1980—2015年廊坊市風(fēng)的氣候變化特征分析

劉小雪 郭立平 周玉都 王夢 李娜

摘要 利用1980—2015年河北省廊坊市9個氣象觀測站逐日風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，采用線性回歸分析和M-K突變檢驗等方法，分析了近36年廊坊市主導(dǎo)風(fēng)向和平均風(fēng)速的氣候變化特征。結(jié)果表明，廊坊市南部地區(qū)平均風(fēng)速略大于北部和中部地區(qū)；全市平均風(fēng)速以0.162 m/（s·10年）的速率遞減，并以小風(fēng)（風(fēng)力0～2級）日數(shù)增加和風(fēng)力3級以上日數(shù)減少為主要表現(xiàn)特征；北部和南部地區(qū)逐年平均風(fēng)速未出現(xiàn)顯著突變，而中部地區(qū)平均風(fēng)速在1985年發(fā)生突變；各縣主導(dǎo)風(fēng)向因其地理位置呈現(xiàn)不同特征，北部地區(qū)常年主導(dǎo)風(fēng)向以西北風(fēng)和偏東風(fēng)為主，中部地區(qū)以偏北風(fēng)和西南風(fēng)為主，南部地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向以偏南風(fēng)或西南風(fēng)為主；全市靜風(fēng)出現(xiàn)的頻率呈下降趨勢，北部地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng)，中部地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向由南風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，南部地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)。

關(guān)鍵詞 平均風(fēng)速；M-K檢驗；主導(dǎo)風(fēng)向；氣候變化特征；河北廊坊；1980—2015年

中圖分類號 P425.4 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 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

風(fēng)是重要的氣象要素之一，主要受大氣環(huán)流形勢、地表摩擦、地形等因素影響。地面風(fēng)速和風(fēng)向的觀測對于城市建設(shè)、空氣污染擴散、風(fēng)資源利用等均具有重要現(xiàn)實意義。近年來，眾多學(xué)者的研究結(jié)果顯示，全國大部分臺站多年風(fēng)速呈顯著減弱趨勢[1-4]。風(fēng)向的分布除受大尺度環(huán)流背景的影響外，地形地貌和觀測環(huán)境對其影響也較大[5-6]。廊坊市境內(nèi)地貌差異性較大，北部地區(qū)地勢較高，為燕山南側(cè)余脈，北高南低，中、南部為平原地區(qū)，受其影響，風(fēng)向和風(fēng)速往往呈現(xiàn)出不同特點。因此，對廊坊市9個縣近36年風(fēng)向、風(fēng)速的氣候特征進行細(xì)致分析，掌握其變化規(guī)律，對地面風(fēng)的預(yù)報和氣象服務(wù)有參考意義。

1 研究資料與分析方法

本文選取廊坊市1980—2015年9個自動氣象觀測站逐日2：00、8：00、14：00和20：00的10 m高度的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，月、季和年平均風(fēng)速分別是取對應(yīng)日數(shù)、對應(yīng)月份的平均值，月和年風(fēng)向頻數(shù)是取每日4次風(fēng)向的累計值，頻率為某一風(fēng)向頻數(shù)占總風(fēng)向頻數(shù)的百分比。分析中用Mann-Kendall突變檢驗方法進行分析。

2 風(fēng)速變化特征分析

2.1 平均風(fēng)速的變化特征

廊坊市地處東亞季風(fēng)區(qū)，屬于暖溫帶半干旱半濕潤季風(fēng)氣候。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，廊坊市多年平均風(fēng)速為1.92 m/s（2級風(fēng)，蒲福風(fēng)級等級標(biāo)準(zhǔn)，下同），北部地區(qū)（三河市、大廠回族自治縣和香河縣）平均風(fēng)速為1.87 m/s，中部地區(qū)（廊坊市區(qū)、固安縣和永清縣）和南部地區(qū)（包括霸州市、文安縣和大城縣）平均風(fēng)速分別為1.8 m/s和2.1 m/s。其中，最大平均風(fēng)速出現(xiàn)在大城縣，為2.3 m/s；最小值出現(xiàn)在固安縣，為1.6 m/s。總體來看，廊坊市南部地區(qū)平均風(fēng)速略大于北部地區(qū)和中部地區(qū)。

