一種新型風(fēng)玫瑰的設(shè)計(jì)及其對(duì)海洋站風(fēng)場數(shù)據(jù)的應(yīng)用*

陳超輝，姜勇強(qiáng)，何宏讓，周祖剛，黃紅艷，桂發(fā)銀

（解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院 南京 211101）

1 引言

風(fēng)玫瑰是繪制在極坐標(biāo)底圖上的某一地區(qū)在某一時(shí)段內(nèi)各風(fēng)向出現(xiàn)的頻率或各風(fēng)向的平均風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)圖。通常按其所表達(dá)的內(nèi)容可分為風(fēng)向玫瑰、風(fēng)速玫瑰和風(fēng)頻風(fēng)速玫瑰。在風(fēng)向玫瑰圖中，頻率最大的方位，表示該風(fēng)向出現(xiàn)次數(shù)最多。常見的風(fēng)向玫瑰圖是一個(gè)圓，圓上引出16條放射線，代表16個(gè)不同方向，即將羅盤上360°方位按照每22.5°一格劃分成16格，并將各個(gè)風(fēng)向統(tǒng)計(jì)到這16個(gè)方向上，然后將各相鄰方向的端點(diǎn)用直線連接起來的閉合折線，即為風(fēng)向玫瑰圖。它所描述的風(fēng)向，是指從四周吹向該地區(qū)的方向，各方向風(fēng)的頻率以相應(yīng)比例長度表示（用極坐標(biāo)系中的半徑長度表示），靜風(fēng)的頻度放在中間。風(fēng)速玫瑰圖與風(fēng)向玫瑰圖類似，不過前者的統(tǒng)計(jì)對(duì)象是各方向的風(fēng)速大小，即風(fēng)速玫瑰圖中極坐標(biāo)的半徑表示各方向的平均風(fēng)速。風(fēng)頻風(fēng)速玫瑰圖是在一個(gè)玫瑰圖中同時(shí)表達(dá)風(fēng)頻和風(fēng)速，即在每一方向上用線段的長度表示風(fēng)頻，用線段末段的風(fēng)羽表示該方向上的平均風(fēng)速。

風(fēng)玫瑰圖應(yīng)用非常廣泛，它在天氣分析［1］、氣候 評(píng) 價(jià)、風(fēng) 能 利 用［2］、城市規(guī)劃［3］、建 筑 設(shè)計(jì)［4］、環(huán)境評(píng)估、衛(wèi)生工程學(xué)［5－6］、污染擴(kuò)散［7］、消防監(jiān)督、海洋能開發(fā)［8－11］以及防災(zāi)減災(zāi)［12－13］等方面具有重要參考價(jià)值。例如，在海洋風(fēng)能利用方面，風(fēng)玫瑰是風(fēng)能資源評(píng)估的主要工具以及風(fēng)電場前期建設(shè)必不可少的步驟；在城市規(guī)劃及建筑布局方面，可以根據(jù)風(fēng)玫瑰圖確定大型易燃與可燃?xì)怏w和液體的貯罐、材料堆場，以及散發(fā)可燃?xì)怏w的生產(chǎn)廠房或物品庫房及生活區(qū)的位置；可以在生產(chǎn)易燃、易爆物品及散發(fā)可燃?xì)怏w的工廠選址、建審及廠區(qū)整體規(guī)劃時(shí)，根據(jù)風(fēng)玫瑰圖考慮風(fēng)向?qū)ιa(chǎn)裝置、工藝流程以及相鄰企業(yè)的生產(chǎn)和廠區(qū)生活區(qū)的影響；還可以根據(jù)風(fēng)玫瑰圖在某地主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)口適當(dāng)位置安裝雷電攔截裝置，對(duì)雷電流進(jìn)行高位吸引，實(shí)現(xiàn)區(qū)域防雷。

