西安城區(qū)與郊區(qū)風(fēng)向風(fēng)速差異分析

曹　梅，楊　珍，王　斌

(1.西安市氣象局，西安　710016；2.陜西省防雷中心，西安　710014)

?

西安城區(qū)與郊區(qū)風(fēng)向風(fēng)速差異分析

曹梅1，楊珍1，王斌2

(1.西安市氣象局，西安710016；2.陜西省防雷中心，西安710014)

摘要：利用西安國家一般氣象站和涇河國家基本氣象站2006—2013年同期風(fēng)向風(fēng)速地面觀測資料，分析比較了西安城區(qū)與郊區(qū)風(fēng)向及風(fēng)速的差異。結(jié)果表明：西安城區(qū)的月平均風(fēng)速均小于郊區(qū)，城區(qū)比郊區(qū)偏小50%左右；兩地逐月月平均風(fēng)速波動趨勢基本一致，郊區(qū)波動較大，城區(qū)較平緩；兩地年平均風(fēng)速均呈緩慢減小趨勢，城區(qū)比郊區(qū)減小趨勢明顯；郊區(qū)極大風(fēng)速遠(yuǎn)大于城區(qū)；郊區(qū)大風(fēng)日較多，城區(qū)僅有1 d，郊區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)的概率遠(yuǎn)高于城區(qū)。城區(qū)和郊區(qū)最多風(fēng)向略有偏差，偏離1～20個方位；城區(qū)四季的最多風(fēng)向均不同，郊區(qū)四季的最多風(fēng)向變化不大；城區(qū)極大風(fēng)風(fēng)向較為分散，郊區(qū)較集中。

關(guān)鍵詞：風(fēng)向風(fēng)速；差異分析；城市與郊區(qū)；西安站；涇河站

風(fēng)是最重要的氣象要素之一，它可以反映大氣環(huán)流的基本特征。風(fēng)與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，風(fēng)的資料在能源開發(fā)、橋梁建設(shè)、環(huán)境整治、輸電線路等方面得到了廣泛地應(yīng)用。近十年來，城市化進(jìn)程的加快以及臺站探測環(huán)境的改變對風(fēng)的影響非常顯著。眾多學(xué)者的研究結(jié)果表明，近年來我國大部分臺站的風(fēng)速呈逐漸下降趨勢[1-4]。吳利紅等[5]利用浙江省36個站點33 a資料研究表明，站點改變是導(dǎo)致風(fēng)速序列非均一性的主要原因。魯淵平等[6]應(yīng)用陜西1971—2000年的風(fēng)資料分析發(fā)現(xiàn)，陜北、關(guān)中年平均風(fēng)速均有減小的趨勢，陜南的年平均風(fēng)速在90年代有所增大。從以往的研究結(jié)果看，風(fēng)不僅受到大尺度天氣背景的影響，觀測環(huán)境的變化也是對風(fēng)影響非常重要的因素。2005年位于西安市未央路上的西安基準(zhǔn)氣候站(城區(qū))遷至涇河(郊區(qū))，原站變更為一般站，在經(jīng)過8 a的同期觀測后，西安一般氣象站于2013年底正式撤站。利用西安國家一般氣象站(區(qū)站號57036，以下簡稱“西安站”)和涇河國家基本氣候站(區(qū)站號57131，以下簡稱“涇河站”)2006—2013年風(fēng)向風(fēng)速地面觀測資料，分析對比西安市城區(qū)與郊區(qū)的風(fēng)特征，以期對西安市在不同領(lǐng)域的風(fēng)能利用提供依據(jù)，也能對西安遷站造成的風(fēng)均一性進(jìn)行初步分析。

1觀測站點簡介

1.1站點信息

西安站(108°56′E，34°18′N，海拔397.5 m)站點位于西安市最繁忙的主干道未央路上，未央路距離測站僅200 m，站點四周各方位均建有零散高層建筑物，可代表城市的區(qū)域特征。涇河站(108°58′E，34°26′N，海拔410.0 m)站點位于西安城北北涇河工業(yè)園區(qū)內(nèi)，站點地勢較周圍高，南鄰渭河，周圍比較空曠，2006年初建時四周無建筑物。近年來，隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，涇河站周圍也有建筑物出現(xiàn)，但整體仍可反映郊區(qū)氣候特征。西安站距涇河站直線距離為20.0 km。

1.2儀器和資料

西安站和涇河站在2006—2013年期間使用的自動站設(shè)備均為華創(chuàng)升達(dá)生產(chǎn)的CAWS600自動站。測量的風(fēng)要素為10 m高空的風(fēng)向風(fēng)速，風(fēng)向風(fēng)速設(shè)備儀器型號也均相同，風(fēng)向型號為EL15-2D，風(fēng)速儀器型號為EL15-1A。兩站2006—2013年都為有人值守臺站，觀測資料齊全無中斷。

