舟山地區(qū)各氣象站風(fēng)速的高度訂正法

於敏佳，劉 菡

（舟山市氣象局，浙江 舟山 316000）

1 引言

舟山地區(qū)氣象站數(shù)目眾多，分布廣泛，且大多處于沿海，但各氣象站海拔高度存在差異，最高海拔414m，最低海拔2m，其中海拔高于100m的站點(diǎn)達(dá)19個(gè)，低于10m的站點(diǎn)13個(gè)。因此，舟山地區(qū)各氣象站點(diǎn)在垂直分布上存在較為明顯的變化。

由于風(fēng)速隨海拔高度的增加而增大，因此，嚴(yán)格來(lái)講，兩個(gè)氣象站的風(fēng)速在進(jìn)行比較時(shí)，首先需要將兩個(gè)站的風(fēng)速進(jìn)行高度訂正，使之處于同一高度。實(shí)際工作中，會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，同一次天氣過(guò)程，一部分氣象站的風(fēng)力達(dá)到了9級(jí)，而另一部分則只有7到8級(jí)，因此很難確定該次過(guò)程的風(fēng)力等級(jí)；也會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，兩站點(diǎn)距離并不遙遠(yuǎn)，而風(fēng)力卻可以相差1到2級(jí)。上述現(xiàn)象都與各氣象站點(diǎn)的拔海高度存在差異有關(guān)。因此，對(duì)舟山各氣象站點(diǎn)的風(fēng)速進(jìn)行高度訂正，具有十分重要的意義。

2 研究方法

從空氣運(yùn)動(dòng)的角度看，不同高度的大氣層可以分為三層，離地2m以內(nèi)的區(qū)域稱為底層，2m到100m的區(qū)域稱為下部摩擦層，兩者總稱為地面境界層。100m到1000m的區(qū)域稱為上部摩擦層，以上三個(gè)區(qū)域總稱為摩擦層，摩擦層之上是自由大氣［1］，舟山各氣象站大部分處于境界層內(nèi)，也有一部分處于上部摩擦層內(nèi)。

在摩擦層內(nèi)風(fēng)速隨高度的變化，除了與地面的粗糙程度有關(guān)外，還與大氣的層結(jié)狀態(tài)有關(guān)。因此，摩擦層內(nèi)的風(fēng)廓線公式中應(yīng)主要考慮粗糙度和低層大氣的層結(jié)狀態(tài)，不同的下墊面和不同的大氣層結(jié)狀態(tài)可以得出不同的風(fēng)速廓線方程。但是從實(shí)用考慮，仍舊應(yīng)用指數(shù)律和對(duì)數(shù)律公式，它們僅需一個(gè)特定的參數(shù)，就可以將一個(gè)高度的風(fēng)速推算到另一個(gè)高度［2］。對(duì)于對(duì)數(shù)律，在一定下墊面，只要地面情況不改變，它的粗糙度高度是不改變的，因此，這個(gè)規(guī)律只適用于大氣中性平衡或接近于中性平衡及高度較低的情況。在中性層結(jié)條件下，指數(shù)律模式不如對(duì)數(shù)律模式準(zhǔn)確，特別是在近地層時(shí)。但指數(shù)律在中性條件下，能較滿意的應(yīng)用于300m到500m的氣層，而且在非中性條件下，應(yīng)用也較為簡(jiǎn)便，同時(shí)冪指數(shù)的變化反映著大氣層結(jié)的變化，可以推廣到非中性大氣［3］，因此，選用指數(shù)律模式進(jìn)行研究。

式中： u，u1分別為距地面高度z、z1處的風(fēng)速，m為風(fēng)速隨高度的切變指數(shù)，其值的大小即表明了風(fēng)速垂直切變的強(qiáng)度。

對(duì)公式（1）做變換并等號(hào)兩邊取對(duì)數(shù)得：

3 結(jié)果分析

3.1 兩種下墊面的切變指數(shù)m

從下墊面不同的角度看，舟山各氣象站大致可以分為兩類，一類以草地為下墊面，另一類則以硬地為下墊面，由于這兩種下墊面的粗糙程度不同，對(duì)于風(fēng)速的垂直切變影響自然也不同。

3.1.1 下墊面為草地的切變指數(shù)m

在風(fēng)速的影響因子中，地形也是其中一個(gè)，故選取受地形影響較小的嵊泗站數(shù)據(jù)作為u1和z1，得擬合曲線（圖1）。如圖所示，普陀站的年平均風(fēng)速與擬合線相差較大，這是因?yàn)槠胀诱臼芩闹苌襟w遮擋，年平均風(fēng)速較小。表面上看，曲線對(duì)于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合效果還算不錯(cuò)，但是計(jì)算得出m＝1.34，這意味著，隨著高度的增加，風(fēng)速不斷增大，這顯然是不正確的，故考慮到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少，不采用單純的擬合曲線方法，而是結(jié)合他人研究成果［4］選取m＝0.14作為參考值，得出擬合曲線（圖2），分析曲線發(fā)現(xiàn)，底層風(fēng)速削減較快，高層風(fēng)速趨于平穩(wěn)。