進一步分析各氣象站逐年平均風(fēng)速（圖1），可以看出，隨著時間變化，全市平均風(fēng)速呈現(xiàn)逐年減小的趨勢，風(fēng)速以0.162 m/（s·10年）的速率遞減，回歸系數(shù)為0.557 4，見圖1（a）。

選擇1980年之后一直未遷站的氣象觀測站點作為代表站點，見圖1（b），即三河市（54520）、香河縣（54521）、廊坊市區(qū)（54515）和大城縣（54613），分別計算其風(fēng)速趨勢變化。可以看出，三河氣象站平均風(fēng)速趨勢變化為-0.084 m/（s·10年），在-0.1～0.1 m/（s·10年）范圍內(nèi)，可以視為無明顯趨勢變化；其他3個觀測站點平均風(fēng)速隨時間推移均有不同程度的下降，平均風(fēng)速遞減率香河氣象站為0.183 m/（s·10年）、廊坊市區(qū)為0.189 m/（s·10年）、大城縣為0.308 m/（s·10年）。縱觀廊坊全市，南部地區(qū)風(fēng)速遞減速率要明顯大于中部和北部地區(qū)。

多年季平均風(fēng)速分布見圖2（a），可以看出，一年中春季（3—5月）平均風(fēng)速最大，為2.5 m/s；秋季（9—11月）平均風(fēng)速最小，為1.6 m/s；而夏季和冬季的平均風(fēng)速處于中間值，其中冬季平均風(fēng)速略大于夏季。逐月平均風(fēng)速呈現(xiàn)波動變化，波峰出現(xiàn)在4月，全市平均風(fēng)速為2.6 m/s；波谷出現(xiàn)在8月，平均風(fēng)速為1.4 m/s。

四季平均風(fēng)速的年際變化，見圖2（b），可以看出，各季節(jié)的平均風(fēng)速隨時間的推移均呈現(xiàn)波動下降的趨勢，下降趨勢均不顯著；風(fēng)速遞減速率春季為0.212 m/（s·10年）（R2=0.467 5），夏季為0.144 m/（s·10年）（R2=0.552 8），秋季為0.14 m/（s·10年）（R2=0.527 1），冬季為0.152 m/（s·10年）（R2=0.346 6），春季風(fēng)速下降的幅度最大。

2.2 平均風(fēng)速的突變特征分析

用Mann-Kendall突變檢驗方法對廊坊市9個氣象觀測站1980—2015年逐年平均風(fēng)速進行突變檢驗分析，以臨界值±1.96為信度0.05的顯著水平。在M-K檢驗中，統(tǒng)計量在這2條平行線內(nèi)有交叉點，即檢驗序列在該交叉點處出現(xiàn)突變，有幾個交叉點就代表有幾次突變。為了分析廊坊市突變發(fā)生的區(qū)域特點，分別統(tǒng)計北部、中部和南部的風(fēng)速平均值作為新的風(fēng)速，進行突變檢驗（圖3）。

從全市突變分析結(jié)果來看，廊坊市全市平均風(fēng)速隨時間推移呈持續(xù)遞減的趨勢，UF和UB 2條曲線交點<-2，不在顯著水平內(nèi)，即全市平均風(fēng)速沒有出現(xiàn)顯著突變。北部地區(qū)和南部地區(qū)也未出現(xiàn)顯著突變；中部地區(qū)在1985年發(fā)生顯著突變，平均風(fēng)速在1986年之后下降顯著。