隨著風(fēng)玫瑰應(yīng)用的不斷細(xì)化和深入，當(dāng)前風(fēng)玫瑰的內(nèi)涵愈來愈難滿足實(shí)際需求，不足主要表現(xiàn)在4個(gè)方面：① 風(fēng)向與風(fēng)速在一個(gè)傳統(tǒng)的玫瑰圖中一般不能同時(shí)表達(dá)，要想獲取風(fēng)場綜合信息，必須同時(shí)提供風(fēng)向和風(fēng)速玫瑰圖；② 風(fēng)速玫瑰圖上所表達(dá)的內(nèi)容是各個(gè)方向的平均風(fēng)速，而僅以平均風(fēng)速難以反映各個(gè)方向風(fēng)場特征全貌；③ 風(fēng)頻風(fēng)速玫瑰圖上盡管給出了風(fēng)頻和風(fēng)速，但其風(fēng)速仍只是各個(gè)方向的平均風(fēng)速，它的表達(dá)形式也比較簡單；④ 傳統(tǒng)風(fēng)玫瑰的繪制需要人為給定靜風(fēng)風(fēng)速，加之靜風(fēng)風(fēng)速的選取主觀性較大，易給玫瑰圖的繪制帶來不確定性。

本研究通過分析風(fēng)玫瑰圖的物理實(shí)質(zhì)，設(shè)計(jì)了一種同時(shí)能夠更科學(xué)、更直觀地表達(dá)風(fēng)向與風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)特征的新型風(fēng)玫瑰圖，并以中國近海某海洋站風(fēng)場數(shù)據(jù)為例，展示了其初步應(yīng)用，以期為相關(guān)研究及應(yīng)用提供重要參考。

2 資料及方法介紹

以中國近海某自動(dòng)氣象站（簡稱海洋站A）探測(cè)數(shù)據(jù)為例（站點(diǎn)位置及中國近海的地形特征見圖1），探測(cè)時(shí)間為2012年10月整月，時(shí)間分辨率為分鐘，每隔1 min提取儀器10 min平均風(fēng)向與10 min平均風(fēng)速探測(cè)數(shù)據(jù)，文中玫瑰圖用16個(gè)羅盤方位表示，其風(fēng)向與角度分布見表1。

圖1 中國近海的地形特征及海洋站A的地理位置

按照經(jīng)典的風(fēng)玫瑰繪制原理，風(fēng)玫瑰圖中主要包含風(fēng)向頻率、風(fēng)向以及平均風(fēng)速3個(gè)要素。風(fēng)向頻率計(jì)算采用式（1），其中Dn為n方向上的風(fēng)向頻率，fn表示在所統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，n方向上風(fēng)觀測(cè)到的次數(shù)，C為所統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)觀測(cè)到的靜風(fēng)次數(shù)，靜風(fēng)風(fēng)速值一般靠經(jīng)驗(yàn)給定。各個(gè)方向的平均風(fēng)速計(jì)算（除靜風(fēng)外）采用式（2），其中表示n方向上的平均風(fēng)速，n＝1，…，16，Vni表示在所統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)在n方向上觀測(cè)到的第i次風(fēng)的風(fēng)速。靜風(fēng)平均風(fēng)速計(jì)算采用式（3），其中表示在所統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)靜風(fēng)平均風(fēng)速，VCi為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)觀測(cè)到的第i次靜風(fēng)風(fēng)速。綜合傳統(tǒng)的風(fēng)玫瑰繪制原理可知，靜風(fēng)風(fēng)速臨界值選取不同，玫瑰圖上風(fēng)向風(fēng)速表達(dá)效果也千差萬別。

