孫莎莎，吳 煒，郭俊建

（山東省氣象臺(tái)，山東濟(jì)南250031）

山東沿海測(cè)風(fēng)高度對(duì)風(fēng)速的影響和訂正研究

孫莎莎，吳 煒，郭俊建

（山東省氣象臺(tái)，山東濟(jì)南250031）

利用2009年1月—2011年5月山東的19個(gè)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)資料，分析研究測(cè)風(fēng)塔不同高度觀測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，進(jìn)而研究不同測(cè)站高度對(duì)風(fēng)資料代表性的影響，并在此基礎(chǔ)上尋找對(duì)現(xiàn)有風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行訂正比較有效的方法與技術(shù)。

不同高度；測(cè)風(fēng)塔；訂正

1引言

山東瀕臨黃渤海，海上大風(fēng)、海霧、強(qiáng)對(duì)流、臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等這些海洋災(zāi)害性天氣都對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。近年來(lái)，中國(guó)氣象局和山東省政府均加大了對(duì)海洋氣象監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)預(yù)警方面的投入。目前山東省沿海區(qū)域氣象觀測(cè)站500多個(gè)，測(cè)站種類有海島站、浮標(biāo)站、船舶站、海上石油平臺(tái)站、風(fēng)廓線儀、測(cè)風(fēng)塔以及移動(dòng)氣象臺(tái)等，可以實(shí)時(shí)獲得大量的海上風(fēng)資料。這些實(shí)時(shí)資料在預(yù)報(bào)員們準(zhǔn)確預(yù)報(bào)天氣過(guò)程中起到了重要作用，但同時(shí)這些觀測(cè)站受布設(shè)條件所限所處地理位置復(fù)雜且分布不平衡；另外受沿海地形的影響，觀測(cè)站點(diǎn)的布設(shè)存在高度不一致問(wèn)題，這些問(wèn)題嚴(yán)重限制了海上大風(fēng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提高。

許多學(xué)者研究過(guò)高度對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響，海洋石油研究所工程實(shí)驗(yàn)室等[1]對(duì)渤海的海上風(fēng)速觀測(cè)資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的風(fēng)速廓線指數(shù)定律要比對(duì)數(shù)定律更加適用。曾旭斌等［2］從近地層的通量—梯度關(guān)系出發(fā)，在穩(wěn)定層結(jié)得到了改進(jìn)的風(fēng)廓線公式并驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)該公式適合140m以下的大氣，誤差較小。楊林［3］根據(jù)福建省氣象鐵塔所觀測(cè)的一年風(fēng)、溫資料，對(duì)近地層垂直溫度梯度、風(fēng)隨高度的變化和海陸風(fēng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和分析研究，從中得出我國(guó)中低緯度地區(qū)海陸邊界層100m以下環(huán)境大氣變化的若干氣象特征的認(rèn)識(shí)。王日東等［4］研究了新建海島站與原有長(zhǎng)島站大風(fēng)的關(guān)系，將海島站與沿岸站大風(fēng)進(jìn)行對(duì)比分析。王靜［5］研究發(fā)現(xiàn)青島地區(qū)風(fēng)速廓線基本遵循隨高度升高遞增的規(guī)律，在低層風(fēng)速隨高度增加比較顯著，基本符合冪指數(shù)分布規(guī)律，500m以上風(fēng)速隨高度的變化己不再明顯。

本文通過(guò)分析山東測(cè)風(fēng)塔不同高度觀測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，研究不同測(cè)站高度對(duì)風(fēng)資料代表性的影響和訂正使用的方法與技術(shù)。

2確定不同高度風(fēng)的相關(guān)擬合方程

2.1 資料和方法

山東省共19個(gè)測(cè)風(fēng)塔，主要集中在濱州、東營(yíng)、濰坊、煙臺(tái)、威海、青島和日照，在這些地區(qū)風(fēng)速不容易發(fā)生突變并且風(fēng)向也比較穩(wěn)定。這種地理位置使測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)到的風(fēng)場(chǎng)資料對(duì)沿海和近海風(fēng)場(chǎng)分析訂正有很高的參考價(jià)值。本文所用資料的時(shí)間序列長(zhǎng)度是從2009年1月—2011年5月，時(shí)間分辨率是10m in。所有測(cè)風(fēng)塔都有3個(gè)不同的測(cè)風(fēng)高度，分別是10m、50m和70m，使用的觀測(cè)要素有平均風(fēng)速、最大風(fēng)速以及極大風(fēng)速。對(duì)不同高度的風(fēng)場(chǎng)資料數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性分析等處理。

