（气象学专业论文）基于gis的重庆市风速空间扩展研究.pdfVIP

基于g i s 的重庆市风速空间扩展研究 摘要 本文利用重庆及其周边地区的常规气象站的1 9 5 1 - - 1 9 8 0 年3 0 年的风速平 均资料，针对复杂地形风速诊断，以地理信息系统为数据处理平台，根据重庆1 ： 2 5 万d e m 数据，来获得重庆市实际复杂地形的高程。提出了一种适合于起伏地 形的权重内插方法，通过引入一个表示地形起伏变化程度的因子，构造了种 新的权重函数，来处理复杂地形上的风速，通过与只考虑距因素同反平内插方 法比较发现，本方法更适合在起伏地形条件下使用：然后根据经验公式在地形 上进行计算，得出重庆地区起伏地形下的风速分布：得出重庆市的西部、中部平 原地带风速较小，而北部山区随海拔高度升高风速也较大：重庆市风速最大时 期为四月份，冬季一月份最小，夏季( - f i 月份) 大于秋季( 十月份) 。由重庆市 1 ：2 5 万d e m 计算了l o o m 1 0 0 m 网格点的坡向，由此计算了不同风向下的精细 风速分布图，为重庆地区农业气候区划提供可参考的基础资料。 关键字：重庆市风速起伏地形地理信息系统 a b s t r a c t t h i s p a p e r b a s e do nt h e3 0y e a r s ( 1 9 5 1 - - 1 9 8 0 ) a v e r a g e w i n dd a t eo f m e t e o r o l o g i c a l s t a t i o n si nc h o n g q i n ga n di t sr o u n d i n ga r e ai n c l u d i n gs i c h u a n h u b e ie t c i ta i m e da tt h ew i n do f r u g g e dt e r r a i n s ，w e u s eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e md a t ep r o c e s s i n gp l a t f o r m ，i t c a ng i v eu sp r e c i s i o ne l e v a t i o nf r o md i g i t a l e l e v a t i o nm o d e l ( d e m ) d a t a ，av e c t o ri n t e r p o l a t i o nm e t h o df o rc o m p l e xt e r r a i ni s d i s c u s s e di nt h i sp a p e r an e w w e i g h t e df u n c t i o ni ss u g g e s t e dh e r ew h i c h i n c l u d e sa f a c t o ri n d i c a t i n gt h ec o m p l e x i t yo ft h eh i l l yt e r r a i n c o m p a r i s o no ft h ew i n df i e l d i n t e r p 0 1 a t e db y 协i sm e t h 。dt 0 t 1 1 a t i n t e r p o l a t e db ym e 形2 m e m 。dw h i c h 。n l y c o n c e r n st h ed i s t a n c ev a r i a t i o n i sm a d e i ts h o w st h a t ，o v e rah i l l y t e r r a i n ，t h e s u g g e s t e dm e t h o di s m o r ee f f e c t i v et oe x c l u d et h eo b s e r v a t i o np o i n t s d i s t u r b i n g c o m p u t i n ge s t i m a t i n g r e s u l t s s i n c et h e s u g g e s t e d m e t h o dm a k e sa s i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n ti n w i n ds p e e d ，i ti sm o r es u i t a b l ef o rw i n df i e l de s t i m a t i o no v e r c o m p l e x t e r r a i nt h a no t h e rm e t h o d sw h i c h o n l yc o n c e r n st h ee f f e c to fd i s t a n c e t h e n w ec a l c u l a t et h ew i n