1. 引言
海南岛位于广东雷州半岛南部海域，是我国的南部大门，植被繁多，地形复杂。海南岛对于我国不仅有重要的军事地位，还具有重要的经济地位 [1] 。海南省是改革开放的前沿阵地，在21世纪海上丝绸之路建设中是重要的一环 [2] 。海口市是海南省省政府所在地，拥有独特的区位和交通枢纽优势，但是相较其他我国港口城市，海口基础设施建设还较为薄弱，在城市基础建设上还有很长一段路要走。
一个地区的风向风速情况对于该地区的城市基础设施建设、国防规划意义非凡，与风向风速相关的天气现象如低空急流、暴雨等强对流天气对航空航天、导弹发射、空气污染物输送等诸多方面有紧密联系 [3] 。其次，风能是一种十分清洁的可再生能源，如何有效利用风力资源发电备受人们关注，由于沿海地区拥有十分优质的风力资源以及开发可能性 [4] 。在未来海口市的城市发展中，清洁能源的开发利用必定是重要的城市建设环节，所以对海口风速、风向进行研究，能有助于海口市风能资源开发利用。
海口市所处位置如图1所示，海口市地处琼州海峡南岸、海南岛东北部沿海，其位置刚好处于南海季风的活动区域，全年不同季节均会受到不同的天气系统的接连影响，导致风向风速发生变化；其次，大气环流等其他各类气象要素在昼夜变化、季节变化里存在的差异十分明显。这些要素的均可能使得该地的风向风速在不同的时间尺度上出现较为明显的变化。由于海口所处地理位置，研究海口的风向风速的时刻分布规律也能对海南岛地区背景风场特征提供参考。
本文采取常用的气象四季划分方法，选取2018年海口站全年高空探空资料作为研究对象进行研究，对风速风向进行统计分析，着重于风速风向在季节变化、月变化的特征进行研究，希望能得到该地2018年风速风向的时空分布情况。
在对风向风速的时空分布特征的分析中，国外学者Klink K. [5] [6] 于上世纪末研究了1961年至1990年美国相邻的187和176个站的月平均风速最大值和最小值，得出了美国一年中各个季节风速变化特征以及多年来美国的风速变化情况；在在美国相邻的216个站点上，得出了月平均风速，风向和风速(均值矢量)的研究中得到了平均月风向以及风速的季节变化情况。Pirazzoli P. A.和Tomasin A. [7] 通过对地中海中部的17个意大利沿海海岸站多年数据分析，研究了风向风速变化趋势，在总结风向风速变化规律的同时还对其变化是否与区域温度变化、北大西洋振荡等现象是否相关。Lin等 [8] 利用全球无线电探空仪档案中国区域149个站点的资料，区分三个时间段，着重分析了850 hPa和500 hPa两个等压面风速变化，并且提出了解释这些变化的观测观测证据。
Figure 1. Location of Haikou sounding station
图1. 海口探空站位置
国内学者针对不同地区的风向风速在不同侧重点下对时空分布特征进行了分析，得出了许多成果：
针对大范围区域的研究有：任国玉等 [9] 在针对高空风方面的研究中，得出了在850 hPa处，春季平均风速最大，夏季最小，年内变化不明显的结果；张爱英等 [10] 得出了对流层中，中下层年平均风速呈下降趋势。陈诚等 [11] 利用全国93个探空站1981~2014年中低空5个高度层的探空风资料，分析各高度层累年平均风速及累年逐月平均风速并绘制全国年平均风速空间分布图，并对趋势性和周期性特征进行分析。得到了全国各个地区风速在各个高度层的分布特点，以及空间变化和年际变化特征。赛瀚，苗峻峰 [12] 针对环渤海地区低空急流时空分布特征使用统计方法进行研究，得出了环渤海地区低空急流的日、月际分布等特征情况。吴古会，张艳梅 [13] 通过对10年间贵州84站的10 min平均风数据从各季度和不同类型暴雨过程的角度分析了贵州省84县(市)站的08~08时日最大风的特征，得到了各个季节贵州省的风场时空特征。王静等 [14] 在通过对2012年海南岛沿海6个常规气象站、2个海岛站的逐时风向、风速资料针对风速日变化等方面进行了统计分析，得到了各个季节、昼夜变化等风向风速的分布变化规律。荣艳淑，梁嘉颖 [15] 利用了50年104个气象观测站的实测风速分析了华北地区年平均风速的空间分布特征、逐年代变化特征近50年来的变化趋势以及风速突变情况，并且得到了华北地区风速呈西北和东南地区偏大、东北–西南向风速偏小的分布特征等相应的结果。于宏敏等 [16] 利用黑龙江省1961~2010年哈尔滨、嫩江、齐齐哈尔、伊春4个气象站探空和地面风速资料，分析了边界层内不同高度风速的气候学特征和时间变化趋势，得到了黑龙江省边界层内不同高度层风速随高度的变化情况、风速在各个季节的变化情况以及风速的年代际变化情况；同时还研究了风速变化与城市化等下垫面要素变化是否有关。
在针对小范围区域的研究：肖丹等 [17] 在利用眉山市05~17年的逐小时风观测资料，从风向频率、风速日变化特征等方面对各风向的通风效果进行了评估，确立了眉山的主导风向。王会兵等 [18] 利用了乐山71~05年整编风资料对乐山市各区县地面风场进行了全面分析，得到了风速年际变化、季节变化的情况以及空间分布的特点。孟丹等 [19] 利用宜昌1958~2013年逐日探空风资料，通过趋势系数、滑动t检验和小波分析等方法，分析宜昌中低空规定高度平均风速的时间变化，并和同期地面风速变化进行对比。得到了宜昌地区各个高度层的风速时空分布情况，并且总结了该地区的风速年际、季节变化情况。
目前我国的低空急流研究还未形成统一的具体标准，学者们通常使用研究区域的特征来定义该区域的低空急流条件 [20] 。王蕾等 [21] 在参照北美研究低空急流气候特征方法对我国低空急流活动特征分析中，发现了江南低空急流活动主要有两个活动期，一是1~4月受到副热带高空急流轴底部下伸反映；二是6~7月有独立的急流轴。有较明显的月季变化特征。张文龙等 [22] 在通过我国西南低空急流与低空大风对比分析中发现江南地区的低空急流主要活动在850 hPa，并且存在明显的季节变化，其与华南、江淮地区的暴雨期同步。
东亚季风同时表现在风向随季节变化、降水随季节变化两个方面，在夏季盛行偏南风自海洋带来大量水汽、冬季盛行偏北风自高纬度地区带来干冷空气 [23] 。南海夏季风是东亚夏季风的重要组成部分，且在东亚夏季风的建立过程中起着重要的作用 [24] 。
