泰來(lái)城市化對(duì)風(fēng)影響研究

王慶祥,齊東方,徐永清

（黑龍江省氣候中心, 黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

近年來(lái)氣候變暖背景下風(fēng)能資源的可持續(xù)利用問(wèn)題倍受關(guān)注，對(duì)我國(guó)風(fēng)速、風(fēng)向變化的研究也逐步發(fā)展起來(lái)。王遵婭等［1］、Zou HC 等［2］、任國(guó)玉等［3］、Xu M 等［4］、江瀅等［5］認(rèn)為，近50 a 我國(guó)年平均風(fēng)速存在減小的變化趨勢(shì)。 楊雪艷等對(duì)東北地區(qū)平均風(fēng)速進(jìn)行分析，認(rèn)為近40 a 來(lái)東北地區(qū)平均風(fēng)速呈下降趨勢(shì)，每10 a 約下降0.23 m/s［6］。鄒立堯等對(duì)比分析了黑龍江省國(guó)家氣象站與農(nóng)墾氣象站風(fēng)速變化趨勢(shì)，得出黑龍江省大部分地區(qū)年和四季風(fēng)速呈現(xiàn)減少趨勢(shì)、農(nóng)墾氣象站小于國(guó)家氣象站的結(jié)論［7］。大量學(xué)者的研究分析表明，氣候變化導(dǎo)致我國(guó)大部分地區(qū)風(fēng)速呈減小趨勢(shì)已是不爭(zhēng)的事實(shí)［8-9］。但與氣溫、降水不同，風(fēng)速除受氣候變化影響外，還受城市化、觀測(cè)環(huán)境、儀器變化的影響。 近年來(lái)探測(cè)環(huán)境改變對(duì)氣象要素的影響逐漸引起專(zhuān)家的注意［10-11］，劉學(xué)鋒、任國(guó)玉等對(duì)河北城市化和觀測(cè)環(huán)境改變對(duì)風(fēng)速影響進(jìn)行了深入的研究［12-13］，研究結(jié)果表明，城市化對(duì)風(fēng)速減小的影響程度約在1/4 左右， 至少有1/3 的平均風(fēng)速序列非均一性斷點(diǎn)是由觀測(cè)環(huán)境變化產(chǎn)生的。

泰來(lái)縣氣象局1970-2010年沒(méi)有遷過(guò)站、觀測(cè)環(huán)境保存較好、儀器沒(méi)有更換，且屬于國(guó)家基準(zhǔn)氣象站。 本文使用泰來(lái)十六方位長(zhǎng)期風(fēng)速， 氣象站與野外70 m 測(cè)風(fēng)塔2009年7月-2010年6月的風(fēng)速、風(fēng)向資料，分析城市化對(duì)地面風(fēng)的影響。

2 資料與方法簡(jiǎn)述

本文使用國(guó)家基準(zhǔn)氣象站泰來(lái)1970-2004年一日4次風(fēng)速和十六方位風(fēng)向資料，該資料質(zhì)量可靠。 城市化對(duì)氣象站風(fēng)速的影響與氣象站和所在城市的方位、 風(fēng)向頻率、各風(fēng)向風(fēng)速大小都具有密切關(guān)系，所以對(duì)氣象站十六方位風(fēng)速變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)合各風(fēng)向頻率與氣象站在城市中的方位，分析城市化對(duì)氣象站風(fēng)速的影響。 同時(shí)，利用距離氣象站較近的測(cè)風(fēng)塔10 m 風(fēng)速資料， 與氣象站同期風(fēng)速資料對(duì)比，分析城市對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向的影響。

3 風(fēng)變化特征

泰來(lái)氣象站1970-2004年，站址沒(méi)有發(fā)生變化，測(cè)風(fēng)儀器一直使用EL 型電接風(fēng)風(fēng)速計(jì)，觀測(cè)場(chǎng)環(huán)境保持良好，僅有測(cè)風(fēng)儀器高度發(fā)生過(guò)改變。 對(duì)測(cè)風(fēng)資料按冪指數(shù)進(jìn)行高度訂正后，風(fēng)速資料基本上只受城市化和大氣背景環(huán)境的影響。

3.1 長(zhǎng)期風(fēng)速變化特征

泰來(lái)位于黑龍江省的東南部，松嫩平原的南部。 泰來(lái)縣南北狹長(zhǎng)，東西較窄，氣象站位于城市的中部，南北風(fēng)向受城市影響較大，東西風(fēng)向受城市影響較小。