基于上述分析，本研究設(shè)計(jì)新型風(fēng)玫瑰圖的算法步驟如下：① 收集與整理統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)數(shù)據(jù)；② 在極坐標(biāo)平面上，以16個(gè)風(fēng)向方位的刻度線為中心，正負(fù)各11.25°劃分風(fēng)向區(qū)間；③ 將收集與整理的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)到16個(gè)風(fēng)向區(qū)間；④將各風(fēng)向區(qū)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果視為對(duì)應(yīng)風(fēng)向方位刻度線上的統(tǒng)計(jì)結(jié)果；⑤ 由于靜風(fēng)風(fēng)速臨界值的選取人為主觀性較大，故新型玫瑰圖中不論風(fēng)速值多小，一律按其風(fēng)向方位統(tǒng)計(jì)，并在該風(fēng)向方位上多彩分級(jí)繪制風(fēng)速，以反映風(fēng)速的全貌。

表1 玫瑰圖中風(fēng)向與角度分布（正北風(fēng)為0°或360°）

易知，所設(shè)計(jì)的新型風(fēng)玫瑰圖理論上較經(jīng)典的風(fēng)玫瑰圖具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 能夠同時(shí)科學(xué)、直觀地表達(dá)風(fēng)向和風(fēng)速兩個(gè)要素；② 玫瑰圖上反映的風(fēng)速要素不再是平均風(fēng)速，而是風(fēng)速全貌，即能夠直接從新型玫瑰圖上讀出區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向以及主導(dǎo)風(fēng)向上的主體風(fēng)速特征；③避免了靜風(fēng)風(fēng)速臨界值選取的主觀性，即把靜風(fēng)信息包含在各風(fēng)向方位風(fēng)速的第一級(jí)顯示結(jié)果中，無需在玫瑰圖上單獨(dú)表達(dá)。

3 玫瑰圖對(duì)比分析

在繪制經(jīng)典的風(fēng)玫瑰圖之前，首先需要人為確定靜風(fēng)風(fēng)速臨界值。表2為選取不同的靜風(fēng)風(fēng)速臨界值，利用A海洋站2012年10月整月的風(fēng)向與風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到的靜風(fēng)風(fēng)頻。據(jù)表中數(shù)據(jù)分析可得，靜風(fēng)風(fēng)速選取的多樣性會(huì)導(dǎo)致經(jīng)典風(fēng)玫瑰圖內(nèi)容表達(dá)的不確定性。

表2 選取不同靜風(fēng)風(fēng)速臨界值得到的靜風(fēng)風(fēng)頻

下面，重點(diǎn)分析經(jīng)典風(fēng)玫瑰與本研究設(shè)計(jì)的新型風(fēng)玫瑰兩者在表達(dá)內(nèi)容和方式上的不同及其各自的優(yōu)劣。為討論方便，文中經(jīng)典風(fēng)玫瑰的靜風(fēng)風(fēng)速臨界值取為2 m/s。

圖2為2012年10月靜風(fēng)風(fēng)速臨界值取為2 m/s時(shí)的傳統(tǒng)風(fēng)向玫瑰圖，從圖2可直觀得出風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)，即2012年10月該區(qū)域的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋NE風(fēng)與WSW風(fēng)。

圖3為2012年10月靜風(fēng)風(fēng)速臨界值取為2 m/s時(shí)的傳統(tǒng)風(fēng)速玫瑰圖，從圖3可直觀得出，各個(gè)風(fēng)向方位除靜風(fēng)以外統(tǒng)計(jì)得到的平均風(fēng)速，還可發(fā)現(xiàn)圖上各個(gè)方向方位的平均風(fēng)速差異非常小。按照經(jīng)典的分析思路，結(jié)合風(fēng)向玫瑰圖2和風(fēng)速玫瑰圖3，僅能做出該區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向以及該方向上平均風(fēng)速的結(jié)論，而難以判斷主導(dǎo)風(fēng)向上的主體風(fēng)速，以及難以掌握該區(qū)域各個(gè)方向風(fēng)向及風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)全貌，尤其不能給出區(qū)域各個(gè)方位風(fēng)場的極端狀況。

