引言

风能资源开发过程中，风资源状况是能否进行风电开发的关键因素。在最新一次风能资源评价中发现，气象站距地10m高的观测风速呈现明显减小的趋势。那么地面风速减弱是否与城市化进程和台站周围观测环境变化有关？风速变化趋势在边界层内不同高度是否存在与地面相同的特点？深入了解这些问题，对于理解地面风速变化的原因具有重要参考价值。

近年来，许多学者^[1-12]对风速的变化特征及趋势进行了研究，一些研究发现了地面风速下降的现象。任国玉等^[1]发现：近50年来全国大部分地面台站观测的平均风速呈下降趋势，下降明显的地区变化速率可达-0.2m·s^-1/10a；毛飞等^[7]发现在青藏高原的那曲地区其风速的年代际变化也是减小的；彭珍等^[2]在北京城市化进程对边界层风场结构影响的研究中指出：北京夏季平均风速呈现非常明显的逐年递减趋势，而且距离地表越近递减趋势越显著；卞林根等^[4]在对北京大气边界层风廓线观测研究中发现，除了近地层郊区的风速大于城区外，城区和郊区风速的垂直分布特征有较大差异。在100至200m高度以下，城区和郊区风速和风向随高度分布都出现了明显的拐点，300m以上高度风向和风速基本趋于一致。陈燕、刘宁微、刘学锋等^{[3,8,11 ]}研究也发现城市化发展对风速的变化是有影响的。

在这些研究中，有些限于地面气象站观测的风速变化分析，有些研究的资料时间尺度较短，对近地面边界层内不同高度、较长时间尺度的风速变化情况研究较少，对不同高度风速长期变化趋势特点还不是十分了解和清楚。因此，应用边界层内不同高度(近地面10、300、600、900m)风速观测资料，比较研究不同高度近36年平均风速的变化情况，探讨城市化发展对风速变化的影响，以期对进一步识别引起近几十年地面风速变化的原因有所启示，同时为未来风能资源开发和规划，以及合理应用气象观测数据提供科学依据。

1 资料及方法 1.1 资料来源

资料来自邢台、张家口、乐亭3个气象站1971—2006年逐日探空和地面风速观测记录，3个站分别位于河北不同气候区域，对于河北全省城镇气象台站具有一定代表性。

邢台位于太行山山前平原(地级市)，其观测场位于市区中部(表 1)，1978年12月、2000年1月分别由原址西迁100m和280m，1978年12月至1979年4月仪器高度由10.6m升到17.2m，1979年至2000年期间观测场四周由原先的相对开阔环境，陆续成为由不同高度建筑物所环绕，自2000年搬入新址(公园内)之后，观测场周围再次变得相对开阔；张家口位于河北西北部(地级市)，观测场位于南部城区，年主导风向(NNW)下风方，1971—2006年期间没有迁站，仪器高度没有变化，在1971—1982年期间，观测场北到东南方向出现成排建筑物(大约100m左右)，其余方向有孤立建筑物存在，1983年之后从北到东南方向观测场(距离在50 ～70m左右)附近又有新建筑物竖起, 在西南、西北方向也有新建筑物竖起；乐亭位于冀东平原，观测场位于县城西北郊外，主导风向(ENE)下游，在1994年1月由县城西郊迁址西北郊外，仪器高度保持不变，1971—1993年期间观测场的北、西南—西北方向有建筑物，东、南方向是树林，1994年迁到新址后，东北到东南方向(大约100m开外)有成排建筑物存在，西南和西北有建筑物，1997年1月观测场南面(大约100m)又矗立起建筑物，1998年偏北方向(约70 m左右)有新建筑物产生。

在研究过程中，将3个探空站每日08、20时两个时次不同高度测风资料进行了信息化处理，并用2个时次平均作为不同高度的日平均风速，依次统计了边界层内300、600、900m高度的月、季、年单站平均风速和3站平均风速，同时计算该3个站近地面10m高EL型电接风2分钟02、08、14、20时次测风资料做为地面风速日平均值，并统计了与各高度层相对应的月、季、年平均风速。由于3个站均为国家基本站，因此资料的完整性较好，为了利于比较，均选用1971—2006年完整的36年资料。

1.2 计算方法

为定量分析风速的变化趋势，采用最小二乘法计算不同高度年及四季平均风速的变化倾向率^[10]。即计算样本与时间的线性回归系数：

$ \alpha {\rm{ = }}\frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {({t_i}{y_i}) - \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{y_i}\sum\limits_{i = 1}^n {{t_i}} } } }}{{\sum\limits_{i = 1}^n {t_i^2 - \frac{1}{n}{{(\sum {{t_i}} )}^2}} }} $

(1)

式中：y_i为不同高度平均风速序列，单位为m·s^-1，t_i为时间序列( t_i=1，2，…)，n=36。称10×α为风速变化速率，单位为m·s^-1/10a。α＜0表示在计算时段内呈下降(减小)趋势，α＞0表示呈上升(增加)趋势。α值绝对值的大小可以度量其上升(增加)、下降(减小)的程度。