本文主要利用2018年整年的海口站(20.03˚N, 110.35˚E)一日两次无线电高空探测资料，通过对500 hPa等压面、700 hPa等压面、850 hPa等压面、925 hPa等压面、地面层5个层次的风速风向资料进行分析，对该站点2018年风向风速的时空分布特征进行探究。
本文主要对该资料的风向、风速2个要素，通过不区分昼夜以及区分昼夜三种情况进行筛选，分别统计各等压面的整年风速风向情况、季节风速风向情况、逐月风速风向情况，探究该站全年、各季节、各月份的主要风向、次要风向、主要风速以及次要风速，并且探究风向风速的季节变化情况和月变化情况及其昼夜差异。
2. 资料和方法
2.1. 资料说明
本文采用的分析资料是NOAA/ESRL无线电高空探测资料。此所用资料是美国国家大气管理局NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)下属单位ESRL (Earth System Research)所提供下载每隔12小时一次的站点资料，在资料中含有气压、海拔高度、温度、露点温度、风向、风速六个气象要素资料，各个标准气压层各有一行数据逐列一一排序。
本文所使用的2018年整年资料的无线电高空探测资料的时间密度为每日两次(00:00 UTC和12:00 UTC)。针对资料中500 hPa等压面、700 hPa等压面、850 hPa等压面、925 hPa等压面、地面层5个层次的风速、风向进行统计分析，分析其季、月变化情况和区分昼夜的季、月变化情况及昼夜变化情况。
研究站点为海口站(20.03˚N, 110.35˚E)，站号59758，海拔高度为15 m，地处琼州海峡南岸、海南岛东北部沿海。探空资料的记录时间为世界时(UTC)，对应北京时间(BST = UTC + 8 h)为08:00以及20:00，本文分析均为北京时间，并且以北京时间08:00作为白天探测结果，20:00作为夜间探测结果。
2.2. 方法
2.2.1. 质量控制
对2018年整年的海口站(20.03˚N, 110.35˚E)一日两次(00:00 UTC和12:00 UTC)的NOAA/ESRL无线电高空探测资料进行质量控制：1) 分析层次中应该包含1000 hPa等压面，由于海口市纬度较低，在夏季，该地该等压面资料有大范围缺测情况，不能连续使用，所以不分析该层次资料。2) 在其他层次中，风速、风向数据有个别缺测情况的，该日该数据不纳入统计，其他数据仍参考统计。
2.2.2. 风速风向划分标准
为对风速风向进行统计分析，将两者按照以下标准进行划分：
风速：按照风速大小分别按照：[0, 5)，[5, 10)，[10, 15)，[15, 20)，[20, 25)，[25, 30)，[30, 35)，[35, +∞)的标准进行划分，单位为m/s。
风向：按照资料内风向角度数值分别按照：偏北[315˚, 45˚)，偏东[45˚, 135˚)，偏南[135˚, 225˚)，偏西[225˚, 315˚)进行划分，区分为4个风向进行统计分析。
3. 风速的时空分布情况
风速是气象学研究的重要参数，对风速的探究在各个领域都具有重要作用和意义。对于大尺度天气系统、中尺度天气系统的影响作用，风速的响应十分敏感，使得其在月、季、年上均具有不同的特征。下文将通过使用海口站2018年500 hPa、700 hPa、850 hPa、925 hPa及地面的探空资料，对响应层次的风速的全年情况，季节变化、月变化以及昼夜差异进行分析探究，并且研究该年的风速空间分布特征。
3.1. 风速的年分布情况及昼夜差异
图2是通过对海口站500 hPa至地面五个层次的资料进行筛选后得到的全年风速数据以及白天、晚上风速数据所统计的小提琴图，琴体最宽的区间代表该区间为主要风速区间，黑色矩形是下四分位数到上四分位数的范围，矩形上边缘为上四分位数Q3，代表数据中有四分之一的数目大于上四分位数，下边缘为下四分位数Q1，代表数据中有四分之一的数目小于下四分位数，白色短线以及标值为平均风速。
Figure 2. Annual distribution of wind speed at various levels (unit: m/s) and differences between day and night
图2. 全年各层次风速分布情况(单位：m/s)及昼夜差异
由图2中全年的风速分布情况可知，500 hPa高度层的风速最大，平均风速为10.11 m/s，极大风速值为33 m/s；700 hPa高度层的平均风速为6.85 m/s，极大风速值可达23 m/s，850 hPa高度层的平均风速为5.61 m/s，极大风速值为25 m/s；925 hPa高度层的平均风速为7.16 m/s，极大风速值可达24 m/s；地面层的平均风速为3.18 m/s，极大风速为11 m/s。
在风速区间方面，在500 hPa等压面上的主要风速为5~10 m/s，次要风速为10~15 m/s。在700 hPa等压面，主要风速为5~10 m/s，次要风速为0~5 m/s。在850 hPa等压面，主要风速为0~5 m/s，次要风速为5~10 m/s。在925 hPa等压面，主要风速为5~10 m/s，次要风速为0~5 m/s。在地面层，主要风速为0~5 m/s，次要风速为5~10 m/s。
图2也能体现出各层次全年风速在昼夜变化情况，白天各个层次从高到低的年平均速度分别为：9.82 m/s、6.83 m/s、5.91 m/s、7.53 m/s及2.93 m/s，风速极大值分别为33 m/s、23 m/s、25 m/s、24 m/s及11 m/s。晚上各个层次从高到低的年平均速度分别为：10.41 m/s、6.89 m/s、5.32 m/s、6.79 m/s及3.45 m/s，风速极大值分别为33 m/s、22 m/s、24 m/s、24 m/s及8 m/s。
在主要风速区间方面，白天500 hPa等压面上的主要风速为5~10 m/s，而0~5 m/s，10~15 m/s的统计数一样，皆为次要风速。700 hPa上，主要风速为5~10 m/s，次要风速为0~5 m/s，与平均状况统计结果一致。850 hPa上，主要风速为5~10 m/s，次要风速为0~5 m/s，与平均状况统计结果相反。在925 hPa上，主要风速为5~10 m/s，次要风速为5~10 m/s，次要风速上与平均状况统计结果有所不同。地面层上，主要风速为0~5 m/s，次要风速为5~10 m/s，与平均状况统计结果一致。