dc h a n g ew i t he v a l u a t i o n ，l a s tw ec a l lc o n c l u d et h ew i n da b a s e t h eh i l l yt e r r a i n ，w ef i n dt h ew i n di nw e s t w a r da n dc e n t e rp l a i ni sm u c hs m a l l e r t h a no t h e ra r e a w h i l et h ew i n di nn o r t h w a r dh i l l ya r e ai sm u c h b i g g e rw i t h t h eh i l l y a r i s i n g t h e w i n do f c h o n g q i n g i s t h eb i g g e s t p e r i o d i ns p r i n g ( a p r i l ) ，t h es m a l l e s t p e r i o di i lw i n t e r ( j a n u a r y ) , t h e w i n di ns u m m e r ( j u l y ) i s b i g g e rt h a n i t si na u m m n ( o c t o b e r ) w ea l s ot a k ei n t oa c c o u n t t h er e l a t i o no f w i n dd i r e c t i o na n d h i l l ya s p e c tt o c a l c u l a t et h ew i n da c c u r a t ed i s t r i b u t i o ni nc h o n g q i n gf o rd i f f e r e n tw i n dd i r e c t i o n t h en e t w o r k w a r e sh i l l ya s p e c td a t ei sc a l c u l a t e dw i t ht h ec h o n g q i n gd e m ( 1 0 0 m 10 0 m ) i tc a n p r o v i d eb a s ed a t u m f o rc h o n g q i n g a g r i c u l t u r er e g i o nc o m p a r t m e n t k e yw o r d s ：c h o n g q i n gc i t y , c o m p l e xt e r r a i n ，w i n ds p e e d ，d e m 4 第一章引言 11 风场分布研究的目的和意义 1 1 1 研究的目的和意义 风是空气运动的表征，它输送着不同属性的气团，产生热量和水分的交换， 对天气气候的形成和变化有着重要的作用，同时对经济建设和人民生活存在直 接影响。山区风的状况，比之山区温度、湿度分布要复杂的多 1 ，这是与地形 对气流的动力和热力作用分不开的。巨大的山系( 如天山、秦岭) 可阻挡气流 的运动，起到气候分界线的作用，而中小地形则能使气流的速度和方向发生改 变。所以在地形复杂地区，风系往往十分紊乱，局地实际风与地转风有很大偏 离。山区风场的特殊性直接影响动量、热量、水汽以及污染物的输送，进而影 响到山区的其它气象要素分布，于是就直接、间接地影响到山区的工农业生产。 大地形对气流运动的作用主要有两个方面：是阻挡作用；二是引导作用。所 以分析山区风状况，对开发气候资源有实际意义。 早期人们对山脉可影响风速发生兴趣是通过载人气球飞行引起的，特别是 v a nf i c k e r ( 1 9 1 3 ) 的那次飞行；应向山顶风速的两个基本因子作用是截然相 反的，山区气流在垂直方向上被压缩可产生加速度，而摩擦作用是阻力所以山 区的风比较复杂。 随着社会水平和文明程度的提高，人们对自己生活的自然环境开始给与越 来越多的关注。城市内的空气污染问题，及城市小区的通风问题都同风的流场 有关。在复杂地形条件下，流场和湍流场比平坦下垫面时要复杂 2 、 3 ，这除 了与地形对气流的机械动力作用有关外，在非中性层结时，还与地形的热力作用 密不可分。高大地形可以阻挡气流运动，使气流的速率和运动方向发生改变，产 生停滞撞山和绕流、回流、爬升、下沉等运动。这些运动叠加在原来运动上将 使得风场复杂化，从而很难用少数点上的风代替整个区域的风场，也使得通过观 测研究复杂地形下的流场产生了一定困难。同样，由于山地对气流的强迫抬升、 下沉和阻挡作用，使风速的水平切变和垂直切变加强，湍流的机械产生率加大， 从而湍能增大；另一方面，由于复杂地形对大气的加热或冷却作用会加大或减小 湍流的热力产生率，使复杂地形附近的湍流运动更加复杂，而且不再是均匀平稳 湍流。所以研究风场的分布就尤为的重要。