2風(fēng)速變化特征分析

2.1月平均風(fēng)速

由圖1可見，各月平均風(fēng)速城區(qū)小于郊區(qū)，西安站比涇河站偏小50%左右。兩站逐月月平均風(fēng)速的變化趨勢略有差異，但波動趨勢基本一致。涇河站月平均風(fēng)速起伏較西安站明顯，最大3月2.9 m/s,最小10月2.11 m/s，波動幅度為0.79 m/s；西安站月平均風(fēng)速起伏較為平緩，最大6月1.59 m/s，最小10月1.11 m/s，波動幅度僅為0.48 m/s。10—2月，兩站均保持較小風(fēng)速；3月正是北方沙塵天氣增多的季節(jié)，兩站風(fēng)速均明顯增大；4月后北方風(fēng)沙天氣減少，風(fēng)速趨于平穩(wěn)。涇河站7月平均風(fēng)速仍有明顯增加，主要由夏季局地雷雨、大風(fēng)天氣較多所致。

圖1　2006—2013年西安站和涇河站月平均風(fēng)速

2.2年平均風(fēng)速

由圖2可知，兩站年平均風(fēng)速均呈緩慢減小趨勢，西安站和涇河站的變化速率分別為-0.08 (m/s)/a、-0.04 (m/s)/a，說明年平均風(fēng)速城區(qū)比郊區(qū)減小趨勢明顯。從圖2還可看出，兩站風(fēng)速差值(差值均為涇河站-西安站，下同)在逐漸增大，其原因是西安站周圍高層建筑物增加速度快，改變了地面粗糙度，對風(fēng)速形成了明顯的阻擋作用，使風(fēng)速的減小幅度比涇河更大。

圖2　2006—2013年西安站與涇河站年平均風(fēng)速

2.3極大風(fēng)速

極大風(fēng)速是指某一個時段內(nèi)出現(xiàn)的最大瞬間風(fēng)速值[7]，在自動觀測中為1 min的平均風(fēng)速。從表1可看出，涇河站年極大風(fēng)速遠(yuǎn)大于西安站，兩站極大風(fēng)速差值變化范圍較大，為-3.9～10.8 m/s,2008年涇河站年極大風(fēng)速比西安站大了10.8 m/s。西安站僅在2011年6月6日出現(xiàn)21.0 m/s的大風(fēng)天氣，使得當(dāng)年西安站的極大風(fēng)速大于涇河站，這也是西安站8 a中唯一的一次大風(fēng)天氣。

表1　2006—2013年西安站和涇河站年極大風(fēng)速風(fēng)向?qū)Ρ?/p>

為了了解在同一天氣系統(tǒng)下兩站極大風(fēng)速的差異，選取涇河站幾次極大風(fēng)速≥17 m/s的大風(fēng)日加以分析。從表2可看出，兩站基本同時出現(xiàn)較大風(fēng)速，說明兩站處在同一大氣環(huán)流中，但涇河站的極大風(fēng)速遠(yuǎn)大于西安站，其差值變化范圍為3.0～17.0 m/s，2008年7月20日涇河出現(xiàn)25.8 m/s的大風(fēng)，當(dāng)日西安站極大風(fēng)速僅為8.8 m/s，其差值達(dá)到17.0 m/s。這種差異主要由地面摩擦力的差異造成，城區(qū)建筑物較密集，地面摩擦力較大，消弱了極大風(fēng)速的量級。

表2西安站和涇河站同期極大風(fēng)速比較

m/s

注：風(fēng)速后為各極大風(fēng)速對應(yīng)風(fēng)向

2.4年大風(fēng)日數(shù)

兩站的年大風(fēng)日數(shù)差異較大，西安站出現(xiàn)≥17 m/s的大風(fēng)日較為罕見，8 a中僅在2011年出現(xiàn)1 d。涇河大風(fēng)日較多，共出現(xiàn)14 d，其中，2006年達(dá)5 d之多，2007年出現(xiàn)3 d，2009年出現(xiàn)2 d，其余年份1 d。由此可見，郊區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)的概率遠(yuǎn)高于城區(qū)。

3風(fēng)向頻率對比分析

3.1年平均風(fēng)向頻率

圖3為西安站和涇河站2006—2013年平均風(fēng)向玫瑰圖，可以看出，兩站在16個方位的最多風(fēng)向分布略有差異。西安站的最多風(fēng)向為ENE，次多風(fēng)向為NE、W；涇河站的最多風(fēng)向為NE，次最多風(fēng)向為SW。兩站的最多風(fēng)向和次多風(fēng)向均有偏轉(zhuǎn)。兩站主導(dǎo)風(fēng)向在N—NE—SE方位區(qū)間，涇河站較西安站向北偏轉(zhuǎn)了1個方位。在S—SW—NW方位區(qū)間，涇河站較西安站向南偏轉(zhuǎn)了2個方位。西安站的主導(dǎo)風(fēng)向較為分散，在N—NE—SE方位區(qū)間有5個主導(dǎo)風(fēng)向，各風(fēng)向頻率分布較均勻，而涇河站有3個主導(dǎo)風(fēng)向。