夜晚各层次风速分布情况为：500 hPa上的主要风速为5~10 m/s，次要风速为10~15 m/s；700 hPa上的主要风速为5~10 m/s，次要风速为0~5 m/s，与白天统计情况一致；850 hPa上，主要风速为0~5 m/s，次要风速为5~10 m/s，与白天情况相反；在925 hPa上的主要风速为5~10 m/s，次要风速为0~5 m/s，次要风速上与白天有所不同；地面层上的主要风速为0~5 m/s，次要风速为5~10 m/s，与白天结果一致，但是次要风速的统计数比白天明显更多。
通过平均速度、主要风速、次要风速区间的对比，可以得到结论：在全年尺度上风速是随着高度降低而降低的，但是925 hPa等压面的风速高于850 hPa。
对比白天与夜晚的平均风速以及主要风速、次要风速区间的差异，可以发现在全年尺度上夜晚在中高层500 hPa，700 hPa等压面及地面的风速要高于白天，而在低层的850 hPa，925 hPa等压面上的风速要低于白天。
3.2. 风速的季节分布情况及昼夜差异
图3为通过统计海口四季各层次的风速分布情况和昼夜差异而得到的小提琴图，从图中可见各个层次的风速分布的季节变化特征、平均风速的季节变化以及昼夜差异。
Figure 3. Seasonal distribution of wind speed at various levels (unit: m/s) and diurnal differences
图3. 各层次风速季节分布情况(单位：m/s)及昼夜差异
通过对比各层次风速的四季分布情况可发现，在500 hPa上，冬春季节为风速明显大于夏秋季节。春季500 hPa等压面虽然主要风速区间在5~10 m/s，但是由于次要风速区间为15~20 m/s且占比与主要区间相差不大，所以使得该季平均风速较高为12.5 m/s，极大风速值可到27 m/s。到夏季，该层次的风速骤降，平均风速下降到6.65 m/s，为各等压面最低。原因可能在于夏季海口受到西太平洋副高的控制，导致其在500 hPa上风速较低。到秋季夏季风减弱，冬季风加强，500 hPa上风速开始升高，至冬季平均风速又上涨到10 m/s以上，主要风速区间由夏季最低的0~5 m/s上升到了10~15 m/s。
700 hPa上风速的季节变化较500 hPa相比，相同的地方在于700 hPa的平均风速最大值也在冬季出现，而不同的地方在在于夏季是700 hPa的风速相较与春季是上升的。这可能是由于700 hPa等压面高度的原因，在春季冬季风减弱，夏季风增强的时，700 hPa上开始受到夏季的影响，到夏季南海季风爆发时700 hPa受到显著影响使得风速增强。而到秋季夏季风减弱，冬季风增强，该层次受到夏季风减影响，风速有所下降。转如冬季，700 hPa有受到西风带的影响，使得风速上升。
850 hPa上风速变化呈现出周期性变化，春季时850 hPa的平均速度为最低，接近70%的频数在0~5 m/s，而到夏季850 hPa的风速上升十分明显。风速在10 m/s的频率大约达到60%而到秋冬季随着夏季风减弱，该层次的风速也有所下降。925 hPa上风速的季节变化幅度并不大，平均风速四季均保持在6~8 m/s，主要风速区间也一致保持在5~10 m/s。地面风速与925 hPa风速的变化情况一致，四季均保持在3~3.5 m/s之间，主要风速区间也一致保持在0~5 m/s。
总体上看，各个层次上四季均有风速变化情况，但是变化幅度有很大差异，自高层往低层变化幅度下降，500 hPa上季节差异十分明显。
在风速的季节变化情况的昼夜差异情况上，白天和夜晚情况下风速的季节变化与在变化特征上并无区别，与前文所总结的结果一致，昼夜情况下的差异在于白天夜晚的风速大小有所差异。在平均速度上，500 hPa、地面上四季夜晚的平均风速均大于白天，在700 hPa和850 hPa、925 hPa上白天平均风速也都大于晚上，但是风速相差并不大。在风速区间上的差异主要为500 hPa的风速区间在晚上要高于白天。
3.3. 风速的月分布情况及昼夜差异
3.3.1. 风速月变化情况
表1为通过整年资料拆分为月份资料所求得的各月平均风速大小以及最大风速。如表1所示，海口站各个层次上平均风速的月变化是比较明显的。在500 hPa等压面上，冬春季节的平均风速明显大于夏秋季节，平均风速在十月份最低，在三月份最高，在两月之间有明显的风速下降与增加的变化过程。可以发现该层次的风速发生的变化的月份与南海夏季风的发展与减弱时间一致，在5月份春夏之交，夏季风爆发后，平均风速明显下降，而在11月份秋冬之交，冬季风发展后平均速度有明显上升。
在700 hPa等压面上，一月份风速平均风速最高，十一月份最低。不同与500 hPa的是其在七月份的平均风速仅次于一月，从一月到五月平均风速降低后增高至七月，而后就持续降低至十一月最低平均风速。925 hPa等压面和地面上风速变化情况与700 hPa一致，变化幅度小。850 hPa等压面上平均风速的月变化与700 hPa趋势一致，但是变化幅度有所区别，该层次上最大平均风速在七月而非一月。通过细致对比，其实在春夏之交及秋冬之交的月份(5月、11月) 700 hPa，850 hPa，925 hPa等压面上的平均风速都比其他月份低，说明其在季风演变的时期还是受到了一定影响的，而其在夏季的风速交大的原因可能是由于季风在该层次的影响较大，以及边界层湍流的作用。
图4为依据各月风速资料所统计的频率直方图，各箱体的标签为其的出现频率。通过对比图4各月份风速的分布情况可见，从一月到三月500 hPa主要风速分布在较高风速区间内，且在三月时的主要风速区间风速最大；自四月起逐渐向低风速区间移动，至十月主要风速和次要风速都在较低风速区间，统计数十分接近；十月后主要风速和次要风速分布又向高风速区间移动。
700 hPa主要风速和次要风速自一月逐渐向低风速区间移动，至五月后开始向高风速区间移动至七月后又向低风速区间移动至十一月主要风速处于最低风速区间。850 hPa主要风速和次要风速的变化情况与700 hPa类似，主要区别在于其风速最大区间位于七月。925 hPa和地面主要风速和次要风速的变化情况与700 hPa一致，变化幅度较小。