再者山区的风的分布同火的蔓延有 直接的关系 4 ，在森林遭受的各种灾害中，以森林火灾最为严重，它不仅对我 国林业生产和国民经济造成严重的损失，而且会对我国已经十分脆弱的生态环 境带来严重的破坏，因此森林防火工作具有十分重大的意义。不同强度的林火 蔓延方向、方式和速度取决于火的强度和风场；因而要很好得做到防火就必须 详细知道风场的分布情况。 在许多场合，风电场可能选定在地形复杂的山地、很多建筑物需要设置在地 形起伏的山顶或山坡上，这些地点的风速大小必须通过实地勘测来确定，袁春红 等 5 对较大范围风电场内，根据地形、地表粗糙度、障碍物等影响，各不同位置 风速必然有一定的差异，利用少数测风资料为基础，采用数值模拟可以对不同地 形条件上的不同地点风速大小进行客观定量的分析，对全面了解这一区域风速 的分布状况和风电场的风能资源情况提供有效的工具。 当对流性系统如强雷雨、飑线等引起的局地性大风，具有很大的破坏力。由 于气象观测点的布局所限，往往不能测定灾区的最大风速。随着社会经济的蓬勃 发展，很多单位和个人在遭受风灾后都要求气象部门为其提供实况资料的证明， 林务荣 6 对如何科学地估算灾区的最大风速进行了探讨。 所以综上所述，无论从我国的国民经济，人民生活环境状况，还是减少灾 难风场的分布对我们是特别重要的。同时随着气候资源的开发和利用，对气候 要素的分布迫切要求有详细而清楚的认识，气候要素的推算一直为学术界和应 用部门所热衷探讨的。而风场的推算目前不是很多，希望我在这方面作个初步 的探讨为其以后的发展起个抛砖引玉的作用。 12 国内外研究综述 1 2 1 国外研究状况 山地风速的最重要特征与其说是与它们的高度影响有关，还不如说与他们 所在的地形影响有关。尽管如此，人们对高度影响作一简要地说明还是必要的。 通常人们预料在中高纬度地区，风速平均随高度而增加。这是由全球西风带特 征所决定的。 目前国内外在这方面做了大量的工作；早期运用数值模拟方法研究过山气 流见t a y l o r 和g e n t 7 的工作，他们指出：气流过山时由于山体地形的扰动， 气流将分为内外两层，外层假设是无粘的，内层则湍流输送起主要作用，并由 经验公式给出内层厚度。根据这个假设，j a c k s o n 和h u n t 8 还用解析方法导得 了二维理想地形条件下，计算气流速度、气压、应力扰动量的最大值公式，常 称其为j h 理论。此后以它为基础建立了一些数值模式，并取得了许多有意 义的模拟结果，尤其是关于平均流场的理论处理比较成功，由于j h 理论处 理的是线性问题，缺少对湍流、应力变化的细致描述，为了详细了解过山气流 的湍流结构和应力变化，并避免人为地将气流分为两层，许多学者用有限差分 的方法模拟二维地形的过山气流。1 9 7 6 年y t z h a om a h r e r 和r o g e ra p l e l k e 9 利用三维的非静力p b l 模式来模拟流场，来说明地形对风场的影响：主要集中在 对局地风系的研究：海陆风和山谷风方面，e s t o q u e ( 1 9 6 1 ) ，m c p h e r s o n ( 1 9 7 0 ) ， p i e l k e ( 1 9 7 4 ) 和e s t o q u e ( 1 9 7 6 ) 等作了很多有关海陆风的观测和数值模拟研 究 1 0 一1 4 ；a n t h e s 和w a r n e r 1 5 ( 1 9 7 8 ) 建立了适合于讨论空气污染等中尺度 天气问题的数值模式，m a c h r e r 和p i e l k e 1 6 1 7 的复杂地形上气象模拟模式，这 类三维中尺度模式包含的物理过程多，对初始资料及计算机条件要求高，当时主 要用于理论研究；加拿大w a l m s l e y 等 1 8 人研制的g u i d e 模式，考虑不同地形和 地表粗糙度对山顶风速的影响，并针对在实际工作中资料的选取情况，来模拟复 杂地形风速：m a n n o u j i ( 1 9 8 2 ) 和s a nf i a n g g u oa n de r r e i t e r ( 1 9 8 3 ) 等对 山谷风进行了数值模拟的研究 1 9 一 2 1 ：这些动力模式都是用数值方法求解 具有特定边界条件的大气运动方程组，称为动力学初始化方法或预报方法；方程 幂的数值都是天气值； 1 2 2 国内研究状况 国内对p b l 模式研究的；国内较早在这方面研究的是南京大学的王卫国和蒋 维楣，1 9 9 4 年采取细网格非静力二维高阶闭合模式对山体流场特征的模拟分析； 1 9 9 6 年王卫国、蒋维楣 2 2 建立了一个非静力的三维细网格边界层模式，对青 岛地区复杂下垫面条件下边界层结构和湍流特征作了数值模拟，采用能量闭合 方案，模拟了该区风场和湍流场；1 9 9 6 年8 月王卫国和蒋维楣 2 3 对三维细网格 边界层模式，分别采用静力与非静力模式和不同闭合方案对p b l 来模拟。结果表 明，对起伏地形，采用非静力模式是必要的，且能量闭合比k 闭合较好地表征湍流 扩散：薛敏、袁春红、薛桁等 2 4 运用风场的空间相关，选取江苏省如东气象 站和太阳滩观测点，在考虑风向以及不考虑风向的条件下，分别对两个站点作相 关分析，并建立回归方程。