山東沿海測風(fēng)高度對風(fēng)速的影響和訂正研究

孫莎莎，吳 煒，郭俊建

（山東省氣象臺，山東濟(jì)南250031）

山東沿海測風(fēng)高度對風(fēng)速的影響和訂正研究

孫莎莎，吳 煒，郭俊建

（山東省氣象臺，山東濟(jì)南250031）

利用2009年1月—2011年5月山東的19個測風(fēng)塔風(fēng)資料，分析研究測風(fēng)塔不同高度觀測風(fēng)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，進(jìn)而研究不同測站高度對風(fēng)資料代表性的影響，并在此基礎(chǔ)上尋找對現(xiàn)有風(fēng)場進(jìn)行訂正比較有效的方法與技術(shù)。

不同高度；測風(fēng)塔；訂正

1引言

山東瀕臨黃渤海，海上大風(fēng)、海霧、強(qiáng)對流、臺風(fēng)、風(fēng)暴潮等這些海洋災(zāi)害性天氣都對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展及人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。近年來，中國氣象局和山東省政府均加大了對海洋氣象監(jiān)測及預(yù)報預(yù)警方面的投入。目前山東省沿海區(qū)域氣象觀測站500多個，測站種類有海島站、浮標(biāo)站、船舶站、海上石油平臺站、風(fēng)廓線儀、測風(fēng)塔以及移動氣象臺等，可以實(shí)時獲得大量的海上風(fēng)資料。這些實(shí)時資料在預(yù)報員們準(zhǔn)確預(yù)報天氣過程中起到了重要作用，但同時這些觀測站受布設(shè)條件所限所處地理位置復(fù)雜且分布不平衡；另外受沿海地形的影響，觀測站點(diǎn)的布設(shè)存在高度不一致問題，這些問題嚴(yán)重限制了海上大風(fēng)預(yù)報準(zhǔn)確率的提高。

許多學(xué)者研究過高度對風(fēng)場的影響，海洋石油研究所工程實(shí)驗(yàn)室等[1]對渤海的海上風(fēng)速觀測資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的風(fēng)速廓線指數(shù)定律要比對數(shù)定律更加適用。曾旭斌等［2］從近地層的通量—梯度關(guān)系出發(fā)，在穩(wěn)定層結(jié)得到了改進(jìn)的風(fēng)廓線公式并驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)該公式適合140m以下的大氣，誤差較小。楊林［3］根據(jù)福建省氣象鐵塔所觀測的一年風(fēng)、溫資料，對近地層垂直溫度梯度、風(fēng)隨高度的變化和海陸風(fēng)進(jìn)行統(tǒng)計計算和分析研究，從中得出我國中低緯度地區(qū)海陸邊界層100m以下環(huán)境大氣變化的若干氣象特征的認(rèn)識。王日東等［4］研究了新建海島站與原有長島站大風(fēng)的關(guān)系，將海島站與沿岸站大風(fēng)進(jìn)行對比分析。王靜［5］研究發(fā)現(xiàn)青島地區(qū)風(fēng)速廓線基本遵循隨高度升高遞增的規(guī)律，在低層風(fēng)速隨高度增加比較顯著，基本符合冪指數(shù)分布規(guī)律，500m以上風(fēng)速隨高度的變化己不再明顯。

本文通過分析山東測風(fēng)塔不同高度觀測風(fēng)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，研究不同測站高度對風(fēng)資料代表性的影響和訂正使用的方法與技術(shù)。

2確定不同高度風(fēng)的相關(guān)擬合方程

2.1 資料和方法

山東省共19個測風(fēng)塔，主要集中在濱州、東營、濰坊、煙臺、威海、青島和日照，在這些地區(qū)風(fēng)速不容易發(fā)生突變并且風(fēng)向也比較穩(wěn)定。這種地理位置使測風(fēng)塔觀測到的風(fēng)場資料對沿海和近海風(fēng)場分析訂正有很高的參考價值。本文所用資料的時間序列長度是從2009年1月—2011年5月，時間分辨率是10m in。所有測風(fēng)塔都有3個不同的測風(fēng)高度，分別是10m、50m和70m，使用的觀測要素有平均風(fēng)速、最大風(fēng)速以及極大風(fēng)速。對不同高度的風(fēng)場資料數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和相關(guān)性分析等處理。