Table 1. Monthly average wind speed and maximum wind speed (unit: m/s)
表1. 各月平均风速及最大风速(单位：m/s)
注：V：平均风速；Vm：最大风速。
Figure 4. Monthly distribution of wind speed occurrence frequency (unit: 100%) at various levels
图4. 各月各层次风速出现频率(单位：100%)分布情况
3.3.2. 风速白天月变化情况
表2为通过整年资料拆分的白天月份资料所统计得的各月白天平均风速大小以及最大风速。如表2所示，海口站白天各个层次上风速的月变化与平均情况下基本一致。在500 hPa等压面上，冬春季节的风速明显大于夏秋季节，平均风速在十月份最低，在三月份最高，在两月之间有明显的风速下降与增加的变化过程。值得注意的是在风速变化在六月有小幅上涨，但是不明显。在风速大小方面，白天较不区分昼夜情况风速较小。
在700 hPa等压面上，一月份风速平均风速最高，十一月份最低。不同与500 hPa的是其在七月份的平均风速仅次于一月，从一月到五月平均风速降低后增高至七月，而后持续降低至十一月最低平均风速。在风速大小方面，白天较不区分昼夜情况风速较小。
在850 hPa等压面上，平均风速的月变化与700 hPa趋势一致，但是变化幅度有所区别，该层次上最大平均风速在六月而非一月，同不区分昼夜情况相比，白天风速更大，且在夏季比较明显。925 hPa等压面和地面上风速变化情况与700 hPa一致，变化幅度小。在风速大小方面，925 hPa上白天较不区分昼夜情况风速较大，而地面相较不区分昼夜情况风速小。
Table 2. Monthly average and maximum daytime wind speed (unit: m/s)
表2. 各月白天平均风速及最大风速(单位：m/s)
注：V：平均风速；Vm：最大风速。
图5为依据白天各月风速资料所统计的频率直方图，各箱体的标签为其的出现频率。如图5所示，一月到三月500 hPa主要风速均分布在较高风速区间内；自四月起逐渐向低风速区间移动，至十月主要风速和次要风速都在低风速区间，且频率十分接近；十月后主要风速和次要风速分布又向高风速区间移动。
700 hPa主要风速和次要风速自一月逐渐向低风速区间移动，至五月后开始向高风速区间移动至七月后又向低风速区间移动至十一月主要风速处于最低风速区间。850 hPa主要风速和次要风速的变化情况与700 hPa类似，主要区别在于其风速最大区间位于七月。925 hPa和地面主要风速和次要风速的变化情况与700 hPa一致，变化幅度较小。
Figure 5. Distribution of wind speed occurrence frequency (unit: 100%) at various levels during the day of each month
图5. 各月白天各层次风速出现频率(单位：100%)分布情况
3.3.3. 风速夜晚月变化情况
表3为通过整年资料拆分的夜晚月份资料所统计得的各月夜晚平均风速大小以及最大风速。如表3所示，海口站夜晚各个层次上风速的月变化与不区分昼夜情况下区别不大。在500 hPa等压面上，冬春季节的风速明显大于夏秋季节，平均风速在十月份最低，在三月份最高，在两月之间有明显的风速下降与增加的变化过程。在风速大小方面，夜晚较不区分昼夜情况风速较大。在700 hPa等压面上，一月份风速平均风速最高，十一月份最低。不同与500 hPa的是其在七月份的平均风速仅次于一月，从一月到五月平均风速降低后增高至七月，而后持续降低至十一月最低平均风速。在风速大小方面，夜晚较不区分昼夜情况风速较大。
850 hPa等压面上平均风速的月变化与700 hPa趋势一致，但是变化幅度有所区别，该层次上最大平均风速在六月而非一月，同不区分昼夜情况相比，白天风速更大，且在夏季比较明显。925 hPa等压面和地面上风速变化情况与700 hPa一致，变化幅度小。在风速大小方面，925 hPa上夜晚较不区分昼夜情况风速较小，而地面相较不区分昼夜情况风速大。
Table 3. Monthly average wind speed and maximum wind speed at night (unit: m/s)
表3. 各月晚上平均风速及最大风速(单位：m/s)
注：V：平均风速；Vm：最大风速。
图6为依据夜晚各月风速资料所统计的频率直方图，各箱体的标签为其的出现频率。如图7所示，从一月到三月500 hPa主要风速分布在较高风速区间内；自四月起逐渐向低风速区间移动，至十月主要风速和次要风速都在低风速区间，且频率十分接近；十月后主要风速和次要风速分布又向高风速区间移动。
700 hPa主要风速和次要风速自一月逐渐向低风速区间移动，至五月后开始向高风速区间移动至七月后又向低风速区间移动至十一月主要风速处于最低风速区间。
850 hPa主要风速和次要风速的变化情况与700 hPa类似，主要区别在于其风速最大区间位于七月。925 hPa和地面主要风速和次要风速的变化情况与700 hPa一致，变化幅度较小。
Figure 6. Distribution of wind speed frequency (unit: 100%) at various levels on each month night
图6. 各月夜晚各层次风速出现频率(单位：100%)分布情况
3.4. 风速的分布情况小结
本节对不同层次的风速分布情况在整年、季节、月份三个时间尺度上分别进行了分析，并且对相应时间尺度的昼夜差异进行了对比。
对于各层次全年的风速分布，全年尺度上风速是随着高度降低而降低的，但是925 hPa等压面的风速高于850 hPa、700 hPa。在昼夜差异方面，通过对比白天与夜晚的平均风速以及主要风速、次要风速区间的差异，可以发现在全年尺度上夜晚在中高层500 hPa，700 hPa等压面及地面的风速要高于白天，而在低层的850 hPa，925 hPa等压面上的风速要低于白天。
