泰来城市化对风影响研究

王庆祥,齐东方,徐永清

（黑龙江省气候中心, 黑龙江 哈尔滨150030）

1 引言

近年来气候变暖背景下风能资源的可持续利用问题倍受关注，对我国风速、风向变化的研究也逐步发展起来。王遵娅等［1］、Zou HC 等［2］、任国玉等［3］、Xu M 等［4］、江滢等［5］认为，近50 a 我国年平均风速存在减小的变化趋势。 杨雪艳等对东北地区平均风速进行分析，认为近40 a 来东北地区平均风速呈下降趋势，每10 a 约下降0.23 m/s［6］。邹立尧等对比分析了黑龙江省国家气象站与农垦气象站风速变化趋势，得出黑龙江省大部分地区年和四季风速呈现减少趋势、农垦气象站小于国家气象站的结论［7］。大量学者的研究分析表明，气候变化导致我国大部分地区风速呈减小趋势已是不争的事实［8-9］。但与气温、降水不同，风速除受气候变化影响外，还受城市化、观测环境、仪器变化的影响。 近年来探测环境改变对气象要素的影响逐渐引起专家的注意［10-11］，刘学锋、任国玉等对河北城市化和观测环境改变对风速影响进行了深入的研究［12-13］，研究结果表明，城市化对风速减小的影响程度约在1/4 左右， 至少有1/3 的平均风速序列非均一性断点是由观测环境变化产生的。

泰来县气象局1970-2010年没有迁过站、观测环境保存较好、仪器没有更换，且属于国家基准气象站。 本文使用泰来十六方位长期风速， 气象站与野外70 m 测风塔2009年7月-2010年6月的风速、风向资料，分析城市化对地面风的影响。

2 资料与方法简述

本文使用国家基准气象站泰来1970-2004年一日4次风速和十六方位风向资料，该资料质量可靠。 城市化对气象站风速的影响与气象站和所在城市的方位、 风向频率、各风向风速大小都具有密切关系，所以对气象站十六方位风速变化趋势进行分析，结合各风向频率与气象站在城市中的方位，分析城市化对气象站风速的影响。 同时，利用距离气象站较近的测风塔10 m 风速资料， 与气象站同期风速资料对比，分析城市对风速、风向的影响。

3 风变化特征

泰来气象站1970-2004年，站址没有发生变化，测风仪器一直使用EL 型电接风风速计，观测场环境保持良好，仅有测风仪器高度发生过改变。 对测风资料按幂指数进行高度订正后，风速资料基本上只受城市化和大气背景环境的影响。

3.1 长期风速变化特征

泰来位于黑龙江省的东南部，松嫩平原的南部。 泰来县南北狭长，东西较窄，气象站位于城市的中部，南北风向受城市影响较大，东西风向受城市影响较小。

图1 1971-2004年泰来年平均风速变化趋势

由图1 可见，1971-2004年，泰来气象站的年平均风速具有一定的波动性，最大值出现在1971年，为4.3 m/s，最低值为2.9 m/s，出现在2003、2004年，期间1984、1999年为风速高值年，1991年为明显的低值年， 但整体上呈明显的下降趋势，每10 a 下降0.36 m/s。

3.2 十六方位风速长期变化特征

图2 1971-2004年泰来十六方位年平均风速变化趋势

由图2 可见，1971-2004年泰来气象站十六方位年平均风速均呈下降趋势，WNW-NNE、SSW-S 方向风速减小较大，NE、ENE、SE、SW 风速减小较小，WNW 风向风速下降趋势最明显， 每10 a 风速减小0.55 m/s,SE 风向风速减小速率最小，每10 a 仅下降0.1 m/s。 整体来看，泰来受城市影响的主要风向，风速下降趋势较为明显，而在受城市影响较弱风向，风速下降趋势减弱。

3.3 十六方位风向长期变化特征

图3 1971-2004年泰来十六方位风向变化趋势

泰来县1971-2004年间各风向频率变化差异较大，由图3 可见，N、NNW、SSW 风频率呈明显下降趋势， 每10 a频率值大约下降0.1%，SW、SE、NW、WSW 风频率呈明显上升趋势，SW 风频率上升最大，在0.1%以上。 W 风为泰来县的主导风向， 平均风向频率约占10%，34 a 间频率也略呈上升趋势。

1971-2004年泰来十六方位的风速变化趋势、风向频率变化趋势与城市的快速发展及城市空间布局关系密切，说明城市的发展及布局对气象站风变化具有一定的影响。

4 气象站与邻近测风塔同期风分析

黑龙江省风能资源观测网中的泰来测风塔位于泰来县西北部的乾德门山，距气象站直线距离约5.3 km，乾德门山为独立山体，海拔略高于周边平原，测风塔海拔较气象站高出30 m，之间没有地物阻隔。

对2009年7月-2010年6月气象站与测风塔风速进行分析，泰来气象站平均风速为2.7 m/s，测风塔10 m 高平均风速为4.3 m/s，二者逐时风速相关系数为0.79。

图4 2009年7月-2010年6月气象站与测风塔十六方位风速比较

由图4 可知，泰来测风塔十六方位风速均大于气象站风速， 二者的风速差值和相对误差都是在WNW-NE、SESW 方向较大，E、W 方向较小。 泰来测风塔风速和气象站风速，在受城市影响方向风速差和相对误差较大，而在不受城市或受城市影响小的方向较小，说明城市对风速具有较大的影响。

图5 2009年7月-2010年6月气象站与测风塔十六方位风向频率比较

由图5 可知， 测风塔与气象站的风向频率在W 风差异较大， 测风塔频率为5.1%， 气象站频率高达13.7%，在NW-NNE、SSE-SSW 风向测风塔频率高于气象站， 频率差约在1%左右， 在NNW 风向测风塔与气象站频率差最大，为2%。 在NE-SE 风向测风塔与气象站频率差别不大。 气象站位于泰来的最东端，受城市影响最小，风向频率与测风塔最为相近，其他方向均有一定差异，为何W 风频率差别这么大，需进一步研究。

5 结论

（1）1971-2004年泰来的年平均风速变化呈明显的下降趋势，大约每10 a 风速下降0.36 m/s。

（2）结合城市的空间布局及气象站在城市中的位置，对泰来1971-2004年十六方位风速变化趋势分析，表明城市发展对气象站风速影响明显，城市对气象站影响较大方向，风速变化速率较大，而在城市对气象站影响较小风向，风速变化速率较小。 同时，城市化及城市空间布局对风向频率的变化也有一定的影响。

（3）比较泰来气象站与附近测风塔10 m 高2009年7月-2010年6月十六方位风速， 测风塔风速在绝大多数方向明显大于气象站风速，风速比值与相对误差明显反应出城市对风速的影响。 风向频率的对比说明，城市对风向也有一定的影响。

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