泰來城市化對風影響研究

王慶祥,齊東方,徐永清

（黑龍江省氣候中心, 黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

近年來氣候變暖背景下風能資源的可持續利用問題倍受關注，對我國風速、風向變化的研究也逐步發展起來。王遵婭等［1］、Zou HC 等［2］、任國玉等［3］、Xu M 等［4］、江瀅等［5］認為，近50 a 我國年平均風速存在減小的變化趨勢。 楊雪艷等對東北地區平均風速進行分析，認為近40 a 來東北地區平均風速呈下降趨勢，每10 a 約下降0.23 m/s［6］。鄒立堯等對比分析了黑龍江省國家氣象站與農墾氣象站風速變化趨勢，得出黑龍江省大部分地區年和四季風速呈現減少趨勢、農墾氣象站小于國家氣象站的結論［7］。大量學者的研究分析表明，氣候變化導致我國大部分地區風速呈減小趨勢已是不爭的事實［8-9］。但與氣溫、降水不同，風速除受氣候變化影響外，還受城市化、觀測環境、儀器變化的影響。 近年來探測環境改變對氣象要素的影響逐漸引起專家的注意［10-11］，劉學鋒、任國玉等對河北城市化和觀測環境改變對風速影響進行了深入的研究［12-13］，研究結果表明，城市化對風速減小的影響程度約在1/4 左右， 至少有1/3 的平均風速序列非均一性斷點是由觀測環境變化產生的。

泰來縣氣象局1970-2010年沒有遷過站、觀測環境保存較好、儀器沒有更換，且屬于國家基準氣象站。 本文使用泰來十六方位長期風速， 氣象站與野外70 m 測風塔2009年7月-2010年6月的風速、風向資料，分析城市化對地面風的影響。

2 資料與方法簡述

本文使用國家基準氣象站泰來1970-2004年一日4次風速和十六方位風向資料，該資料質量可靠。 城市化對氣象站風速的影響與氣象站和所在城市的方位、 風向頻率、各風向風速大小都具有密切關系，所以對氣象站十六方位風速變化趨勢進行分析，結合各風向頻率與氣象站在城市中的方位，分析城市化對氣象站風速的影響。 同時，利用距離氣象站較近的測風塔10 m 風速資料， 與氣象站同期風速資料對比，分析城市對風速、風向的影響。

3 風變化特征

泰來氣象站1970-2004年，站址沒有發生變化，測風儀器一直使用EL 型電接風風速計，觀測場環境保持良好，僅有測風儀器高度發生過改變。 對測風資料按冪指數進行高度訂正后，風速資料基本上只受城市化和大氣背景環境的影響。

3.1 長期風速變化特征

泰來位于黑龍江省的東南部，松嫩平原的南部。 泰來縣南北狹長，東西較窄，氣象站位于城市的中部，南北風向受城市影響較大，東西風向受城市影響較小。

圖1 1971-2004年泰來年平均風速變化趨勢

由圖1 可見，1971-2004年，泰來氣象站的年平均風速具有一定的波動性，最大值出現在1971年，為4.3 m/s，最低值為2.9 m/s，出現在2003、2004年，期間1984、1999年為風速高值年，1991年為明顯的低值年， 但整體上呈明顯的下降趨勢，每10 a 下降0.36 m/s。

3.2 十六方位風速長期變化特征

圖2 1971-2004年泰來十六方位年平均風速變化趨勢

由圖2 可見，1971-2004年泰來氣象站十六方位年平均風速均呈下降趨勢，WNW-NNE、SSW-S 方向風速減小較大，NE、ENE、SE、SW 風速減小較小，WNW 風向風速下降趨勢最明顯， 每10 a 風速減小0.55 m/s,SE 風向風速減小速率最小，每10 a 僅下降0.1 m/s。 整體來看，泰來受城市影響的主要風向，風速下降趨勢較為明顯，而在受城市影響較弱風向，風速下降趨勢減弱。

3.3 十六方位風向長期變化特征

圖3 1971-2004年泰來十六方位風向變化趨勢

泰來縣1971-2004年間各風向頻率變化差異較大，由圖3 可見，N、NNW、SSW 風頻率呈明顯下降趨勢， 每10 a頻率值大約下降0.1%，SW、SE、NW、WSW 風頻率呈明顯上升趨勢，SW 風頻率上升最大，在0.1%以上。 W 風為泰來縣的主導風向， 平均風向頻率約占10%，34 a 間頻率也略呈上升趨勢。