2.2 計算分析確定擬合方程

由于19個測風(fēng)塔本身所處的海拔不同，這些測風(fēng)塔10m測風(fēng)高度的風(fēng)速代表不了海平面10m高度的實(shí)際風(fēng)速，給實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用造成了一定的困難。由于業(yè)務(wù)上需要把這些測風(fēng)塔測得的風(fēng)速訂正到海平面真正10m高度上，因此需要通過研究測站高度對風(fēng)資料代表性的影響和訂正使用的方法，確定一個比較可行的風(fēng)速隨高度的變化關(guān)系，利用該關(guān)系對一定適用的空間范圍內(nèi)的觀測站的任意高度的風(fēng)速進(jìn)行訂正。由于岸基其他類型的觀測站的風(fēng)速都是基于10m海拔高度上的，因此將風(fēng)速訂正到10m的海拔高度，這樣可以得到比較直觀且相對全面的山東省10m海拔高度的風(fēng)場描述。

在大氣擾動的理論研究中，精確測定近地層風(fēng)廓線是一項(xiàng)基本任務(wù)。大氣邊界層中風(fēng)隨高度變化主要遵循指數(shù)定律和對數(shù)定律方程，只需要一個特定的參數(shù)，就可以從一個高度的風(fēng)速推算另一個高度的風(fēng)速。

公式（1）為指數(shù)定律，公式（2）為對數(shù)定律。式中：u1、u2為風(fēng)速；z1、z2為高度；z0為粗糙度；α為冪指數(shù)。參考以前學(xué)者對沿海地區(qū)近地層風(fēng)隨高度變化特征的研究以及指數(shù)定律和對數(shù)定律各自的適用范圍和特點(diǎn)，結(jié)合山東省的沿海地理位置特點(diǎn)，因此采用指數(shù)定律對山東省測風(fēng)塔的風(fēng)速資料進(jìn)行處理分析。處理的基本思路是：α冪指數(shù)與大氣層結(jié)狀態(tài)有關(guān)，風(fēng)速的大小對應(yīng)不同的大氣層結(jié)狀態(tài)。為了更好地研究α冪指數(shù)的分布，將測風(fēng)塔10m高度觀測風(fēng)速分為6級（10.8m/s）及以上大風(fēng)和6級以下風(fēng)兩種情況。

當(dāng)測風(fēng)塔10m高度觀測風(fēng)速在6級及以上時，由于測風(fēng)塔本身的有3個測風(fēng)高度，除了10m以外還有50m和70m兩個測風(fēng)高度。將測風(fēng)塔10m高度觀測風(fēng)速和50m高度觀測風(fēng)速設(shè)為第1組數(shù)據(jù)，將測風(fēng)塔10m高度觀測風(fēng)速和70m高度觀測風(fēng)速設(shè)為第2組數(shù)據(jù)，把這兩組觀測風(fēng)速數(shù)據(jù)代入指數(shù)公式：

圖1 6級以上大風(fēng)的10m和50m的α值分布

其中u1i代表第i個時間序列的50m或者70m高度的風(fēng)速；u2i代表第i個時間序列的10m高度的風(fēng)速；z1i代表第i個時間序列50m或70m的測風(fēng)高度；z2i代表第i個時間序列10m的測風(fēng)高度；αi為第i個時間序列的冪指數(shù)。對于同一個測風(fēng)塔，u1i、u2i都是一維數(shù)組，長度是時間序列i，這樣我們通過變換指數(shù)公式得到下面的公式：

根據(jù)該公式計算得到α冪指數(shù)的數(shù)值。當(dāng)測風(fēng)塔10m高度觀測風(fēng)速在6級以下時，也是類似方法計算α冪指數(shù)。

圖2 6級以上大風(fēng)的10m和70m的α值分布

圖3 6級以下風(fēng)的10m和50m的α值分布

圖4 6級以下風(fēng)的10m和70m的α值分布

選取4個不同海拔高度的測風(fēng)塔，其中15001

代表海拔高度10m以內(nèi)的測風(fēng)塔，15010代表海拔高度10—50m之間的測風(fēng)塔，15009代表海拔高度50—100m之間的測風(fēng)塔，15012代表海拔高度100m以上的測風(fēng)塔，分別給出測風(fēng)塔10m高度觀測風(fēng)速在6級及以上、6級以下時的α冪指數(shù)分布，結(jié)果如圖1—4所示，發(fā)現(xiàn)：無論測風(fēng)塔10m高度觀測風(fēng)速在6級及以上還是6級以下，不同測風(fēng)高度之間的α冪指數(shù)都不是一個固定的數(shù)值，都存在一定的分布區(qū)間。

通過對4個代表測風(fēng)塔不同梯度的α值分布圖分析發(fā)現(xiàn)，對于同一個測風(fēng)塔，α冪指數(shù)在一定的范圍內(nèi)波動，而對風(fēng)場訂正需要確定一個適用的α冪指數(shù)，于是將α冪指數(shù)設(shè)為從0.00—1.00間隔為0.01的101個數(shù)值，依次把這101個α冪指數(shù)代入變換后的指數(shù)公式：

