近海岸风速衰减特征及形成机理分析

姜瑜君; 杨程; 吴贤笃; 邓芳萍; 王丽吉; 李颖

doi:10.16032/j.issn.1004-4965.2020.055

近海岸风速衰减特征及形成机理分析

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.055

1.
浙江省气象科学研究所，浙江杭州 310008
2.
温州市气象局，浙江温州 325027
3.
浙江省气象信息网络中心，浙江杭州 310008

基金项目:

国家重点研发计划 2018YFC1507800

公益行业专项 GYHY201106035

浙江省气象局2017重点项目 2017ZD16

详细信息

通讯作者:
姜瑜君，男，浙江省人，高级工程师，主要从事应用气象与专业服务。E-mail：6368292@qq.com

中图分类号: P425.4.1
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出版历程
- 收稿日期: 2020-01-03
- 修回日期: 2020-08-18
- 刊出日期: 2021-01-11

ANALYSIS OF THE CHARACTERISTICS AND FORMATION MECHANISM OF WIND SPEED ATTENUATION NEAR THE COAST

1.
Zhejiang Institute of Meteorological Science, Hangzhou 310008, China
2.
Wenzhou Meteorological Bureau, Wenzhou 325027, China
3.
Zhejiang Meteorological Network Information Center, Hangzhou 310008, China

摘要

摘要: 为更好理解沿海区域近地面风速衰减规律及其内在机制并获取适用于业务观测风速数据的分析方法，通过引入内边界层厚度的发展机理，推导获得风速随离岸距离变化的数学解析拟合式。结合浙江省温州市境内一沿海区域6个自动气象站2014—2019年逐时风速观测数据应用该拟合式分析了风速随离岸距离的关系，结果表明不管是逐时风速还是逐日最大风速，其平均值均与离岸距离有着良好的负相关，并发现其衰减系数与风速有着密切关系。向岸流及离岸流的风速衰减特性均可以结合该拟合式用线性及幂数律拟合来体现，但后者可以更好地解释风速随离岸距离变化特征，并在较大风速(3~10 m/s)向岸流的背景条件下，获得合理可信的分析结果，说明该方法可以适用于近海岸区域风速观测数据的应用研究。
- 内边界层厚度 /
- 风速衰减 /
- 离岸距离 /
- 摩擦速度 /
- 粗糙度
Abstract: In order to get more details on the characteristics and mechanism of wind speed attenuation in coastal areas and gain appropriate methods to analyze wind speed data from routine observation, the theory of inner boundary layer thickness is applied to the current research and an analytical expression of power-law fitting between wind speed and offshore distance is derived. Based on the hourly wind speed observational data from six automatic weather stations in the coastal area of Wenzhou, Zhejiang Province from 2014 to 2019, the relationship between wind speed and offshore distance is analyzed. The results show that both average wind speed and daily maximum wind speed have a good negative correlation with offshore distance. The attenuation characteristics of different wind can be expressed by linear and power law fitting, and the latter is better at explaining the variation characteristics of wind speed at different distance from the shore. Satisfying explanation under the background conditions of onshore flow and large wind speed is obtained, showing that this method can be applied to the analysis of routine observational data in coastal areas.
- thickness of inner boundary /
- wind speed attenuation /
- offshore distance /
- friction speed /
- roughness

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图 1 研究区域内自动站分布示意图

a.研究区域示意图，其中黑色方框为6个自动气象站集中区域；b. a中黑色方框对应的区域放大示意图，蓝点为6个自动气象站的位置。

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图 2 区域内风频分布玫瑰图

a. 58752；b. K3060。

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图 3 2014—2019年离岸衰减系数对比

a.多年平均；b.逐年对比。

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图 4 气流经过两种不同地表时内边界层发展示意图^[30]

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图 5 $C_{1} \cdot \sqrt{\frac{P}{D}+1}$与ln δ的幂数律拟合图

a.个例示意图(z₀₂=0.5 m，b=2~10)；b. z₀₂与b不同组合情况下a₁、b₁的线性拟合图。

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图 6 δ与x的拟合结果

a.个例分析(z₀₂=0.5 m，b=2)；b. z₀₂与b多种组合情况下a₂、b₂的拟合关系图。

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图 7 不同的a₂、b₂的组合所获取的a₁、b₁拟合关系