1971-2004年泰來十六方位的風速變化趨勢、風向頻率變化趨勢與城市的快速發展及城市空間布局關系密切，說明城市的發展及布局對氣象站風變化具有一定的影響。

4 氣象站與鄰近測風塔同期風分析

黑龍江省風能資源觀測網中的泰來測風塔位于泰來縣西北部的乾德門山，距氣象站直線距離約5.3 km，乾德門山為獨立山體，海拔略高于周邊平原，測風塔海拔較氣象站高出30 m，之間沒有地物阻隔。

對2009年7月-2010年6月氣象站與測風塔風速進行分析，泰來氣象站平均風速為2.7 m/s，測風塔10 m 高平均風速為4.3 m/s，二者逐時風速相關系數為0.79。

圖4 2009年7月-2010年6月氣象站與測風塔十六方位風速比較

由圖4 可知，泰來測風塔十六方位風速均大于氣象站風速， 二者的風速差值和相對誤差都是在WNW-NE、SESW 方向較大，E、W 方向較小。 泰來測風塔風速和氣象站風速，在受城市影響方向風速差和相對誤差較大，而在不受城市或受城市影響小的方向較小，說明城市對風速具有較大的影響。

圖5 2009年7月-2010年6月氣象站與測風塔十六方位風向頻率比較

由圖5 可知， 測風塔與氣象站的風向頻率在W 風差異較大， 測風塔頻率為5.1%， 氣象站頻率高達13.7%，在NW-NNE、SSE-SSW 風向測風塔頻率高于氣象站， 頻率差約在1%左右， 在NNW 風向測風塔與氣象站頻率差最大，為2%。 在NE-SE 風向測風塔與氣象站頻率差別不大。 氣象站位于泰來的最東端，受城市影響最小，風向頻率與測風塔最為相近，其他方向均有一定差異，為何W 風頻率差別這么大，需進一步研究。

5 結論

（1）1971-2004年泰來的年平均風速變化呈明顯的下降趨勢，大約每10 a 風速下降0.36 m/s。

（2）結合城市的空間布局及氣象站在城市中的位置，對泰來1971-2004年十六方位風速變化趨勢分析，表明城市發展對氣象站風速影響明顯，城市對氣象站影響較大方向，風速變化速率較大，而在城市對氣象站影響較小風向，風速變化速率較小。 同時，城市化及城市空間布局對風向頻率的變化也有一定的影響。

（3）比較泰來氣象站與附近測風塔10 m 高2009年7月-2010年6月十六方位風速， 測風塔風速在絕大多數方向明顯大于氣象站風速，風速比值與相對誤差明顯反應出城市對風速的影響。 風向頻率的對比說明，城市對風向也有一定的影響。

［1］王遵婭，丁一匯，何金海，等，近50年來中國氣候變化特征再分析[J].氣象學報，2004,62（2）：228-236.

［2］Zou H C, Li D I, Hu Y Q, et al. Characteristics of climatic trends and correlation between pan-evaporation and environmental factors in the last 40 years over china [J]. Chinese Science Bulletin,2005, 50(12):1235-1241.

［3］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].氣象學報，2005, 63(6): 942-956.

［4］Xu M, Chang C, et al .Steady decline of east Asian monsoon winds. 1969-2000: Evidence from direct ground measurements of wind speed [J]. Journal of Geophysical Reseach,2006,111:D24111．doi:10.1029/2006 JD007337.

［5］江瀅，羅勇，趙宗慈．近50年中國風速變化及其可能原因分析[C].第四屆亞洲風能大會暨國際風能設備展覽會，北京:2007.

［6］楊雪艷，田廣元，常義.近40年中國東北地區平均風速的氣候變化特征分析[J].吉林氣象，2009（2）：1-4.

［7］鄒立堯，國世友，王冀，等.1961-2004年黑龍江省近地層風速變化趨勢分析[J].氣象，2010，36（10）：67-71.

［8］張素云，周順武，郭艷嶺，等，近47年河北風速季節變化特征及影響因子分析[J].干旱區資源與環境，2010（12）：93-99.

［9］李艷，王元，湯劍平.中國近地層風能資源的時空變化特征[J].南京大學學報（自然科學版），2007,43（3）：280-291.

［10］吳增祥. 氣象臺站歷史沿革信息及其對觀測資料序列均一性影響的初步分析[J]. 應用氣象學報， 2005, 16(4):461-467.

［11］李欣，金蓮姬，郭建俠.淺談探測環境對氣象要素測量值的影響[J].安徽農業科學，2011,39（27）：17105-17108.

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

［13］劉學峰，任國玉，梁秀慧，等.河北邊界層內不同高度風速變化特征[J].氣象，2009，35（7）：46-53.x