西昌2014年大氣邊界層風場特征分析

李穎莎，晏惠芬，莫 芳，房 鵬

（涼山州氣象局，四川 西昌 615000）

西昌2014年大氣邊界層風場特征分析

李穎莎，晏惠芬，莫 芳，房 鵬

（涼山州氣象局，四川 西昌 615000）

利用西昌探空站2014年高空風資料，對大氣邊界層內(nèi)距地300、600及900 m的風向頻率、平均風速按月、季度進行統(tǒng)計計算，以此分析西昌地區(qū)大氣邊界層風場特征。結(jié)果表明：西昌地區(qū)大氣邊界層內(nèi)風隨季節(jié)變化較大。對于風向：夏季，各高度上通常以SSW和N為主導并有多個次多風向；冬、春、秋季，300 m高度上主要是偏南風，600、900 m高度上風向主要集中在SSW方向上；風速最大出現(xiàn)在春季，最小在夏季。

西昌；大氣邊界層；風場特征

0 引言

風是了解大氣結(jié)構和氣候變化的一個重要參量。風對大氣的熱量、水分和其他屬性的輸送、交換及對某一地區(qū)的天氣、氣候的形成都起著重要的作用，利用風的資料,可以認識大氣運動狀態(tài)的變化。同時風與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P，大氣污染物質(zhì)在低層大氣中稀釋擴散是多種氣象要素綜合作用的結(jié)果，風在其中起主要作用。劉天齊等主編的《環(huán)境保護概論》一書中指出∶“風和湍流對污染物在大氣中的擴散和稀釋起著決定性作用”[1]。分析近地層風場特征對城市規(guī)劃及環(huán)境保護和居民生活健康都有一定的指導意義。大氣邊界層是大氣圈的最底層，指受地面摩擦阻力影響的大氣層區(qū)域，其厚度大致為300～1 000 m的近地層。為此利用西昌站探空資料,對大氣邊界層內(nèi)高空風向頻率分布、風速值變化等特征進行了分析，為天氣預報和氣候預測提供重要因子，同時為當?shù)氐某鞘幸?guī)劃提供重要的氣象依據(jù)。

1 資料與分析方法

1.1 資料

利用西昌探空站2014年每日早（7時）晚（19時）2次觀測記錄，共計730份資料，統(tǒng)計距離地面300、600、900 m高度上的風向、風速資料，對該地區(qū)的風場特征進行分析。

1.2 分析方法

數(shù)據(jù)計算和風向玫瑰圖的制作通過電子表格的函數(shù)、繪圖等功能來實現(xiàn)。計算方法采用《高空氣象觀測手冊》高空風觀測部份[2]。

1.2.1 統(tǒng)計計算風頻，制作風向玫瑰圖

風頻是指吹向某一方向的風占總的觀測次數(shù)的百分比。這里將其分為16個方位和靜風C。

式中gn為n方向的風向頻率，fn為這段時間內(nèi)出現(xiàn)n方向風的次數(shù)，c表示風速為0的風向（靜風）。

根據(jù)以上計算結(jié)果，利用電子表格的圖表功能繪制風向玫瑰圖，其中中心數(shù)字代表靜風頻率。

1.2.2 各高度上的平均風速V（平均矢量風風速）

這里的平均風速是指同一高度上不同時間的平均風速，是用求向量和的方法計算出來的風的平均值。

2 西昌地區(qū)邊界層風向特征

2.1 300 m高度上風向特征

2.1.1 各月300 m高度上風向特征

表1 距地300 m高度上各月風向頻率 %

從表1中可看出：在距地300 m的高度上西昌全年靜風頻率最高出現(xiàn)在1月和12月，分別為11%和10%，最低出現(xiàn)在5月和10月，為2%。其中2、3、4、9和11月主導風向為SSW，分別為27%、28%、23%、25%。在5、6、7、8月各方位風頻分布相對均勻，有多個主導風向或多個次多風向，特別是6、7月表現(xiàn)更為突出。1、12月SE為主，分別為19%、15%，10月ESE為主，為19%。

