1960—2021年商丘風速風向時空變化分析

楊君建

商丘市氣象局，河南商丘 476000

風是重要的氣候資源，風災是常見的氣象災害之一。風速是評價氣候變化、大氣循環、污染物擴散和風能資源開發的重要指標。近年來，已有大量研究發現風速下降現象普遍存在于全球各地[1]。蒙良莉等[2]研究表明：廣西近地表風能資源豐富區春季風速較高，冬季次之，秋夏季最低。Guo H等研究發現我國1969―2005年風速降幅為0.18（ m/s）/10年。Lin C等發現我國1969―2000年風速降幅較大，而2000年以后降幅減小。東北、華北、西北、西南地區分別以0.23、0.16、0.12（ m/s）/10年、0.24（ m/s）/10年的速率呈現遞減趨勢。青藏高原、華中、東南等地區的風速存在不同程度的減少趨勢[3-8]。有學者分析了商丘大風時空分布特征,大風日數具有明顯的年代際變化，總體呈減少趨勢[9-11]。徐艷琴[12]研究了烏拉特中旗近50 年平均風速和最大風速年際變化均呈現減小趨勢，全年平均風向以S為主。還有學者 研究了中國平均風速減小的可能原因，得出風速減小的原因是自然和人類強迫共同引起的。風速下降給霧霾擴散和風能資源的開發帶來系列影響[13-17]。而針對商丘風速風向時空變化特征分析未見文獻，利用商丘市8個氣象站近62年觀測資料，選取平均風速、風向和各風向平均風速作為研究對象，采用氣候統計等方法，研究風向風速的年季月時空變化特征，以期為商丘市區域氣候規劃、合理利用風能資源、氣候可行性論證、防災減災等提供參考。

1 資料與方法

利用商丘市境內睢縣、民權、虞城、商丘市、柘城、寧陵、夏邑、永城8個國家氣象觀測站，1960—2021年62年的 逐 日4次 定 時（02:00、08:00、14:00、20:00）氣象觀測資料，以平均風速、風向和各風向平均風速作為研究對象，分析年、季、月的時空變化特征。風速是指單位時間內空氣移動的水平距離，以m/s為單位，取一位小數。風向是指風的來向，最多風向是指在規定時間段內出現頻率最高的風向,通常用十六方位法表示（十六方位順時針依次表示為N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNW）。氣象站定時觀測的風是指距地面10.5 m高度的平均風速和最多風向，每日平均風速是指4次定時觀測的風速平均值。風向主要統計年季月內各風向頻率，年內各風向頻率是指年內各風向出現次數占全年各風向（包括靜風）記錄總次數的百分比，頻率最高的風向即最多風向。常年平均值是指1991—2020年的平均值，商丘市平均值是指8個站點的平均值。四季劃分：冬季（12月至翌年2月）、 春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）。

利用Excel和SPSS軟件對商丘市8個站點1960—2021年逐日平均風速與風向進行統計，采用氣候統計、回歸方程、趨勢分析等方法，對平均風速年、季、月線性變化趨勢進行分析和顯著性檢驗，分析年代、空間的變化差異，并分析年季月各風向的平均風速變化情況。

2 結果與分析

2.1 平均風速變化

2.1.1 年平均風速變化1960—2021年商丘市年平均風速呈現出極顯著的減小趨勢（圖1），氣候傾向率-0.36（ m/s）/10年（︱r︱=0.9204＞r0.001=0.4078），通過0.001的顯著性檢驗。

圖1 1960—2021年商丘市歷年平均風速和年代變化

分析可知，全市年平均風速為2.4 m/s，年平均風速最大值為3.7 m/s（1960、1969年），最 小 值 為 1.5 m/s（2011、2012、2014、2015年），兩 者 相 差 2.2 m/s。年平均風速年代變化，從20世紀60年代最大值3.5 m/s，逐年代波動下降，20世紀60年代到80年代下降速度最快，2001—2010年和2011—2012年為谷底,達到最小值1.7 m/s，年代最大值與最小值相差1.8 m/s，年代最小值只有年代最大值的48.6%。

