地区多年平均风速略大于北部和中部；全市平均风速以0.162 m/（s·10年）的速率递减，并以0～2级风日数增加和3级风速以上的风日数减少为主要表现特征。

（2）经M-K突变检验发现廊坊北部和南部没有显著突变点，而中部平均风速只在1985年发生突变；各县突变检验结果为多数市县只出现1个突变点，从突变发生年份来看，突变多发生在20世纪80年代中期。

（3）受地理位置影响，廊坊北部、中部和南部地区主导风向有所差别，北部常年主导风向以西北风和偏东风为主，中部以偏北风和西南风为主，南部地区主导风向以偏南风或西南风为主。

（4）廊坊市全市静风出现频率整体呈下降趋势，北部偏东风出现频率显著增加，主导风向由20世纪90年代的西北风转为东风；中部偏东风和偏西风均有显著增加趋势，主导风向由南风转为西南风；南部除静风外，各方位风向频率变化均不显著，主导风向由西南风转为南风。

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