2.2 計(jì)算分析確定擬合方程

由于19個(gè)測(cè)風(fēng)塔本身所處的海拔不同，這些測(cè)風(fēng)塔10m測(cè)風(fēng)高度的風(fēng)速代表不了海平面10m高度的實(shí)際風(fēng)速，給實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用造成了一定的困難。由于業(yè)務(wù)上需要把這些測(cè)風(fēng)塔測(cè)得的風(fēng)速訂正到海平面真正10m高度上，因此需要通過(guò)研究測(cè)站高度對(duì)風(fēng)資料代表性的影響和訂正使用的方法，確定一個(gè)比較可行的風(fēng)速隨高度的變化關(guān)系，利用該關(guān)系對(duì)一定適用的空間范圍內(nèi)的觀測(cè)站的任意高度的風(fēng)速進(jìn)行訂正。由于岸基其他類型的觀測(cè)站的風(fēng)速都是基于10m海拔高度上的，因此將風(fēng)速訂正到10m的海拔高度，這樣可以得到比較直觀且相對(duì)全面的山東省10m海拔高度的風(fēng)場(chǎng)描述。

在大氣擾動(dòng)的理論研究中，精確測(cè)定近地層風(fēng)廓線是一項(xiàng)基本任務(wù)。大氣邊界層中風(fēng)隨高度變化主要遵循指數(shù)定律和對(duì)數(shù)定律方程，只需要一個(gè)特定的參數(shù)，就可以從一個(gè)高度的風(fēng)速推算另一個(gè)高度的風(fēng)速。

公式（1）為指數(shù)定律，公式（2）為對(duì)數(shù)定律。式中：u1、u2為風(fēng)速；z1、z2為高度；z0為粗糙度；α為冪指數(shù)。參考以前學(xué)者對(duì)沿海地區(qū)近地層風(fēng)隨高度變化特征的研究以及指數(shù)定律和對(duì)數(shù)定律各自的適用范圍和特點(diǎn)，結(jié)合山東省的沿海地理位置特點(diǎn)，因此采用指數(shù)定律對(duì)山東省測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速資料進(jìn)行處理分析。處理的基本思路是：α冪指數(shù)與大氣層結(jié)狀態(tài)有關(guān)，風(fēng)速的大小對(duì)應(yīng)不同的大氣層結(jié)狀態(tài)。為了更好地研究α冪指數(shù)的分布，將測(cè)風(fēng)塔10m高度觀測(cè)風(fēng)速分為6級(jí)（10.8m/s）及以上大風(fēng)和6級(jí)以下風(fēng)兩種情況。

當(dāng)測(cè)風(fēng)塔10m高度觀測(cè)風(fēng)速在6級(jí)及以上時(shí)，由于測(cè)風(fēng)塔本身的有3個(gè)測(cè)風(fēng)高度，除了10m以外還有50m和70m兩個(gè)測(cè)風(fēng)高度。將測(cè)風(fēng)塔10m高度觀測(cè)風(fēng)速和50m高度觀測(cè)風(fēng)速設(shè)為第1組數(shù)據(jù)，將測(cè)風(fēng)塔10m高度觀測(cè)風(fēng)速和70m高度觀測(cè)風(fēng)速設(shè)為第2組數(shù)據(jù)，把這兩組觀測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)代入指數(shù)公式：