年平均風速距平為-0.9～1.3 m/s，表明年平均風速的年際變化較大，年平均風速變化可分2個明顯的階段，1960—1987年年平均風速距平多在平均值上變動，為平均風速偏大階段（正距平27年，負距平1年），1988年后年平均風速全部為負距平，即年平均風速持續偏小。

2.1.2 季平均風速變化分析1960—2021年商丘市季平均風速，春季平均風速最大2.8 m/s,冬季次之2.4 m/s，夏季次小2.3 m/s，秋季最小2.1 m/s。各季平均風速變化均呈極顯著的減少趨勢，減少速率春季＞冬季＞夏季 ＞ 秋 季（春 季-0.40（ m/s）/10年，︱r︱=0.9253＞r0.001=0.4078、 冬 季 -0.37（m/s）/10年，︱r︱=0.8922＞r0.001=0.4078、夏 季-0.34（ m/s）/10年， ︱r︱=0.9127＞r0.001=0.4078、 秋 季-0.33（ m/s）/10年，︱r︱=0.8998＞r0.001=0.4078）。四季平均風速呈極顯著減少趨勢，導致年平均風速呈極顯著的減少趨勢。

從季平均風速年代變化可知，四季平均風速年代變化都呈波動下降趨勢，冬、春、夏3季平均風速年代最大值均出現在20世紀60年代，分別為3.6、4.0、3.3 m/s，年代最小值出現在2011—2020年，分別為1.7、2.0、1.5 m/s，秋季平均風速年代最大值出現在20世紀60年代為3.1 m/s，最小值出現在2001—2010年和2011—2020年為1.4 m/s，與上述分析的年平均風速年代最大值和最小值出現時間相同。冬、春、夏、秋季年代平均風速最大值與最小值分別相差1.9、2.0、1.8、1.7 m/s。

2.1.3 月平均風速變化1960—2021年商丘市年內各月平均風速分布呈單峰型（圖2），春季的3月、4月平均風速最大，為3.0 m/s，夏、秋季的8月、9月、10月平均風速最小，為2.0 m/s。月平均風速氣候傾向率顯示，各月平均風速都在減少，減少趨勢極其顯著（︱r︱=0.8641～0.9440＞r0.001=0.4078)，通 過0.001水平的顯著性檢驗，4月減少幅度最大為-0.46（ m/s）/10年，8月減少幅度最小為-0.3（ m/s）/10年。各月平均風速極顯著減少趨勢，導致各季平均風速均呈極顯著的減少趨勢。

圖2 1960—2021年商丘市各月平均風速及氣候傾向率變化

2.1.4 平均風速空間變化差異分析1960—2021年商丘市年平均風速空間分布（表1），東南部大，中部較小，年平均風速最大值2.6 m/s，出現在永城，最小值2.2 m/s，出現在柘城，兩者相差0.4 m/s。8站點年、季平均風速氣候傾向率均為負值，呈極顯著減少趨勢（︱r︱=0.8212～0.9156＞r0.001=0.4078，通過0.001的顯著檢驗）。年平均風速減少幅度最大值0.44（ m/s）/10年（寧陵），減少幅度最小值0.23（ m/s）/10年（商丘），兩者相差0.21（ m/s）/10年。

表1 1960—2021年商丘市各站點年、冬、春、夏、秋平均風速變化特征統計

從季節平均風速分布可知，冬季平均風速2.2（柘城）～2.6（睢縣） m/s，春季平均風速2.6（ 柘城）～3.0（睢縣、永城） m/s，夏季平均風速2.1（柘城、寧陵）～2.6（永城） m/s，秋季平均風速1.9（柘城）～2.3（永城） m/s。8個站點四季平均風速氣候傾向率為-0.23～-0.53（ m/s）/10年，呈一致的極顯著減少趨勢（︱r︱=0.7519～0.9417＞r0.001=0.4078， 通過0.001的顯著檢驗），與年平均風速減少趨勢一致。冬、春、夏、秋季平均風速減少幅度最大值分別為-0.53、-0.53 、-0.45、-0.46（ m/s）/10年，均出現在寧陵，冬、春、夏、秋季平均風速減少幅度最小值分別為-0.26、-0.26、-0.23、-0.25（ m/s）/10年，均出現在商丘。