2.1.2 各季300 m高度上風向特征

圖1 距地300 m高度各季風向玫瑰圖

從圖1可知：

春季：300 m高度上，靜風頻率為3%，主導風向為SSW，風頻為20%，次多風向為S、SE、E，頻率為分別為15%、9%、9%。

夏季：在300 m高度上，靜風頻率為5%，主導風向為SSW，風頻為12%，有E、SE、S、N、NW、NE等不同方位的次多風向,合計為46%。

秋季：在300 m高度上，靜風頻率為4%，主導風向為SSW，風頻為16%，次多風向為S、ESE，風頻分別為13%、9%。

冬季：在300 m高度上，靜風頻率為8%，主導風向為SE，風頻為16%，次多風向為SSW、S，風頻分別為13%、11%。

綜合分析300 m高度上的風向，具有如下特點：

（1）夏季,各方向上風頻分布較均衡,主導風向SSW上的風頻僅12%。

（2）春、秋、冬季300 m高度上的主導風向整體從東往南或從西往南偏。西北風特別是西風較少，一年之中有7個月風頻為0%。西昌300 m高度上風向的這一特征主要是受地形影響造成。西昌市位于川西高原（海拔1 500～2 500 m）的安寧河平原腹地，西昌探空站位于市區(qū)內(nèi)，其海拔高度為1 592 m。西昌市區(qū)地勢平坦，周邊山河呈現(xiàn)南北展布，北高南低的地形特點。由于東西山脈的屏風阻擋作用使得東西風較少，而北高南低的地形使得北風不易吹進，因此主導風向在偏南方向上。距離地面300 m高度上的風向，對于地面高架源污染物的擴散方向有決定作用。綜合考慮300 m高度上的風特征，西昌城市建設中工業(yè)區(qū)應建在風頻最小的西邊[3]。

（3）距地300 m高度上靜風頻率最高出現(xiàn)在1月和12月，分別為11%、10%。靜風將不利于污染的擴散。經(jīng)查閱環(huán)保局近10年資料，西昌1月份SO2污染日數(shù)最多，污染最嚴重，12月PM10污染最嚴重，其原因除了冬天污染物排放量相對較高外，與高靜風頻率也有相當?shù)年P系。

2.2 600 m高度上風向特征

2.2.1 各月600 m高度上風向特征

表2 距地600 m高度上各月風向頻率 %

從表2可看出∶600 m高度上，靜風頻率最大出現(xiàn)在10月和5月，分別為8%、7%，正好與300 m高度相反，最低出現(xiàn)在4月，為0。其中6、7、8月存在偏南和偏北2個主導風向。其余各月以SSW為主導風向，以2、11、3月更為突出，這一方向的風頻分別達46%、40%、39%。

2.2.2 各季600 m高度上風向特征

圖2 西昌市距地600 m高度各季風向玫瑰圖

從圖2可知：

春季：600 m高度上，靜風頻率為3%，主導風向是SSW，次風向是S，風頻分別為29%、13%，合計42%。

夏季：600 m高度上，靜風頻率為3%，主導風向為SSW和N，分別為16%、15%，呈現(xiàn)兩相反方向，其余各方位風向分布較均勻。

秋季：600 m高度上，靜風頻率為5%，主導風向是SSW，風頻為33%、次多風向是S，風頻為20%，這2個方向風頻和為53%。

冬季：600 m高度上，靜風頻率為3%，主導風向為SSW，風頻為30%、次多風向為S，風頻為23%，這兩個方向風頻和為53%。

綜合分析600 m高度上的風向，具有如下特點：

（1）夏季風向有南北兩個主導風向。

（2）春、秋、冬季以SSW為主導風向，S為次多風向。兩者之和在42%～53%之間。兩者之差在7%～16%之間。

2.3 900 m高度上風向特征

2.3.1 各月900 m高度上風向特征

表3 距地900 m高度上各月風向頻率 %

從表3看出∶在距地900 m高度上，除了6月份有正北和正南2個主導風向，5月有S、SSW外，其余各月均以SSW為主導風向，主導風向非常集中，尤其2月、1月、11月，頻率達57%、46%、45%。

2.3.2 各季900 m高度上風向特征

圖3 西昌市距地900 m高度各季風向玫瑰圖

從圖3可知：

春季：900 m高度上，靜風頻率為2%，主導風向SSW，次風向為S，風頻分別為33%、18%，兩者合計51%。

夏季：900 m高度上，靜風頻率為4%，主導風向為SSW、S，頻率分別為20%、18%，次多風向為N、SSE，分別為12%、11%。

秋季：900 m高度上，靜風頻率為2%，主導風向為SSW，頻率為37%，次多風向為S，風頻為17%，這2個方向風頻和為54%。

冬季：900 m高度上，靜風頻率為3%，主導風向為SSW，風頻為47%、次多風向為S，風頻為17%，這2個方向風頻和為64%。

綜合分析900 m高度上的風向，具有如下特點：

（1）夏季風向有SSW、S兩個主導風向，有N、SSE兩個次多方向。

（2）春、秋、冬季以SSW為主導風向，S為次多風向。兩者之和在51%～64%之間，兩者之差在15%～30%之間。

2.4 各季節(jié)風向隨高度的變化特征

整個春季，隨著高度的增加靜風頻率沒有多大變化。各高度上風向偏南，并隨高度的增加風向往SSW方向集中。

整個夏季，靜風頻率隨高度的變化較小。各高度上風向有多個主導風向和多個次多風向，風向在各方位上的分布較均衡。

整個秋季，300 m到600 m高度上，靜風頻率變化較小，900 m高度略有減小。各高度上風向偏南，并隨高度的增加風向往SSW方向集中。

整個冬季，靜風頻率從300 m到600 m高度上由8%變化到3%，減小了5個百分點，600 m和900 m高度上無變化。主導風向隨高度由東南風向西南風偏轉(zhuǎn)。

