彭州邊界層鐵塔風(fēng)梯度特征研究

康 雪 ,陸成偉 ,李 愉 ,許 晨 ,劉洋遠(yuǎn)

（1.四川省成都市氣象局，成都 611130；2.四川省成都市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，成都 610000；3.四川省彭州市氣象局，成都 611930）

引言

近地層是大氣邊界層的最下層，離地面約幾十米至一百米[1]，近地層各種氣象要素存在明顯的日變化規(guī)律[2]。近地面20～100m高度區(qū)間是輸變電線路、塔吊、通訊鐵塔及高空構(gòu)筑物的主要分布區(qū)域，該區(qū)域風(fēng)場變化可對超高建筑的設(shè)計，高壓線路的架設(shè)、工業(yè)污染物的稀釋擴(kuò)散等產(chǎn)生重大影響。一直以來，近地面風(fēng)場特征研究都是氣象學(xué)家關(guān)注的重點，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

目前，氣象部門探測地面風(fēng)場主要是利用地面自動站，但自動站的探風(fēng)高度存在限制。另一方面，探測邊界層風(fēng)場的邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)因探測盲區(qū)和地物雜波的影響，在100m以下的探測準(zhǔn)確率不高[3]。因此，能夠?qū)孛骘L(fēng)場進(jìn)行立體連續(xù)觀測的邊界層鐵塔，可有效彌補(bǔ)現(xiàn)有觀測設(shè)備探測能力的不足。

近年來，國內(nèi)學(xué)者利用測風(fēng)鐵塔資料在近地層風(fēng)場特征分析和風(fēng)速反演等方面開展了一系列研究。馬亮等[2]采用統(tǒng)計分析方法，以夏季為例對鐵塔近地層平均風(fēng)速、風(fēng)向、最大風(fēng)速等要素進(jìn)行了分析研究，揭示了夏季近地層風(fēng)場的分布特征。李曉霞等[4]利用蘭州新區(qū)測風(fēng)塔和自動氣象站風(fēng)向風(fēng)速觀測資料，分析了蘭州新區(qū)盛行風(fēng)向、風(fēng)速、污染系數(shù)時空分布特征。何斌等[5]基于反映近地面風(fēng)速廓線變化的指數(shù)律公式，利用不同的風(fēng)速廓線變化率開展了海面風(fēng)速反演試驗。

本文擬利用2018年10月～2020年12月彭州邊界層鐵塔的風(fēng)速風(fēng)向觀測資料，分析了彭州地區(qū)近地面各季節(jié)平均風(fēng)速日變化特征、盛行風(fēng)向特征及污染系數(shù)特征，并以反映近地面風(fēng)速廓線變化的指數(shù)律公式為基礎(chǔ)，使用按月分類法和風(fēng)速區(qū)間法來反演彭州100m以下的近地面風(fēng)速，并檢驗其反演結(jié)果的有效性。

1 數(shù)據(jù)說明

1.1 彭州邊界層鐵塔及周邊環(huán)境簡介

彭州100m大氣邊界層梯度觀測鐵塔架設(shè)在彭州大氣環(huán)境氣象綜合監(jiān)測基地內(nèi)（圖1）。該基地位于四川省彭州市西北方向，在隆豐鎮(zhèn)九龍村石化大道西側(cè)，距成都市三環(huán)路約25km，距彭州主城區(qū)約8km，距彭州石化工業(yè)園區(qū)約1.9km，周圍無高層建筑，視野開闊。鐵塔垂直共有9層，觀測高度分別為10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m、90m。

圖1 彭州邊界層鐵塔及周邊環(huán)境實景

1.2 數(shù)據(jù)可用性分析及質(zhì)量控制

在數(shù)據(jù)可用性分析方面，通過普查彭州鐵塔2018年10月～2020年11月30min平均風(fēng)速和風(fēng)向資料，發(fā)現(xiàn)彭州鐵塔因設(shè)備故障等因素，存在一定的數(shù)據(jù)缺失，而30～50m數(shù)據(jù)因相應(yīng)高度層數(shù)據(jù)采集器設(shè)備故障原因，與其余高度層數(shù)據(jù)存在相關(guān)性較差的問題。為了保證數(shù)據(jù)的時空連續(xù)性，空間上選取了10～20m和60～90m高度，時間上選取2019年7～8月為夏季（2019年6月數(shù)據(jù)存在缺失）、2019年9～11月為秋季、2019年12月～2020年2月為冬季、2020年3～5月為春季，參與研究的總樣本數(shù)量為14059個，各月數(shù)據(jù)樣本量見表1。