海口站各个层次上四季均有风速季节变化情况，均呈现出类周期变化，但是在变化幅度有很大差异，自高层往低层变化幅度下降，500 hPa上季节差异十分明显。在500 hPa、地面上冬春季风速明显高于夏秋季风速；700 hPa上冬季风速最高，夏季风速次之，秋季风速最低；在850 hPa上是夏季风速最高而春季最低；925 hPa上则是冬季风速最高，夏季风速次之，春季最低。
在风速季节变化的昼夜差异在于白天夜晚的风速大小。从平均风速以及风速区间的分布综合可得，500 hPa及地面上晚上的各季节风速要大于白天，而在700 hPa、850 hPa和925 hPa上各季节白天的风速大于晚上。
对区分月份进行分析发现，风速的月变化与季节变化相对应。各个层次的月平均风速呈周期性变化，其中以高空风最为显著，变化幅度较大。在500 hPa等压面上，风速在1月到3月为增长，从4月开始下降，到10月最低。在春夏之交及秋冬之交的月份(5月、11月) 700 hPa，850 hPa，925 hPa等压面上的平均风速为变化的波谷，波峰这为盛夏、盛冬时节。昼夜差异上，月份与季节一致，为500 hPa及地面上晚上的各季节风速要大于白天，而在700 hPa、850 hPa和925 hPa上各季节白天的风速大于晚上。
4. 风向的时空分布情况
风向在人们生产、生活中的种种领域都有着重要指导意义。在对风速的全年平均情况、季节变化情况、月变化情况以及相对应的昼夜差异进行统计分析后，风向的全年平均情况、季节变化情况、月变化情况及昼夜差异也值得继续探讨。
下文根据整年资料进行季节、月份区分，分别对海口站风向进行各个高度层的全年、季节、月份风向进行统计分析，此处将风向按照偏北[315˚, 45˚)，偏东[45˚, 135˚)，偏南[135˚, 225˚)，偏西[225˚, 315˚)四个风向进行讨论。
4.1. 风向的年分布情况及昼夜差异
图7为全年各层次风向频率分布情况、风速组成及昼夜差异。海口站在500 hPa等压面上全年主要风向为偏西，全年出现概率为60%，次要风向均为偏南风向，全年出现概率为18%。主要风向的风速区间为10~15 m/s，出现频率为全年的17%，出现10 m/s以上的频率占到偏西风的63%。700 hPa上，全年主要风向也为偏西，出现频率为51%，次风向为偏南，出现频率为23%。主要风向的主要风速区间为5~10 m/s，占到全年的12%，在主要风向里风速大多数为5 m/s以上，所占频率达到偏西风的80%。
在850 hPa上风向比较紊乱，以出现概率从大到小分别是偏南、偏东、偏西，偏东，其中前三者的频率十分接近，主要风速区间均为5~10 m/s。出现这个现象可能是由于该层次季风的影响显著，风向季节变化较大，导致全年统计上风向比较紊乱。或者是风切变的发生高度层位于850 hPa等压面附近。
在925 hPa等压面和地面主要风向均为偏东风，出现概率都在50%以上，次要风向均为偏南风向，出现概率均接近30%。925 hPa上的主要风速区间均为5~10 m/s，在对应风向里占比很大，而地面上主要风速区间均为0~5 m/s。
Figure 7. Annual distribution of wind direction frequency at various levels (unit: %), wind speed composition (unit: m/s), and diurnal differences
图7. 全年各层次风向频率分布情况(单位：%)、风速组成(单位：m/s)及昼夜差异
把高低空各层次的风向分布进行对比分析发现，高低空的风向有显著差异，风切变明显，高层盛行偏西风而低层盛行偏东风。在850 hPa上风向变化大，但是偏北风的出现频率相对其他方向较低。
从对昼夜情况统计结果可以看到，各个层次昼夜情况下的主体风向与次要风向的分布情况、主要风向区间的分布情况都与平均状况一致，昼夜的主要差异在于个别风向上的出现频率有所差异。
500 hPa等压面上，晚上主要风向偏西风出现的频率为64%，高于白天近10%，且晚上偏西向的风速组成要比白天更大，这也与前文500 hPa上风速分布的昼夜差异所对应。而次要风向偏南方的出现频率则要比白天小。700 hPa等压面上的情况与500 hPa一致，但是昼夜差异无论是在主要次要风向的出现频率上还是在风速组成上都不大，不如500 hPa明显。
850 hPa等压面上虽然偏东、偏南、偏西风向的出现频率接近，但是在昼夜情况下有着较明显的差异。850 hPa夜晚的主要风向变为偏南，次要风向变为偏西。昼夜对比，850 hPa上晚上的偏南风向、偏北风向出现的频率要比明显白天高，而白天在偏东风向出现频率上要比晚上明显，风速组成上可见白天各个风向的风速均比晚上要大，与前文结果一致。925 hPa及地面上的情况则夜晚的偏东方向的出现频率较白天更高，而偏南风向的出现频率要低；风速组成上，925 hPa主要风向白天的风速组成要大与晚上，而地面晚上的更大，这与前文一致。
通过对各层次昼夜风向玫瑰图的对比可以看到，在白天各层次的偏东风向以及偏南风向相较晚上出现频率更高，在低层的925 hPa，地面尤为明显。与之相对应的，白天的偏西风的出现概率更加大一些。
4.2. 风向的季节分布情况及昼夜差异
海口受到季风的影响十分显著，所以风向季节变化比较明显。图8为海口站各季节500 hPa风向频率分布情况、风速组成及昼夜差异，可以看到在500 hPa等压面上海口站的冬春季节的主要风向为偏西，出现频率都达到80%，主要风速区间分别为10~15 m/s，15~20 m/s，风速在10 m/s以上的频率均在主要风向的80%以上。在夏季，风向出现了紊乱情况，偏东风为主要风向，其他三个风向出现频率相似，主要风速处于较低区间。在秋季，主要风向又转为偏西，次要风向为偏东风，主要风速区间为5~10 m/s。可见在500 hPa上，大风普遍为西风。
白天500 hPa等压面风向的季节变化情况与平均状况一致，冬春季节盛行偏西风；在夏季，风向比较紊乱，偏东风为主要风向。不同在于，春季白天主要风向的风速要明显比平均状况更大，而在冬季更小一些。而在夏季，白天的偏东、偏南风向的出现频率更高；秋季偏东风的频率也更高一些，冬季风向情况与平均状况一致。夜晚风向的分布情况与白天相比，春季夜晚偏西风出现的频率更高，而次要风向偏南风向出现的概率则要小。在夏季，晚上的主要风向、次要风向的出现频率相较于白天要低，反之偏北、偏西风向出现的概率明显更大。秋、冬季各风向的出现概率与白天相差并不明显。在要风向的风速区间上分布方面，500 hPa上春季晚上的主要风速区间为15~20 m/s，大于白天的10~15 m/s，其他季节昼夜的主要风速区间一致。
