引言

风是研究大气动力学和气候变化的一个重要参量，风向和风速的变化与大气的能量和物质循环紧密相关，对区域气候有重大影响。近年来诸多工作研究了我国地面及高空风的气候特征，如王遵娅等^[1]、任国玉等^[2]、Zou等^[3]、江滢等^[4-5]分别统计了我国地面平均风速的变化趋势，指出全国平均风速经历了明显减弱的趋势。王遵娅等发现20世纪90年代和50年代相比，全国平均风速减小了16%，减小最显著的西北地区西部，减小了近29%；江滢等认为我国年平均风速减小趋势主要是由于风速较大的西北、华北、东北和东部沿海地区风速明显减小所致。对区域平均风速的变化亦有大量研究工作^[6-8]，结果发现，近50年我国地面年平均风速存在显著减弱的变化趋势。此外，张爱英等^[9]、任国玉等^[10]利用1980—2006年全国119个探空站月平均风速资料，分析了我国高空风的变化及气候学特征，并和同期地面风速变化进行了对比，指出我国近27年来对流层中下层和对流层上层风速呈下降趋势，同期全国地面风速则呈现更显著的降低趋势。

关于我国风速变化原因，尚未有完全一致的结论，王遵娅等^[1]、Xu等^[11]认为风速减小的实质是东亚季风中冬、夏季风的减弱；张爱英等^[9]、刘学锋等^[12]及李艳等^[13]通过分析不同高度风速的变化以及器测和NCEP/NCAR资料，认为风速减弱可能受到大尺度大气环流变化的影响，更可能与台站附近观测环境变化和城市化等人为因素影响有密切关系。

南岳高山站(27.30°N、112.70°E)为全国7个高山气象观测站之一，地处湖南省中部的风景名胜区南岳山望日台，观测场海拔高度1265.9 m，与南岳山最高峰——祝融峰(1300.2 m)相距400 m，高度接近对流层自由大气的底部，由于受环境变化影响小，气象要素的变化具有良好的预报指示作用，其风向、风速变化可以从一个侧面直观地反映自由大气底部的环流特征^[14-16]。目前国内针对高山站风气候变化的研究比较少，本文着重分析南岳高山站风的气候变化特征和演变规律，研究结果对分析风速变化的原因、了解自由大气底部环流的气候变化以及深入理解区域气候变化机理具有实际的参考意义。

1 资料与方法以及均一性检验 1.1 资料与方法

南岳高山气象观测站1952年11月建站并开始常规气象要素观测，站址未发生变动，1994年位于观测场北面的办公楼进行过改造，改建后建筑物高出观测场4.5 m，符合探测环境要求。本文采用1953—2010年南岳山地面气象观测站器测10 m高程的2分钟平均(定时)风，资料通过湖南省气候中心质量控制。资料引入采用报表实有观测次数，日观测次数1953年为3次、1954—2004年为4次、2005—2010年为24次(冬季结冰时，日观测次数由24次改为8次)，期间无缺测记录，资料统计按照《月地面气象记录处理和报表编制规范》。测风仪器变更情况为1968年7月之前使用维尔德风压板，其后开始使用EL型电接风向风速计，至2005年1月开始使用风向风速传感器，冬季结冰时，按观测规范要求均采用三杯式轻便风向风速表进行观测。文中分析均基于1971—2000年30年标准气候平均值；季节划分为3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至次年2月为冬季。

将统计时段内16个方位的风速按下式进行分解：

$\begin{array}{l} {u_j} = - {F_j} \times {\rm{sin}}({\mathit{\Phi }_j} \times {\rm{ \mathsf{ π} }}/180)\\ {v_j} = - {F_j} \times {\rm{cos}}({\mathit{\Phi }_j} \times {\rm{ \mathsf{ π} }}/180) \end{array}$

j=1，2，…，16，F_j为风速，π为圆周率，Φ_j为风向方位角，方位角Φ以正北为0°，按16个风向方位以22.5°间隔沿顺时针方向递增。分解后u_j为东—西向，v_j为南—北向，按照正、负值区分4个分量，然后，各分量取绝对值后求和，再除以总观测次数，即得到相应时段内经、纬向及东、西、南、北风分量的平均风速。