表1 數(shù)據(jù)樣本量

在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面，本文將水平風(fēng)速>20m/s的數(shù)據(jù)作為不符合一般氣候統(tǒng)計特征的數(shù)據(jù)和>10倍方差的數(shù)據(jù)作為隨機(jī)脈沖進(jìn)行剔除。

2 分析方法

2.1 污染系數(shù)

污染系數(shù)是指某方位風(fēng)向頻率與該方位平均風(fēng)速的比值[4]，可代表該風(fēng)向空氣污染程度，并作為廠址和企業(yè)內(nèi)部布局的一項參考指標(biāo)，計算公式如下：

式中：Pi為某方位污染系數(shù)，fi為該方位風(fēng)向出現(xiàn)的頻率，ui為該方向平均風(fēng)速。

2.2 基于風(fēng)廓線冪指數(shù)律的近地面風(fēng)速反演方法

風(fēng)廓線在不同大氣層結(jié)下適用于不同的公式[6]。但在工程應(yīng)用中，往往不能具體劃分大氣層結(jié)狀況，通常認(rèn)為近地面風(fēng)速隨高度變化服從指數(shù)公式[7?9]，即：

式中：U為某高度風(fēng)速，U1則為已知高度z1的風(fēng)速，α為風(fēng)速隨高度變化系數(shù)（又稱為指數(shù)律參數(shù)）。α與大氣穩(wěn)定度、下墊面情況及風(fēng)速大小相關(guān)，確定其數(shù)值是得到準(zhǔn)確風(fēng)廓線的關(guān)鍵[4]。對公式（2）變換可得指數(shù)律 α的計算公式：

將兩個不同高度的風(fēng)速觀測結(jié)果帶入公式（3）中可計算得到指數(shù)律參數(shù)α，再結(jié)合10m地面風(fēng)速或某些在固定高度觀測的風(fēng)速帶入到公式（2）中，可計算近地面其他高度的風(fēng)速，從而對近地面風(fēng)速進(jìn)行反演。本文使用了按月分類法和風(fēng)速區(qū)間法來計算指數(shù)律參數(shù)α，并結(jié)合指數(shù)律參數(shù)α和10m高度風(fēng)速來反演近地面風(fēng)速。

3 季節(jié)平均風(fēng)速日變化特征分析

圖2給出了彭州近地層季節(jié)平均風(fēng)速日變化特征。如圖2a所示，春季低層風(fēng)速約在14時達(dá)到最大值，高層風(fēng)速約在21時達(dá)到最大值，高層風(fēng)速在09～10時無明顯變化。如圖2b所示，夏季各層平均風(fēng)速均在07～09時達(dá)到最小值，低層約在15時達(dá)到最大值，高層約在15時達(dá)到較大值，此后繼續(xù)波動上升至19～20時達(dá)到最大值。如圖2c和d所示，秋、冬兩季平均風(fēng)速日變化規(guī)律相似；低層（10～20m）風(fēng)速均在07～09時達(dá)到最小值，在13～14時達(dá)到最大值；高層（60～90m）風(fēng)速均在09～10時達(dá)到最小值，在20～21時達(dá)到最大值。