從表1各氣象觀測站的突變檢驗結(jié)果中可以看出，香河縣和大城縣未出現(xiàn)顯著突變，其余各市縣均出現(xiàn)顯著突變。其中，三河市和霸州市出現(xiàn)多個突變點，其余各氣象觀測站均只出現(xiàn)1個突變點。從突變發(fā)生年份來看，突變發(fā)生在20世紀(jì)80年代中期較多，1983—1986年共4站次，出現(xiàn)在中部和北部的大廠回族自治縣；1993年、2006年各出現(xiàn)1次；2010年之后（2011—2014年）共發(fā)生3站次，分別是三河市2011年和2014年2次突變，霸州市2013年突變。此次霸州市風(fēng)速突變的時間與其氣象觀測站點遷站時間相對應(yīng)，因而霸州市風(fēng)速發(fā)生突變有一部分原因是由站點遷移造成的。

2.3 各等級風(fēng)速年日數(shù)變化特征

從資源利用和環(huán)境保護的角度出發(fā)，本文將風(fēng)速分為3個等級，分別統(tǒng)計各代表站點風(fēng)速≤3.3 m/s（0～2級）、3.4 m/s≤風(fēng)速<8.0 m/s（3～4級）、風(fēng)速≥8.0 m/s（5級以上）3個區(qū)間內(nèi)的年平均風(fēng)速出現(xiàn)日數(shù)，分析其時間變化規(guī)律。

圖4是4個氣象代表站點逐年平均風(fēng)速在3個風(fēng)速區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)日數(shù)以及各縣逐年平均日數(shù)隨時間的變化曲線?？梢钥闯觯骄L(fēng)速≤3.3 m/s的年日數(shù)隨時間的推移呈明顯增多趨勢，4個站平均日數(shù)以1.78 d/年的速率增加（R2=0.769 4，通過α=0.05的顯著性檢驗）。其中，大城縣遞增速率最快，為2.92 d/年；三河市遞增速率最慢，為0.84 d/年。3.4 m/s≤風(fēng)速<8.0 m/s范圍內(nèi)多年風(fēng)日數(shù)呈顯著下降趨勢，3～4級風(fēng)以1.71 d/年的速率減少（R2=0.729 6，通過α=0.05的顯著性檢驗）。同樣，大城縣平均風(fēng)速在[3.4，8）區(qū)間出現(xiàn)的總?cè)諗?shù)呈顯著的下降趨勢，三河市3～4級風(fēng)速日數(shù)遞減趨勢不明顯。由于廊坊市處于華北平原地區(qū)，本地平均風(fēng)速 ≥8.0 m/s的日數(shù)出現(xiàn)較少，自2002年之后，5級以上平均風(fēng)速出現(xiàn)次數(shù)為0，整體呈減少趨勢。因此，廊坊市逐年平均風(fēng)速減小的主要表現(xiàn)特征是0～2級風(fēng)日數(shù)增加以及3級風(fēng)速以上的風(fēng)日數(shù)減少。有研究表明，小風(fēng)日數(shù)增加、平均風(fēng)速偏小是造成廊坊市大氣污染物擴散條件不利的原因之一[7]。

3 主導(dǎo)風(fēng)向特征及變化特征

3.1 各縣多年主導(dǎo)風(fēng)向特征分析

選取1980—2015年廊坊市9個觀測站8：00、14：00、20：00和2：00的風(fēng)向數(shù)據(jù)資料，以4次風(fēng)向為日風(fēng)向，分別統(tǒng)計各縣多年16個風(fēng)向方位發(fā)生的頻率，并分析其主導(dǎo)風(fēng)向。

結(jié)果表明，廊坊市9個縣市除文安縣和大城縣外，其余各縣靜風(fēng)出現(xiàn)頻率均為最高，其中固安縣靜風(fēng)比例最高，為26.6%；文安縣最小，為9.3%。各縣主導(dǎo)風(fēng)向分布不一致，北部三河市主導(dǎo)風(fēng)向為東風(fēng)（13.3%），大廠回族自治縣主導(dǎo)風(fēng)向為東南東風(fēng)（9.0%），香河縣主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)（7.8%）；中部廊坊市區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向為北北西風(fēng)（7.3%），固安縣為南風(fēng)（7.8%）；永清為北北東風(fēng)（7.6%），霸州市南南西風(fēng)（9.2%）；南部文安縣為南南西風(fēng)（11.5%）、大城縣南風(fēng)（11%）。