在考虑风向时，分别采取1 6 个风向方位和4 个风向方位， 并用两者短期的风速资料找出相关关系，进一步估算太阳滩的长期平均风；朱瑞 兆、孟庆珍、曹宗胜等对地面年极值风速的概率分布情况描述， 2 5 - 2 7 针对不 同情况，不同地区其分布函数效果项不相同：陈启新 2 8 研究地形倾向对不同 风向的多年平均最大风速随高程变化的影响量，以供工程设计中引用气象台( 站) 观测风速时，根据工程所在地的实际情况进行风速的地形高差改正参考。 而现代空间信息技术的发展，尤其是地理信息系统、遥感科学与技术的发 展，为我们获得地理参数提供了先进的手段，6 r a n i e r 2 9 、w i l l i a m s 3 0 、 d o z i e r 3 1 、 3 2 、b o c q u e t 3 3 、李新 3 4 等先后尝试利用数字高程模型( d e m ) 计算山地太阳辐射的理论研究和区域试验，为起伏地形下太阳辐射提供了新的 思路。文献 3 5 ，邱新法用全国1 ：1 0 0 万d e m ，以i k m l k m 的分辨率系统的探 讨研究了起伏地形下，全国起伏地形下的天文辐射、地理可照时间、直接辐射、 散射辐射的空间分布，取得了成功，提出了一系列的起伏地形下太阳辐射资源 空间扩展的分布式模型。文献 3 6 ，采用1 ：2 5 万重庆市d e m 数据，探讨和研 究l o o m l o o m 分辨率下的重庆市起伏地形下的太阳辐射资源的空间分布，包括 地理可照时间、天文辐射、直接辐射和散射辐射的空间分布，为重庆市农业气 候资源区划提供了基础资料，也为重庆市经济开发提供科学依据。同时也为相 应比例尺全国各省、市农业气候资源区划进行的气候资源空间分布提供可参考 的方法。根据此方法探讨和研究l o o m xl o o m 分辨率下的重庆市起伏地形下的风 场分布。 第二章研究区域状况及资料来源 2 1 研究区域状况 重庆目前是我国面积最大、行政辖区最广、人1 2 1 最多的中央直辖市。全市幅 员面积8 2 万平方公旱，辖原重庆市和万县市、涪陵市、黔江地区的4 3 个市区县 卜l 为重庆市行政区划图。 图1 - 1 重庆市行政区划图 重庆市位于中国西南部，是青藏高原与长江中下游平原的过渡地带，长江上 游三峡库区及四川盆地东南部。地跨东经1 0 5 。l l l l l o 。1 1 、北纬2 8 。1 0 一3 2 。1 3 之间，东西长4 7 0 千米，南北宽4 5 0 千米，总面积8 2 万平方千米，东邻湖北、 湖南，南接贵州，西靠四川，北连陕西。重庆辖区内地形高低悬殊、地貌复杂， 主要有4 个特点：一是地势起伏大，层状地貌明显。东部、东南部和南部的地 势高，最高处大巴山的) l i n g 岭海拔2 7 9 6 8 米，大多为海拔1 5 0 0 米以上的山地： 西部地势低，最低处巫山长江水面海拔7 3 1 米，大多为海拔3 0 0 4 0 0 米的丘陵。 二是地貌类型多样，以山地、丘陵为主。全市地貌形态类型有中山、低山、高 丘陵、低丘陵、缓丘陵、台地和坪坝等8 大类。三是地貌形态组合的地区分异 明显。华山至方斗山之间贝j 为平行岭谷区；北部为大巴山山区。四是喀斯特地 貌大量集中分布，地下河地表喀斯特形态发育均佳。图1 2 给出重庆市1 ：2 5 万数字高程模型。 图1 - 2 重庆市1 ：2 5 万数字高程模型 重庆位于北半球副热带内陆地区，属中亚热湿润季风气候类型，其气候 特征为：( 1 ) 重庆夏热冬暖年平均气温为1 8 6 。c ，1 月份气温最低，月平均气温 为7 。c ，7 月至8 月份气温最高，多在2 7 3 8 。c ；( 2 ) 降水量充沛、时空分配 不均，由东向西北逐渐减少，且随海拔增高而增多：夏季占年降水量4 0 一5 0 冬季只占4 一5 ；夏季多暴雨，又受青藏高压和副热高压的影响，7 、8 月份常 出现3 0 5 0 天的干旱。( 3 ) 秋多阴雨，冬多云雾，曰照时数少，是中国日照最 少城市之一。( 4 ) 重庆为四川盆地的东部，其三面环山，沟壑纵横，尤其是北 部岷t h u d 大巴山的阻挡，因此风速较小，是全国的小风区全年年平均风速仅为 l - 3 米秒。 2 2 资料来源 本文所用的风速资料是来自于国家整编资料3 0 年平均的风速资料，时间为 1 9 5 0 - - 1 9 8 1 年，重庆地区的3 5 个台站，为使重庆周边插值结果精确，另取周边 的四| f 、湖北的8 个台站。 第三章研究方法与思路 所谓大地形是泛指巨大的山脉、高原盆地等地形类别。大山脉对气流运动 的作用主要有两方面：一是阻挡作用，在我国东西走向山脉阻挡作用明显的是 天山、秦岭、南岭等对盛行气流起着重要阻挡作用 3 7 3 8 ，而南北走向山脉 对气流阻挡作用不及东西山脉明显，主要有武当山、武陵山、雪峰山等这些山 脉的两侧风速大小有明显的区别，充分说明了巨大山脉对气流的阻挡作用；二 是风的爬坡效应；三是风的绕流；四是狭管效应，这科时风速将大大加强，可 以形成局地大风。因此风速同山地实际地形之间的作用变化复杂，很难用数学 模式表示它的轮廓 3 9 。