1960—2021年商丘风速风向时空变化分析

杨君建

商丘市气象局，河南商丘 476000

风是重要的气候资源，风灾是常见的气象灾害之一。风速是评价气候变化、大气循环、污染物扩散和风能资源开发的重要指标。近年来，已有大量研究发现风速下降现象普遍存在于全球各地[1]。蒙良莉等[2]研究表明：广西近地表风能资源丰富区春季风速较高，冬季次之，秋夏季最低。Guo H等研究发现我国1969―2005年风速降幅为0.18（ m/s）/10年。Lin C等发现我国1969―2000年风速降幅较大，而2000年以后降幅减小。东北、华北、西北、西南地区分别以0.23、0.16、0.12（ m/s）/10年、0.24（ m/s）/10年的速率呈现递减趋势。青藏高原、华中、东南等地区的风速存在不同程度的减少趋势[3-8]。有学者分析了商丘大风时空分布特征,大风日数具有明显的年代际变化，总体呈减少趋势[9-11]。徐艳琴[12]研究了乌拉特中旗近50 年平均风速和最大风速年际变化均呈现减小趋势，全年平均风向以S为主。还有学者 研究了中国平均风速减小的可能原因，得出风速减小的原因是自然和人类强迫共同引起的。风速下降给雾霾扩散和风能资源的开发带来系列影响[13-17]。而针对商丘风速风向时空变化特征分析未见文献，利用商丘市8个气象站近62年观测资料，选取平均风速、风向和各风向平均风速作为研究对象，采用气候统计等方法，研究风向风速的年季月时空变化特征，以期为商丘市区域气候规划、合理利用风能资源、气候可行性论证、防灾减灾等提供参考。

1 资料与方法

利用商丘市境内睢县、民权、虞城、商丘市、柘城、宁陵、夏邑、永城8个国家气象观测站，1960—2021年62年的 逐 日4次 定 时（02:00、08:00、14:00、20:00）气象观测资料，以平均风速、风向和各风向平均风速作为研究对象，分析年、季、月的时空变化特征。风速是指单位时间内空气移动的水平距离，以m/s为单位，取一位小数。风向是指风的来向，最多风向是指在规定时间段内出现频率最高的风向,通常用十六方位法表示（十六方位顺时针依次表示为N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNW）。气象站定时观测的风是指距地面10.5 m高度的平均风速和最多风向，每日平均风速是指4次定时观测的风速平均值。风向主要统计年季月内各风向频率，年内各风向频率是指年内各风向出现次数占全年各风向（包括静风）记录总次数的百分比，频率最高的风向即最多风向。常年平均值是指1991—2020年的平均值，商丘市平均值是指8个站点的平均值。四季划分：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软件对商丘市8个站点1960—2021年逐日平均风速与风向进行统计，采用气候统计、回归方程、趋势分析等方法，对平均风速年、季、月线性变化趋势进行分析和显著性检验，分析年代、空间的变化差异，并分析年季月各风向的平均风速变化情况。

2 结果与分析

2.1 平均风速变化

2.1.1 年平均风速变化1960—2021年商丘市年平均风速呈现出极显著的减小趋势（图1），气候倾向率-0.36（ m/s）/10年（︱r︱=0.9204＞r0.001=0.4078），通过0.001的显著性检验。

图1 1960—2021年商丘市历年平均风速和年代变化

分析可知，全市年平均风速为2.4 m/s，年平均风速最大值为3.7 m/s（1960、1969年），最 小 值 为 1.5 m/s（2011、2012、2014、2015年），两 者 相 差 2.2 m/s。年平均风速年代变化，从20世纪60年代最大值3.5 m/s，逐年代波动下降，20世纪60年代到80年代下降速度最快，2001—2010年和2011—2012年为谷底,达到最小值1.7 m/s，年代最大值与最小值相差1.8 m/s，年代最小值只有年代最大值的48.6%。

年平均风速距平为-0.9～1.3 m/s，表明年平均风速的年际变化较大，年平均风速变化可分2个明显的阶段，1960—1987年年平均风速距平多在平均值上变动，为平均风速偏大阶段（正距平27年，负距平1年），1988年后年平均风速全部为负距平，即年平均风速持续偏小。

2.1.2 季平均风速变化分析1960—2021年商丘市季平均风速，春季平均风速最大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。各季平均风速变化均呈极显著的减少趋势，减少速率春季＞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）。四季平均风速呈极显著减少趋势，导致年平均风速呈极显著的减少趋势。

从季平均风速年代变化可知，四季平均风速年代变化都呈波动下降趋势，冬、春、夏3季平均风速年代最大值均出现在20世纪60年代，分别为3.6、4.0、3.3 m/s，年代最小值出现在2011—2020年，分别为1.7、2.0、1.5 m/s，秋季平均风速年代最大值出现在20世纪60年代为3.1 m/s，最小值出现在2001—2010年和2011—2020年为1.4 m/s，与上述分析的年平均风速年代最大值和最小值出现时间相同。冬、春、夏、秋季年代平均风速最大值与最小值分别相差1.9、2.0、1.8、1.7 m/s。

2.1.3 月平均风速变化1960—2021年商丘市年内各月平均风速分布呈单峰型（图2），春季的3月、4月平均风速最大，为3.0 m/s，夏、秋季的8月、9月、10月平均风速最小，为2.0 m/s。月平均风速气候倾向率显示，各月平均风速都在减少，减少趋势极其显著（︱r︱=0.8641～0.9440＞r0.001=0.4078)，通 过0.001水平的显著性检验，4月减少幅度最大为-0.46（ m/s）/10年，8月减少幅度最小为-0.3（ m/s）/10年。各月平均风速极显著减少趋势，导致各季平均风速均呈极显著的减少趋势。

