印江新建氣象站風(fēng)向風(fēng)速代表性分析

謝仁波，頡春艷，代瑞華，李曉龍

(1.貴州省印江縣氣象局，貴州 印江 555200；2.貴州省德江縣氣象局，貴州 德江 565200)

0 引言

地面氣象觀測的“三性”原則為代表性、準(zhǔn)確性、比較性，是氣象觀測資料應(yīng)用的基礎(chǔ)性要求[1]。而且有學(xué)者認(rèn)為，因站址代表性差而產(chǎn)生的誤差要遠(yuǎn)大于單純的儀器系統(tǒng)設(shè)定的代表性誤差[2]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著大氣探測自動化綜合系統(tǒng)的建立和不斷完善，長期困擾氣象觀測的比較性和準(zhǔn)確性問題得到了根本性改善[3]，搬遷臺站的代表性也引起了相當(dāng)?shù)闹匾昜4]。觀測環(huán)境變化對風(fēng)的影響又是顯著的[5-7]，風(fēng)向、風(fēng)速隨高度和環(huán)境變化要比氣溫、氣壓和相對濕度復(fù)雜得多，因此，對于新建氣象站，有必要專門研究風(fēng)向風(fēng)速的代表性。

因城市擴(kuò)容和探測環(huán)境遭受持續(xù)破壞的雙重原因，2015年7月1日印江國家級氣象臺站由該縣峨嶺鎮(zhèn)西門外中寨口(城郊)遷移到其東北方向約750 m的峨嶺鎮(zhèn)沙子堡并開始正式觀測，新站氣象探測環(huán)境評分為93分(僅山體遮擋面積扣7分)。毗鄰的德江氣象站、本縣天氣指標(biāo)站之一的三合站有不少于3 a的連續(xù)觀測資料，為研究印江新站的風(fēng)向風(fēng)速代表性提供了數(shù)據(jù)支撐，同時城市規(guī)劃、新建生產(chǎn)企業(yè)氣候環(huán)境評估，也對研究印江新站的風(fēng)向風(fēng)速代表性提出了現(xiàn)實(shí)需要。

1 資料和方法

印江新站資料來源于2014年1月—2017年12月的A文件。德江站資料為2014年1月1日—2017年12月31日，三合天氣站資料為2014年7月1日—2017年12月31日。其中德江站位于印江西北方向，都屬于梵凈山西部，兩站直線距離約為41 km，探測環(huán)境優(yōu)越，無任何人為障礙物，氣象探測環(huán)境評分為99分，較印江新站高108 m。三合天氣站(三合炮站內(nèi)，四周較為開闊)位于印江新站東北偏東方向，相距約28 km，海拔較印江新站高585 m。

風(fēng)向的比較用風(fēng)玫瑰圖方法，風(fēng)速比較用差值法。為便于比較，風(fēng)向頻率保留1位小數(shù)，有別于《規(guī)范》[8]，風(fēng)向角度、方位統(tǒng)一按表1進(jìn)行。

表1 風(fēng)向方位與度數(shù)對照表Tab.1 A Table of wind symbols and angles

2 研究結(jié)果

2.1 印江新站地面測風(fēng)環(huán)境分析

印江新站位于縣城東面的小山包上，觀測場海拔高度521.5 m，風(fēng)向風(fēng)速感應(yīng)器距離地面10.5 m，觀測場距離公路、鐵路、河流均滿足《氣象設(shè)施和氣象探測環(huán)境保護(hù)條例》。

印江新站和德江站觀測場中心距地1.5 m高處四周障礙物情況為：印江新站四周距高比均為山體，無人為障礙物，近處也無高大植物；與老站建站時東邊最大仰角12°，西邊最大仰角13°相比，新站探測環(huán)境還略優(yōu)于老站建站時的環(huán)境。德江站周邊的環(huán)境要更加優(yōu)越一些，周邊山體仰角總體比印江新站低。

2.2 印江新站風(fēng)向穩(wěn)定性分析

為了解主導(dǎo)風(fēng)向的穩(wěn)定性，表2分年給出了風(fēng)向頻率從大到小的前3名。新站2014—2017年較多頻率的風(fēng)向很穩(wěn)定，不論2 min還是10 min排名前3的都是C,NE,ENE。

表2 印江新站主要風(fēng)向統(tǒng)計Tab.2 Main wind direction statistics of Yinjiang new station

2.3 印江新站與德江站風(fēng)玫瑰圖比較

圖1給出了德江站與印江新站2014—2017年10 min風(fēng)玫瑰圖。由圖可見，印江新站風(fēng)速風(fēng)向的最大頻率與德江站一致，都是NE,但次多風(fēng)向德江是NNE，印江卻為ENE,差別明顯。處于東部的印江國家站風(fēng)向較西邊的德江國家站更偏東，已具備隨著測點(diǎn)東移風(fēng)向偏東的基本雛形。

