一種新型風玫瑰的設計及其對海洋站風場數據的應用*

陳超輝，姜勇強，何宏讓，周祖剛，黃紅艷，桂發銀

（解放軍理工大學氣象海洋學院 南京 211101）

1 引言

風玫瑰是繪制在極坐標底圖上的某一地區在某一時段內各風向出現的頻率或各風向的平均風速的統計圖。通常按其所表達的內容可分為風向玫瑰、風速玫瑰和風頻風速玫瑰。在風向玫瑰圖中，頻率最大的方位，表示該風向出現次數最多。常見的風向玫瑰圖是一個圓，圓上引出16條放射線，代表16個不同方向，即將羅盤上360°方位按照每22.5°一格劃分成16格，并將各個風向統計到這16個方向上，然后將各相鄰方向的端點用直線連接起來的閉合折線，即為風向玫瑰圖。它所描述的風向，是指從四周吹向該地區的方向，各方向風的頻率以相應比例長度表示（用極坐標系中的半徑長度表示），靜風的頻度放在中間。風速玫瑰圖與風向玫瑰圖類似，不過前者的統計對象是各方向的風速大小，即風速玫瑰圖中極坐標的半徑表示各方向的平均風速。風頻風速玫瑰圖是在一個玫瑰圖中同時表達風頻和風速，即在每一方向上用線段的長度表示風頻，用線段末段的風羽表示該方向上的平均風速。

風玫瑰圖應用非常廣泛，它在天氣分析［1］、氣候 評 價、風 能 利 用［2］、城市規劃［3］、建 筑 設計［4］、環境評估、衛生工程學［5－6］、污染擴散［7］、消防監督、海洋能開發［8－11］以及防災減災［12－13］等方面具有重要參考價值。例如，在海洋風能利用方面，風玫瑰是風能資源評估的主要工具以及風電場前期建設必不可少的步驟；在城市規劃及建筑布局方面，可以根據風玫瑰圖確定大型易燃與可燃氣體和液體的貯罐、材料堆場，以及散發可燃氣體的生產廠房或物品庫房及生活區的位置；可以在生產易燃、易爆物品及散發可燃氣體的工廠選址、建審及廠區整體規劃時，根據風玫瑰圖考慮風向對生產裝置、工藝流程以及相鄰企業的生產和廠區生活區的影響；還可以根據風玫瑰圖在某地主導風向的上風口適當位置安裝雷電攔截裝置，對雷電流進行高位吸引，實現區域防雷。

隨著風玫瑰應用的不斷細化和深入，當前風玫瑰的內涵愈來愈難滿足實際需求，不足主要表現在4個方面：① 風向與風速在一個傳統的玫瑰圖中一般不能同時表達，要想獲取風場綜合信息，必須同時提供風向和風速玫瑰圖；② 風速玫瑰圖上所表達的內容是各個方向的平均風速，而僅以平均風速難以反映各個方向風場特征全貌；③ 風頻風速玫瑰圖上盡管給出了風頻和風速，但其風速仍只是各個方向的平均風速，它的表達形式也比較簡單；④ 傳統風玫瑰的繪制需要人為給定靜風風速，加之靜風風速的選取主觀性較大，易給玫瑰圖的繪制帶來不確定性。

本研究通過分析風玫瑰圖的物理實質，設計了一種同時能夠更科學、更直觀地表達風向與風速的統計特征的新型風玫瑰圖，并以中國近海某海洋站風場數據為例，展示了其初步應用，以期為相關研究及應用提供重要參考。

2 資料及方法介紹

以中國近海某自動氣象站（簡稱海洋站A）探測數據為例（站點位置及中國近海的地形特征見圖1），探測時間為2012年10月整月，時間分辨率為分鐘，每隔1 min提取儀器10 min平均風向與10 min平均風速探測數據，文中玫瑰圖用16個羅盤方位表示，其風向與角度分布見表1。