图2 1960—2021年商丘市各月平均风速及气候倾向率变化

2.1.4 平均风速空间变化差异分析1960—2021年商丘市年平均风速空间分布（表1），东南部大，中部较小，年平均风速最大值2.6 m/s，出现在永城，最小值2.2 m/s，出现在柘城，两者相差0.4 m/s。8站点年、季平均风速气候倾向率均为负值，呈极显著减少趋势（︱r︱=0.8212～0.9156＞r0.001=0.4078，通过0.001的显著检验）。年平均风速减少幅度最大值0.44（ m/s）/10年（宁陵），减少幅度最小值0.23（ m/s）/10年（商丘），两者相差0.21（ m/s）/10年。

表1 1960—2021年商丘市各站点年、冬、春、夏、秋平均风速变化特征统计

从季节平均风速分布可知，冬季平均风速2.2（柘城）～2.6（睢县） m/s，春季平均风速2.6（ 柘城）～3.0（睢县、永城） m/s，夏季平均风速2.1（柘城、宁陵）～2.6（永城） m/s，秋季平均风速1.9（柘城）～2.3（永城） m/s。8个站点四季平均风速气候倾向率为-0.23～-0.53（ m/s）/10年，呈一致的极显著减少趋势（︱r︱=0.7519～0.9417＞r0.001=0.4078， 通过0.001的显著检验），与年平均风速减少趋势一致。冬、春、夏、秋季平均风速减少幅度最大值分别为-0.53、-0.53 、-0.45、-0.46（ m/s）/10年，均出现在宁陵，冬、春、夏、秋季平均风速减少幅度最小值分别为-0.26、-0.26、-0.23、-0.25（ m/s）/10年，均出现在商丘。

2.2 风向变化

2.2.1 年最多风向及频率绘制1960—2021年商丘市年风向频率玫瑰图（图3），从图3可以看出，商丘市全年以N、SSE风向最多，频率为8%；其次ESE、SE、S、SSW风向次多，频率为7%，ESE至SSW风向的频率为36%；SSW、NW风向次少，频率为3%；W、WNW风向最少，频率为2%。

图3 1960—2021年商丘市年风向频率玫瑰图

2.2.2 季最多风向及频率商丘市属于典型的季风气候，风向随季节不同而有明显的变化，分析商丘市最多风向随季节变化情况，绘制1960—2021年商丘市四季风向频率玫瑰图（图4）。

图4 1960—2021年商丘市冬、春、夏、秋季风向频率玫瑰图

由图4可知，商丘市冬季以N、NNE风最多，其频率为10%；其次NNW风较多，其频率为8%；若将NNW至NNE方向的风都称为偏北风，其频率可达28%；NW风次少，风向频率为4%；WNW、W、SSW风最少，风向频率为3%。

春季以SSE风最多，其频率为10%；其次S、SSW风较多，其频率为9%；若将SSE至SSW方向的风都称为偏南风，其频率可达28%；NW、SSW风次少，风向频率为3%；WNW、W风最少，风向频率均为2%。

夏季以SSE、ESE风最多，其频率为9%；其次E、SE、S、SSW风较 多，其频率为8%；E至SSW风向频率可达50%；SSW风次少，风向频率为3%；NW、W风最少，风向频率均为2%。

秋季以NW、NNE风为最多，其频率为9%；其次SSE风较多，其频率为7%；SW、SSW、NW风频率次少，为3%；W、WNW风最少，风向频率为2%。

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

2.2.3 月最多风向及频率统计1960—2021年商丘市各月最多风向和频率，结果见表2，分析表明，每年8月至翌年2月，平均以偏北风最多，其中2月、8月和9月以NNE风最多，1月、10月、11月、12月以N风最多；每年3—7月，平均以偏南风最多，其中3月、4月、6月以SSE风最多。

表2 1960—2021年商丘市各月最多风向和频率

2.3 各风向平均风速变化

2.3.1 各风向年平均风速变化绘制1960—2021年商丘市16个方位的年平均风速玫瑰图（图5），由图5可知，NNW风向年平均风速最大，达到3.1 m/s，其次SSW风向年平均风速也较大，为2.9 m/s，NE、SE风向年平均风速较小均为2.3 m/s，W风向年均风速最小为2.2 m/s。

图5 1960—2021年商丘市各风向年平均风速玫瑰图

2.3.2 各风向季平均风速变化绘制1960—2021年商丘市4个季节16个方位的平均风速玫瑰图（图6），可以看到，冬、春、秋3个季节各风向的平均风速与年平均风速分布大致相似，均呈偏北风风速最大、西风风速偏小的分布特征；夏季平均风速呈西南风风速偏大、西风风速偏小的分布特征。商丘市是季风气候，受不同天气系统影响，来自不同方向的风速存在明显的差异。

图6 1960—2021年商丘市冬、春、夏、秋季各风向平均风速玫瑰图

3 结束语

商丘市年季月平均风速、风向频率、各风向平均风速分布存在明显的差异，年季月平均风速均呈显著减少趋势，减幅宁陵最大，商丘最小，3—4月平均风速最大，8—10月平均风速最小，空间分布为东南部大、中部较小；年最多风向以N、SSE风最多，春季和夏季以SSE风最多，秋季和冬季以N、NNE风最多，四季均以W风最少，3—7月偏南风最多，8月至翌年2月偏北风最多；年平均风速NNW风向最大，W风向最小，冬、春、秋3个季节偏北风风速最大，夏季西南风风速偏大，四季偏西风风速最小。