任何带有很多假定条件的关于山地风速的理论模式一 般都只能是定性地阐述山地某种特殊地形下风状况的基本特点，针对重庆地区 山区广而复杂的特点，我们选用了插值方法，以下是我们方法的分析： 3 1 插值方法 常用的风场内插方法通常在诊断模型中使用得较多的内插方法为权重内插 即根据当时测得的气象资料，采用一定的权重函数内插求得未知点的风矢量。在 权重函数w 选取时主要考虑的因素是待求点与测站之间的距离的大小，如： t n ： 鼎r z - fi ”t r ( 7 ) = l刊 一“ 【o， r ( 1 ) ( t ) = l ， 其中，r 为待求点与测站之间的距离；r 为影响半径，它表示超过这一距离的测 站，对网格点上的取值已经没有任何影响；m 是大于1 的整数。由所示权重函数 可以看出，这类内插方法中，测站离待求点越近，权重越大。显而易见，上述仅以 距离作为权重因子的插值方法，没有考虑地形的起伏变化对风场的影响。另 外，y i z h a k f e l i k s 4 0 等人提出了一种优化的风场矢量内插的方法；余琦 4 1 利 用此方法对局部地区风场进行了模拟，效果较形2 要好；在这种方法中，除了 在权重函数w 选取时主要考虑的因素是待求点与测站之间的距离的大小外，为 了考虑地形起伏的影响，在权重函数中还增加了一个反映地形起伏变化程度的 因子h ，即权重函数取如下形式： w ( 啪) = 去 其中r 的含义为待求点与测站之间的距离的大小，指数a 和b 为非负数，h 则表 示气象测点与待求点之间地形高度变化的总量。 假设在点1 和5 之间的地形起伏变化如图1 所示，在它们之间还有4 个网 格点。若要求点1 和点5 之间的h 值，需要将这些点之间的地形高度变化值累 加。若表示从点f 到点j 的高度变化总量，用z f 表示点f 的高程，则5 的计 算方法如下： h i5 = h i 6 + h 6 2 + h 2 3 + 呜4 + 么5 其中 = j z ，一z j 图1 两点间地形起伏示意图 f i g 1r i s i n ga n df a l l i n go f t e r r a i nb e t w e e n tt w op o i n t s 由r 和h 的定义可知，用r 和h 这两个量的大小，可以表示气象测点和待求 4 点之间的地形起伏变化。根据地形起伏变化的大小，将气象测点分为如下几组 坡 i 组：，和h 都较小，表示与待求点距离很近且其间地形平坦 i i 组：r 较大，h 较小，表示与待求点距离较远但其间地形平坦 i i i 组：r 较小，h 较大，表示虽然与待求点相距很近，但它们之间可能有陡 组：r 和h 都较大，表示与待求点相距较远，且其间地形起伏多变，也 可能有陡坡。 通过定性分析可以知道，上面4 组测点与待求点的相关性应该是递减的。如 果能用权重函数把它们的重要度区分开，就从一定程度上表示了地形起伏变化 的大小。这一点可以通过式( 2 ) 所示的权重函数来实现。 分析得知，通过该函数，可以将i 和两种情况与其他情况区分开来， 对a 和b 的大小没有特殊要求；为了区别1 1 和两种情况，将距离因子和地 形起伏因子归一化，式( 2 ) 所示权重函数变为如下形式： 曲， ) 2 瓦刀i 万 其中a x 和h m a x 为所有r 和而的最大值。为了使i i 组测点的权重值小于 组测点，采用式( 3 ) 形式的权重函数时，应取指数b a 。综上所述，通过采用式( 3 ) 形式的函数并令b a ，可以使得上述4 组测点的权重依次减小。 首先计算每个观测点的内插风矢量，如式所示： w 甜o b ，= l w ， w ，v 产 v = 型_ 一( 4 ) 月 、7 w ， = 1 j i ，i = 1 , 2 ，即，j = 1 , 2 甩 其中”；如、v ；缸和甜；“、v 尸分别是实测和计算的每个点的水平风的两个分量 ( “为东西分量，v 为南北向分量) ，w 为赋予每个参考点j 的权重，n 为同未 知点相关点的总数；下标f 为待求点的序号，下标为参考点的序号。 对于重庆地区各季最多风向的分布和年最多风向大体一致，地面盛行基本 为北风 4 5 ，为此对整个重庆地区取同一风向，这样的话插值计算过程中就简 化如下形式即在插值的计算过程中就不需考虑风向，则方程( 4 ) 简化为 w ，“产 ，= 1 3 2 插值方法比较 肝w ，= 1 我们用( 1 ) 式和( 5 ) 式对重庆地区气象站点的实际观测风速值进行检验， 分别用古和杀方法，发现当叠代a 一：，e = ，时，计算结果如下表表示：误 差在2 5 以内，比如 表l 风速实测和计算值的比较 上述结果表明( 5 ) 式的方法是可行的，而且加入了地形起伏高差因子，所以 较 更符合起伏地形的风速差值，因此我们可以以地理信息系统d e m 数据为数 r 6 据处理平台，利用网格点上的高程值，以及网格点的经纬度来实现距离，来实 1 现y2 ，3 方法的差值。同时用a r c g i s 里直接提供的反距离平方法来获得普通 rn 的插值，这样我们就可以得到不同插值的结果。由于插值是适合在同一平面上 的，我们没有考虑海拔高度的变化，而风速随高度是变化的，即风速随海拔高 度的变化，下面即将讨论这个问题。 