圖1 6級(jí)以上大風(fēng)的10m和50m的α值分布

其中u1i代表第i個(gè)時(shí)間序列的50m或者70m高度的風(fēng)速；u2i代表第i個(gè)時(shí)間序列的10m高度的風(fēng)速；z1i代表第i個(gè)時(shí)間序列50m或70m的測(cè)風(fēng)高度；z2i代表第i個(gè)時(shí)間序列10m的測(cè)風(fēng)高度；αi為第i個(gè)時(shí)間序列的冪指數(shù)。對(duì)于同一個(gè)測(cè)風(fēng)塔，u1i、u2i都是一維數(shù)組，長(zhǎng)度是時(shí)間序列i，這樣我們通過(guò)變換指數(shù)公式得到下面的公式：

根據(jù)該公式計(jì)算得到α冪指數(shù)的數(shù)值。當(dāng)測(cè)風(fēng)塔10m高度觀測(cè)風(fēng)速在6級(jí)以下時(shí)，也是類似方法計(jì)算α冪指數(shù)。

圖2 6級(jí)以上大風(fēng)的10m和70m的α值分布

圖3 6級(jí)以下風(fēng)的10m和50m的α值分布

圖4 6級(jí)以下風(fēng)的10m和70m的α值分布

選取4個(gè)不同海拔高度的測(cè)風(fēng)塔，其中15001

代表海拔高度10m以內(nèi)的測(cè)風(fēng)塔，15010代表海拔高度10—50m之間的測(cè)風(fēng)塔，15009代表海拔高度50—100m之間的測(cè)風(fēng)塔，15012代表海拔高度100m以上的測(cè)風(fēng)塔，分別給出測(cè)風(fēng)塔10m高度觀測(cè)風(fēng)速在6級(jí)及以上、6級(jí)以下時(shí)的α冪指數(shù)分布，結(jié)果如圖1—4所示，發(fā)現(xiàn)：無(wú)論測(cè)風(fēng)塔10m高度觀測(cè)風(fēng)速在6級(jí)及以上還是6級(jí)以下，不同測(cè)風(fēng)高度之間的α冪指數(shù)都不是一個(gè)固定的數(shù)值，都存在一定的分布區(qū)間。

通過(guò)對(duì)4個(gè)代表測(cè)風(fēng)塔不同梯度的α值分布圖分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一個(gè)測(cè)風(fēng)塔，α冪指數(shù)在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，而對(duì)風(fēng)場(chǎng)訂正需要確定一個(gè)適用的α冪指數(shù)，于是將α冪指數(shù)設(shè)為從0.00—1.00間隔為0.01的101個(gè)數(shù)值，依次把這101個(gè)α冪指數(shù)代入變換后的指數(shù)公式：

表1 10m高度風(fēng)大于等于6級(jí)的10m和50m、10m和70m兩組α值

表2 10m高度風(fēng)速小于6級(jí)時(shí)10m和50m、10m和70m兩組α值

同時(shí)代入50m或70m測(cè)風(fēng)高度的風(fēng)速u1i就能推導(dǎo)出10m測(cè)風(fēng)高度的估計(jì)風(fēng)速u2i，也可求出所有時(shí)間序列的實(shí)測(cè)風(fēng)速u2i和估計(jì)風(fēng)速u2i差值平方總和，在該差值平方總和為最小值的條件下得到一個(gè)確定的α冪指數(shù)。此外，參考統(tǒng)計(jì)的測(cè)風(fēng)塔所有時(shí)間序列α冪指數(shù)的出現(xiàn)頻率分布情況，最后選取的α冪指數(shù)需滿足實(shí)測(cè)和估計(jì)風(fēng)速誤差最小且出現(xiàn)頻率較高。