对年、季平均风速时间序列进行一次线性趋势拟合，可得到风速线性变率b及相关系数r。文中对气候变化趋势的性质和幅度采用时间序列的变化气候倾向率(即b×10)、趋势系数(即相关系数r)来表示，选择α为显著性水平，对趋势系数r进行显著性检验；并利用Morlet小波方法^[17]及M-K方法^[18]对时间序列进行周期及突变分析，以考察其不同时间尺度上的变化特征及突变状况。

1.2 年平均风速的均一性检验

刘小宁^[19]、曹丽娟等^[20]对我国年平均风速进行了均一性检验，认为我国年平均风速质量基本可靠，仪器的变更和台站的迁移是引起风速序列非均一性的主要原因。本文采用二相回归方法^[21]对南岳山年平均风速序列进行均一化检验，选择与之相近、相关系数均大于0.8的桂东、衡山、永兴及新宁四站建立参考序列。永兴、新宁在1960年之后站址未迁移，衡山、桂东站址虽有变动，但迁站距离分别仅为2.2和0.5 km，且海拔高度变化不超过30 m，因此，认为参考序列是均一的。图 1为二相回归方法检验得到的南岳山1960—2010年年平均风速与参考序列的差值序列，对比南岳台站历史沿革及测风仪器变更，以及台站海拔高度造成的风速变化之间的差异，认为1968年之前风速偏小可能与使用仪器有关，但总体上该差值序列无明显突变点存在。因此，认为南岳山年平均风速序列大体是均一的。

2 南岳山风的季节变化特征 2.1 风向频率及对应风速的季节变化特征

Yu等^[14]研究表明，我国中东部地区的高山站风场具有明显的季节变化，最大西南风一般发生在夏季。南岳高山站处于我国夏季降水日变化位相转变的关键区^[22]，其风场受复杂地形和下垫面影响，也具有明显的季节变化特征(见表 1)，主要表现在三个方面：(1) 最大风向频率及对应风速逐月变化，1—2月、9—12月最大风向频率都为北风，1月北风频率(21%)为年内最大，对应风速为5.5 m·s^-1，3—8月最大风向频率都为西南风，7月西南风频率(29%)为年内最大，对应风速为9.4 m·s^-1；年内北风及西南风风速的最大值分别出现在12和7月。(2) 次大风向频率及对应风速，1—2月、12月为西南风，3月为北风，4—8月为南西南(SSW)风，9—11月为北东北(NNE)风；(3)16个风向方位中，年内月最大风速的风向都是南西南(SSW)风。

由此可见，南岳山盛行风向为“春、夏西南风，秋、冬北风”；次大风向与盛行风向比较，春季为过渡季节，3月和冬季大致表现为相反的风向，4、5月和夏、秋季风向基本一致；南西南风为年内风速最强盛的风向。

2.2 平均风速的季节变化特征

图 2为南岳山多年候、月及年平均风速。58年平均风速为5.9 m·s^-1(图 2虚线所示)。候平均风速在第37候(7月第1候)达年内最大，为9.1 m·s^-1，第54候(9月第6候)达年内最小，为4.6 m·s^-1。值得关注的是，在第22~29候(4月第4候至5月第5候即南海季风爆发之前^[23])风速呈减弱趋势，至第30候(5月第6候即南海季风爆发之后^[23])风速开始加大。月平均风速大于年平均风速的月份为3—7月，其中7月最大，为7.9 m·s^-1；8月迅速减少到5.5 m·s^-1，9月为年内最小，仅为4.9 m·s^-1，风速呈现“7月大，9月小”的特点。季节平均的风速表现为“春夏大，秋冬小”(图略)，春、夏两季均高于年平均风速，且夏季最大(6.7 m·s^-1)，春季次之，秋冬两季均小于年平均风速，秋季最小，仅为5.0 m·s^-1。