3 3 海拔高度的影响 正如在自由大气中风速随着离地高度向上增大一样，在山地，坡地上的风 是随着地方海拔高度抬升而增大的。为了反映纯粹海拔高度的影响，一些文献 分析了山区风速与海拔高度的关系，并给出了关系式，文献 3 7 】选取了全国1 6 个附近有平地观测站作对比的山顶观测站的风速资料，求出山顶风速, 与山下 平地风速“n 的比值上旦与二者相对高差h 的关系，得到方程：一u ：口一钯m 。 “0“0 对式中的口、b 、c 、三个经验常数在不同山区，由于地形、气候等因素的影响 而有不同。由此可见，由于山的性质( 如山的形状、坡度陡缓等) 不同： 如一u ：3 6 2 2 e - o 0 0 1 1 3 h ( 6 ) “0 如一u ：2 8 1 1 4 e - o 0 0 9 8 h ( 7 ) “0 文献 4 2 认为气流在近地气层中运动，由于受下垫面摩擦和热力条件的作 用，是高度湍流性质的。在对于较高的一层( 譬如说1 0 0 米以上) ，是符合简单 的乘幂律( 8 ) 式，所以我们采取( 8 ) 式来描述风速高度变化的廓线方程，即： 幂指数模式： “= u i ( 三) 9 ( 8 ) z i 甜、分别为z 、z l 高度上的风速，“l 在为形2 矗3 的插值结果t 乙在取重 庆市所有测站平均海拔高度3 0 0 m ，在这儿由于我们研究的气候平均值根据重庆 1 7 市实测风的气候平均资料，取同一坡向随高度变化的风速来拟合，得到幂指数 p = o 6 4 ，这同文献【4 3 、【4 4 】对p 值在浙江大和河南竹园沟风的幂指数分别为 o 5 、0 6 ，相比基本一致。 由此，在分析计算重庆市l o o m x1 0 0 m 网格风速分布时由( 3 ) 、( 5 ) 式与( 8 ) 式构成重庆市风速分布式模型其流程图如下。其中危是已知点分别同其它最近 点之间的起伏因子大小，由于我们选取五个插值点，在计算过程中求取( 3 ) 式 即每个网格点上起伏程度的因子是最为困难而复杂的过程，在此我们根据实 际气象台站点的情况来选取与未知点距离最近的5 点，但对总像素数为8 2 5 万 的网格点来说，其计算过程是一步非常耗费机时的复杂过程，但在p c i 软件支 持下，该方法仍是可行的。因此我们采取以上幂指数函数的形式来计算风速。 下图为起伏地形下风速扩展流程图： 9 第四章重庆市起伏地形风速空间分布 根据重庆市1 ：2 5 万的d e m 数据，网格点大小为l o o m l o o m ，采样间隔 1 。m l 。o ，用考虑地形的南插值方法，再根据风随海拔高度的变化，我 们计算重庆市1 、2 、1 2 月，各月平均风速的精细分布。 4 1 重庆市一月份风速分布 图4 ，1 重庆市一月份平均风速空间分布( 单位：0 1 m s ) 图4 1 是重庆市一月份风场分布，风速大小变化于0 5 6 6 米秒，小值 区主要位于西部、中部平原地带，其风速一般在1 o 一2 0 米秒之间，局部地 区可以达到3 0 米秒左右：但重庆市大部分地区都在2 7 米秒以下，这同重 庆市为四面环山的地形有关，大值区主要分布在重庆市东北部山区；通常在东 北部山区的海拔高度为2 0 0 0 米以上，风随高度的变化比较明显。 6 0 0 0 0 5 0 0 0 0 4 0 0 0 0 3 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 高目导；高 警 慧i 女 一 n 墨i i ，oi ： “i 鞴；l 戮。、 一 蛰 _ 琏i 繇“ 图4 2 重庆市一月份风速场分布网格点统计图 上图是重庆市一月份风场网格点分布图，上图纵坐标为网格点数目，横 坐标为风速大小( 单位：o 1 米秒) ，由图上可知重庆市大部分地区一月份的 风速主要集中在0 5 2 6 这个范围内，风速大小为1 3 米秒的网格点为最 多6 0 万个像素，占总像素( 8 2 5 万) 点的7 3 ，也就是说一月份7 3 重庆地 区的风速为1 3 米秒；风速大于4 7 米秒的网格点很少，这同重庆市为小 风区，是相符的：最大值为6 6 米秒，最小值为0 5 米秒，平均值为1 9 7 米秒： 4 2 重庆市四月份风速分布 重庆市四月份平均分速是全年最大的风速时期，其大小变化范围为 0 6 8 3 米秒，大值区主要集中在东北部山区，从图上可以看到偏红颜色的 点较一月份多，颜色也较重，东北部高山大于西部平原地带、中部丘陵。重 庆的中西部平原地带，海拔较低、地形隐蔽，风速最小，都在1 3 米秒以下， 而高d j 2 _ i - ，地高风急，可以达到5 米秒以上，在城口、巫山的高山里风速 可达8 米秒。 图4 3 重庆市四月份平均风速空间分布( 单位：0 1 m s ) 下图是重庆市四月份风速场网格点分布图，由图可知：全区集中像素点 对应的风速为2 1 米秒，大约为7 0 万个像素点，占总像素点的8 5 ：风速 超过6 3 米秒的像素网格点很少，但比一月份较大像素点还是多，风速最大 值为8 3 米秒；最小值为o 6 米秒，所有像素网格点的风速平均值为2 5 5 米秒；较一月份大。 8 0 0 0 0 6 0 0 0 0 4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 高； 寸l r j 。 