圖2 彭州近地層季節(jié)平均風(fēng)速日變化特征（a.2020年春季，b.2019年夏季，c.2019年秋季，d.2019年冬季）

4 季節(jié)盛行風(fēng)向及污染系數(shù)特征分析

4.1 季節(jié)盛行風(fēng)向特征分析

圖3給出了彭州近地層季節(jié)盛行風(fēng)向特征分布。在春季（圖3a），各高度盛行風(fēng)向均為東北風(fēng)，出現(xiàn)頻率為24.0%～35.4%，平均風(fēng)速為2.28～3.97m/s；在夏季（圖3b），10m高度盛行西風(fēng)，出現(xiàn)頻率為24.6%，其余各層均盛行東北風(fēng)，出現(xiàn)頻率為19.6%～31.4%，平均風(fēng)速為1.83～3.4m/s；在秋季（圖3c），各高度層均盛行東北風(fēng)，出現(xiàn)頻率為34.4%～45.5%，平均風(fēng)速為1.96～3.42m/s；在冬季（圖3d），各高度層均盛行東北風(fēng)，出現(xiàn)頻率為33.0%～41.3%，平均風(fēng)速為1.76～3.30m/s。可見，除夏季10m高度盛行西風(fēng)以外，其余季節(jié)各高度均盛行東北風(fēng)，秋冬兩季各高度東北風(fēng)出現(xiàn)頻率大于春夏兩季；春季東北風(fēng)向?qū)?yīng)的平均風(fēng)速最大，為2.28～3.97m/s；每個季節(jié)隨著高度增加，東北風(fēng)出現(xiàn)頻率均逐漸增大，對應(yīng)平均風(fēng)速均逐漸增大。

圖3 彭州近地層季節(jié)盛行風(fēng)向特征分布（a.2020年春季，b.2019年夏季，c.2019年秋季，d.2019年冬季）

4.2 季節(jié)污染系數(shù)特征分析

圖4給出了彭州近地層季節(jié)污染系數(shù)特征分布。如圖4a和b所示，春季和夏季10m高度的最大污染系數(shù)在偏西方向且數(shù)值超過0.1，其他各高度最大污染系數(shù)均在東北方向且數(shù)值均低于0.1，各層高度最小污染系數(shù)多在東南或偏南方向。如圖4c和d所示，秋冬季各高度污染系數(shù)均大于春夏兩季，最大的方向均為東北方向，數(shù)值超過0.1，10～20m最小污染系數(shù)多在偏南或偏東南方向，60～90m最小污染系數(shù)的方向為偏西北方向。已有研究[4]表明，每個季節(jié)隨高度增加，各高度污染系數(shù)呈減輕趨勢，有益于大氣污染物的擴(kuò)散。結(jié)合以上分析可知，彭州鐵塔偏西和東北方向不宜布設(shè)污染源。

圖4 同圖3，但為污染系數(shù)

5 近地面風(fēng)速反演方法及其準(zhǔn)確性分析

5.1 指數(shù)律參數(shù) α的計算方法

本節(jié)選用彭州鐵塔10m、20m、60m、90m高度30min平均風(fēng)速數(shù)據(jù)，運(yùn)用按月分類和按風(fēng)速區(qū)間兩種方法來計算得到10～20m、10～60m、10～90m、20～60m、20～90m、60～90m共6個高度區(qū)間的平均指數(shù)律α值，分別反映大氣層結(jié)狀態(tài)的月變化和風(fēng)速大小對于 α的不同影響。

按月分類處理是依據(jù)彭州鐵塔樣本的采樣時間，將已知不同月份各高度區(qū)間的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)，帶入公式（3）計算得到該月不同高度區(qū)間的平均指數(shù)律參數(shù)α值，可反映大氣層結(jié)狀態(tài)的月變化對其影響。

按風(fēng)速區(qū)間計算則是將彭州鐵塔10m高度上的風(fēng)速數(shù)據(jù)按照風(fēng)速大小采用分組處理的辦法，以1m/s為間隔，將6m/s以下風(fēng)速分為6組，計算每組中相應(yīng)高度區(qū)間的平均 α值，可反映風(fēng)速大小對其影響。

5.2 指數(shù)律參數(shù) α的變化特征分析

圖5是按月分類法計算的不同高度區(qū)間及平均的參數(shù) α變化特征。如圖所示，隨高度升高，α呈減小的趨勢。春季參數(shù) α值最大，4月為0.48，5月為0.37；夏季參數(shù) α值最小，8月為0.22；秋季和冬季 α值變化平緩。

