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1、第16卷第1期高原气象Vol.16No.11997年2月PLATEAUMETEOROLOGYFeb.,1997短论①平均风向的计算方法及其比较②邱传涛李丁华(中国科学院兰州高原大气物理研究所,甘肃省兰州市730000)摘要常用的平均风向4种计算方法分别是算术平均法、标量平均法、单位矢量法和矢量法,利用实测资料对各种方法的计算结果进行比较,结果表明:算术平均法加大了偏南风的比重;标量平均法在风向变化360°时有可能出现较大的误差,在应用时须加以注意;单位矢量法与矢量法的结果比较一致,且不需风速的同期观测资料,是一种比较好的方法。关键词平均风向计算方法中图法分类号P425在大气边界层和大气扩
2、散的研究中常会用到平均风向的概念,即一段时间内气流的平均运动方向。因为它是一矢量,所以用矢量法求得的风向是比较合理的,但是用矢量法求风向必须有风速的同步观测资料。用于大气扩散研究的动力学模式中需要利用风向、风速和稳定度的综合概率分布计算污染物的长期浓度分布。近年来,随着计算机技术的发展,利用数据采集系统进行自动观测越来越普遍,这就需要一种计算方法对所采集的风速、风向资料进行处理,或在采集过程中进行处理,以减少资料的输出量。本文给出了常用的求平均风向的4种计算方法,即算术平均法、标量平均法、单位矢量法和矢量法,并对各种方法进行了比较。1资料说明本文所用资料来自于进行大气环境评价时地面风场的
3、测量资料。风传感器为美国RMYOUNG公司的27005J—GillUVW三维风传感器。数据采集器为CAMPBELL公司的CR—7型。测量地点为陕西省洛川县交口河镇,共取得30min平均风速大于0.3mös的有效资料400组。2平均风向的计算方法(1)算术平均法是一种最简单的计算方法:①收稿日期:1996-01-26;改回日期:1996-08-20②第一作者简介:邱传涛,男,1962年9月出生,助理研究员,主要从事于大气环境影响评价的研究1期邱传涛等:平均风向的计算方法及其比较95N1Aa=×∑AiNi=1Aa是简单的算术平均风向,Ai为第i个风向样本的风向方位角,N为样本的个数。〔1〕(
4、2)标量平均法是由美国环保局(USEPA)推荐使用的一种方法:N1As=×∑DiNi=1其中:Di=Ai当i=1时Di=Di-1+Di+360当Di<-180,i>1Di=Di-1+Di当Di<û180û,i>1Di=Di-1+Di-360当Di>180,i>1Di=Ai-Di-1当i>1对于Di=180,i>1的情况,Di没有明确的定义,As为风向的标量平均。(3)单位矢量法的计算方法如下vvAu=arctan(UöV)其中:Nv1U=×∑sin(Ai)Ni=1Nv1V=×∑cos(Ai)Ni=1vvAu为单位矢量的平均风向,U为单位风速矢量在东西方向上的平均分量,V为单位风速矢量在南
5、北方向上的平均分量。(4)矢量平均风向即平均时间内风矢量的合成方向,其计算方法为{vAv=arctan(XöY)N{1X=×∑Sisin(Ai)Ni=1Nv1Y=×∑Sicos(Ai)Ni=1{vSi为第i个样本风速矢量的模,X为风在x方向(东—西)的平均风速,Y为矢量风在y方向(南—北)的平均风速。3各计算方法之间的关系3.1算术平均法与标量平均法标量平均法与算术平均法之间没有本质的区别,在转动角每次都小于180°且整个时段内的总变化量不超过360°的情况下,这两种算法得到的结果是相同的。此时有D1=A1当i>1时,96高原气象16卷Di=Ai-DiDi=Di-1+Di=Ai3.2单位
6、矢量法与矢量法如果假设风速与风向不相关(在复杂地形条件下也许不成立),则有N{1qvX=×∑Sisin(Ai)=S×UNi=1同理:vqvY=S×V于是得Au=Av也就是说在风向与风速不相关的条件下,单位矢量法与矢量法所求得的风向是相同的,而在风向与风速相关的情况下两种算法的差别取决于风向与风速的相关程度。4各种计算方法的比较图1至图3为各种计算方法统计结果的比较。统计平均时间为30min,x和y坐标分别表示各种方法的统计结果,单位为度。4.1单位矢量法与矢量法图1是单位矢量法与矢量法计算结果的比较,其相关式为Av=0.9414Au+8.5217r=0.9424由此可见,这两种算法的结果
7、比较一致。也说明风向变化与风速不相关的假设基本上是成图1单位矢量法与矢量法的比较立的。并且单位矢量法最大的优点是它不需Fig.1Comparisonofthevector要风速的同步观测资料,资料处理比较简单。andunitvectoralgorithms.以下只给出算术平均法、标量平均法与单位矢量法的比较结果。4.2算术平均法与单位矢量法图2为算术平均法与单位矢量法的比较,其相关式为Aa=0.8541Au+70.9926,r=0.