2 口 蒺菱弧瀚ll l 瀵il 黯： 刊 i i 、 照 蝗，；霆 一。 图4 4 重庆市四月份风速场分布网格点统计图 4 3 重庆市七月份风速分布 图4 5 重庆市七月份平均风速空间分布( 单位：0 1 m s ) 图4 5 是重庆市七月份风场分布图，从图上可知七月份比一月份风速要大 但较四月份小，大小值的分布区域基本一致；其风速的变化范围为0 5 米秒 到8 1 米秒，虽然最大值较大，但其大值区域却很少，同样存在重庆市东北 部山区里。 i 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 一 型呈 高岛导 可 j瓢 矗囊 粼!隰i | | 颡l鹣l 黼 摧 冀l。滋 幽4 6 重厌市七月份风速场分布网格点统计图 从上图七月份风速场分布网格点统计图来看，七月份重庆地区网格点像素集 中在1 9 米秒，大约为9 0 万个像素点，占总像素点的1 0 9 ；较一月份1 2 米秒大0 7 米秒，而比四月份2 1 米秒要小0 2 米秒；其最小值为0 5 米 秒，最大值为8 1 米秒，所有像素点风速平均值为2 3 5 米秒； 4 4 重庆市十月份风速分布 下图4 7 是重庆市十月份风场分布图，从图上我们可知其大小值分布区域同 l 、4 、7 月份分布一致，但其颜色要比四月份浅很多，其风速大小范围为0 4 米秒到7 1 米秒，从最大值风速来看，十月份风速要比四月份、七月份小但 仍比一月份风速大；但整体平均风速十月份同一月份相当；都是全年小风期。 2 4 图4 7 重庆市十月份平均风速空间分布( 单位：0 1 m s ) 下图为重庆市十月份风速网格点统计分布图，从下图我们可以得知：其像 素最多的点的风速为1 3 米秒，大约为7 5 万个像素点，占总像素点的9 1 ， 最小像素点的值为0 4 米秒，最大像素点为7 1 米秒，所有像素点的风速平 均值为1 9 米秒； 一 ! 号科 搴 一 n 蛐 ； 瓣一 # 。： 鬻- ?g鬟冀g”m _ _ 图4 8 重庆市十月份风速场分布网格点统计图 4 5 重庆市全年平均风速分布 图4 9 重庆市年平均风速空间分布( 单位：0 1 m s ) 上图是重庆市全年年平均风速空间分布图，年平均风速大小范围为 0 6 7 8 米秒之间，大部分地区风速在2 0 米秒以下；这同文献 4 5 的重 庆市年平均风速( 气象台站点) 1 3 米秒，是一致的。 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 !岳高高； 甘l t 3 _ n _ ，；1 j j i 耘 鬻 l l 。 霪黧溢i i穗l霪辫| | l 嚣黪 图4 1 0 重厌币全年平均风速分布网格点统计图 4 6 小结 从总体上讲，重庆春季的风速最大，冬季最小，夏季大于秋季，这同文献 4 7 的结论是一致的；同时可以从以上各图的色调上也可以反映出，冬季的白色 调较重，而春季黑色调较重不过在东北部山区色调区分更为明显。 重庆市全年各月的风速分布同重庆的地形有关，也同四川盆的特殊地形有 关，具体表现同全国同纬度同海拔高度相比，重庆市为小风区，但重庆本地 区风速也是随海拔高度有关，大值区位于重庆东北地区，小值区西部、南部 的平原地带。 重庆市全年各月风速最大值分布特征为：全年最大风速出现在四月份，为 8 3 米秒，其次为七月份的8 1 米秒，最小的一月份为6 6 米秒，同整 体风速季节变化相同即：春季最大，冬季最小，夏季大于秋季。 重庆市全年各月风速最小值的分布特征不同于最大值，最小值无季节变化， 数值大小相差很小，变化范围为0 4 珈6 米秒之间。 4 7 误差分析 根据以上不同方法，即在a r c g i s 里提供的直接l ，的插值法，和考虑地 ， 形起伏因子的形2 h 3 插值法，分别计算出重庆地区所有气象台站点的风速大 小，同台站点的实际大小来计算重庆每个台站点的拟合误差，对重庆整个地区 的台站点拟合误差进行平均计算得到以下结果： 表2 重庆地区平均拟合误差的比较 从上表可以见看出，采取夕2 办3 的插值法是有效的，其误差大小在2 3 - - 2 5 之间，总的控制在2 5 之内，相反形2 法误差却较大其最小误差为3 2 ，最大 p 。 j 4 1 ，所以x 2 五3 的方法对复杂地形是可用的且有效的。 第五章考虑风向坡向的风速空间分布 5 1 风向坡向的处理 气流经过山地时，因受到各种地形的阻碍，会改变其运行方向和速度，同 时因各种不同方位的坡地和不同地形形态接受辐射不同，增热和冷却不同，会 形成不同局地环流( 如坡风和山谷风) ，所以，在山区即使非常邻近的地点，其风 向和风速也可差异很大，这就使得山区的风场分布比其它气象要素场更为复杂。 风向与地形：地形起伏与山脉的走向可使风向发生变化。一船山谷有迫使气流 沿谷而吹的趋势，山体有使气流弯曲绕流和越过的作用。平原地区的盛行风向， 到了山区就会发生偏转，在地形复杂地区，风向往往变化非常零乱。4 5 1 我国河 北省的遵化县为丘陵山区，风向除受大气环流影响有季节转换外，还受到地形 影响。