風(fēng)向的變化除受大氣環(huán)流的影響外，地形及探測環(huán)境對風(fēng)向的影響也較大，城區(qū)受到四周環(huán)境的影響，主導(dǎo)風(fēng)向的作用已逐漸減弱，從而出現(xiàn)多個主導(dǎo)風(fēng)向。

圖3　2006—2013年西安站和涇河站平均風(fēng)向頻率/%對比

3.2四季風(fēng)向頻率

圖4為西安和涇河四季(春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12—2月)的風(fēng)向頻率對比，從圖4可看出，涇河站的最多風(fēng)向一年四季較為穩(wěn)定，均為NE。西安站四季最多風(fēng)向均不同，春、冬季為ENE，夏季為NE，秋季為W。在SW—W方位區(qū)間，兩站最多風(fēng)向在四個季節(jié)偏轉(zhuǎn)角度均一致，西安站的最多風(fēng)向為W，涇河的最多風(fēng)向為SW。在NE—E方位區(qū)間，兩站在春、秋、冬的最多風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角度

也一致，涇河站最多風(fēng)向為NE，西安站最多風(fēng)向為ENE；夏季最多風(fēng)向兩站一致，均為NE。

由于涇河站周圍環(huán)境較空曠，一年四季風(fēng)向頻率分布變化不大。而西安站由于周圍高大建筑物的影響，風(fēng)向發(fā)生突變的可能性較大，因此四季最多風(fēng)向均有差異。

圖4　2006—2013年西安站和涇河站四季風(fēng)向頻率/%對比

3.3極大風(fēng)風(fēng)向

由表1可看出，城區(qū)與郊區(qū)的極大風(fēng)風(fēng)向差異較明顯，涇河的極大風(fēng)風(fēng)向主要集中在WNW—N—ENE方位區(qū)間，西安站的極大風(fēng)風(fēng)向較分散，無規(guī)律可循。

4小結(jié)

應(yīng)用西安站和涇河站2006—2013年的同期風(fēng)向風(fēng)速資料，分析城區(qū)和郊區(qū)風(fēng)向和風(fēng)速差異，得出了以下結(jié)論。

(1)西安城區(qū)的月平均風(fēng)速均小于郊區(qū)，城區(qū)比郊區(qū)偏小50%左右；兩地逐月月平均風(fēng)速波動趨勢基本一致，郊區(qū)波動較大，城區(qū)較平緩。

(2)兩地年平均風(fēng)速均呈緩慢減小趨勢，城區(qū)的城市化進(jìn)程較郊區(qū)快，風(fēng)速減小趨勢也比郊區(qū)明顯。

(3)郊區(qū)的極大風(fēng)速遠(yuǎn)大于城區(qū)。郊區(qū)大風(fēng)日較多，城區(qū)僅有1 d，郊區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)的概率遠(yuǎn)高于城區(qū)。

(4)城區(qū)和郊區(qū)最多風(fēng)向略有偏差，偏離1～2個方位。郊區(qū)四季的最多風(fēng)向變化不大，城區(qū)四季的最多風(fēng)向均不同。郊區(qū)極大風(fēng)風(fēng)向較集中，城區(qū)較為分散。

參考文獻(xiàn)：

[1]任國玉，郭軍，徐銘志，等.近50年中國地面氣候變化基本特征[J].氣象學(xué)報，2005，63(6)：942-956.

[2]彭珍，胡非.北京城市化進(jìn)程對邊界層風(fēng)場結(jié)構(gòu)影響的研究[J].地球物理學(xué)報，2006，49(6)：1608-1615.

[3]劉學(xué)鋒，江瀅，任國玉，等.河北城市化和觀測環(huán)境改變對地面風(fēng)速觀測資料序列的影響[J].高原氣象，2009，28(2)：433-439.

[4]江瀅，羅勇，趙宗慈.近50年我國風(fēng)向變化特征[J].應(yīng)用氣象學(xué)報，2008，19(6)：666-672.

[5]吳利紅，駱月珍，孫莉莉.浙江省近34年年平均風(fēng)速序列均一性檢驗研究[J].氣象科技.2008，36(5)：661-665.

[6]魯淵平，杜繼穩(wěn)，侯建忠，等.陜西省風(fēng)速風(fēng)向時空變化特征[J].陜西氣象，2006(1)：1-4.

[7]中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003：48.

中圖分類號：P425

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：曹梅(1979—)，女，陜西米脂人，大學(xué)本科，工程師，從事綜合氣象測報。

收稿日期：2015-10-31

文章編號：1006-4354(2016)02-0019-05

曹梅，楊珍，王斌. 西安城區(qū)與郊區(qū)風(fēng)向風(fēng)速差異分析[J].陜西氣象，2016(2)：19-23.