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图 8 $C_{1} \cdot \sqrt{\frac{P}{D}+1}$与lnx的拟合分析结果

a.个例示意图拟合b和z₀₂；b a₃、b₃拟合关系图。

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图 9 线性拟合的结果分析

a.衰减系数a₄随风速的变化；b.向岸流及离岸流线性拟合结果对比分析。

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图 10 幂数律拟合的系数特征

a.实际幂数拟合系数a₅、b₅分布图；b.幂数律拟合衰减系数b₅随lnu变化。

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图 11 离岸流、向岸流幂数律拟合结果分析

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表 1 研究范围内所涉及自动气象站信息一览表

站号	站名	离岸距离/km	海拔/m	周围观测环境描述
58752	瑞安	6.91	39.7	位于市区小山顶，北边970 m有山，仰角约9 °，西边300 m有高楼，仰角约6.77 °
K3060	阁巷	1.61	1.0	空旷田野，北边有低坝，东西有稀疏树木，南北无建筑物
K3105	上望	5.98	8.0	城乡结合部，村庄地貌，有稀疏低矮建筑
K3150	榆洋	6.91	2.0	野外民宅附近，周围有稀疏低矮建筑
K3217	飞云	10.49	2.0	乡下民宅附近，西边有小池塘和较高建筑
K3218	鲍田	2.31	4.0	空旷田野，南北远处有孤立小建筑

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表 2 2014—2019年逐日最大风速与离岸距离相关分析

置信度分类	计数/个	占比/%
0(< 0.10)	949	43.4
1(0.10)	375	17.2
2(0.05)	405	18.5
3(0.02)	222	10.2
4(0.01)	202	9.3
5(0.01)	30	1.4
总数	2 183	100

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表 3 2014—2019年总样本按风速分级的高相关样本分布表

风速分级/(m/s)	总样本组	高相关样本组	比例
2	26	11	42.3%
3	240	94	39.2%
4	486	224	46.1%
5	481	263	54.7%
6	432	283	65.5%
7	229	145	63.3%
8	126	98	77.8%
9	69	47	68.1%
10	49	40	81.6%
11	19	14	73.7%
12	7	6	85.7%
13	4	3	75.0%
14	5	3	60.0%
15	3	1	33.3%
16	1	1	100.0%
17	2	2	100.0%
18	2	1	50.0%
总计	2 181	1 234	56.7%

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表 4 按风向进行高相关比例分析结果(6 m/s及以上)

来流风向	总样本数	高相关样本数	比例
E	74	63	85.1%
ENE	99	88	88.9%
ESE	28	14	50.0%
N	60	22	36.7%
NE	301	251	83.4%
NNE	52	30	57.7%
NNW	61	20	32.8%
NW	35	9	25.7%
S	19	15	78.9%
SE	65	21	32.3%
SSE	115	94	81.7%
SSW	1	0	0.0%
SW	1	1	100.0%
W	11	8	72.7%
WNW	29	11	37.9%
WSW	4	0	0.0%
总计	955	647	67.7%

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表 5 幂数律拟合与线性拟合相关性比较

置信度分类	线性拟合	幂数律拟合
1(0.10)	375	364
2(0.05)	405	361
3(0.02)	222	200
4(0.01)	202	295
5(0.01)	30	57
总数	1 234	1 277

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表 6 两种拟合方法在不同风速分级上的相关个例对比

风速/(m/s)	线性	幂数律
2	11	10
3	94	83
4	224	197
5	263	267
6	283	313
7	145	163
8	96	104
9	47	58
10	40	43
11	14	15
12	6	6
13	3	3
14	3	5
15	1	2
16	1	1
17	2	2
18	1	2
总数	1 234	1 274

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表 7 离岸流、向岸流情形下幂数律拟合系数b₅随风速变化情况及有效样本数

风速/(m/s)		向岸流		离岸流
取整	对数值	b₅平均值	有效样本	b₅平均值	有效样本
2	0.69	-2.20	9	-1.56	3
3	1.10	-2.40	43	-2.49	30
4	1.39	-2.52	139	-2.40	28
5	1.61	-2.83	170	-2.36	15
6	1.79	-3.17	178	-2.67	12
7	1.95	-3.41	117	-1.87	5
8	2.08	-3.65	82	-2.40	3
9	2.20	-3.67	42	-2.75	9
10	2.30	-3.92	36	-1.97	1
11	2.40	-4.20	11	-2.71	4
12	2.48	-3.62	6	/	/
13	2.56	-3.20	2	-3.51	1
14	2.64	-3.39	2	-3.28	3
15	/	/	/	-2.55	2
16	2.77	-3.38	1	/	/
17	2.83	-2.79	1	-3.15	1
18	2.89	-2.93	2	/	/

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