圖1 1971-2004年泰來(lái)年平均風(fēng)速變化趨勢(shì)

由圖1 可見(jiàn)，1971-2004年，泰來(lái)氣象站的年平均風(fēng)速具有一定的波動(dòng)性，最大值出現(xiàn)在1971年，為4.3 m/s，最低值為2.9 m/s，出現(xiàn)在2003、2004年，期間1984、1999年為風(fēng)速高值年，1991年為明顯的低值年， 但整體上呈明顯的下降趨勢(shì)，每10 a 下降0.36 m/s。

3.2 十六方位風(fēng)速長(zhǎng)期變化特征

圖2 1971-2004年泰來(lái)十六方位年平均風(fēng)速變化趨勢(shì)

由圖2 可見(jiàn)，1971-2004年泰來(lái)氣象站十六方位年平均風(fēng)速均呈下降趨勢(shì)，WNW-NNE、SSW-S 方向風(fēng)速減小較大，NE、ENE、SE、SW 風(fēng)速減小較小，WNW 風(fēng)向風(fēng)速下降趨勢(shì)最明顯， 每10 a 風(fēng)速減小0.55 m/s,SE 風(fēng)向風(fēng)速減小速率最小，每10 a 僅下降0.1 m/s。 整體來(lái)看，泰來(lái)受城市影響的主要風(fēng)向，風(fēng)速下降趨勢(shì)較為明顯，而在受城市影響較弱風(fēng)向，風(fēng)速下降趨勢(shì)減弱。

3.3 十六方位風(fēng)向長(zhǎng)期變化特征

圖3 1971-2004年泰來(lái)十六方位風(fēng)向變化趨勢(shì)

泰來(lái)縣1971-2004年間各風(fēng)向頻率變化差異較大，由圖3 可見(jiàn)，N、NNW、SSW 風(fēng)頻率呈明顯下降趨勢(shì)， 每10 a頻率值大約下降0.1%，SW、SE、NW、WSW 風(fēng)頻率呈明顯上升趨勢(shì)，SW 風(fēng)頻率上升最大，在0.1%以上。 W 風(fēng)為泰來(lái)縣的主導(dǎo)風(fēng)向， 平均風(fēng)向頻率約占10%，34 a 間頻率也略呈上升趨勢(shì)。

1971-2004年泰來(lái)十六方位的風(fēng)速變化趨勢(shì)、風(fēng)向頻率變化趨勢(shì)與城市的快速發(fā)展及城市空間布局關(guān)系密切，說(shuō)明城市的發(fā)展及布局對(duì)氣象站風(fēng)變化具有一定的影響。

4 氣象站與鄰近測(cè)風(fēng)塔同期風(fēng)分析

黑龍江省風(fēng)能資源觀測(cè)網(wǎng)中的泰來(lái)測(cè)風(fēng)塔位于泰來(lái)縣西北部的乾德門(mén)山，距氣象站直線(xiàn)距離約5.3 km，乾德門(mén)山為獨(dú)立山體，海拔略高于周邊平原，測(cè)風(fēng)塔海拔較氣象站高出30 m，之間沒(méi)有地物阻隔。

對(duì)2009年7月-2010年6月氣象站與測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速進(jìn)行分析，泰來(lái)氣象站平均風(fēng)速為2.7 m/s，測(cè)風(fēng)塔10 m 高平均風(fēng)速為4.3 m/s，二者逐時(shí)風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為0.79。

圖4 2009年7月-2010年6月氣象站與測(cè)風(fēng)塔十六方位風(fēng)速比較

由圖4 可知，泰來(lái)測(cè)風(fēng)塔十六方位風(fēng)速均大于氣象站風(fēng)速， 二者的風(fēng)速差值和相對(duì)誤差都是在WNW-NE、SESW 方向較大，E、W 方向較小。 泰來(lái)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速和氣象站風(fēng)速，在受城市影響方向風(fēng)速差和相對(duì)誤差較大，而在不受城市或受城市影響小的方向較小，說(shuō)明城市對(duì)風(fēng)速具有較大的影響。