夏季，遵化地区以南风为主，但是在丘陵山区，特别是两山的交界处， 风向变化很大。例如遵化县气象站，夏季盛行西南风，但由于地形影响，东北 风向频率也较高。 在相同地形条件下，山地的风速一般是随海拔高度升高而增大的，但地形 的影响有时甚至比海拔的影响还大。例如，文献 4 6 根据1 9 7 9 年夏季在秦岭太 白山观测的结果发现海拔3 0 0 0 米以下，在迎风的南坡，风速是随高度增大的， 但在背风的北坡，风速随高度的变化就很不明显，且平均风速比南坡的小。在 3 0 0 0 米高度以上，随着向山顶接近，风速徒增，在海拔3 7 6 7 米的山顶，平均风 速达到5 8 米移，比3 0 0 0 米高度以下大几倍，这不仅是高度的影响，也是 凸出地形( 山顶) 与坡地地形对风速影响不同的反映。 李兆元等 3 7 】关于山区风速随测点拔海高度变化研究时，曾对秦岭山地南北 坡的年平均风速分布，得出了南北坡风速分布的差异( 北坡大于南坡) 以及随 海拔高度的变化，再次证明秦岭山系对于气流运动的重大遮蔽作用。 傅抱璞 3 9 1 1 9 5 8 年曾在南京方山的一个基本对称的馒头形小山上观测了离 地面2 米高度处的风速分布，得出当山顶的风速超过7 米秒时，在向风面底 5 2 考虑风向坡向重庆市风速空间分布图 图5 i 重庆市一月份平均风速空间分布( 单位：0 1 m s 风向n n e ) 图5 2 重庆市一月份风速场分布网格点统计图 3 2 图5 3 重庆市四月份平均风速空间分布( 单位：0 1 m s 风向n n e ) 蜀离岔：园 赫i 瑟 裁黪 图5 4 重庆市四月份风速场分布网格点统计图 5 3 图5 5 霞庆市七月份平均风速空间分布( 单位：0 1 m s 风向n n e ) 呙导 。 爹i 雯 1 一 ” j 鳟 引 l _ i 譬 锄 j 曩i# i 图5 6 重庆市七月份风速场分布网格点统计图 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 图5 7 重庆市十月份平均风速空间分布( 单位；0 1 m s 风向n n e ) 口 导；n ! 、 | 7 图5 8 重庆市十月份风速场分布网格点统计图 3 5 1 0 吕 6 4 2 图5 9 重庆市年平均风速空间分布( 单位：0 1 m s 风向n n e ) 图5 1 0 重庆市年平均风速场分布网格点统计图 5 3 小结 由上图可以看出风速大小仍为春季最大，冬季最小夏季大于秋季，但是各月 的平均风速都变小了，从网格像素点的统计图同样可以得出，每月的最多像 素点对应的风速都变小了，拿四月份来说，考虑风向坡向时最多像素点对应 的风速大小为1 2 米秒，而不考虑坡向时( 图4 4 ) 则为2 1 米秒，其它 月份都相应的变小。 考虑坡向风向的风速变化图可以看到不同坡向风速分布不同，北坡为迎风坡 为大值区，背风的南坡为小值区，从风速较大的四月份可以明显地看到南北 坡色调反差较大，说明了地形的阻挡作用。 重庆市各月风速的最大值、最小值无多大变化，而各图的相应地区深色界变 少了，说明最大风速数值像素点变少了。 重庆市各月份所有像素点的平均值分别为：1 月份：1 6 米秒、4 月份2 0 米秒、7 月份1 9 米秒、1 0 月份1 6 米秒，全年平均：1 8 米秒，这说 明重庆市整个地区风速分布情况，同文献 4 6 表3 2 3 的整个形势是一致 的，数值大小相差为0 4 0 5 米秒，这说明考虑地形、风向、坡向影响的 结果。 另附：重庆市东、南、西、北四种风向的1 、4 、7 、1 0 、年风速空间扩展分布图， 以供大家参考 参考文献： 1 翁笃鸣、罗哲贤，山区地形气候【m 】：北京：气象出版社，1 9 9 0 ，3 8 5 - 4 5 0 2 蒋维楣，曹文俊，蒋瑞宾空气污染气象学教程 m 】北京：气象出版社，1 9 9 3 3 1 7 3 2 8 3 于卫国，蒋维楣山地瑶天矿气流与湍流研究【j 】高原气象，1 9 9 6 ，1 5 ( 4 ) ：4 6 4 - 4 7 1 4 张尚印、祝昌汉，陈正洪森林火灾气象环境要素和重大林火研究自然灾害学报，2 0 0 0 。v o l 9n o 2 ：1 1 1 1 1 7 5袁春红、杨振斌、薛桁等复杂地形风速数值模拟，太阳能学报，2 0 0 2 ，v o l 2 3n o 3 ： 3 7 4 3 7 7 6林务荣何华庆，估算灾区最大风速的一种方法气象v o l2 2n o i i ：5 3 5 7 7 t a y l o r , r a a n dg e n t ，r r ，am o d e lo fa t m o s p h e r i cb o u n d a r y - l a y e rf l o wa b o v ea ni s o l a t e d t w o d i m e n s i o n a l h i l t ；a l le x a m p l eo ff l o wa b o v e g e n t l et o p o g r a p h y ，b o u n d a r y - l a y e r m e t e o r ，19 7 4 ，7 ，