从以上分析可知，南岳山年内盛行风具有显著的季节变化，其风向风速的变化与东亚季风系统的冬、夏季风活动密切相关，具体表现为：春夏盛行强盛西南风，秋冬盛行较弱的北风。

3 年平均风速的变化特征 3.1 年际变化特征

图 3a为南岳山1953—2010年平均的风速变化，总体呈明显的下降趋势，气候倾向率为-0.25 m·s^-1/10年，趋势系数为-0.59，通过0.05显著性水平检验。年最大风速出现在1954年，距平值为1.6 m·s^-1，1970、1973年次之，距平值为1.4 m·s^-1；年最小风速出现在1999年，距平值为-1.3 m·s^-1，2008年次之，距平值为-1.2 m·s^-1。在58年中年平均风速变化经历了“两降一升”3个阶段：1955—1963年呈下降趋势，1964—1973年呈较强的增长趋势，较大的风速维持在1969—1973年，1974年开始风速呈十分明显的持续下降趋势，与全国地面风速变化的情况基本一致^[2]，1990年前后大致可分为两个明显减小期，之前的17年中有13年为正距平，距平值为0.24 m·s^-1，之后的20年中有18年为负距平，距平值为-0.7 m·s^-1。

四季平均风速(图 3b~3e)总体呈下降趋势，倾向率及趋势系数以冬季最小，分别为-0.19 m·s^-1/10年和-0.32，春、夏、秋季的倾向率及趋势系数接近，其中夏季倾向率最大，为-0.28 m·s^-1/10年，春、秋季次之，四季均通过0.05显著性水平检验。与年平均风速类似，各季风速变化均存在“两降一升”3个阶段及2个明显的减小期，1990年后的20年中春、冬季有17年为负距平，夏季有16年为负距平，秋季都为负距平，春、夏、冬季距平值都为-0.6 m·s^-1，秋季距平值为-0.9 m·s^-1；滑动平均曲线表明夏季在20世纪70年代后期开始平均风速下降到均值以下，而冬季在20世纪80年代后期开始下降到均值以下，近年来四季风速均有不同程度增长趋势。

可以看出，南岳山风速变化在58年中经历了“两降一升”3个阶段，总体呈明显减弱的趋势，四季风速气候倾向率“夏季大、冬季小”，20世纪90年代初开始四季风速均出现显著减弱，减小幅度以秋季最大，其中，夏季在20世纪70年代后期开始平均风速下降到均值以下，而冬季在20世纪80年代后期，相差了近10年。

3.2 经、纬向及东、西、南、北风分量的变化特征

为了进一步研究南岳山风的变化特征，对风矢量进行分解，图 4给出了经、纬向及南、北风分量平均风速的变化曲线。由图 4a可见，年平均经向风速明显大于纬向，经、纬向年平均风速整体均呈下降趋势，与年平均风速变化相类似，经、纬向年平均风速分别在1970年、1973年达到最大值5.8和4.1 m·s^-1，与年平均风速曲线的两个极大峰值相对应，之后分别开始持续明显减弱，至2001年纬向年平均风速达到最小值(2.1 m·s^-1)，而经向在2006年达到最小值(3.6 m·s^-1)；经、纬向风速1990年以后都处于持续偏小状态，1991—2010年的20年中只有4年为正距平，距平值分别达-0.37和-0.25 m·s^-1；滑动平均曲线表明2000年中期后纬向风速有明显的增大趋势，而经向风速变化不明显。

图 4b南风分量平均风速明显大于北风分量，在58年中，南风分量年际间风速变化较大，1969年最大(3.3 m·s^-1)，1985年最小(2.0 m·s^-1)，1975—2010年风速持续偏小，36年中有22年为负距平，但距平值仅为-0.02 m·s^-1，距平变化并不明显；而北风分量1970年风速最大(2.8 m·s^-1)，从1971年开始风速持续减小，1994年达最小(1.9 m·s^-1)，1991—2010年都为负距平，距平值达-0.5 m·s^-1。

表 2给出了经、纬向和风分量平均风速的年、季倾向率及趋势系数。从经、纬向风速的倾向率和趋势系数来看，经向风均明显大于纬向风，经向风的春、夏、秋季倾向率较为接近，且秋季最大，为-0.25 m·s^-1/10年，四季均通过0.05显著性水平检验；纬向风的夏季倾向率最大，为-0.13 m·s^-1/10年，其他季节较小，除冬季外，春、夏、秋季均通过0.05显著性水平检验。从风分量倾向率和趋势系数来看，北风分量明显大于其他分量，春、秋、冬季较为接近，最大值为-0.22 m·s^-1/10年，夏季最小。西、南风分量倾向率夏季明显偏大，分别为-0.1和-0.13 m·s^-1/10年，且均通过0.05显著性水平检验。东风分量风速倾向率都小，值得关注的是南风分量平均风速冬季呈弱的增长趋势。