圖5 按月分類法計算的不同高度區(qū)間及平均的參數(shù) α變化特征（a.不同高度區(qū)間，b.高度平均）

圖6是按風(fēng)速區(qū)間法計算的不同高度區(qū)間及平均的參數(shù)α變化特征。如圖所示，當(dāng)風(fēng)速在0～1m/s時，即弱風(fēng)狀態(tài)下，不同高度區(qū)間的參數(shù)α均達(dá)到最大值；其中10～20m高度的參數(shù) α超過了0.9，表示大氣在極穩(wěn)定條件下風(fēng)速梯度較大[1]；當(dāng)10m高度風(fēng)速>1m/s時，各高度區(qū)間的參數(shù) α均出現(xiàn)了不同程度的下降，說明

圖6 按風(fēng)速區(qū)間法計算的不同高度區(qū)間及平均的參數(shù) α變化特征（a.不同風(fēng)速區(qū)間，b.高度平均）

隨著低層風(fēng)速增大，上下層混合越充分，指數(shù)律參數(shù)α減小；5～6m/s風(fēng)速區(qū)間的參數(shù) α有所增大的原因可能是因為該區(qū)間樣本的數(shù)量較少，隨機(jī)性較大導(dǎo)致的。

5.3 近地面風(fēng)速反演及反演準(zhǔn)確性分析

5.3.1 近地面風(fēng)速反演方法

近地面風(fēng)速反演也參照上述指數(shù)律參數(shù) α的計算方法，應(yīng)用按月分類和按風(fēng)速區(qū)間兩種方法來進(jìn)行處理。

應(yīng)用按月分類法進(jìn)行風(fēng)速反演，使用的指數(shù)律參數(shù) α為各月的平均 α值，將各月的平均 α值與該月彭州鐵塔10m實時觀測風(fēng)速值代入公式（2），計算得到對應(yīng)時間60m、70m、80m、90m高度上的反演風(fēng)速值。

應(yīng)用按風(fēng)速區(qū)間法進(jìn)行風(fēng)速反演，使用的指數(shù)律參數(shù) α為各風(fēng)速區(qū)間的平均 α值，將各風(fēng)速區(qū)間的平均 α值與該風(fēng)速區(qū)間彭州鐵塔10m實時觀測風(fēng)速值代入公式（2），計算得到對應(yīng)時間的60m、70m、80m、90m高度上的反演風(fēng)速值。

5.3.2 統(tǒng)計方法介紹

為了考察近地面風(fēng)速反演的有效性，本文使用三種誤差指標(biāo)及相關(guān)系數(shù)（R）對近地面風(fēng)速反演值與觀測值的統(tǒng)計誤差和相關(guān)性進(jìn)行檢驗。三種誤差指標(biāo)分別是平均偏差（MB）、平均絕對誤差（MAE）及均方根誤差（RMSE），將其進(jìn)行歸一化處理，便于統(tǒng)計誤差的直接比較。具體公式如下：

式（4）～（7）中，A為使用近地面風(fēng)速反演方法計算得到的風(fēng)速值，B為彭州鐵塔對應(yīng)時間的觀測風(fēng)速值，n為樣本數(shù)。

5.3.3 反演有效性分析

表2給出了使用按月分類法進(jìn)行風(fēng)速反演在各月、各高度的統(tǒng)計誤差和相關(guān)系數(shù)。就平均偏差而言，除4月外，其他月份平均偏差為-0.4～0.4m/s，均處于較小水平。就平均絕對誤差而言，多數(shù)月份的平均絕對誤差均低于1m/s，僅10月、5月和4月相對較大；平均絕對誤差值較平均偏差更大，說明反演風(fēng)速和實測風(fēng)速的差異是非系統(tǒng)性的。就均方根誤差而言，除4月、5月和10月外，其余月份均方根誤差基本低于1m/s。就相關(guān)系數(shù)而言，除10月外，其余月份反演風(fēng)速與實測風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)均處于較高水平，基本在0.7以上，尤其是7月和8月接近0.8。綜上所述，使用按月分類風(fēng)速反演法能較好地對近地面風(fēng)速進(jìn)行反演。

表2 按月分類法反演風(fēng)速的統(tǒng)計誤差（單位：m/s）和相關(guān)系數(shù)

