舟山地区各气象站风速的高度订正法

於敏佳，刘 菡

（舟山市气象局，浙江 舟山 316000）

1 引言

舟山地区气象站数目众多，分布广泛，且大多处于沿海，但各气象站海拔高度存在差异，最高海拔414m，最低海拔2m，其中海拔高于100m的站点达19个，低于10m的站点13个。因此，舟山地区各气象站点在垂直分布上存在较为明显的变化。

由于风速随海拔高度的增加而增大，因此，严格来讲，两个气象站的风速在进行比较时，首先需要将两个站的风速进行高度订正，使之处于同一高度。实际工作中，会出现这样的情况，同一次天气过程，一部分气象站的风力达到了9级，而另一部分则只有7到8级，因此很难确定该次过程的风力等级；也会出现这样的情况，两站点距离并不遥远，而风力却可以相差1到2级。上述现象都与各气象站点的拔海高度存在差异有关。因此，对舟山各气象站点的风速进行高度订正，具有十分重要的意义。

2 研究方法

从空气运动的角度看，不同高度的大气层可以分为三层，离地2m以内的区域称为底层，2m到100m的区域称为下部摩擦层，两者总称为地面境界层。100m到1000m的区域称为上部摩擦层，以上三个区域总称为摩擦层，摩擦层之上是自由大气［1］，舟山各气象站大部分处于境界层内，也有一部分处于上部摩擦层内。

在摩擦层内风速随高度的变化，除了与地面的粗糙程度有关外，还与大气的层结状态有关。因此，摩擦层内的风廓线公式中应主要考虑粗糙度和低层大气的层结状态，不同的下垫面和不同的大气层结状态可以得出不同的风速廓线方程。但是从实用考虑，仍旧应用指数律和对数律公式，它们仅需一个特定的参数，就可以将一个高度的风速推算到另一个高度［2］。对于对数律，在一定下垫面，只要地面情况不改变，它的粗糙度高度是不改变的，因此，这个规律只适用于大气中性平衡或接近于中性平衡及高度较低的情况。在中性层结条件下，指数律模式不如对数律模式准确，特别是在近地层时。但指数律在中性条件下，能较满意的应用于300m到500m的气层，而且在非中性条件下，应用也较为简便，同时幂指数的变化反映着大气层结的变化，可以推广到非中性大气［3］，因此，选用指数律模式进行研究。

式中： u，u1分别为距地面高度z、z1处的风速，m为风速随高度的切变指数，其值的大小即表明了风速垂直切变的强度。

对公式（1）做变换并等号两边取对数得：

3 结果分析

3.1 两种下垫面的切变指数m

从下垫面不同的角度看，舟山各气象站大致可以分为两类，一类以草地为下垫面，另一类则以硬地为下垫面，由于这两种下垫面的粗糙程度不同，对于风速的垂直切变影响自然也不同。

3.1.1 下垫面为草地的切变指数m

在风速的影响因子中，地形也是其中一个，故选取受地形影响较小的嵊泗站数据作为u1和z1，得拟合曲线（图1）。如图所示，普陀站的年平均风速与拟合线相差较大，这是因为普陀站受四周山体遮挡，年平均风速较小。表面上看，曲线对于实测数据的拟合效果还算不错，但是计算得出m＝1.34，这意味着，随着高度的增加，风速不断增大，这显然是不正确的，故考虑到实测数据较少，不采用单纯的拟合曲线方法，而是结合他人研究成果［4］选取m＝0.14作为参考值，得出拟合曲线（图2），分析曲线发现，底层风速削减较快，高层风速趋于平稳。

图1 下垫面为草地的气象站风速拟合图

图2 下垫面为草地的气象站风速拟合参考图

3.1.2 下垫面为硬地的切变指数m

利用最小二乘法原理，计算得m＝0.28，绘制拟合曲线如图（图3），图中风速随高度的增大趋于平稳，且越靠近地面风速削减越明显，这与实际情况吻合，故可取硬地的切变指数为0.28。

图3 下垫面为硬地的气象站风速拟合图

综上，草地的切变指数较硬地的切变指数小，在今后的实际工作中，可取0.28作为硬地的切变指数，0.14作为草地的切变指数。

3.2 切变指数m与风速大小的变化关系

随着风速的增大，地表对于气流的阻挡和削弱作用并没有随之增大，与风速的增大程度相比地表的阻碍作用相对减小，即地面粗糙度的影响在不断降低［5］。故随着风速的变化，切变指数m也应相应的变化。为避免日变化、季节变化和下垫面的影响，选取同一下垫面的各个气象站在同一季节同一时次的风速资料进行研究，计算切变指数m，得出风速和m的关系图（图4），并计算得到切变系数m随风速大小 v的变化公式为：

图4 风速和切变系数m的关系图

分析图6可以发现，随着风速的增大，切变指数不断减小并趋近于某值，这意味着变化相同高度，风速越大，风速变化越小。即风速越大，下垫面对于风速的削弱作用越不明显。

3.3 切变指数m的日变化

大气的层结状态在一天当中并不相同，一般来讲，大气层结白天不稳定，夜间较稳定，研究一天当中不同时次各个气象站的风速资料，计算对应的切变指数，得出切变系数日变化图（图5），拟合得出切变系数的日变化公式为：

图5 切变系数日变化图

分析图5可以发现，切变系数m大致到中午12时达到最小值，凌晨1时达到最大值，这是因为白天大气层结不稳定，扰动较易发生或加强，上下层动量得到交换，使得上下层风速差别变小，故m值也较小；而到了夜里大气层结较稳定，动量的垂直交换不易，上下层风速变化也加大，对应m值也较大。

4 小结

（1）观测站下垫面主要有草地和硬地两类，两类下垫面对于风速的削减能力不同，对应的风速切变指数m也不同。

（2）地面对于风速的削减作用，与风速大小密切相关。风速越大，地面的摩擦作用相对越弱，上下层的风速变化越小，切变系数m越小；风速越小，摩擦作用越明显，风速随高度的变化越大，切面系数m越大。

（3）大气的层结状态存在日变化，白天大气层结不稳定，上下层的动量交换较易进行，m值较小，中午左右达到最小；夜里大气层结较稳定，扰动不易发生，动量交换不易，m值较大，凌晨左右达到最大值。

（4）风速廓线的指数律模式较适用风速随高度变化的研究。

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