綜合以上風向的分析可以看出∶

西昌靜風頻率在冬季從300 m到600 m高度上由8%變化到3%，減小了5個百分點，其余季節(jié)隨高度增加靜風頻率變化不大。西昌距地300 m高度上風受地形影響較大,整體風向偏南。隨著高度的增加,風受地形的影響越來越小,受大氣環(huán)流形勢的影響越來越大。西昌夏半年受西南和東南暖濕季風控制[4]，600 m和900 m高度上風向以SSW、S、N、SSE等多個主導風向為主，有多個次多風向。冬半年受極地大陸氣團影響，高空為干暖的南支西風氣流控制[4]。春、秋、冬季從600 m到900 m隨高度的增加，主導風向SSW和次多方向S風頻和由42%～53%上升到51%～64%，差值由7%～16%之間上升到15%～30%。說明高空風向越來越向SSW方向集中。

3 西昌地區(qū)各高度上風速特征

表4 各月風速隨高度變化表

從表4可以看出：從300～600 m其近地層風速隨高度增加而增大，符合近地層風速隨高度變化的一般規(guī)律。在11、1、2月風速隨高度增加幅度最大，差值分別達4.6、4.4、4.9 m/s，12月次之，各高度上風速最大值均在冬季的2月。最大風速出現(xiàn)在2月而不是通常的春季的四月，這與西昌緯度低,中春時節(jié)相對提前有關。6、7、8三個月各層風速的差值最小，為0.9～1.1 m/s。

表5 各季風速隨高度變化表

從表5同樣可看出,在冬季,風隨高度增加而增加的幅度較快,春秋季次之,夏季各高度上風速變化較小。這說明：在冬季，大氣比較穩(wěn)定，對流不強、上下層動量傳遞不暢，在夏季大氣活躍，對流旺盛[5]。西昌位于涼山州中部，涼山州干雨季分明，6～9月為雨季風速較小，10月中下旬后，南支西風急流逐漸在青藏高原南部建立，高空南支急流動量下傳，近地面風速增大，冬春季風力最強[4]。

4 結(jié)論

1.西昌距地300 m高度上的風主要受地形影響較大，600、900 m高度上隨著高度的增加，風受大氣環(huán)流形勢影響越來越大。

2.在夏季，各高度上風向通常以SSW和N為主導風向并有多個次多風向。

3.距地300 m高度上主導風向整體從東往南或從西往南偏。靜風頻率最高出現(xiàn)在冬季的1月和12月。

4.冬、春、秋季，600、900 m高度上的風受大氣環(huán)流影響，風向幾乎集中在SSW方向上。

5.在冬季,風速隨高度增加而增加的幅度較快,春秋季次之,夏季各高度上風速變化較小。各季中，風速最大值出現(xiàn)在春季，最小在夏季。一年中，風速最大值出現(xiàn)在冬季的2月，最小在夏季的6、7、8月。

注釋及參考文獻：

[1]劉天齊．環(huán)境保護概論[M]．北京：高等教育出版社．1984:97．

[2]高空氣象觀測手冊:高空風觀測部份[K]．中央氣象局．1976：10,66-72．

[3]楊吾揚．董黎明．盛行風向與城市布局的關系[J],城市規(guī)劃，1978(5):21-34．

[4]西昌市志．第一章自然條件，第三節(jié)水文與氣候[G]．

[5]邱海濤．呼和浩特2009年近地層風特征分析[J]．內(nèi)蒙古氣象,2010(5):27-28．

The Analysis of Wind Field Characteristics of Atmospheric Boundary Layer in Xichang 2014

LI Yin-sha,YAN Hui-fen,MO Fang,FANG Peng
(Liangshan Meteorological Bureau,Xichang,Sichuan 615000)

Based on Xichang sounding station's high altitude wind data in 2014,the wind direction frequency and monthly and quarterly average wind speed in the atmospheric boundary layer within a distance of 300、600 and 900 m is statistics calculated to analyze the characteristic of Xichang's atmospheric boundary layer wind field.The results shows that∶the wind in xichang's atmospheric boundary layer changes greatly with the seasons.The wind∶in summer,the wind direction is not single and usually dominated by SSW and N at each height.In winter,spring and autumn,there's south wind in the 300 m high while there mainly is SSW wind in 600、900 m high winds.The wind speed is biggest in spring,is smallest in summer.

Xichang;atmospheric boundary layer;features of wind

P463.1

A

1673-1891（2015）04-0055-04

2015-09-08

李穎莎（1969-），女，助理工程師，研究方向：大氣探測。