巢湖流域典型站點(diǎn)的風(fēng)場(chǎng)特征分析

殷長(zhǎng)秦，王體健，石春娥，魏文華

(1.南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210093;2.安徽氣象科學(xué)研究所，安徽合肥230031)

0 引言

巢湖是我國(guó)的第五大淡水湖，位于安徽省中部。近年來巢湖湖面頻繁出現(xiàn)大面積藍(lán)藻，致使水體遭受污染，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響(皖軍，2007)，同時(shí)巢湖水體重金屬污染也受到了廣泛的關(guān)注(童軍華等，2006)。水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送取決于水流狀態(tài)，而水流狀態(tài)與近水面風(fēng)場(chǎng)有密切關(guān)系，研究巢湖流域流場(chǎng)特征對(duì)于認(rèn)識(shí)該地區(qū)的熱量、水汽交換和水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)一步為風(fēng)場(chǎng)—水動(dòng)力—生態(tài)耦合模型提供參數(shù)具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。關(guān)于湖區(qū)風(fēng)場(chǎng)特征有很多研究工作，如呂云波等(2003)通過插值方法獲取區(qū)域風(fēng)場(chǎng)分布，并對(duì)其進(jìn)行分類;吳增福和李振國(guó)(1991)、Klink(2002)、申紅艷和余錦華(2007)分析了風(fēng)速的日變化和季節(jié)變化以及風(fēng)速頻率的分布;由于風(fēng)向的變化規(guī)律較復(fù)雜，通常僅對(duì)某一特定方向的風(fēng)向頻率進(jìn)行分析(Lyons and Cole，1976;李惠豐和袁德輝，1985;林必元和李敏嫻，1988;孫燕等，2007)。由于湖水和陸地之間存在熱力差異，湖泊區(qū)域主要受到湖陸風(fēng)的影響。Keen and Lyons(1978)通過在湖泊區(qū)域釋放示蹤物質(zhì)，并跟蹤觀測(cè)，從而了解湖陸風(fēng)的三維結(jié)構(gòu);Biggs and Graves(1962)通過大量觀測(cè)建立了表征湖陸風(fēng)強(qiáng)弱的湖陸風(fēng)指數(shù)。國(guó)內(nèi)在湖面的氣象觀測(cè)相對(duì)缺乏，一般通過常規(guī)觀測(cè)站資料了解湖陸風(fēng)對(duì)站點(diǎn)的影響(楊智等，2008)。另外，湖陸風(fēng)對(duì)邊界層結(jié)構(gòu)的影響以及與天氣系統(tǒng)的相互作用得到了廣泛關(guān)注(Passarelli and Braham，1981;張克杰等，2005;呂雅瓊等，2008;徐安倫等，2010)。

本文選取了巢湖流域的5個(gè)典型氣象站，包括4個(gè)距離湖面較近的、代表受湖陸風(fēng)影響的陸面站點(diǎn)，以及1個(gè)湖中小島代表受湖陸風(fēng)影響的湖面站點(diǎn)。利用這5個(gè)站的風(fēng)、溫資料分析了湖面和陸面風(fēng)場(chǎng)的季節(jié)和日變化特征，使用風(fēng)向差分析站點(diǎn)風(fēng)向的變化，并給出了站點(diǎn)風(fēng)向變化與湖陸溫差變化之間的關(guān)系。

1 資料與方法

1.1 資料

主要采用5個(gè)站點(diǎn)1 a的風(fēng)場(chǎng)及溫度資料，包括:1)2006年6月到2007年5月姥山島的逐時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速及溫度(風(fēng)向分為17個(gè)方向，即N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNW、靜風(fēng);風(fēng)速精度為0.1 m/s;溫度精度為0.1℃;去除缺測(cè)時(shí)次和異常值，共有7 011個(gè)時(shí)次);2)2006年合肥、肥東、巢湖、廬江4個(gè)自動(dòng)氣象站(統(tǒng)稱為陸面站)逐時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速及溫度(風(fēng)向精度為1°;風(fēng)速精度為0.1 m/s;溫度精度為0.1℃;去除缺測(cè)時(shí)次和異常值，風(fēng)向、風(fēng)速及溫度分別包括8 760、8 604、8 463、8 625個(gè)時(shí)次)。5個(gè)觀測(cè)站位置如圖1所示。