表3給出了使用按風(fēng)速區(qū)間法進(jìn)行風(fēng)速反演在各風(fēng)速區(qū)間、各高度的歸一化統(tǒng)計誤差和相關(guān)系數(shù)。就歸一化平均偏差而言，各風(fēng)速區(qū)間的歸一化平均偏差基本偏低6%及以下，隨著風(fēng)速區(qū)間的增大，該指標(biāo)逐漸降低。就歸一化平均絕對誤差而言，隨著風(fēng)速區(qū)間的增大，該指標(biāo)逐漸降低，總體指標(biāo)在30%以內(nèi)。就歸一化均方根誤差而言，隨著風(fēng)速區(qū)間的增大，該指標(biāo)逐漸降低，總體指標(biāo)在40%以內(nèi)。就相關(guān)系數(shù)而言，當(dāng)10m風(fēng)速>5m/s時，相關(guān)系數(shù)最高達(dá)到0.6。可見，使用風(fēng)速區(qū)間法在較大風(fēng)速區(qū)間時能夠較好地對近地面風(fēng)速進(jìn)行反演。

表3 按風(fēng)速區(qū)間法反演風(fēng)速的歸一化統(tǒng)計誤差和相關(guān)系數(shù)

對比分析將以上兩種風(fēng)速反演方法，從表4可以看到，按月分類法歸一化平均偏差較小，但按月分類法歸一化平均誤差和均方根誤差均略大于風(fēng)速區(qū)間法，按月分類法相關(guān)系數(shù)略優(yōu)于風(fēng)速區(qū)間法。

表4 兩種風(fēng)速反演法統(tǒng)計誤差及相關(guān)系數(shù)

另外，再結(jié)合兩種方法計算的反演風(fēng)速與實測風(fēng)速的散點分布（圖7），當(dāng)實測風(fēng)速>5m/s時，按月分類法反演風(fēng)速明顯偏大，風(fēng)速區(qū)間法反演風(fēng)速則更接近實測風(fēng)速值。結(jié)合誤差統(tǒng)計、相關(guān)分析和散點分布可知，風(fēng)速區(qū)間法在大風(fēng)區(qū)間的風(fēng)速反演效果略優(yōu)于按月分類法。

圖7 按月分類法（上）和風(fēng)速區(qū)間法（下）反演風(fēng)速與實測風(fēng)速的散點對比（從左至右依次為60m、70m、80m、90m高度）

5.4 個例分析

為進(jìn)一步驗證兩種風(fēng)速反演方法的有效性，本節(jié)選取了2020年5月6～8日彭州市有明顯大風(fēng)天氣的個例進(jìn)行分析。2020年5月7日13:30成都市氣象臺發(fā)布了大風(fēng)藍(lán)色預(yù)警，從彭州鐵塔觀測風(fēng)速數(shù)據(jù)來看，在5月7日08～18時10m高度的30min平均觀測風(fēng)速在4～6m/s。

圖8為5月6日00時～5月8日22時60～90m觀測值與兩種方法反演風(fēng)速的時間變化。表5為對應(yīng)時段兩種方法反演風(fēng)速的統(tǒng)計誤差與相關(guān)系數(shù)。可以看到，在各個高度上，兩種方法得出的風(fēng)速反演值與觀測值的變化趨勢基本一致；5月7日8:30～18:30，在大風(fēng)區(qū)間使用風(fēng)速區(qū)間法得出的風(fēng)速反演值與實測值更為接近。就統(tǒng)計誤差與相關(guān)系數(shù)而言，如表5所示，使用風(fēng)速區(qū)間法得到的各高度歸一化平均偏差、平均絕對誤差、均方根誤差均優(yōu)于按月分類法，兩種方法得到的相關(guān)系數(shù)均在0.9左右，風(fēng)速區(qū)間法略低于按月分類法。綜上所述，兩種反演方法均能對該個例風(fēng)速進(jìn)行較為有效的反演，在較大風(fēng)速區(qū)間，風(fēng)速區(qū)間法得到的反演效果優(yōu)于按月分類法。

表5 兩種風(fēng)速反演法的統(tǒng)計誤差（單位：m/s）與相關(guān)系數(shù)