計(jì)算得到的α冪指數(shù)存在如下特點(diǎn)（表1和表2）：總體來(lái)說(shuō)，測(cè)風(fēng)塔10m高度的觀測(cè)風(fēng)速6級(jí)及以上的兩組α冪指數(shù)值要小于6級(jí)以下的α冪指數(shù)值。無(wú)論10m高度觀測(cè)風(fēng)速是大還是小，同一個(gè)測(cè)風(fēng)塔的第一組（10 m和50 m）和第二組（10 m和70m）的α冪指數(shù)值都很接近。海拔高度在10m以下站號(hào)為15001—15008的測(cè)風(fēng)塔，10m高度的觀測(cè)風(fēng)速在6級(jí)及以上的α冪指數(shù)在0.04—0.06的范圍內(nèi)，10m高度的觀測(cè)風(fēng)速在6級(jí)以下的α冪指數(shù)在0.07—0.12的范圍內(nèi);海拔高度在10m以下站號(hào)為15013—15015的測(cè)風(fēng)塔，10m高度的觀測(cè)風(fēng)速在6級(jí)及以上的α冪指數(shù)在0.06—0.14的范圍內(nèi)，10m高度的觀測(cè)風(fēng)速在6級(jí)以下的α冪指數(shù)在0.11—0.16的范圍內(nèi)。海拔在10—100m的測(cè)風(fēng)塔，10m高度的觀測(cè)風(fēng)速在6級(jí)及以上的α冪指數(shù)在0.03—0.08的范圍內(nèi)，10m高度的觀測(cè)風(fēng)速在6級(jí)以下的α冪指數(shù)在0.06—0.12的范圍內(nèi)。海拔高度在100m以上

的測(cè)風(fēng)塔15012，10 m高度的觀測(cè)風(fēng)速在6級(jí)及以上的α冪指數(shù)在0.10—0.11范圍內(nèi)，在6級(jí)以下的α冪指數(shù)在0.13—0.14范圍內(nèi)。

根據(jù)α冪指數(shù)的物理意義：反映大氣層結(jié)狀態(tài)。當(dāng)大氣不穩(wěn)定時(shí)，擾動(dòng)易于發(fā)生或加強(qiáng)，動(dòng)量上下交換激烈，上下層風(fēng)速差別變緩，α值就小。大氣穩(wěn)定時(shí)就相反，不利于動(dòng)量交換，上下風(fēng)速差別變大，α值就大。α值隨大氣的不穩(wěn)定度增加而減小，本文分析結(jié)果表明α值存在隨風(fēng)速增加而減小的特點(diǎn)。

同時(shí)，α冪指數(shù)隨地理位置變化而發(fā)生變化。海拔高度都在10 m以下，站號(hào)15001—15008的測(cè)風(fēng)塔的α冪指數(shù)值比較接近，15013、15014和15015這3個(gè)測(cè)風(fēng)塔的α冪指數(shù)值比較接近，并高于15001—15008測(cè)風(fēng)塔的α冪指數(shù)值。這些測(cè)風(fēng)站海拔高度相近，但是α冪指數(shù)存在較明顯的差別可能是于周圍的觀測(cè)環(huán)境有關(guān)系，15013、15014和15015這3個(gè)測(cè)風(fēng)塔都是位于威海的泊于鎮(zhèn)夏莊村，是山東半島東端，三面瀕臨海，全年平均風(fēng)速都比較大，一年中發(fā)生大風(fēng)的頻率也比較高，這可能是α冪指數(shù)值比較高的原因。

3不同高度風(fēng)訂正到10m標(biāo)準(zhǔn)面風(fēng)場(chǎng)

前面對(duì)測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)資料進(jìn)行處理分析，確定出不同高度風(fēng)場(chǎng)之間的擬合方程:

同時(shí)也得到不同風(fēng)塔的α冪指數(shù)值，接下來(lái)利用擬合方程把海拔高度不一的自動(dòng)站的觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)訂正到海拔10m的高度上，將訂正后的風(fēng)場(chǎng)、自動(dòng)站觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)和歐洲中心細(xì)網(wǎng)格10m風(fēng)場(chǎng)00時(shí)起報(bào)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)訂正后的10m風(fēng)場(chǎng)是否合理，來(lái)檢驗(yàn)擬合方程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在山東半島丘陵地區(qū)以及其他海拔較高的地區(qū)，訂正風(fēng)場(chǎng)比觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)更接近于歐洲中心細(xì)網(wǎng)格10m風(fēng)場(chǎng)，觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速在這些海拔比較高的地區(qū)風(fēng)速大于歐洲中心細(xì)網(wǎng)格10m風(fēng)場(chǎng)，更大于訂正風(fēng)場(chǎng)；在海拔較低的平原地區(qū)，觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)、訂正風(fēng)場(chǎng)、歐洲中心細(xì)網(wǎng)格10m風(fēng)場(chǎng)三者都比較接近。由此看出，本文的風(fēng)場(chǎng)訂正方法有一定的可靠性。