1.2 方法

對(duì)5個(gè)站點(diǎn)全年風(fēng)速、風(fēng)向頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用離散功率譜方法和F檢驗(yàn)分析風(fēng)向變化的周期性(黃嘉佑，2004)。

圖1 巢湖流域氣象站分布(□:姥山島站;●:陸面站)Fig.1 Distribution of meteorological stations over Chaohu Lake basin(□:Laoshan Island station;●:stations over land)

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)速

首先計(jì)算各站點(diǎn)風(fēng)速年平均值，得到姥山島站風(fēng)速年均值為2.41 m/s，合肥站、肥東站、巢湖站、廬江站風(fēng)速年均值分別為2.24、2.06、2.22、2.16 m/s，4個(gè)陸面站的平均風(fēng)速為2.17 m/s。

圖2為5站風(fēng)速的逐月變化?？梢钥闯觯懨嬲镜娘L(fēng)速逐月變化趨勢(shì)一致，1—7月風(fēng)速較大，基本維持在2.5 m/s左右，7月后風(fēng)速下降，到10月降到最低值，約為1.5 m/s;姥山島站5—7月的風(fēng)速顯著大于陸面站，而其他月份的風(fēng)速則與陸面站基本相同。

圖3給出了風(fēng)速的日變化?？梢钥闯?，姥山島站風(fēng)速的日變化幅度較小，僅約為0.3 m/s，09—11時(shí)風(fēng)速較大。陸面站風(fēng)速日變化較大，變化幅度超過1 m/s，風(fēng)速從08時(shí)開始增大，到14時(shí)達(dá)到最大，然后風(fēng)速緩慢減小。對(duì)于陸面站，白天邊界層大氣層結(jié)不穩(wěn)定，湍流活動(dòng)較強(qiáng)，高層動(dòng)量下傳，近地面風(fēng)速較大，而夜間大氣層結(jié)穩(wěn)定，近地面風(fēng)速較小。湖面溫度較低，溫度日變化幅度較小，大氣層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定，穩(wěn)定度的變化幅度也不大，所以湖面平均風(fēng)速的日變化較小。在夜間，湖面和陸面的大氣層結(jié)均穩(wěn)定，而湖面摩擦系數(shù)較小，因此湖面風(fēng)速較大。

圖2 2006年陸面站和2006年6月—2007年5月姥山島站風(fēng)速的逐月變化(單位:m/s)Fig.2Averaged monthly wind speed of stations on land in 2006 and Laoshan Island station fromJuly 2006 to May 2007(units:m/s)

圖3 2006年各站點(diǎn)風(fēng)速的平均日變化(單位:m/s)Fig.3 Averaged diurnal variation of wind speed of stations in 2006(units:m/s)

2.2 風(fēng)向

進(jìn)一步分析各站點(diǎn)全年風(fēng)向頻率分布發(fā)現(xiàn)，姥山島站全年以東和西北偏西兩個(gè)風(fēng)向?yàn)橹鳎漕l率分別為14.2%和13.0%;合肥站主要受東北偏東風(fēng)和東北風(fēng)影響，其頻率分別為11.7%和11.6%;肥東站主要受到東北、東北偏北風(fēng)的影響，其頻率分別為11.2%和10.6%;巢湖站則主要受到東北偏東風(fēng)和東北風(fēng)的影響，其頻率分別為20.2%和19.5%;廬江主要受到西北和西北偏北風(fēng)的影響，其頻率分別為13.8%和11.7%。

圖4為陸面站風(fēng)向頻率的平均日變化情況?？梢钥闯?，除了東北風(fēng)，合肥站還受到南風(fēng)的影響，其中東北風(fēng)主要出現(xiàn)在00—09時(shí)及17—23時(shí)，09—19時(shí)南風(fēng)的風(fēng)向頻率較高，這種風(fēng)向的日夜變化特征說明合肥站受到湖陸風(fēng)的影響;肥東站在00—10時(shí)及20—23時(shí)東北風(fēng)和東北偏北風(fēng)頻率較高，09—18時(shí)西南偏南風(fēng)頻率較高，說明肥東站也受到湖陸風(fēng)的影響，但肥東站風(fēng)向頻率的日變化特征沒有合肥站明顯，主要體現(xiàn)在南風(fēng)頻率在夜間也較高，由圖1可知，肥東站相對(duì)于合肥站距離湖面遠(yuǎn)，所以受到湖陸風(fēng)的影響較弱。類似的日變化特征也可以從廬江站風(fēng)向頻率(圖4d)看出，但是西北偏北風(fēng)頻率的日變化特征并不明顯。巢湖站比較特別，基本只受東北偏東風(fēng)、西南偏西風(fēng)以及西北風(fēng)影響，風(fēng)向頻率日變化特征與合肥站相同(圖4c)。