表1 10m高度風(fēng)大于等于6級的10m和50m、10m和70m兩組α值

表2 10m高度風(fēng)速小于6級時10m和50m、10m和70m兩組α值

同時代入50m或70m測風(fēng)高度的風(fēng)速u1i就能推導(dǎo)出10m測風(fēng)高度的估計風(fēng)速u2i，也可求出所有時間序列的實(shí)測風(fēng)速u2i和估計風(fēng)速u2i差值平方總和，在該差值平方總和為最小值的條件下得到一個確定的α冪指數(shù)。此外，參考統(tǒng)計的測風(fēng)塔所有時間序列α冪指數(shù)的出現(xiàn)頻率分布情況，最后選取的α冪指數(shù)需滿足實(shí)測和估計風(fēng)速誤差最小且出現(xiàn)頻率較高。

計算得到的α冪指數(shù)存在如下特點(diǎn)（表1和表2）：總體來說，測風(fēng)塔10m高度的觀測風(fēng)速6級及以上的兩組α冪指數(shù)值要小于6級以下的α冪指數(shù)值。無論10m高度觀測風(fēng)速是大還是小，同一個測風(fēng)塔的第一組（10 m和50 m）和第二組（10 m和70m）的α冪指數(shù)值都很接近。海拔高度在10m以下站號為15001—15008的測風(fēng)塔，10m高度的觀測風(fēng)速在6級及以上的α冪指數(shù)在0.04—0.06的范圍內(nèi)，10m高度的觀測風(fēng)速在6級以下的α冪指數(shù)在0.07—0.12的范圍內(nèi);海拔高度在10m以下站號為15013—15015的測風(fēng)塔，10m高度的觀測風(fēng)速在6級及以上的α冪指數(shù)在0.06—0.14的范圍內(nèi)，10m高度的觀測風(fēng)速在6級以下的α冪指數(shù)在0.11—0.16的范圍內(nèi)。海拔在10—100m的測風(fēng)塔，10m高度的觀測風(fēng)速在6級及以上的α冪指數(shù)在0.03—0.08的范圍內(nèi)，10m高度的觀測風(fēng)速在6級以下的α冪指數(shù)在0.06—0.12的范圍內(nèi)。海拔高度在100m以上

的測風(fēng)塔15012，10 m高度的觀測風(fēng)速在6級及以上的α冪指數(shù)在0.10—0.11范圍內(nèi)，在6級以下的α冪指數(shù)在0.13—0.14范圍內(nèi)。

根據(jù)α冪指數(shù)的物理意義：反映大氣層結(jié)狀態(tài)。當(dāng)大氣不穩(wěn)定時，擾動易于發(fā)生或加強(qiáng)，動量上下交換激烈，上下層風(fēng)速差別變緩，α值就小。大氣穩(wěn)定時就相反，不利于動量交換，上下風(fēng)速差別變大，α值就大。α值隨大氣的不穩(wěn)定度增加而減小，本文分析結(jié)果表明α值存在隨風(fēng)速增加而減小的特點(diǎn)。

同時，α冪指數(shù)隨地理位置變化而發(fā)生變化。海拔高度都在10 m以下，站號15001—15008的測風(fēng)塔的α冪指數(shù)值比較接近，15013、15014和15015這3個測風(fēng)塔的α冪指數(shù)值比較接近，并高于15001—15008測風(fēng)塔的α冪指數(shù)值。這些測風(fēng)站海拔高度相近，但是α冪指數(shù)存在較明顯的差別可能是于周圍的觀測環(huán)境有關(guān)系，15013、15014和15015這3個測風(fēng)塔都是位于威海的泊于鎮(zhèn)夏莊村，是山東半島東端，三面瀕臨海，全年平均風(fēng)速都比較大，一年中發(fā)生大風(fēng)的頻率也比較高，這可能是α冪指數(shù)值比較高的原因。

3不同高度風(fēng)訂正到10m標(biāo)準(zhǔn)面風(fēng)場

前面對測風(fēng)塔的風(fēng)資料進(jìn)行處理分析，確定出不同高度風(fēng)場之間的擬合方程:

同時也得到不同風(fēng)塔的α冪指數(shù)值，接下來利用擬合方程把海拔高度不一的自動站的觀測風(fēng)場訂正到海拔10m的高度上，將訂正后的風(fēng)場、自動站觀測風(fēng)場和歐洲中心細(xì)網(wǎng)格10m風(fēng)場00時起報場進(jìn)行對比，根據(jù)訂正后的10m風(fēng)場是否合理，來檢驗(yàn)擬合方程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在山東半島丘陵地區(qū)以及其他海拔較高的地區(qū)，訂正風(fēng)場比觀測風(fēng)場更接近于歐洲中心細(xì)網(wǎng)格10m風(fēng)場，觀測風(fēng)場的風(fēng)速在這些海拔比較高的地區(qū)風(fēng)速大于歐洲中心細(xì)網(wǎng)格10m風(fēng)場，更大于訂正風(fēng)場；在海拔較低的平原地區(qū)，觀測風(fēng)場、訂正風(fēng)場、歐洲中心細(xì)網(wǎng)格10m風(fēng)場三者都比較接近。由此看出，本文的風(fēng)場訂正方法有一定的可靠性。

由于測風(fēng)塔沿海分布相對均勻，并且測風(fēng)塔的風(fēng)場資料和其他測站的資料存在較好的相關(guān)性，通過其資料計算出的α值在一定的范圍內(nèi)具有代表性，周圍的自動站可以直接使用附近的測風(fēng)塔α值。本文根據(jù)自動站和測風(fēng)塔的經(jīng)度緯度計算它們之間的平面距離，最后選取距離自動站最近的一個測風(fēng)塔，取該測風(fēng)塔的α值來代替自動站站的α值，因此根據(jù)下面的公式：

式中：u1i代表第i個時間序列的某個自動站的觀測風(fēng)速；z1i代表第i個時間序列該自動站的海拔高度；u2i代表第i個時間序列的該自動站訂正到海拔10m高度的風(fēng)速；z2i為常數(shù)10，代表10m海拔高度，可以計算得到需要的時間序列的海拔10m高度的訂正風(fēng)場。

4總結(jié)與分析

通過以上的研究，主要得到如下結(jié)論：

（1）通過對測風(fēng)塔測風(fēng)資料進(jìn)行統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)處理，確定不同高度風(fēng)場的訂正公式：u2/u1=(z2/z1)α，并且發(fā)現(xiàn)公式中指數(shù)參數(shù)有如下特點(diǎn)：α值隨風(fēng)速增加而減??；α的值隨地理位置變化而發(fā)生變化；

（2）利用確定的不同高度風(fēng)場的訂正公式：u2/ u1=(z2/z1)α對區(qū)域自動站風(fēng)場進(jìn)行訂正，得到10m高度的標(biāo)準(zhǔn)面風(fēng)場；

（3）使用該風(fēng)場訂正方法，可以有效的提高觀測資料的可用性，一定程度上解決業(yè)務(wù)急需問題，并為開展海上大風(fēng)預(yù)報技術(shù)研究提供幫助。

[1]海洋石油研究所工程實(shí)驗(yàn)室,天津市氣象局,中央氣象局天氣氣候研究所應(yīng)用氣候組.渤海某處風(fēng)速梯度觀測資料的分析[J].氣象,1978,(6):38-40.

[2]曾旭斌,趙鳴,苗曼倩.穩(wěn)定層結(jié)140米以下風(fēng)廓線的研究[J].大氣科學(xué),1987,11(2):153-159.

[3]楊林.海陸邊界層氣象特征的分析[J].氣象科技,1998,(2):57-60.

[4]王日東,姜俊玲,郭衛(wèi)華,等.渤海海峽海島站與沿岸站大風(fēng)對比分析[J].海洋預(yù)報,2010,27(2):22-29.

[5]王靜.青島市大氣邊界層氣候特征研究[D].蘭州:蘭州大學(xué), 2011.

Study ofw ind observation heightsof shandong coasteffect on w ind speed and how to correct theeffect

SUN Sha-sha,WUWei,GUO Jun-jian
(Shandong ProvincialMeteorologicalBureau,Jinan 250031China)

Based on the w ind data at 19 w ind towers in Shandong from January 2009 to May 2011,the correlation between the different heightw ind fields of wind towers is analyzed,and then the effectof different heightsof station onw ind isstudied,and an effective correctmethod is revealed.

differentheights;w ind tower;correct

P732

A

1003-0239（2015）06-0034-06

2015-04-16

山東省氣象局預(yù)報員專項(xiàng)項(xiàng)目(sdyby2012-19);山東省氣象局青年科研基金項(xiàng)目（2015SDQN02）

孫莎莎（1985-），女，工程師，碩士，從事天氣預(yù)報工作。E-mail:sunss-08@163.com

10.11737/j.issn.1003-0239.2015.06.005