微尺度山地近地表风速模拟解读

1、微尺度山地近地表风速模拟关键词 山地近地表风速 ; 模拟 ; 地形因子 The Simulation of Near-surface Wind Speed on Micro-scaleIn Mountain areasAbrtact This paper by using orthogonal experimental design sampling points. Average near-surface wind speed are simulated by use of methods like cubic trend surface interpolation, spatial reg

2、ression analysis, IDW interpolation and regularized splines interpolation, the result is analyzed and compared, the research result shows that the cubic trend surface interpolation is less effective, simulated value is smaller than the measured data; the gaps between simulation values of regularized

3、 splines interpolation and IDW interpolation values in the area with less sampling points and values of actual measurement are significant, simulation result is fair,the simulation result basically reflects distributional characteristics of nearsurface wind speed in hilly area, the wind speed varies

4、 in windward and leeward , and the elevation has an impact on the wind speed.There are many factors affecting the near-surface wind speed in the hilly area like terrain, temperature and vegetation etc,. These issues need to be further studied.Keywords near-surface wind speed in mountain areas;simula

5、tion;terrain factors0 引言我国山地面积较多 , 山地、丘陵和高原的面积约占全国土地总面积的69%。在山地复杂地形条件下 ,近地表风速和风向是一个空间随机向量 , 受地表的地形、地 貌和地物影响。目前 ,山地气象观测站点数量有限 ,且分布不均匀 ,近地表风场的 研究和应用相对滞后。利用有限的气象观测资料、结合山地环境因子来模拟像 元尺度的山地近地表风速 , 具有重要的理论意义和实用价值。目前, 国内外对山地等复杂地形条件下的低空风场作了许多研究 , 主要分为预测 模式和诊断模式。预测模式是基于时变的大气动力学模式方程建立的, 给定初、边界条件 , 可以预测未来的气象状况。诊

6、断模式主要是在离散点观测资料的基础 上进行诊断 , 得到风场的高分辨率资料 , 是对过去或给定状态的静态描述 1 。1 研究区概况及 GIS 资料来源研究区位于昆明市区以北,地理范围为东经102° 44' 33"102° 45' 13",北纬 25° 12' 35"25° 13' 14"东西宽约 1 080m,南北宽约 1 200m;海拔 2 305m2587m,平均海拔为2 482m;坡度0.2 ° 46.2 ° ,平均坡度为16.7 ° ,为典型的山

7、 地地形。本文采用的地理信息资料由1:5万地形图经数字化后生成，转换后的DEM数据分 辨率为25nrK 25m2 山地近地表风速影响因子及提取坡向和主导风向之间的角度构成了影响山地近地表风速的一个关键因素 , 孙鹏森 等在研究岷江流域上游地区降水空间分布中提出了主风方向效应指数(PWEI ,PrevailingWind-direction Effect Index),PWEI主要通过坡向和主导风向两个因子建立 2 。(式1)式中，a为某点的坡向，B为主导风向。PWE的值域区间为0-2,0-1之间为背 风坡,1-2之间为迎风坡，当坡向为B时,PWEI达到最大值2.0。基于DEM数据,提取研究区域

8、的主风向效应指数，提取结果如图1所示：3 风速采样风速采样方案中影响因子为 : 主风方向效应指数、海拔、坡度和平面曲率。主风 向效应指数因子取 4 个水平 , 其余每一个因子取两个水平。考虑到模型建立和检 验,样本容量及L8(41 X 24)正交试验表的要求，将模型建立采样点由8个增至32 个,另外设计 8个采样点用于模型的检验。测风仪使用美国 Kestrel3000 手持气象站 , 该类型气象站对风速反映时间为 1s, 测量范围为 0.440.0m/s, 分辨率为 0.1, 精度为 3%,近地表风速资料为采样点距 地面2m的10min平均风速值。4 研究区山地近地表风速模拟4.1 趋势面分析

9、图 2 为研究区风速采样数据的自然对数在东西方向和南北方向的趋势图。对上图分析后可以发现 , 图 2显示采样数据的自然对数在东西方向具有明显的倒U形状趋势,在南北方向基本具有从南向北减少的趋势。中用采样数据的自然对 数进行三次趋势面插值 , 图 3 是根据趋势面计算得到的研究区近地表风速分布。从图3可以看出研究区10min平均近地表风速的模拟值在 0.13.1之间,南部区 域风速相对较大 ,并呈现出由南向北逐渐减小 ,东西方向上中间风速大 ,从中间向两边逐渐减小的趋势。4.2 反距离加权插值 IDW用IDW法对风速采样数据的自然对数插值,下面是根据IDW插值结果计算得到的 研究区近地表风速模拟

10、图。从图16可以看出研究区10min平均近地表风速的模拟值在 0.65.2之间,研究 区西南部海拔较高的区域风速较大 , 而风速较小的区域在研究区的西部和东北 部。图中还可以看出研究区近地表风速的分布与海拔具有一定的关联性 , 迎风坡 风速随海拔高度的增加而增大。4.3 规则样条插值中用规则样条插值法对风速采样数据的自然对数插值 , 下面是根据规则样条插值 结果计算得到的研究区近地表风速模拟图。从图5可以看出研究区10min平均近地表风速的模拟值在 0.25.8之间,风速较 大的区域在研究区海拔较高的中部 , 风速较小的区域在研究区的西部和东北部。 图中还可以看出研究区近地表风速的分布与海拔具

11、有一定的关联性 , 风速随海拔 高度的增加而增大。4.4 模拟精度检验为了对模拟结果的准确性进行检验 , 分别对模型建立采样点和检测采样点采用均 方根误差 (root mean squared error, RMSE) 和相对平均误差 (mean relative error, MRE) 进行检验。均方根误差和相对平均误差的表达式分别为 :5 结论通过对3种空间插值方法比较分析,结果IDW插值和规则样条插值对研究区风速 的模拟效果一般,3次趋势面插值效果较差，IDW插值和规则样条插值的模拟结果 能够部分反映出迎风坡、背风坡的风速差异 , 以及海拔对风速的影响。可以为山 地风资源评估、生态环境的保护等方面提供基础数据。影响山地近地表风速的因素很多如地形、温度、植被等。这些问题有待进一步 研究。参考文献1 杨振斌