由風(fēng)向頻次的平均月變化(圖5)可以看出，各站主導(dǎo)風(fēng)向的月變化特征較明顯。3—8月合肥和肥東站主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，巢湖站主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂掀黠L(fēng)，廬江站主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂掀巷L(fēng);其他月份，合肥、肥東和巢湖站的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，廬江站主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅逼憋L(fēng)。

由于風(fēng)向的季節(jié)變化特征明顯，所以有必要分析不同季節(jié)風(fēng)向的日變化特征。圖6和圖7分別給出了秋冬季(2006年1、2月和9—12月)和春夏季(3—8月)風(fēng)向的日變化特征。由圖6可知，10—17時(shí)合肥站受到南風(fēng)的影響，即在主導(dǎo)風(fēng)一定(東北風(fēng))的情況下，該站風(fēng)向頻率的日變化特征明顯。這種現(xiàn)象在肥東站和巢湖站同樣存在，但肥東站風(fēng)向頻率的日變化特征不如合肥站明顯。廬江站的風(fēng)向頻率基本沒有明顯的日變化特征，其受湖風(fēng)的影響較小。

由圖7可以看出，合肥和巢湖站在夜晚均出現(xiàn)了較高的偏北風(fēng)頻率，廬江站和肥東站風(fēng)向頻率的日變化相對(duì)不明顯。對(duì)比圖6和圖7可知，春夏季陸面站的風(fēng)向日變化特征比秋冬季的明顯。

圖8為姥山島站風(fēng)向頻率的平均日變化?？梢?，春夏季主要受到西南風(fēng)和東風(fēng)影響，秋冬季主要受西北風(fēng)和東風(fēng)影響。由于姥山島位于湖面中心，一天中會(huì)受到不同環(huán)流的影響，日變化不如陸面站點(diǎn)明顯。

圖4 2006年陸面站風(fēng)向頻率的平均日變化(單位:%;通過計(jì)算每個(gè)時(shí)刻平均風(fēng)向頻率的分布繪制等值線并填色，其中色調(diào)越暖表示對(duì)應(yīng)時(shí)刻的對(duì)應(yīng)風(fēng)向頻率越高)a.合肥;b.肥東;c.巢湖;d.廬江Fig.4 Averaged diurnal variation of wind direction frequency in(a)Hefei，(b)Feidong，(c)Chaohu，and(d)Lujiang in 2006(units:%;The average wind direction frequency of every hour is calculated to plot contours，which is then filled with colors;The warmer the color is，the higher the frequency of the corresponding wind direction in the corresponding moment is)

圖5 2006年陸面站風(fēng)向頻次的平均月變化a.合肥;b.肥東;c.巢湖;d.廬江Fig.5 Averaged monthly variation of wind frequency in(a)Hefei，(b)Feidong，(c)Chaohu，and(d)Lujiang in 2006

圖6 秋冬季陸面站風(fēng)向頻率的平均日變化(單位:%)a.合肥;b.肥東;c.巢湖;d.廬江Fig.6 Averaged diurnal variation of wind frequency in(a)Hefei，(b)Feidong，(c)Chaohu，and(d)Lujiang in autumn and winter(units:%)

在上述風(fēng)向頻率時(shí)間變化特征的分析過程中，無法排除背景風(fēng)場(chǎng)對(duì)站點(diǎn)的影響，本文試圖通過陸面站和姥山島站的風(fēng)向差來消除背景風(fēng)場(chǎng)的影響。由于陸面站和姥山島站風(fēng)、溫資料的交集在6—12月，而春夏季風(fēng)向日變化特征比秋冬季明顯，故選取2006年6—8月進(jìn)行功率譜分析。由風(fēng)向差的頻率譜(圖9)可以發(fā)現(xiàn)，各站風(fēng)向差的24 h周期頻率最高，即24 h周期最明顯，盡管有其他周期頻率通過了顯著性檢驗(yàn)，但其功率均明顯小于24 h周期功率。