圖1 中國近海的地形特征及海洋站A的地理位置

按照經典的風玫瑰繪制原理，風玫瑰圖中主要包含風向頻率、風向以及平均風速3個要素。風向頻率計算采用式（1），其中Dn為n方向上的風向頻率，fn表示在所統計時段內，n方向上風觀測到的次數，C為所統計時段內觀測到的靜風次數，靜風風速值一般靠經驗給定。各個方向的平均風速計算（除靜風外）采用式（2），其中表示n方向上的平均風速，n＝1，…，16，Vni表示在所統計時段內在n方向上觀測到的第i次風的風速。靜風平均風速計算采用式（3），其中表示在所統計時段內靜風平均風速，VCi為統計時段內觀測到的第i次靜風風速。綜合傳統的風玫瑰繪制原理可知，靜風風速臨界值選取不同，玫瑰圖上風向風速表達效果也千差萬別。

基于上述分析，本研究設計新型風玫瑰圖的算法步驟如下：① 收集與整理統計時段內的風速風向觀測數據；② 在極坐標平面上，以16個風向方位的刻度線為中心，正負各11.25°劃分風向區間；③ 將收集與整理的風向風速數據統計到16個風向區間；④將各風向區間的統計結果視為對應風向方位刻度線上的統計結果；⑤ 由于靜風風速臨界值的選取人為主觀性較大，故新型玫瑰圖中不論風速值多小，一律按其風向方位統計，并在該風向方位上多彩分級繪制風速，以反映風速的全貌。

表1 玫瑰圖中風向與角度分布（正北風為0°或360°）

易知，所設計的新型風玫瑰圖理論上較經典的風玫瑰圖具有以下優點：① 能夠同時科學、直觀地表達風向和風速兩個要素；② 玫瑰圖上反映的風速要素不再是平均風速，而是風速全貌，即能夠直接從新型玫瑰圖上讀出區域主導風向以及主導風向上的主體風速特征；③避免了靜風風速臨界值選取的主觀性，即把靜風信息包含在各風向方位風速的第一級顯示結果中，無需在玫瑰圖上單獨表達。

3 玫瑰圖對比分析

在繪制經典的風玫瑰圖之前，首先需要人為確定靜風風速臨界值。表2為選取不同的靜風風速臨界值，利用A海洋站2012年10月整月的風向與風速觀測數據，計算得到的靜風風頻。據表中數據分析可得，靜風風速選取的多樣性會導致經典風玫瑰圖內容表達的不確定性。

表2 選取不同靜風風速臨界值得到的靜風風頻

下面，重點分析經典風玫瑰與本研究設計的新型風玫瑰兩者在表達內容和方式上的不同及其各自的優劣。為討論方便，文中經典風玫瑰的靜風風速臨界值取為2 m/s。

圖2為2012年10月靜風風速臨界值取為2 m/s時的傳統風向玫瑰圖，從圖2可直觀得出風向的統計特點，即2012年10月該區域的主導風向為ENE風與WSW風。

圖3為2012年10月靜風風速臨界值取為2 m/s時的傳統風速玫瑰圖，從圖3可直觀得出，各個風向方位除靜風以外統計得到的平均風速，還可發現圖上各個方向方位的平均風速差異非常小。按照經典的分析思路，結合風向玫瑰圖2和風速玫瑰圖3，僅能做出該區域主導風向以及該方向上平均風速的結論，而難以判斷主導風向上的主體風速，以及難以掌握該區域各個方向風向及風速的統計全貌，尤其不能給出區域各個方位風場的極端狀況。

圖2 2012年10月靜風風速臨界值取為2 m/s時的經典風向玫瑰圖

圖3 2012年10月靜風風速臨界值取為2 m/s時的經典風速玫瑰圖

圖4為本研究設計的2012年10月新型風玫瑰圖，從圖4不僅可直觀分析出該區域的主導風向，還可明顯得出該主導風向上的主體風速為6～10 m/s，以及可判斷出該主導風向上10～12 m/s的風速所占比例也不低，不能忽略；再者，從所有風向方位的風速分布看，風速值存在18～20 m/s的極端情況。此外，與經典的風向、風速玫瑰圖相比，新型風玫瑰提供的風場信息更全面，而且僅用一圖可同時表達風向和風速，還無需考慮根據地域特點如何確定靜風風速。