如图9所示，冬春季节700 hPa上风向的季节分布情况与500 hPa一致，区别只在700 hPa上风速要明显小于500 hPa，700 hPa上主要风向的主要风速区间均为5~10 m/s。在夏季，700 hPa等压面上的主要风向为偏西，次要风向为偏南，偏北风向的出现概率比500 hPa上明显要小；秋季的主要风向为偏北风，出现频率为32%，次要风向为偏西，且出现频率与偏北风向的出现频率十分接近，为30%。
700 hPa昼夜情况下的风向季节变化情况与平均情况的变化是一致的，昼夜的差别在于主要风向、次要风向的出现频率。通过把图中700 hPa上昼夜风向的季节变化情况对比分析，可见春季晚上的次要风向偏南风向上的出现概率比白天更高，相应偏西风的出现频率减少；秋季晚上的主要风向偏北方向出现的频率比白天要高。其他季节昼夜的差异不明显。在主要风向的主要风速区间上，各个季节的昼夜差异也不明显，自春到冬均为5~10 m/s。
Figure 8. Frequency distribution of 500 hPa wind direction in each season (unit: %), wind speed composition (unit: m/s), and diurnal differences
图8. 各季节500 hPa风向频率分布情况(单位：%)、风速组成(单位：m/s)及昼夜差异
Figure 9. Frequency distribution of 700 hPa wind direction in each season (unit: %), wind speed composition (unit: m/s), and diurnal differences
图9. 各季节700 hPa风向频率分布情况(单位：%)、风速组成(单位：m/s)及昼夜差异
对全年情况的分析已知，海口站中高层风向与低层风向有明显差异。图10为各季节850 hPa风向频率分布情况、风速组成及昼夜差异，通过对比结果可见在低层与高层的风向各个季节差异都十分明显。在春季850 hPa上的主要风向与次要风向分别为偏南、偏西，出现的频率相差不大，到夏季主要风向转为偏西，
Figure 10. Frequency distribution of 850 hPa wind direction in each season (unit: %), wind speed composition (unit: m/s), and diurnal differences
图10. 各季节850 hPa风向频率分布情况(单位：%)、风速组成(单位：m/s)及昼夜差异
风速也达到全年最高水平。到秋季主要风向发生明显变化，偏东风向转为主要风向，次要风向变为偏北。到冬季盛行、次要风向转为偏南、偏东。
850 hPa昼夜情况下的风向季节变化情况与平均情况的变化是一致的，昼夜的差别在于主要风向、次要风向的出现频率。对比850 hPa上昼夜风向的季节变化情况，夏季白天的主要风向偏西风向上的出现概率比晚上更高，相应偏东风、偏北风的出现频率减少；秋季白天的主要风向偏东方向出现的频率比晚上明显要高，相应的偏北风向出现的频率要低；冬季晚上的主要风向偏南方向出现的概率比白天明显要高，相应的偏东风出现的频率降低；春季的差异不明显。在主要风向的主要风速区间上，各个季节的昼夜差异也不明显，自春到冬均为5~10 m/s。
图11为各季节925 hPa风向频率分布情况、风速组成及昼夜差异，与850 hPa上相比，925 hPa的风向相较于高层更加明显。在该层次，春季的主要风向偏南风，与次要风向偏东风的出现频率相差并不大，到夏季主要风向与次要风向与850 hPa上一致，均为偏西和偏南。秋季盛行偏东风，出现频率远大于其他风向，次要风向为偏北风，到冬季，依然盛行偏东风，但次要风向变为偏南。在夏秋季节，850 hPa与925 hPa的风向较为一致，说明低空急流在夏秋季节影响较大。
Figure 11. Frequency distribution of 925 hPa wind direction in each season (unit: %), wind speed composition (unit: m/s), and diurnal differences
图11. 各季节925 hPa风向频率分布情况(单位：%)、风速组成(单位：m/s)及昼夜差异
925 hPa昼夜情况下的风向季节变化情况与平均情况一致，差别在于主要风向、次要风向的出现频率。925 hPa上各季节的昼夜差异如下：春季白天的偏南风向出现的概率明显要比晚上高，相应的偏东风出现的概率则明显要低；夏季白天的住要风向偏西风向上的出现概率比晚上更高，相应偏东风的出现频率较少；冬季白天的主要风向偏东方向出现的概率比晚上要高；秋季的差异不明显。
图12为各季节地面风向频率分布情况、风速组成及昼夜差异，地面上风向的季节变化情况与925 hPa一致，各季节的主要风向分别为偏南、偏南、偏东、偏东，次要风向分别为偏东、偏东、偏南、偏北。主要风向在春季夏季的出现频率并不大，而在秋季冬季主要风向的出现频率分别达到60%，80%以上。各个风向下的主体风速均为0~5 m/s。在主要风向的主要风速区间上，各个季节的昼夜差异也不明显，自春到冬均为5~10 m/s。
Figure 12. Frequency distribution of surface wind direction in different seasons (unit: %), composition of wind speed (unit: m/s), and differences between day and night
图12. 各季节地面风向频率分布情况(单位：%)、风速组成(单位：m/s)及昼夜差异
在地面上，昼夜风向季节变化情况与平均状况也是一致的，昼夜的差异依然在于主要风向、次要风向的出现频率上。对比昼夜情况，各个季节的昼夜差异为：春季白天的偏南风的出现概率要明显高于晚上，而相应的偏东风的出现概率这明显要低；夏季与春季的情况一样，白天的偏南风出现的概率要高于晚上，而偏东风出现的概率低于晚上；秋季白天的偏东风明显低于晚上，而偏南风则明显高于晚上；冬季白天的偏东风低于晚上，而偏北风这高于晚上。在风速区间方面，昼夜各风向的主体风速区间均为0~5 m/s。
