泰來城市化對風(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

近年來氣候變暖背景下風(fēng)能資源的可持續(xù)利用問題倍受關(guān)注，對我國風(fēng)速、風(fēng)向變化的研究也逐步發(fā)展起來。王遵婭等［1］、Zou HC 等［2］、任國玉等［3］、Xu M 等［4］、江瀅等［5］認(rèn)為，近50 a 我國年平均風(fēng)速存在減小的變化趨勢。 楊雪艷等對東北地區(qū)平均風(fēng)速進(jìn)行分析，認(rèn)為近40 a 來東北地區(qū)平均風(fēng)速呈下降趨勢，每10 a 約下降0.23 m/s［6］。鄒立堯等對比分析了黑龍江省國家氣象站與農(nóng)墾氣象站風(fēng)速變化趨勢，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、農(nóng)墾氣象站小于國家氣象站的結(jié)論［7］。大量學(xué)者的研究分析表明，氣候變化導(dǎo)致我國大部分地區(qū)風(fēng)速呈減小趨勢已是不爭的事實［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、觀測環(huán)境、儀器變化的影響。 近年來探測環(huán)境改變對氣象要素的影響逐漸引起專家的注意［10-11］，劉學(xué)鋒、任國玉等對河北城市化和觀測環(huán)境改變對風(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是由觀測環(huán)境變化產(chǎn)生的。

泰來縣氣象局1970-2010年沒有遷過站、觀測環(huán)境保存較好、儀器沒有更換，且屬于國家基準(zhǔn)氣象站。 本文使用泰來十六方位長期風(fēng)速， 氣象站與野外70 m 測風(fēng)塔2009年7月-2010年6月的風(fēng)速、風(fēng)向資料，分析城市化對地面風(fēng)的影響。

2 資料與方法簡述

本文使用國家基準(zhǔn)氣象站泰來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，所以對氣象站十六方位風(fēng)速變化趨勢進(jìn)行分析，結(jié)合各風(fēng)向頻率與氣象站在城市中的方位，分析城市化對氣象站風(fēng)速的影響。 同時，利用距離氣象站較近的測風(fēng)塔10 m 風(fēng)速資料， 與氣象站同期風(fēng)速資料對比，分析城市對風(fēng)速、風(fēng)向的影響。

3 風(fēng)變化特征

泰來氣象站1970-2004年，站址沒有發(fā)生變化，測風(fēng)儀器一直使用EL 型電接風(fēng)風(fēng)速計，觀測場環(huán)境保持良好，僅有測風(fēng)儀器高度發(fā)生過改變。 對測風(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 長期風(fēng)速變化特征

泰來位于黑龍江省的東南部，松嫩平原的南部。 泰來縣南北狹長，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年泰來年平均風(fēng)速變化趨勢

由圖1 可見，1971-2004年，泰來氣象站的年平均風(fēng)速具有一定的波動性，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，每10 a 下降0.36 m/s。

3.2 十六方位風(fēng)速長期變化特征

圖2 1971-2004年泰來十六方位年平均風(fēng)速變化趨勢

由圖2 可見，1971-2004年泰來氣象站十六方位年平均風(fēng)速均呈下降趨勢，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。 整體來看，泰來受城市影響的主要風(fēng)向，風(fēng)速下降趨勢較為明顯，而在受城市影響較弱風(fēng)向，風(fēng)速下降趨勢減弱。

3.3 十六方位風(fēng)向長期變化特征

圖3 1971-2004年泰來十六方位風(fēng)向變化趨勢

泰來縣1971-2004年間各風(fēng)向頻率變化差異較大，由圖3 可見，N、NNW、SSW 風(fēng)頻率呈明顯下降趨勢， 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，SW 風(fēng)頻率上升最大，在0.1%以上。 W 風(fēng)為泰來縣的主導(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。

1971-2004年泰來十六方位的風(fēng)速變化趨勢、風(fēng)向頻率變化趨勢與城市的快速發(fā)展及城市空間布局關(guān)系密切，說明城市的發(fā)展及布局對氣象站風(fēng)變化具有一定的影響。

4 氣象站與鄰近測風(fēng)塔同期風(fēng)分析

黑龍江省風(fēng)能資源觀測網(wǎng)中的泰來測風(fēng)塔位于泰來縣西北部的乾德門山，距氣象站直線距離約5.3 km，乾德門山為獨立山體，海拔略高于周邊平原，測風(fēng)塔海拔較氣象站高出30 m，之間沒有地物阻隔。

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

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

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

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

由圖5 可知， 測風(fēng)塔與氣象站的風(fēng)向頻率在W 風(fēng)差異較大， 測風(fēng)塔頻率為5.1%， 氣象站頻率高達(dá)13.7%，在NW-NNE、SSE-SSW 風(fēng)向測風(fēng)塔頻率高于氣象站， 頻率差約在1%左右， 在NNW 風(fēng)向測風(fēng)塔與氣象站頻率差最大，為2%。 在NE-SE 風(fēng)向測風(fēng)塔與氣象站頻率差別不大。 氣象站位于泰來的最東端，受城市影響最小，風(fēng)向頻率與測風(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年泰來的年平均風(fēng)速變化呈明顯的下降趨勢，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，對泰來1971-2004年十六方位風(fēng)速變化趨勢分析，表明城市發(fā)展對氣象站風(fēng)速影響明顯，城市對氣象站影響較大方向，風(fēng)速變化速率較大，而在城市對氣象站影響較小風(fēng)向，風(fēng)速變化速率較小。 同時，城市化及城市空間布局對風(fēng)向頻率的變化也有一定的影響。

（3）比較泰來氣象站與附近測風(fēng)塔10 m 高2009年7月-2010年6月十六方位風(fēng)速， 測風(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)速比值與相對誤差明顯反應(yīng)出城市對風(fēng)速的影響。 風(fēng)向頻率的對比說明，城市對風(fēng)向也有一定的影響。

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