在得到主導風向上的主體風速的基礎上，若需重點分析各個風向方位的風速整體分布信息，還可依據論文設計的新型風玫瑰算法，進一步將各個風向方位的風頻除以其本身，進行歸一化，然后在各個風向方位上進行多彩分級繪制風速，即可得到一種標準化的風玫瑰，它能夠清晰地得出各個方位的風速整體分布特點（圖5）。

圖4 2012年10月的新型風玫瑰圖

圖5 2012年10月的新型標準化風玫瑰圖

例如，對于ENE風，可直觀得出6～10 m/s的風速占該方位50%以上，10～12 m/s的風速占該方位12.5%左右。

4 結論

本研究通過分析經典風向玫瑰圖和風速玫瑰圖所表達的內容，設計了一種新型的風玫瑰圖，并以中國近海某海洋站風場數據為例，對經典風玫瑰圖和新型風玫瑰圖進行了對比分析，得出以下主要結論。

（1）新型的風玫瑰能夠科學、直觀地同時表達風向與風速兩個要素的統計特征，并能直觀地給出主導風向上的主體風速，還能給出區域風場的極端狀況，較傳統的風玫瑰更能滿足實際需求，具有里程碑式的進步。

（2）從風玫瑰圖所包含的信息看，新型風玫瑰擴充了當前風玫瑰的內涵，明顯提高了對風場的表達能力。

論文中采用的風場數據雖然是某海洋站2012年10月的風場觀測數據，但是換作其他海洋測站給定統計時段內的數據同樣會得到類似的結論。并且隨著風場信息應用的不斷細化和深入，本研究所設計的新型風玫瑰在海洋水文保障、天氣分析、工業計劃、設計與生產（如，海洋風力發電等）等諸多領域愈來愈能夠發揮重要作用，值得進一步研究和推廣。

［1］王建莊，余秀娟，譚光洪，等.風向玫瑰圖的精確繪制［J］.廣東氣象，2010，32（5）：48－49.

［2］任年鑫，孫英偉，歐進萍.MM5模式在大連近海風資源評估中的應用［J］.可再生能源，2011，29（2）：107－111.

［3］王新生.淺談風玫瑰圖在城市規劃中的應用［J］.武測科技，1994（3）：35－38.

［4］何淑英，雷波.淺談風玫瑰在石油站場設計中的應用［J］.科技創新導報，2009，16：79－81.

［5］周志祥，魏澤義，廖可文.風向玫瑰圖及其在衛生工程中的應用（待續）［J］.中國衛生工程學，2003，2（1）：35－36.

［6］周志祥，魏澤義，廖可文.風向玫瑰圖及其在衛生工程中的應用（續前）［J］.中國衛生工程學，2003，2（2）：99－101.

［7］陰俊，談建國.上海地區地面風向對空氣污染物濃度的影響［J］.氣象科技，2003，31（6）：366－369.

［8］鄭崇偉，游小寶，潘靜，等. 釣魚島、黃巖島海域風能及波浪能開發環境分析［J］. 海洋預報，2014，31（1）：49－57.

［9］鄭崇偉，李訓強.基于WAVEWATCH－III模式的近22年中國海波浪能資源評估［J］.中國海洋大學學報：自然科學版，2011，41（11）：5－12.

［10］鄭崇偉，潘靜. 全球海域風能資源評估及等級區劃［J］. 自然資源學報，2012，27（3）：364－371.

［11］ZHENG C W，ZHUANG H，LI X，et al. Wind energy and wave energy resources assessment in the East China Sea and South China Sea［J］.Science China Technological Sciences，2012，55（1）：163－173.

［12］鄭崇偉，潘靜，黃剛.利用 WW3模式實現中國海擊水概率數值預報［J］.北京航空航天大學學報，2014，40（3）：314－320.

［13］鄭崇偉，潘靜，黎鑫，等.1988－2009年中國海大浪頻率對厄爾尼諾的響應［J］. 海洋通報，2014，33（2）：140－147.