以上分析表明：南岳山经、纬向平均风速都在减弱，经向风速的减小速率远大于纬向风速；北风分量年平均风速倾向率和趋势系数都显著大于南风分量，在冬季风盛行的春、秋、冬季都呈显著减弱趋势，而西、南风分量仅在夏季风盛行的夏季显著减弱，说明冬、夏季风都在减弱，冬季风的减弱比夏季风更为明显，经向风速的减小主要是由北风分量减小造成。

4 风速的周期变化特征

研究表明^[24]，东亚季风系统中冬、夏季风的年循环更明显表现在经向方向上，而且主要出现经向风的变化，南岳山风场的变化体现了这一特征。以下利用Morlet小波分析方法对南岳山年平均和冬、夏季平均风速序列进行周期分析，进一步考察其年际及年代际变化特征。由图 5可见，南岳山年平均风速主要存在3个特征尺度，其中年代际16年准周期振荡最强，但在20世纪90年代以后振荡周期出现了明显转折；年际尺度为3年、7年准周期振荡；对16年准周期而言，58年中平均风速大约经历了6个高—低态转换，转折年份大约在1957、1966、1976、1985、1995和2005年，平均周期为19年左右。

夏季平均风速(图 6a)存在4个特征尺度，年代际周期振荡最强，但周期不稳定，表现为20世纪50年代16年逐渐过渡到2000年后22年周期振荡，中心周期在19年左右；年际尺度分别为2、4和8年准周期振荡。冬季(图 6b)存在3个特征尺度，年代际16年准周期振荡最强，但在20世纪90年代以后振荡发生了明显转折，振荡周期明显变小；年际尺度分别为3和6年准周期振荡。小波方差(图略)显示2~3年的周期变化通过α=0.05的显著性检验。

综上分析：南岳山风场在58年变化中具有显著的年代际周期振荡，年及冬季平均风速16年准周期振荡在20世纪90年代以后明显转折；年际尺度上周期信号强弱分布差异较大，夏季周期信号明显偏强，其中，夏季两年准周期振荡与东亚夏季风系统准两年周期振荡一致，冬季3年准周期振荡与冬季风准4年周期振荡接近^[24]。

5 结论与讨论

本文详细分析了1953—2010年南岳高山站年平均和季节平均的风向风速以及经向和纬向风分量的气候变化特征和演变规律，主要结论如下。

(1) 南岳山盛行风具有显著的季节变化，春夏盛行西南风，秋冬盛行北风；南西南风为年内风速最强盛的风向。

(2) 南岳山近58年中风速总体呈明显的下降趋势，年平均风速气候倾向率为-0.25 m·s^-1/10年，四季中以夏季最大，冬季最小；经、纬向风速都呈减弱趋势，且经向风速减弱远大于纬向风速；北风分量年平均风速减小速率最大(-0.22 m·s^-1/10年)，春、秋、冬季风速变率明显大于其他分量，1990年后北风分量风速持续偏小；西、南风分量在夏季也呈明显减弱趋势，而东风分量风速整体变化不明显。

(3) 南岳山风场在58年变化中具有显著的年代际周期振荡，年及冬季平均风速16年准周期振荡在20世纪90年代后发生明显转折；年际尺度上年平均风速呈现3和7年准周期振荡，与冬季比较，夏季周期振荡明显偏强。

本文分析表明，近58年来南岳山年平均风速与全国地面风速的变化特征基本一致，呈明显的下降趋势；使用M-K法对南岳山年平均风速检验(图 7)发现1990年前后为明显突变点(通过10年滑动T检验^[25-27]0.001显著性水平)，夏、冬季平均风速M-K检验(图略)中UF和UB曲线交点分别在1978和1989年前后。相关研究表明，东亚季风系统夏季风从20世纪70年代中后期以及冬季风从20世纪80年代中后期起发生了明显变弱^{[24, 28-29]}，戴新刚等^[30]和Ren等^[31]也均指出850 hPa经向风在20世纪70年代发生了明显的年代际尺度减弱；以上分析显示南岳山风速发生显著变化的时期与冬、夏季风的年代际变化基本吻合，年平均风速在20世纪90年代初发生的突变是冬、夏季风持续减弱的结果，由此推断东亚季风系统中冬、夏季风的明显减弱可能是引起南岳高山站风速减弱的重要原因。