3.2 風(fēng)向年代變化規(guī)律

按年代分析風(fēng)向的變化規(guī)律，圖5是4個方位風(fēng)向出現(xiàn)頻率為90°角范圍內(nèi)風(fēng)向頻率的總和?？梢钥闯?，廊坊全市靜風(fēng)出現(xiàn)的頻率整體呈下降趨勢，其中20世紀(jì)90年代（1990—1999年）靜風(fēng)出現(xiàn)頻率存在波峰，之后顯著減少。

由圖5（a）可以看出，北部地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向為偏北風(fēng)和偏東風(fēng)，偏南風(fēng)出現(xiàn)的頻率最低，其中偏東風(fēng)出現(xiàn)頻率隨時間推移有明顯增加趨勢（相關(guān)系數(shù)R2=0.603 1），其他3個方位風(fēng)向頻率變化不顯著。由圖5（d）可以看出，偏東風(fēng)的增加主要表現(xiàn)在東北東風(fēng)和東風(fēng)的增加，而東南東風(fēng)出現(xiàn)頻率隨時間推移略有減少，東南風(fēng)出現(xiàn)頻率隨時間推移變化不大。總體而言，北部地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向由20世紀(jì)90年代的西北風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng)。

由圖5（b）可以看出，中部地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向為偏北風(fēng)和偏南風(fēng)，偏西風(fēng)出現(xiàn)的頻率最低，偏北風(fēng)和偏南風(fēng)多年頻率沒有顯著變化，而偏東風(fēng)和偏西風(fēng)有顯著增加趨勢，相關(guān)系數(shù)分別為0.759 6和0.754 7。由圖5（e）可以看出，偏東風(fēng)的增加在5個方向角上均有體現(xiàn)，偏西風(fēng)的增加主要體現(xiàn)在西南西風(fēng)的增加?？傮w而言，中部地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向由南風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)。

由圖5（c）可以看出，南部地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向為偏南風(fēng)，其靜風(fēng)風(fēng)頻下降趨勢較中北部地區(qū)略緩慢，除靜風(fēng)外，各方位風(fēng)向頻率變化均不顯著。由圖5（f）可以看出，各個方位角風(fēng)向出現(xiàn)的頻率隨時間推移呈波動變化，除靜風(fēng)明顯下降外，其他方位風(fēng)向均變化不明顯。南部地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)。

4 結(jié)論

（1）廊坊市南部地區(qū)多年平均風(fēng)速略大于北部和中部；全市平均風(fēng)速以0.162 m/（s·10年）的速率遞減，并以0～2級風(fēng)日數(shù)增加和3級風(fēng)速以上的風(fēng)日數(shù)減少為主要表現(xiàn)特征。

（2）經(jīng)M-K突變檢驗發(fā)現(xiàn)廊坊北部和南部沒有顯著突變點，而中部平均風(fēng)速只在1985年發(fā)生突變；各縣突變檢驗結(jié)果為多數(shù)市縣只出現(xiàn)1個突變點，從突變發(fā)生年份來看，突變多發(fā)生在20世紀(jì)80年代中期。

（3）受地理位置影響，廊坊北部、中部和南部地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向有所差別，北部常年主導(dǎo)風(fēng)向以西北風(fēng)和偏東風(fēng)為主，中部以偏北風(fēng)和西南風(fēng)為主，南部地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向以偏南風(fēng)或西南風(fēng)為主。

（4）廊坊市全市靜風(fēng)出現(xiàn)頻率整體呈下降趨勢，北部偏東風(fēng)出現(xiàn)頻率顯著增加，主導(dǎo)風(fēng)向由20世紀(jì)90年代的西北風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng)；中部偏東風(fēng)和偏西風(fēng)均有顯著增加趨勢，主導(dǎo)風(fēng)向由南風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)；南部除靜風(fēng)外，各方位風(fēng)向頻率變化均不顯著，主導(dǎo)風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)。

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