圖5 2009年7月-2010年6月氣象站與測(cè)風(fēng)塔十六方位風(fēng)向頻率比較

由圖5 可知， 測(cè)風(fēng)塔與氣象站的風(fēng)向頻率在W 風(fēng)差異較大， 測(cè)風(fēng)塔頻率為5.1%， 氣象站頻率高達(dá)13.7%，在NW-NNE、SSE-SSW 風(fēng)向測(cè)風(fēng)塔頻率高于氣象站， 頻率差約在1%左右， 在NNW 風(fēng)向測(cè)風(fēng)塔與氣象站頻率差最大，為2%。 在NE-SE 風(fēng)向測(cè)風(fēng)塔與氣象站頻率差別不大。 氣象站位于泰來(lái)的最東端，受城市影響最小，風(fēng)向頻率與測(cè)風(fēng)塔最為相近，其他方向均有一定差異，為何W 風(fēng)頻率差別這么大，需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

（1）1971-2004年泰來(lái)的年平均風(fēng)速變化呈明顯的下降趨勢(shì)，大約每10 a 風(fēng)速下降0.36 m/s。

（2）結(jié)合城市的空間布局及氣象站在城市中的位置，對(duì)泰來(lái)1971-2004年十六方位風(fēng)速變化趨勢(shì)分析，表明城市發(fā)展對(duì)氣象站風(fēng)速影響明顯，城市對(duì)氣象站影響較大方向，風(fēng)速變化速率較大，而在城市對(duì)氣象站影響較小風(fēng)向，風(fēng)速變化速率較小。 同時(shí)，城市化及城市空間布局對(duì)風(fēng)向頻率的變化也有一定的影響。

（3）比較泰來(lái)氣象站與附近測(cè)風(fēng)塔10 m 高2009年7月-2010年6月十六方位風(fēng)速， 測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速在絕大多數(shù)方向明顯大于氣象站風(fēng)速，風(fēng)速比值與相對(duì)誤差明顯反應(yīng)出城市對(duì)風(fēng)速的影響。 風(fēng)向頻率的對(duì)比說(shuō)明，城市對(duì)風(fēng)向也有一定的影響。

［1］王遵婭，丁一匯，何金海，等，近50年來(lái)中國(guó)氣候變化特征再分析[J].氣象學(xué)報(bào)，2004,62（2）：228-236.

［2］Zou H C, Li D I, Hu Y Q, et al. Characteristics of climatic trends and correlation between pan-evaporation and environmental factors in the last 40 years over china [J]. Chinese Science Bulletin,2005, 50(12):1235-1241.

［3］任國(guó)玉，郭軍，徐銘志，等.近50年中國(guó)地面氣候變化基本特征[J].氣象學(xué)報(bào)，2005, 63(6): 942-956.

［4］Xu M, Chang C, et al .Steady decline of east Asian monsoon winds. 1969-2000: Evidence from direct ground measurements of wind speed [J]. Journal of Geophysical Reseach,2006,111:D24111．doi:10.1029/2006 JD007337.

［5］江瀅，羅勇，趙宗慈．近50年中國(guó)風(fēng)速變化及其可能原因分析[C].第四屆亞洲風(fēng)能大會(huì)暨國(guó)際風(fēng)能設(shè)備展覽會(huì)，北京:2007.

［6］楊雪艷，田廣元，常義.近40年中國(guó)東北地區(qū)平均風(fēng)速的氣候變化特征分析[J].吉林氣象，2009（2）：1-4.

［7］鄒立堯，國(guó)世友，王冀，等.1961-2004年黑龍江省近地層風(fēng)速變化趨勢(shì)分析[J].氣象，2010，36（10）：67-71.

［8］張素云，周順武，郭艷嶺，等，近47年河北風(fēng)速季節(jié)變化特征及影響因子分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2010（12）：93-99.

［9］李艷，王元，湯劍平.中國(guó)近地層風(fēng)能資源的時(shí)空變化特征[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007,43（3）：280-291.

［10］吳增祥. 氣象臺(tái)站歷史沿革信息及其對(duì)觀測(cè)資料序列均一性影響的初步分析[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)， 2005, 16(4):461-467.

［11］李欣，金蓮姬，郭建俠.淺談探測(cè)環(huán)境對(duì)氣象要素測(cè)量值的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011,39（27）：17105-17108.

［12］劉學(xué)鋒，江瀅，任國(guó)玉，等.河北城市化和觀測(cè)環(huán)境改變對(duì)地面風(fēng)速觀測(cè)資料序列的影響[J].高原氣象，2009,28（2）：433-439.

［13］劉學(xué)峰，任國(guó)玉，梁秀慧，等.河北邊界層內(nèi)不同高度風(fēng)速變化特征[J].氣象，2009，35（7）：46-53.x