圖2 2012年10月靜風(fēng)風(fēng)速臨界值取為2 m/s時(shí)的經(jīng)典風(fēng)向玫瑰圖

圖3 2012年10月靜風(fēng)風(fēng)速臨界值取為2 m/s時(shí)的經(jīng)典風(fēng)速玫瑰圖

圖4為本研究設(shè)計(jì)的2012年10月新型風(fēng)玫瑰圖，從圖4不僅可直觀分析出該區(qū)域的主導(dǎo)風(fēng)向，還可明顯得出該主導(dǎo)風(fēng)向上的主體風(fēng)速為6～10 m/s，以及可判斷出該主導(dǎo)風(fēng)向上10～12 m/s的風(fēng)速所占比例也不低，不能忽略；再者，從所有風(fēng)向方位的風(fēng)速分布看，風(fēng)速值存在18～20 m/s的極端情況。此外，與經(jīng)典的風(fēng)向、風(fēng)速玫瑰圖相比，新型風(fēng)玫瑰提供的風(fēng)場信息更全面，而且僅用一圖可同時(shí)表達(dá)風(fēng)向和風(fēng)速，還無需考慮根據(jù)地域特點(diǎn)如何確定靜風(fēng)風(fēng)速。

在得到主導(dǎo)風(fēng)向上的主體風(fēng)速的基礎(chǔ)上，若需重點(diǎn)分析各個(gè)風(fēng)向方位的風(fēng)速整體分布信息，還可依據(jù)論文設(shè)計(jì)的新型風(fēng)玫瑰算法，進(jìn)一步將各個(gè)風(fēng)向方位的風(fēng)頻除以其本身，進(jìn)行歸一化，然后在各個(gè)風(fēng)向方位上進(jìn)行多彩分級(jí)繪制風(fēng)速，即可得到一種標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)玫瑰，它能夠清晰地得出各個(gè)方位的風(fēng)速整體分布特點(diǎn)（圖5）。

圖4 2012年10月的新型風(fēng)玫瑰圖

圖5 2012年10月的新型標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)玫瑰圖

例如，對(duì)于ENE風(fēng)，可直觀得出6～10 m/s的風(fēng)速占該方位50%以上，10～12 m/s的風(fēng)速占該方位12.5%左右。

4 結(jié)論

本研究通過分析經(jīng)典風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)速玫瑰圖所表達(dá)的內(nèi)容，設(shè)計(jì)了一種新型的風(fēng)玫瑰圖，并以中國近海某海洋站風(fēng)場數(shù)據(jù)為例，對(duì)經(jīng)典風(fēng)玫瑰圖和新型風(fēng)玫瑰圖進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下主要結(jié)論。

（1）新型的風(fēng)玫瑰能夠科學(xué)、直觀地同時(shí)表達(dá)風(fēng)向與風(fēng)速兩個(gè)要素的統(tǒng)計(jì)特征，并能直觀地給出主導(dǎo)風(fēng)向上的主體風(fēng)速，還能給出區(qū)域風(fēng)場的極端狀況，較傳統(tǒng)的風(fēng)玫瑰更能滿足實(shí)際需求，具有里程碑式的進(jìn)步。

（2）從風(fēng)玫瑰圖所包含的信息看，新型風(fēng)玫瑰擴(kuò)充了當(dāng)前風(fēng)玫瑰的內(nèi)涵，明顯提高了對(duì)風(fēng)場的表達(dá)能力。

論文中采用的風(fēng)場數(shù)據(jù)雖然是某海洋站2012年10月的風(fēng)場觀測(cè)數(shù)據(jù)，但是換作其他海洋測(cè)站給定統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)同樣會(huì)得到類似的結(jié)論。并且隨著風(fēng)場信息應(yīng)用的不斷細(xì)化和深入，本研究所設(shè)計(jì)的新型風(fēng)玫瑰在海洋水文保障、天氣分析、工業(yè)計(jì)劃、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)（如，海洋風(fēng)力發(fā)電等）等諸多領(lǐng)域愈來愈能夠發(fā)揮重要作用，值得進(jìn)一步研究和推廣。

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