基于M-K和小波分析法的汾陽市風向風速特征分析

摘要" 以山西汾陽市1974—2023年的氣象數(shù)據(jù)為材料，利用小波分析和M-K突變檢驗方法，分析了該地區(qū)近50年的風向風速變化特征。結果表明，1974—2023年，研究區(qū)出現(xiàn)頻率最高的風向是西北風（NW），頻率為9.8%，其次是西北偏西風（WNW），頻率為8.6%，NW為年主導風向；年平均風速最高的風向為WNW，風速為3.4"m/s，；月平均風速最高的是4月（2.7"m/s），最低的是8月和9月（1.3"m/s）；春、秋和冬季以NW和WNW為主，夏季以東北偏東風（ENE）為主。年風速變化趨向率為-0.06（m/s）/10"a，NW年平均風速的變化趨向率為-0.30（m/s）/10"a，均呈下降趨勢，NW年平均風速與氣溫呈明顯的負相關性。風速的周期特征表明，年平均風速的變化周期為25 a，NW年平均風速的周期性不明顯。對風速的突變檢驗發(fā)現(xiàn)，年平均風速在1974—2023年未發(fā)生突變，NW年平均風速突變點為1984年。研究結果為相關地區(qū)空氣污染治理和城市規(guī)劃提供參考。

關鍵詞" 風向；風速；突變檢驗；小波分析

中圖分類號" P425 """"""文獻標識碼" A """"""文章編號" 1007-7731（2025）06-0106-04

DOI號" 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.06.026

Analysis of wind direction and speed characteristics in Fenyang City based on M-K method and wavelet analysis

LI Xuan

（Meteorological Bureau of Fenyang City， Fenyang 032200， China）

Abstract" Based on the meteorological data from 1974 to 2023 in Fenyang City， Shanxi Province， the variation characteristics of wind direction and speed in recent 50 years were analyzed by means of wavelet analysis and M-K mutation test. The results showed that from 1974 to 2023， the wind direction with the highest frequency was northwest wind （NW）， with a frequency of 9.8%， followed by west-northwest wind （WNW）， with a frequency of 8.6%，the dominant wind direction was NW. The wind direction with the highest wind speed was WNW with a wind speed of 3.4 m/s. The highest monthly wind speed was in April （2.7 m/s）， and the lowest was in August and September （1.3 m/s）. NW and WNW dominate in spring， fall and winter， and east-northeast wind （ENE） dominate in summer. The trend rate of annual wind speed was -0.06 （m/s）/10 a， and the trend rate of NW average wind speed" -0.30 （m/s）/10 a， both of which showed a decreasing trend.The NW annual average wind speed showed a significant negative correlation with temperature.The periodic characteristics of wind speed show that the annual mean wind speed has a change period of 25 a， and the periodicity of NW annual average wind speed was not obviou. The abrupt change of wind speed showed that there is no abrupt change in annual mean wind speed between 1974 and 2023， and the abrupt change point of NW mean wind speed was 1984. The results can provide references for air pollution control and urban planning in relevant areas.

Keywords" wind direction; wind speed; mutation test; wavelet analysis

風向和風速是農(nóng)業(yè)氣象的重要參數(shù)，與促進授粉和防范風災等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理密切相關^[1-2]，其也是影響大氣污染物擴散的重要因素之一^[3]。近年來，對風的變化特征已有較多研究，如何毅等^[4]研究表明，氣候變暖是風速減小的主要原因。李菊香等^[5]研究了邯鄲市的風向風速變化特征，指出年平均風速和4個季節(jié)的平均風速均呈減小趨勢。王遵婭等^[6]研究表明，大部分地區(qū)的風速呈現(xiàn)出減小的趨勢，冬、春季的減小趨勢較明顯。閻訪等^[7]分析了河北石家莊地區(qū)春季大風變化特征和天氣分型，發(fā)現(xiàn)大風日數(shù)存在5～6 a和14 a的周期振蕩。已有研究成果大多是對全年和四季平均風速的研究^[8-9]，暫未對年最多風向的風速特征進行研究。為此，本文統(tǒng)計了近50年山西汾陽市年、月風向頻率和風速，對年平均風速和年主導風向平均風速的變化趨勢及原因進行分析，并探究了年平均風速和年主導風向平均風速的周期特征和突變特征，為空氣污染治理和城市規(guī)劃提供參考。

1 資料與方法

1.1 采用資料

研究資料均來自山西省汾陽市氣象局，站點海拔高度747.7"m，111°46′56″ E，37°14′38″ N。1974—2003年為人工觀測資料，2004—2023年為自動觀測資料。

1.2 研究內(nèi)容及方法

1.2.1" 風向風速特征""" 利用Excel軟件對氣象資料的1974—2023年每年不同風向的出現(xiàn)頻率和各個風向的平均風速進行統(tǒng)計，并利用Origin軟件繪制風速和風向頻率玫瑰圖；同時分析其月風向頻率和風速特征。

1.2.2" 年平均和年主導風向的風速變化趨勢""" 根據(jù)風向風速特征，利用最小二乘法對年風速變化趨勢進行線性擬合，利用Origin軟件繪制風速趨勢圖，利用SPSS軟件分析風速與氣溫的相關性。