圖1 下墊面為草地的氣象站風(fēng)速擬合圖

圖2 下墊面為草地的氣象站風(fēng)速擬合參考圖

3.1.2 下墊面為硬地的切變指數(shù)m

利用最小二乘法原理，計(jì)算得m＝0.28，繪制擬合曲線如圖（圖3），圖中風(fēng)速隨高度的增大趨于平穩(wěn)，且越靠近地面風(fēng)速削減越明顯，這與實(shí)際情況吻合，故可取硬地的切變指數(shù)為0.28。

圖3 下墊面為硬地的氣象站風(fēng)速擬合圖

綜上，草地的切變指數(shù)較硬地的切變指數(shù)小，在今后的實(shí)際工作中，可取0.28作為硬地的切變指數(shù)，0.14作為草地的切變指數(shù)。

3.2 切變指數(shù)m與風(fēng)速大小的變化關(guān)系

隨著風(fēng)速的增大，地表對(duì)于氣流的阻擋和削弱作用并沒(méi)有隨之增大，與風(fēng)速的增大程度相比地表的阻礙作用相對(duì)減小，即地面粗糙度的影響在不斷降低［5］。故隨著風(fēng)速的變化，切變指數(shù)m也應(yīng)相應(yīng)的變化。為避免日變化、季節(jié)變化和下墊面的影響，選取同一下墊面的各個(gè)氣象站在同一季節(jié)同一時(shí)次的風(fēng)速資料進(jìn)行研究，計(jì)算切變指數(shù)m，得出風(fēng)速和m的關(guān)系圖（圖4），并計(jì)算得到切變系數(shù)m隨風(fēng)速大小 v的變化公式為：

圖4 風(fēng)速和切變系數(shù)m的關(guān)系圖

分析圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速的增大，切變指數(shù)不斷減小并趨近于某值，這意味著變化相同高度，風(fēng)速越大，風(fēng)速變化越小。即風(fēng)速越大，下墊面對(duì)于風(fēng)速的削弱作用越不明顯。

3.3 切變指數(shù)m的日變化

大氣的層結(jié)狀態(tài)在一天當(dāng)中并不相同，一般來(lái)講，大氣層結(jié)白天不穩(wěn)定，夜間較穩(wěn)定，研究一天當(dāng)中不同時(shí)次各個(gè)氣象站的風(fēng)速資料，計(jì)算對(duì)應(yīng)的切變指數(shù)，得出切變系數(shù)日變化圖（圖5），擬合得出切變系數(shù)的日變化公式為：

圖5 切變系數(shù)日變化圖

分析圖5可以發(fā)現(xiàn)，切變系數(shù)m大致到中午12時(shí)達(dá)到最小值，凌晨1時(shí)達(dá)到最大值，這是因?yàn)榘滋齑髿鈱咏Y(jié)不穩(wěn)定，擾動(dòng)較易發(fā)生或加強(qiáng)，上下層動(dòng)量得到交換，使得上下層風(fēng)速差別變小，故m值也較小；而到了夜里大氣層結(jié)較穩(wěn)定，動(dòng)量的垂直交換不易，上下層風(fēng)速變化也加大，對(duì)應(yīng)m值也較大。

4 小結(jié)

（1）觀測(cè)站下墊面主要有草地和硬地兩類，兩類下墊面對(duì)于風(fēng)速的削減能力不同，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速切變指數(shù)m也不同。

（2）地面對(duì)于風(fēng)速的削減作用，與風(fēng)速大小密切相關(guān)。風(fēng)速越大，地面的摩擦作用相對(duì)越弱，上下層的風(fēng)速變化越小，切變系數(shù)m越小；風(fēng)速越小，摩擦作用越明顯，風(fēng)速隨高度的變化越大，切面系數(shù)m越大。

（3）大氣的層結(jié)狀態(tài)存在日變化，白天大氣層結(jié)不穩(wěn)定，上下層的動(dòng)量交換較易進(jìn)行，m值較小，中午左右達(dá)到最小；夜里大氣層結(jié)較穩(wěn)定，擾動(dòng)不易發(fā)生，動(dòng)量交換不易，m值較大，凌晨左右達(dá)到最大值。

（4）風(fēng)速廓線的指數(shù)律模式較適用風(fēng)速隨高度變化的研究。

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