通过对各个层次的风向风速季节变化情况对比分析可见，海口站收到季风的影响非常显著，风向的季节变化基本上与南海季风的4阶段演变相互对应。
朱伟军等 [25] 在研究南海季风垂直结构时曾经指出，当南海季风在对流层低层建立起西南风的同时，平流层低层的西风会发生突变情况，转为东风。这也解释了500 hPa、700 hPa等压面上偏东风向在夏季明显升高。而在夏季西南季风的盛行时期，对流层的气流结构一般为从下往上为西南风、东南风、东北风，而从对海口站各个层次的风向的统计结果上看，夏季各个风向的确在一定程度上对应了该垂直结构。但是在夏季低层仍然有较为明显的偏东风，出现此现象的原因可能与海口所处地形 [26] 有关。海口位于海南岛北部，而海南岛的中心地带为高大山地地形，对西南季风有一定阻挡作用，其次海口毗邻琼州海峡，还受到琼州海峡的大风影响，各因素综合使得在夏季节低层也有明显的偏东风。到秋季低层盛行偏东风的原因则是夏季风减弱，受到冬季风发展与地形的共同影响导致的。
通过对各个层次的昼夜季节变化的对比分析发现，在昼夜情况下，各层次风向的季节变化特征与平均状况并无区别。其次，各层次风向季节变化的昼夜差异在于主要风向、次要风向的出现频率上。此差异在高层500 hPa、700 hPa上并不明显，但是在低层850 hPa、925 hPa及地面上比较明显，其次在冬秋季不明显，在春夏季比较明显。
4.3. 风向的月分布情况及昼夜差异
海口市位于琼州海峡南岸、海南岛东北部沿海，东亚季风区南部边缘，受到季风的影响，十分显著。在春季，南海季风从冬季风开始向夏季风转变，背景风由东北风向东南风变化，到春夏之交，南海夏季风爆发之后，背景风向变为偏南风向。前文已经得到了各个层次的季节变化特点，图13为12个月的各风向出现频率的变化情况及昼夜差异，从中可以看到各个月各个层次上的主要风向变化与前文季节变化情况一一对应。
对于高层500 hPa等压面和700 hPa等压面，从500 hPa、700 hPa上风向频率1~12月变化情况，海口站自3月到7月，500 hPa、700 hPa的主要风向开始由偏西风向偏东风转变，这是可能是由于在南海夏季风建立时，平流层低层的西风突变成了东风，并且向下延伸到了500 hPa上 [25] 。到了盛夏7月，500 hPa的主要风向由偏西风转向偏东风，700 hPa的主要风向由偏西转为偏南(偏东风的出现频率与之十分接近)。至9月，偏东风的出现频率达到最高值，但是由于入秋后，南海夏季风开始减弱，逐渐向冬季风转变，主要风向开始向偏西风转变，偏西风的出现频率开始增加。
对于850 hPa等压面，由于季风的影响在低层比较显著，在1月开始，主要风向、次要风向由偏南、偏东向偏西、偏南转变，到5月南海夏季风爆发盛行西南风，主要风向、次要风向变为偏西、偏南风影响。主要、次要风向为偏西、偏南的情况持续到9月，入秋后夏季风开始减弱，受到东北风的影响，主要、次要风向也转为了偏东、偏北方向。到11月后由开始逐渐向偏东、偏南风向转变，进入一轮循环。
925 hPa等压面上，从1月到3月的主要、次要风向均为偏东、偏南。受到夏季风影响，3月开始主要次要风向开始向偏西、偏南转变。入夏后夏季风爆发，到6月完全转为偏西、偏南风影响。从9月开始又向偏东、偏北转变。地面上，自1到3月的主要风向、次要风向为偏东、偏北，到5月，转为过渡的偏东、偏南风向。入夏后风向并没有受到西南季风影响而明显转入偏西、偏南风向，这可能是由于琼州海峡沿海地区出现的大风现象有关。虽然受到南海夏季风的影响，背景风为西南风，但是由于海南岛中部的高山地形有一定的阻挡作用及雷州半岛地形屏障作用，这些因素使得地面上风向在夏季主要受到偏东风的影响。
前文在不区分昼夜的情况下分析了海口各个层次的风向月变化特征，得到了各个层次风向发展都受到季风的显著影响的结论，但是各个层次的风向月变化在昼夜区别下还存在一定差异。从风向月变化的昼夜差异来看，在昼夜区别下风向的月变化情况大体上还是与不区分昼夜的平均情况一致，均体现了季风的显著影响。
Figure 13. Frequency changes in wind direction at different levels from January to December (unit: %) and differences between day and night
图13. 各层次1~12月风向出现频率变化情况(单位：%)及昼夜差异
昼夜差异主要体现在偏东风的出现频率上，在不同层次里昼夜偏东风的出现频率在南海夏季风的影响月份有明显不同。具体体现在南海夏季风显著影响的月份高层白天偏东风的出现频率要大于夜晚，而在低层偏东风的出现频率要低于夜晚。在地面上偏东方出现频率的变化十分显著。在地面上全年夜晚的偏东方出现频率都大于白天，且频率相差均在10%以上。在925 hPa上，从4月开始偏东风的出现频率开始在昼夜显现出明显的差别，及夜晚出现频率大于白天，并且一直持续到8月，出现频率相差均为10%左右。而其他月份由于主要是受到冬季风的发展、持续的影响下，使得白天的偏东方概率要高于夜晚。850 hPa上则是在6月到8月，偏北风的出现频率在夜晚高于白天，其他月份均是白天低于夜晚。500 hPa与700 hPa出现明显的偏东风差别是在7月到9月南海夏季风显著影响的时候，白天的偏东风频率均大于晚上的偏东方频率且均相差10%以上。
4.4. 风向分布情况小结
本节对不同层次的情况风向分布情况及风向的风速情况在整年、季节、月份三个时间尺度上分别进行了分析，并且对相应时间尺度的昼夜差异进行了对比。
第一，全年各层次风向分布情况。500 hPa、700 hPa等压面上的主要风向为偏西风向，出现频率均在50%以上，其中的主要风速区间分别为10~15 m/s及5~10 m/s。次要风向为偏南，出现频率分别为18%，23%。850 hPa上的风向比较紊乱，出现概率从大到小分别是偏南、偏东、偏西，偏东，其中前三者的频率十分接近，主要风速区间均为5~10 m/s。在925 hPa等压面和地面主要风向均为偏东风，出现概率都在50%以上，次要风向均为偏南风向，出现概率均接近30%。925 hPa上的主要风速区间均为5~10 m/s，在对应风向里占比很大，而地面上主要风速区间均为0~5 m/s。