1.2.3" 年平均和年主導風向的風速周期特征""" 利用Matlab軟件，對近50年平均風速和主導風向平均風速數(shù)據(jù)進行小波分析，繪制小波系數(shù)實部等值線圖。小波變換主要是將無限長的三角函數(shù)基換成了有限長會衰減的小波基。小波變換如式（1）。

2 結果與分析

2.1 風向風速特征

2.1.1 年風向頻率和風速特征 由圖1可知，研究區(qū)1974—2023年風向出現(xiàn)頻率最大的是NW（西北風），頻率9.8%，其次是WNW（西北偏西風）頻率8.6%，SW（西南風）頻率8.5%，W（西風）頻率8.1%。由圖2可知，研究區(qū)1974—2023年年平均風速最高的風向WNW（西北偏西風），平均風速3.4"m/s；其次是W（西風），平均風速3.1"m/s；然后是NW（西北風）和ENE（東北偏東風），平均風速均2.8"m/s。故研究區(qū)年主導風向為NW，主導風向的風速也較高。

2.1.2 月風向頻率和風速特征 由表1可知，研究區(qū)1974—2023年的月平均風速4月最高，為2.7"m/s；5月次之，為2.5"m/s；8月和9月最低，均為1.3"m/s。從季節(jié)看，春季平均風速最高，夏季最低。春季、秋季和冬季以WNW和NW為主，夏季以ENE為主。主導風向風速均大于其他風向風速。2.2 年平均和年主導風向NW的風速變化趨勢

由圖3可知，年平均風速最大值為2.6"m/s，出現(xiàn)在1974年；最小值為1.5nbsp;m/s，出現(xiàn)在2014年。年平均風速變化傾向率為-0.06（m/s）/10"a，NW年平均風速變化趨向率為-0.30（m/s）/10"a，均呈下降趨勢。其中NW年平均風速與年平均氣溫、春季、夏季、秋季和冬季平均氣溫的相關性分別為-0.539、-0.488、-0.466、-0.386和-0.407，且相關性具有統(tǒng)計學意義（Plt;0.01）。因此，風速下降可能與研究區(qū)近50年氣溫上升^[10]有關。

2.3 年平均和年主導風向NW的風速周期特征

由圖4可知，年平均風速在1974年值較大，1986年值較小，2000年值較大，呈現(xiàn)出25 a的變化周期；NW年平均風速的計算周期為35 a，由于樣本只有50年數(shù)據(jù)，故計算結果可靠性不大。

2.4 年平均和年主導風向NW風速的突變檢驗

由圖5可知，1974—1977年，年平均風速UF曲線值小于0，表示風速總體呈下降趨勢，但下降過程存在小范圍的上升波動。1978年以后，曲線超過置信線，表示總體下降趨勢明顯，但UB曲線大于0，說明小范圍內(nèi)有上升波動。初始位置兩條曲線有交叉點，表示初始有波動，并不是突變點。在1974—1983年，NW風速的UF曲線值小于0，表示風速呈下降趨勢，但小范圍內(nèi)有上升波動；1984年之后，UF曲線超過置信線，下降趨勢明顯。2013年以后，UB曲線值大于0，說明在2013—2023年有上升波動。1984年為主導風向NW平均風速的突變點，突變以后，下降趨勢更明顯。由此可見，突變檢驗分析的結果與圖3中二者的變化趨勢基本吻合。

3 結論

本文統(tǒng)計了1974—2023年研究區(qū)年、月風向頻率和風速，分析了年平均風速和年主導風向平均風速的變化趨勢及原因，并探究了年平均風速和年主導風向平均風速的周期特征和突變特征，結論如下。

（1）近50年，研究區(qū)出現(xiàn)頻率較高的風向是NW和WNW；風速較高的風向是WNW。月風速4月最高，8月和9月最低。春、秋和冬季以NW和WNW為主，夏季以ENE為主。故研究區(qū)相關工廠應該建在東南方或東南偏東的郊區(qū)，夏季時還要預防東北偏東風的影響，以防工廠造成的空氣污染影響到市區(qū)。

（2）年平均風速和年主導風向平均風速均呈下降趨勢；年主導風向平均風速的下降趨勢更為明顯，且與年平均氣溫呈現(xiàn)出明顯的負相關性。隨著研究區(qū)年平均氣溫的不斷升高，年平均風速正在不斷下降，這可能會影響到相關行業(yè)。

（3）年平均風速的變化周期為25 a，NW年平均風速的周期性不明顯；年平均風速在1974—2023年未發(fā)生突變，NW平均風速突變點為1984年，突變檢驗的分析結果與風速變化趨勢基本吻合?？梢酝茰y2025年的年平均風速可能會達到一個較大值，相關行業(yè)可以對此采取相應的防范措施。

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（責任編輯：胡立萍）

作者簡介 李旋（1989—），男，山西汾陽人，碩士，工程師，從事農(nóng)業(yè)氣象研究。

收稿日期 2024-10-30