由于測(cè)風(fēng)塔沿海分布相對(duì)均勻，并且測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)場(chǎng)資料和其他測(cè)站的資料存在較好的相關(guān)性，通過(guò)其資料計(jì)算出的α值在一定的范圍內(nèi)具有代表性，周圍的自動(dòng)站可以直接使用附近的測(cè)風(fēng)塔α值。本文根據(jù)自動(dòng)站和測(cè)風(fēng)塔的經(jīng)度緯度計(jì)算它們之間的平面距離，最后選取距離自動(dòng)站最近的一個(gè)測(cè)風(fēng)塔，取該測(cè)風(fēng)塔的α值來(lái)代替自動(dòng)站站的α值，因此根據(jù)下面的公式：

式中：u1i代表第i個(gè)時(shí)間序列的某個(gè)自動(dòng)站的觀測(cè)風(fēng)速；z1i代表第i個(gè)時(shí)間序列該自動(dòng)站的海拔高度；u2i代表第i個(gè)時(shí)間序列的該自動(dòng)站訂正到海拔10m高度的風(fēng)速；z2i為常數(shù)10，代表10m海拔高度，可以計(jì)算得到需要的時(shí)間序列的海拔10m高度的訂正風(fēng)場(chǎng)。

4總結(jié)與分析

通過(guò)以上的研究，主要得到如下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)處理，確定不同高度風(fēng)場(chǎng)的訂正公式：u2/u1=(z2/z1)α，并且發(fā)現(xiàn)公式中指數(shù)參數(shù)有如下特點(diǎn)：α值隨風(fēng)速增加而減小；α的值隨地理位置變化而發(fā)生變化；

（2）利用確定的不同高度風(fēng)場(chǎng)的訂正公式：u2/ u1=(z2/z1)α對(duì)區(qū)域自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行訂正，得到10m高度的標(biāo)準(zhǔn)面風(fēng)場(chǎng)；

（3）使用該風(fēng)場(chǎng)訂正方法，可以有效的提高觀測(cè)資料的可用性，一定程度上解決業(yè)務(wù)急需問(wèn)題，并為開展海上大風(fēng)預(yù)報(bào)技術(shù)研究提供幫助。

[1]海洋石油研究所工程實(shí)驗(yàn)室,天津市氣象局,中央氣象局天氣氣候研究所應(yīng)用氣候組.渤海某處風(fēng)速梯度觀測(cè)資料的分析[J].氣象,1978,(6):38-40.

[2]曾旭斌,趙鳴,苗曼倩.穩(wěn)定層結(jié)140米以下風(fēng)廓線的研究[J].大氣科學(xué),1987,11(2):153-159.

[3]楊林.海陸邊界層氣象特征的分析[J].氣象科技,1998,(2):57-60.

[4]王日東,姜俊玲,郭衛(wèi)華,等.渤海海峽海島站與沿岸站大風(fēng)對(duì)比分析[J].海洋預(yù)報(bào),2010,27(2):22-29.

[5]王靜.青島市大氣邊界層氣候特征研究[D].蘭州:蘭州大學(xué), 2011.

Study ofw ind observation heightsof shandong coasteffect on w ind speed and how to correct theeffect

SUN Sha-sha,WUWei,GUO Jun-jian
(Shandong ProvincialMeteorologicalBureau,Jinan 250031China)

Based on the w ind data at 19 w ind towers in Shandong from January 2009 to May 2011,the correlation between the different heightw ind fields of wind towers is analyzed,and then the effectof different heightsof station onw ind isstudied,and an effective correctmethod is revealed.

differentheights;w ind tower;correct

P732

A

1003-0239（2015）06-0034-06

2015-04-16

山東省氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)項(xiàng)目(sdyby2012-19);山東省氣象局青年科研基金項(xiàng)目（2015SDQN02）

孫莎莎（1985-），女，工程師，碩士，從事天氣預(yù)報(bào)工作。E-mail:sunss-08@163.com

10.11737/j.issn.1003-0239.2015.06.005