由于風(fēng)向差具有24 h的周期變化，所以可進(jìn)一步分析其平均日變化。圖10為風(fēng)向差距平的平均日變化?？梢钥闯?，07—09時(shí)及19—21時(shí)各站點(diǎn)出現(xiàn)風(fēng)向差距平的正負(fù)變化，而圖11中溫度差距平的正負(fù)變化發(fā)生在08時(shí)和20時(shí)前后?？梢姕囟炔罹嗥降恼?fù)變化發(fā)生時(shí)間與風(fēng)向差距平的正負(fù)變化時(shí)間基本對(duì)應(yīng)，說明湖陸溫差的變化是引起各站點(diǎn)風(fēng)向變化的主要原因之一。由于影響風(fēng)向差的因素較多，如站點(diǎn)方位、風(fēng)速的相對(duì)大小以及站點(diǎn)與湖面的距離等，其很難被用來評(píng)估站點(diǎn)受湖陸風(fēng)影響程度的大小。

圖7 春夏季陸面站風(fēng)向頻率的平均日變化(單位:%)a.合肥;b.肥東;c.巢湖;d.廬江Fig.7 Averaged diurnal variation of wind frequency in(a)Hefei，(b)Feidong，(c)Chaohu，and(d)Lujiang in spring and summer(units:%)

圖8 姥山島站風(fēng)向頻率的平均日變化(單位:%)a.春夏季;b.秋冬季Fig.8 Averaged diurnal variation of wind direction frequency of Laoshan Island station in(a)spring and summer，and(b)autumn and winter(units:%)

3 結(jié)論

利用巢湖流域4個(gè)陸面氣象站和1個(gè)湖面氣象站的風(fēng)場(chǎng)資料，分析了巢湖流域的風(fēng)場(chǎng)特征，結(jié)論如下:

1)巢湖流域4個(gè)陸面站(合肥、肥東、巢湖、廬江)年平均風(fēng)速為2.17 m/s，湖面站(姥山島)年平均風(fēng)速為2.41 m/s。各站點(diǎn)風(fēng)速具有明顯的季節(jié)變化特征，春夏季風(fēng)速大于秋冬季。陸面站風(fēng)速日變化顯著，白天風(fēng)速大于夜間，湖面風(fēng)速日變化較不顯著。夜間湖面站風(fēng)速大于陸面站風(fēng)速，白天則反之。

2)由于位于東亞季風(fēng)區(qū)內(nèi)，巢湖流域各站點(diǎn)在春夏季主要受偏南風(fēng)影響，而秋冬季主要受偏北風(fēng)影響。春夏季的風(fēng)向日變化特征較秋冬季明顯。陸面站點(diǎn)與湖面站點(diǎn)風(fēng)向差的距平具有明顯的日變化特征，與溫度差距平的日變化保持一致，表明湖陸溫差的變化對(duì)巢湖流域周圍站點(diǎn)風(fēng)向的變化起關(guān)鍵作用。

3)巢湖流域陸面站點(diǎn)不同程度地受到湖陸風(fēng)的影響，距離湖面越近，受到的影響越顯著。

圖9 2006年夏季陸面站與姥山島站的風(fēng)向差功率譜(單位:(°)2;圖中水平線代表0.05顯著性水平的功率)a.合肥;b.肥東;c.巢湖;d.廬江Fig.9 Power spectrum of wind direction differences between stations on land and Laoshan Island station in summer 2006(units:(°)2;The horizontal line represents the power with a significance level of 0.05)a.Hefei;b.Feidong;c.Chaohu;d.Lujiang

圖10 2006年夏季陸面站與姥山島站風(fēng)向差距平的平均日變化(單位:(°))Fig.10 Averaged diurnal variation of wind direction differences anomaly between stations on land and Laoshan Island station in summer 2006(units:(°))

圖11 2006年夏季陸面站與姥山島站溫度差距平的平均日變化(單位:℃;正溫度差表示陸面站點(diǎn)溫度高，負(fù)溫度差表示姥山島溫度高)Fig.11 Averaged diurnal variation of temperature differences anomaly between stations on land and Laoshan Island station in summer 2006(units:℃)

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