障碍物对风速风向影响的观测试验

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1、障碍物对风速风向影响的观测试验田东霞１，２郭建侠２陈挺２关彦华３刘文忠３杨彬云３薛筝筝４（１北京市昌平区气象局，北京１０２２００；２中国气象局气象探测中心，北京１０００８１；３河北省气象局，石家庄０５００１１；４成都信息工程学院电子工程学院，成都６１０２２５）摘要随着城市化进程的加大，测站周围障碍物的存在使风观测资料失去代表性、准确性和比较性。为定量化研究障碍物对风观测的影响，开展了河北沽源构筑物观测试验，通过对比构筑物修建前后各测点的风速风向资料，分析了障碍物对风速风向的影响。分析结果显示：①障碍物对风速的衰减作用与背景风速

2、大小有关，风速越大，衰减作用越强；②背景风速在２～６ｍ／ｓ时，障碍物背风面测点风速衰减随距离增大而减小，在１０倍障碍物高度距离处平均约衰减１５％；背景风速大于６ｍ／ｓ时，背风面各测点风速衰减先增大后减小，在大约５倍障碍物高度的距离处衰减最大，１０倍障碍物高度的距离处平均约衰减２０％～３０％；③障碍物的存在使主风向的风向频率减小，对风向的影响距离为６倍障碍物高度。关键词障碍物风速影响观测试验区长度为障碍物高度的２．５～１０倍，尾流区可延伸到５～３０倍的障碍物高度。在实际观测中是否有如此的规律？１０倍的障碍物高度距离要求是否能够保

3、证风观测的准确率？为研究此问题，《地面气象要素观测环境标准研究》项目组在河北沽源开展了观测试验。本文初步分析了观测试验取得的一些数据，获得了一些有意义的结果。引言良好的气象探测环境，是获取具有代表性、准确性、比较性的气象资料的重要保证。为保证气象数据的质量，世界气象组织（ＷＭＯ）［１］规定１级站测风仪到障碍物的距离至少大于３０倍障碍物的高度，２级站测风仪到障碍物的距离至少大于１０倍障碍物高度。我国２０１２年颁布的《气象探测环境和设施保护条例》中规定了气象观测点周边的环境保护要求，其中国家基准气候站、国家基本气象站、国家一般气象

4、站与障碍物的距离，分别不能小于障碍物高度的１０倍、１０倍、８倍。在实际的观测中，常会有周围建筑物不符合要求的情况发生，测站周围障碍物对气流起到阻挡作用，加上涡流现象，会对风的观测资料产生严重的影响［２－７］。ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ，简称为ＣＦＤ）模拟研究表明［８－１３］障碍物的形成改变了其周围的流场分布，气流垂直方向的爬越和水平方向的扰流，使得在建筑物后形成了空腔区和尾流区，其尾流很容易顺风扩展到相当于障碍物高度的１２倍或１５倍处［１４］。风洞试验得到的经验结论认为［１５］，腔试验方案１试

5、验地点选在河北省沽源县的一片开阔的草原地带（图１ａ），周围１ｋｍ范围内没有建筑物，且无人为影响。观测试验从２０１２年８月１６日开始，首先进行一致性观测，９月６日开始建设１５ｍ高，５０ｍ长，３ｍ宽的构筑物（图１ｂ），１２月２日构筑物建设完成。根据沽源气象局近几年风玫瑰图显示，主导风向冬季为西北风，夏季为南风，因此本试验主要捕获西北风和南风资料。重点分析冬季数据，西北风方向试验仪器布局如图１ｃ。距离构筑物西３００ｍ处的自动气象站１作为参考站，构筑物下风方向４５ｍ、７５ｍ、９０ｍ、１２０ｍ和１５０ｍ距离处分别布置自动气象站２、站３、

6、站４、站５和站６。ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｑｘｋｊ．ｎｅｔ．ｃｎ气象科技公益性行业（气象）科研专项（ＧＹＨＹ２０１１０６０４９）资助作者简介：田东霞，女，１９８９年生，硕士，主要从事大气探测研究，Ｅｍａｉｌ：８７６４０１６６３＠ｑｑ．ｃｏｍ收稿日期：２０１３年７月１６日；定稿日期：２０１４年１月２６日气象科技第４２卷８８２图１试验场卫星图（ａ）、试验场（ｂ）、测点布局图（ｃ）与参考站的风向一致性较好（图２ｂ）。而通过统计数据可知，构筑物建成后，风速大于３ｍ／ｓ的数据占到总数据的５５．７％，占西北风数据的７２．０％。根据温度梯度Δ

7、Ｔ方法［１６］计算１２月２日到３月６日所有风向数据的平均温度递减率，结果显示晚上大气层结为弱稳定，白天弱不稳定，整体上大气层结接近中性，白天、夜间障碍物对风的影响差异不是很显著（图略），风速分析采用所有的数据，风向分析采用风速大于３ｍ／ｓ的数据。数据处理方法２对构筑物建设前各测点与参考站１风速风向进行一致性检验（采用８月１６日到９月５日所有风向的数据），如图２。通过一致性检验发现，各测点与参考站风速有着较好的一致性，风速差维持在２ｍ／ｓ以内（图２ａ）；各测点风向在风速小于等于３ｍ／ｓ时，偏差较大，甚至有些风向差接近１８０度，大

8、风速下，风向差接近于零，说明各测点在风速大于３ｍ／ｓ时图２构筑物建成前各测点一致性检验：（ａ）风速差，（ｂ）风向差在时间序列趋势分析中，Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ检验［１７］是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法。对于具有ｎ个样本量的时间序列ｘ，构造一秩序列：１ｘｉ＞ｘ