從穩(wěn)定性來論，德江站由于周邊地物狀況穩(wěn)定，10 min主導(dǎo)風(fēng)向也很穩(wěn)定,2014—2017年都是NE風(fēng)(表3)。

表3 德江站主要風(fēng)向及頻率統(tǒng)計表Tab.3 Main wind directions and frequency statistics of dejiang station

圖1 印江新站與德江站風(fēng)玫瑰圖比較(a:德江站，b:印江新站)Fig.1 Comparison of wind roses between yinjiang new station and dejiang station (a: dejiang station, b: yinjiang new station)

2.4 印江新站與本縣三合天氣站風(fēng)玫瑰圖比較

圖2給出了印江新站與三合天氣站2014年7月1日—2017年12月31日10 min風(fēng)玫瑰圖。由圖可見，印江新站風(fēng)速風(fēng)向的最大頻率是NE,次多風(fēng)向是ENE；三合天氣站最多風(fēng)向是E,次多風(fēng)向是ENE,隨著測點(diǎn)東移，有最多風(fēng)向逐漸偏東的現(xiàn)象。

圖2 印江新站與三合天氣站風(fēng)玫瑰圖比較(a:印江新站，b:三合天氣站)Fig.2 comparison of the wind rose chart of Yinjiang new station and Sanhe weather station(a:Yinjiang new weather station,b:Sanhe weather station)

從穩(wěn)定性來論，三合天氣站由于周邊地物狀況穩(wěn)定，10 min主導(dǎo)風(fēng)向、次多風(fēng)向都很穩(wěn)定(表4)，每年都是E和ENE，只是因?yàn)楹０屋^高，靜風(fēng)頻率較縣級國家級臺站少。

表4 三合天氣站主要風(fēng)速風(fēng)向及頻率統(tǒng)計表Tab.4 Main wind direction frequency statistics of Sanhe weather station

2.5 印江新站、德江站、三合天氣站風(fēng)速比較

印江新站、德江站、三合天氣站風(fēng)杯離地高度都為10.5 m，地面粗糙度接近。圖3從西到東給出了印江新站、德江站、三合天氣站各風(fēng)向平均風(fēng)速圖。

從圖3可以看出，一是3站主導(dǎo)風(fēng)向上的平均風(fēng)速總體較其他方位的風(fēng)速偏大；二是各方位的平均風(fēng)速與臺站海拔高度有關(guān)系，海拔高的站各方位風(fēng)速總體要偏大一些。

圖4給出了印江新站、德江站、三合天氣站風(fēng)速日變化圖。從圖中可以看出，風(fēng)速總體上隨海拔高度增加而增大。

圖3 印江新站、德江站、三合天氣站各風(fēng)向平均風(fēng)速比較(a:德江，b：印江，c:三合)Fig.3 Comparison of average wind speed in each wind direction of Yinjiang new station, Dejiang station and Sanhe weather station(a:Dejiang,b:Yinjiang,c:Sanhe)

圖4 印江新站、德江站、三合天氣站風(fēng)速日變化圖Fig.4 Wind daily variation chart of yinjiang new station,dejiang station and sanhe weather station

為了弄清風(fēng)速隨海拔高度增加而增大的具體情況，用印江新站與德江站風(fēng)速、海拔高度對比分析，風(fēng)速隨海拔增量為0.4 m·s-1/100 m；用印江新站與三合天氣站比，增量僅為0.2 m·s-1/100 m。風(fēng)速雖隨測站海拔增加而增大，但增量比較復(fù)雜。

3 結(jié)論和討論

①氣象服務(wù)的實(shí)踐表明，服務(wù)對象并不要求提供數(shù)10 a的整編資料，只要求提供3～5 a資料的居多，況且印江新站風(fēng)向的穩(wěn)定性好，并與1971—2000年(可以認(rèn)為觀測環(huán)境未破壞)整編資料給出的最多、次多風(fēng)向一致，說明用新站風(fēng)向資料開展服務(wù)是可行的。

②山區(qū)最多風(fēng)向與臺站附近的地形地貌有一定的關(guān)系，印江新站主導(dǎo)風(fēng)向往西至少可以代表41 km以內(nèi)的區(qū)域，往東28 km及以上區(qū)域代表性已經(jīng)比較差，針對銅仁西部一定范圍內(nèi)有測點(diǎn)偏東最多風(fēng)向逐漸偏東的現(xiàn)象，適當(dāng)加密天氣站對于重點(diǎn)建設(shè)項目更加(如通用機(jī)場)不可或缺。

③印江新站與周邊臺站一樣，主導(dǎo)風(fēng)向上的平均風(fēng)速較其他方位略偏大。

④印江新站風(fēng)速有明顯的日變化，風(fēng)速的數(shù)值大小主要依賴站點(diǎn)海拔高度，本縣海拔接近的地區(qū)用印江新站風(fēng)向速資料開展服務(wù)也是可行的。