2.2 風向變化

2.2.1 年最多風向及頻率繪制1960—2021年商丘市年風向頻率玫瑰圖（圖3），從圖3可以看出，商丘市全年以N、SSE風向最多，頻率為8%；其次ESE、SE、S、SSW風向次多，頻率為7%，ESE至SSW風向的頻率為36%；SSW、NW風向次少，頻率為3%；W、WNW風向最少，頻率為2%。

圖3 1960—2021年商丘市年風向頻率玫瑰圖

2.2.2 季最多風向及頻率商丘市屬于典型的季風氣候，風向隨季節不同而有明顯的變化，分析商丘市最多風向隨季節變化情況，繪制1960—2021年商丘市四季風向頻率玫瑰圖（圖4）。

圖4 1960—2021年商丘市冬、春、夏、秋季風向頻率玫瑰圖

由圖4可知，商丘市冬季以N、NNE風最多，其頻率為10%；其次NNW風較多，其頻率為8%；若將NNW至NNE方向的風都稱為偏北風，其頻率可達28%；NW風次少，風向頻率為4%；WNW、W、SSW風最少，風向頻率為3%。

春季以SSE風最多，其頻率為10%；其次S、SSW風較多，其頻率為9%；若將SSE至SSW方向的風都稱為偏南風，其頻率可達28%；NW、SSW風次少，風向頻率為3%；WNW、W風最少，風向頻率均為2%。

夏季以SSE、ESE風最多，其頻率為9%；其次E、SE、S、SSW風較 多，其頻率為8%；E至SSW風向頻率可達50%；SSW風次少，風向頻率為3%；NW、W風最少，風向頻率均為2%。

秋季以NW、NNE風為最多，其頻率為9%；其次SSE風較多，其頻率為7%；SW、SSW、NW風頻率次少，為3%；W、WNW風最少，風向頻率為2%。

商丘市春季和夏季均以SSE風最多，秋季和冬季均以N、NNE風最多，四季均以W風最少。

2.2.3 月最多風向及頻率統計1960—2021年商丘市各月最多風向和頻率，結果見表2，分析表明，每年8月至翌年2月，平均以偏北風最多，其中2月、8月和9月以NNE風最多，1月、10月、11月、12月以N風最多；每年3—7月，平均以偏南風最多，其中3月、4月、6月以SSE風最多。

表2 1960—2021年商丘市各月最多風向和頻率

2.3 各風向平均風速變化

2.3.1 各風向年平均風速變化繪制1960—2021年商丘市16個方位的年平均風速玫瑰圖（圖5），由圖5可知，NNW風向年平均風速最大，達到3.1 m/s，其次SSW風向年平均風速也較大，為2.9 m/s，NE、SE風向年平均風速較小均為2.3 m/s，W風向年均風速最小為2.2 m/s。

圖5 1960—2021年商丘市各風向年平均風速玫瑰圖

2.3.2 各風向季平均風速變化繪制1960—2021年商丘市4個季節16個方位的平均風速玫瑰圖（圖6），可以看到，冬、春、秋3個季節各風向的平均風速與年平均風速分布大致相似，均呈偏北風風速最大、西風風速偏小的分布特征；夏季平均風速呈西南風風速偏大、西風風速偏小的分布特征。商丘市是季風氣候，受不同天氣系統影響，來自不同方向的風速存在明顯的差異。

圖6 1960—2021年商丘市冬、春、夏、秋季各風向平均風速玫瑰圖

3 結束語

商丘市年季月平均風速、風向頻率、各風向平均風速分布存在明顯的差異，年季月平均風速均呈顯著減少趨勢，減幅寧陵最大，商丘最小，3—4月平均風速最大，8—10月平均風速最小，空間分布為東南部大、中部較小；年最多風向以N、SSE風最多，春季和夏季以SSE風最多，秋季和冬季以N、NNE風最多，四季均以W風最少，3—7月偏南風最多，8月至翌年2月偏北風最多；年平均風速NNW風向最大，W風向最小，冬、春、秋3個季節偏北風風速最大，夏季西南風風速偏大，四季偏西風風速最小。