各个层次上的昼夜变化有两方面：1) 主要、次要风向发生变化。在850 hPa等压面上，白天和晚上的主要风向、次要风向不一样，在白天主体、次要风向分别为偏东风、偏南，晚上为偏南风、偏西风。2) 主要、次要风向一致，但是风向频率有区别。500 hPa等压面上，晚上的偏西风频率要大于白天，925 hPa等压面上，白天的偏南风向频率较大，偏东风向频率较小；地面层上昼夜风向变化情况明显，白天偏东风向频率小于晚上。各层次主要风向的风速组成情况的昼夜差异与前文的结果一致，500 hPa和地面的晚上风速大于白天，而850 hPa，700 hPa，925 hPa上则是白天高于晚上。
第二，风向的季节变化情况。通过对比各层次的风向季节变化上发现，风向的季节变化基本上与南海季风的4阶段演变相互对应，各层次风向的变化受到季风的影响十分显著。主要风向的组成风速变化情况与前文风速季节分析结果一致。季节变化在昼夜情况下的差异也体现在各个季节主要风向出现频率以及风速组成上。
500 hPa上各季节夜晚偏西风的出现频率比白天要大，响应的偏南、偏东风概率要小于白天；700 hPa上主要风向的组成风速要比晚上高，风向出现的频率与晚上相差不大；850 hPa、925 hPa上主要风向出现的频率白天要大于晚上，风速组成也大于晚上；地面上各季节白天的偏东方频率要低于晚上，而偏南方频率要高于晚上，风速方面则夜晚要大于白天。
第三，风向的月变化情况。随着南海夏季风的加强减弱，各层次的各风向的逐月统计结果显示出风向的月变化有较明显的周期性，且风向变化的趋势与前文风速的变化也是对应的。500 hPa上主要风向的月变化趋势为随着月份推移由偏西风转为偏南风，再转为偏东风，再转为偏西风。700 hPa上的情况为500 hPa一致。
850 hPa上主要是从1月份开始，主要、次要风向从偏南、偏东向偏西、偏南转变，及从冬季的东南风向夏季的西南风转变，到9月入秋后由于冬季风增强，主要、次要风向变为偏东、偏北风向转变。925 hPa等压面及地面的变化情况则是从3月开春，主要、次要风向偏东，偏南，开始顺转，到6月转为夏季风西南风影响，主要次要风向转为偏西，偏南，9月入秋后受冬季风影响后，主要、次要风向又转向偏东、偏北。
风向月变化的昼夜差异主要体现在偏东风的出现频率上，南海夏季风显著影响的月份高层白天偏东风的出现频率要大于夜晚，而在低层偏东风的出现频率要低于夜晚。在地面上偏东方出现频率的变化十分显著。
5. 总结
本文利用2018年海口站每日两次的无线电探空资料，分别对风速、风向在不同时间尺度下对全年、不同季节、不同月份的风速、风向分布情况进行了统计分析，对比了在昼夜情况下的差异情况。探讨了海口站从500 hPa等压面到地面的风速风向的时空分布特征。主要结论如下：
1) 海口站各层次全年整年尺度下，风速从大到小排列顺序为：500 hPa等压面，925 hPa等压面，700 hPa等压面，850 hPa等压面，地面。可见除925 hPa等压面外，其他层次风速是随着高度降低而降低的。风速的昼夜差异上，中高层500 hPa，700 hPa等压面及地面的风速在夜晚要高于白天，而低层的850 hPa，925 hPa等压面上的夜晚风速要低于白天。
全年各层次风向分布情况为：500 hPa、700 hPa等压面上的主要风向为偏西风向，出现频率均在50%以上，其中的主要风速区间分别为10~15 m/s及5~10 m/s。次要风向为偏南，出现频率分别为18%，23%。850 hPa上的风向比较紊乱，按照出现概率从大到小分别是偏南、偏东、偏西，偏东，主要风速区间均为5~10 m/s。在925 hPa等压面和地面主要风向均为偏东风，出现概率都在50%以上，次要风向均为偏南风向，出现概率均接近30%，主要风速区间分别为5~10 m/s，0~5 m/s。全年风向主要、次要风向昼夜差异有两方面：a) 主要、次要风向发生变化。b) 主要、次要风向一致，但是风向频率有区别。主要风向的主要风速的昼夜差异与风速统计一致。
2) 海口站各个层次上四季均有风速季节变化情况，均呈现出类周期变化，但是在变化幅度有很大差异，自高层往低层变化幅度下降。在500 hPa等压面、地面上冬春季风速明显高于夏秋季风速；700 hPa等压面上冬季风速最高，夏季风速次之，秋季风速最低；在850 hPa等压面上是夏季风速最高而春季最低；925 hPa等压面上则是冬季风速最高，夏季风速次之，春季最低。风速季节变化的昼夜差异在于白天夜晚的风速大小，500 hPa等压面及地面上晚上的各季节风速要大于白天，而在700 hPa等压面、850 hPa等压面和925 hPa等压面上各季节白天的风速大于晚上。
风向的季节变化情况基本上与南海季风的4阶段演变相互对应，各层次风向的变化受到季风的影响十分显著。主要风向的组成风速变化情况与前文风速季节分析结果一致。季节变化在昼夜情况下的差异也体现在各个季节主要风向出现频率以及风速组成上。
3) 风速的月变化与季节变化相对应。各个层次的月平均风速呈周期性变化，其中以高空风最为显著，变化幅度较大。昼夜差异上，月份与季节一致，为500 hPa及地面上晚上的各季节风速要大于白天，而在700 hPa、850 hPa和925 hPa上各季节白天的风速大于晚上。
在风向的月变化方面，通过对各层次的各风向的逐月统计，结果显示出风向的月变化有较明显的周期性并且与南海夏季风的加强减弱有一致性。风向变化的趋势与风速的变化也是对应的，也从一定程度上体现了季风对影响。风向月变化的昼夜差异主要体现在偏东风的出现频率上，南海夏季风显著影响的月份高层白天偏东风的出现频率要大于夜晚，而在低层偏东风的出现频率要低于夜晚。在地面上偏东方出现频率的变化十分显著。
基金项目
贵州省铜仁市气象局暴雨预报研究团队、铜仁市气象局科研项目“基于SmaAt-Unet深度学习模型的铜仁地区雷达反射率外推产品研究”(铜气科登[2023]01号)、贵州省气象局科研项目“贵州近62年降水时空分布特征及与海温的关系”(黔气科登[2023]08-02号)、贵州省气象局研究型业务关键技术攻关团队(QHLSSLJ [2022]-05)。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。