圖8 5月6日00時～5月8日22時不同高度觀測值與兩種方法反演風(fēng)速的時間變化（a.60m，b.70m，c.80m，d.90m）

6 結(jié)論

本文利用2018年10月～2020年12月彭州邊界層鐵塔的風(fēng)速風(fēng)向觀測資料，分析了彭州地區(qū)近地面各季節(jié)平均風(fēng)速日變化特征、盛行風(fēng)向特征及污染系數(shù)特征，選取彭州大風(fēng)天氣個例，對按月分類法和風(fēng)速區(qū)間法的反演結(jié)果進(jìn)行有效性驗證，主要結(jié)論如下：

（1）春季低層風(fēng)速約在14時達(dá)到最大值，高層風(fēng)速約在21時達(dá)到最大值，高層風(fēng)速在09～10時無明顯變化。夏季各層平均風(fēng)速均在07～09時達(dá)到最小值，低層約在15時達(dá)到最大值，高層約在15時達(dá)到較大值，此后繼續(xù)波動上升至19～20時達(dá)到最大值。秋、冬兩季平均風(fēng)速日變化規(guī)律相似；低層（10～20m）風(fēng)速均在07～09時達(dá)到最小值，在13～14時達(dá)到最大值；高層（60～90m）風(fēng)速均在09～10時達(dá)到最小值，在20～21時達(dá)到最大值。

（2）除夏季10m高度盛行西風(fēng)以外，其余三季各高度均盛行東北風(fēng)，秋冬兩季各高度東北風(fēng)出現(xiàn)頻率大于春夏兩季，每個季節(jié)隨著高度增加，東北風(fēng)出現(xiàn)頻率均逐漸增大，對應(yīng)平均風(fēng)速均逐漸增大。

（3）春季和夏季10m高度的最大污染系數(shù)在偏西方向，其他各高度最大污染系數(shù)均在東北方向，各層高度最小污染系數(shù)多在東南或偏南方向。秋冬季各高度污染系數(shù)均大于春夏兩季，最大的方向均為東北方向，10～20m最小污染系數(shù)多在偏南或偏東南方向，60～90m最小污染系數(shù)的方向為偏西北方向。彭州鐵塔偏西和東北方向不宜布設(shè)污染源。

（4）隨高度升高，指數(shù)律參數(shù) α呈減小的趨勢。春季參數(shù) α值最大，夏季參數(shù) α值最小，秋季和冬季 α值變化平緩。當(dāng)風(fēng)速在0～1m/s時，不同高度區(qū)間的參數(shù) α均達(dá)到最大值；當(dāng)10m高度風(fēng)速>1m/s時，各高度區(qū)間的參數(shù) α均出現(xiàn)了不同程度的下降，說明隨著低層風(fēng)速增大，上下層混合越充分，參數(shù) α減小。

（5）按月分類法反演風(fēng)速的平均偏差大多為?0.4～0.4m/s，平均絕對誤差和均方根誤差基本低于1m/s，相關(guān)系數(shù)基本在0.7以上。春季（4月和5月）和10月風(fēng)速反演效果較差，前者可能是春季靜風(fēng)頻率較高導(dǎo)致的，后者可能與10月樣本數(shù)較少有關(guān)。

（6）風(fēng)速區(qū)間法反演風(fēng)速的歸一化平均偏差、平均絕對誤差及均方根誤差隨著風(fēng)速區(qū)間增大，均逐漸降低，其偏差指標(biāo)分別為6%及以下、30%以內(nèi)和40%以內(nèi)。就相關(guān)系數(shù)而言，當(dāng)10m風(fēng)速>5m/s時，相關(guān)系數(shù)最高達(dá)到0.6。使用風(fēng)速區(qū)間法在較大風(fēng)速區(qū)間時能夠較好地對近地面風(fēng)速進(jìn)行反演。

（7）將兩種風(fēng)速反演法應(yīng)用在大風(fēng)個例，兩種方法得出的反演值與觀測值的變化趨勢基本一致。就統(tǒng)計誤差而言，使用風(fēng)速區(qū)間法得到的各高度的平均偏差、平均絕對誤差、均方根誤差均優(yōu)于按月分類法。就相關(guān)系數(shù)而言，兩種方法得到的相關(guān)系數(shù)均在0.9左右。兩種反演方法均能對該個例風(fēng)速進(jìn)行較為有效的反演，在較大風(fēng)速區(qū)間，風(fēng)速區(qū)間法得到的反演效果略優(yōu)于按月分類法。