季节划分是以3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至翌年2月为冬季，季平均风速是该季3个月风速平均值，年平均风速则是年内12个月风速的平均值。计算风速距平值的基准时期是1971—2006年。

2 结果及分析 2.1 风速年内变化特征

图 1为不同高度3个站点平均的月平均风速变化。图 1a表明，不同高度平均风速具有明显季节变化特征，春季较大，夏季较小，风速最大值出现在4月份，最小值出现在8月份。多年平均风速随距地面高度增加而递增，10、300、600、900m高度年平均风速分别为2.3、6.3、6.9、7.1m·s^-1(表 2)。其中从10m到300m风速递增最明显，增幅达4.0m·s^-1，300m以上层次平均风速垂直递增速率明显减小，说明随着高度的增加风速受地面粗糙的影响在逐渐弱化。

就年内风速分布而言，邢台(图 1b)、张家口(图 1c)、乐亭(图 1d)不同高度风速月际和季节变化基本一致。除张家口900m风速冬季较大，最大值出现在12月外，其余站点各高度风速均为春季最大，夏季最小，最大、最小值分别出现在4月、8月。

通过对同一高度3个站年风速变化比较，在600m以下各高度，风速从大到小为乐亭、张家口和邢台(表 2)；在900m高度，风速从大到小为张家口、乐亭和邢台。从3个站年风速垂直变化梯度看，垂直递增速率从大到小为张家口、邢台、乐亭。这与3个站所处地理位置、地形条件、海拔高度和大气环流综合影响有关。乐亭地处冀东平原，位于渤海湾沿岸，由于海面粗糙度比陆地明显偏小，且当大陆高压东移出海变性加强，并停滞在海上，或太平洋高压显著加强，其后部或北部有低压(低槽)发展，则高压后部往往产生大风，所以乐亭地面风速较大，风速垂直递增速率最小；张家口海拔725m，地处冀北高原(海拔1300～1500m)南侧，为冬季冷空气南下必经之路，因此各高度层风速也较大，但由于近地层偏北气流受冀北高原阻挡，低层风速减弱，风速垂直递增速率较大；邢台地处太行山山前平原，地势相对封闭，各层年风速均小。

2.2 风速年代和趋势变化特征 2.2.1 年代变化特征

各年代3个站及其平均的年平均风速如表 3所示，3站平均地面风速总体变化趋势从1970年代至1990年代呈现逐渐减小趋势，其中1970年代到1980年代减小幅度最大，由2.8m·s^-1 减小到2.3m·s^-1。单站变化基本相似，只是邢台在1980年代风速偏小。但是，300、600、900m各高度上1970年代至1990年代，3站平均的风速各年代数值相差不大，没有明显年代际变化。300至900m各单站年代际变化也没有明显规律。

2.2.2 区域平均风速变化趋势

在所分析36年中，随高度和季节变化，3站平均的年风速变化具有明显差异(表 4)。10m高风速存在显著的递减趋势(表 4和图 2a)，递减率为-0.31m·s^-1/10a通过了0.01的显著性检验；随着高度上升，年风速变化趋势逐渐减小，在900m转化为弱的正值；300m高度递减率为-0.11m·s^-1/10a(图 2b), 通过了0.01的显著性检验，而600、900m高度由递减转化为递增(图 2c、图 2d)，变化趋势不显著，没有通过显著性检验。

各季节风速变化趋势有相似性。一般情况下，10m高季节风速变化存在显著的递减倾向，春、夏、秋、冬季分别为-0.40、-0.22、-0.25、-0.36m·s^-1/10a，其中以春季最大，冬季次之，夏季最小，但各季节均通过了0.01的显著性检验(表 4)；随着高度上升，季节风速递减率逐渐减小，由负值转化为正值，仅300m高度的春、秋季平均风速减少趋势通过了信度为0.05的显著性检验，其他高度的季节风速变化趋势均不显著。

2.2.3 单站风速变化趋势

各站不同高度年、季风速变化趋势呈现出各自特点(表 5)。邢台地面(10m)年及春、冬、夏三季平均风速变化趋势表现为递减，秋季略有递增，除春季风速变化通过了信度为0. 01的显著性检验外，其他季节和年的变化趋势均没有通过显著性检验。这可能与邢台的迁站经历有关。距地面300m高层次上，除夏季外, 年及各季风速变化趋势均通过了0.05的显著性检验，其中年平均风速变化趋势为-0.16m·s^-1/10a，通过了0.01的显著性检验；距地面600、900m高度，年及各季风速变化速率或为正值或为负值，但均未通过检验，变化趋势不明显。

张家口地面年及各季平均风速变化均呈现递减趋势，而且趋势显著，均通过了0.01的显著性检验，其中年风速变化速率为-0.37m·s^-1/10a，各季中以冬季为最大，达-0. 48m·s^-1/10a；在300m高度，年及各季风速变化均呈现递增趋势，其中年及冬、夏季平均风速增加通过了0.05的显著性检验，年风速变化速率为0.17m·s^-1/10a；在60 0、900m高度上，年和各季风速变化趋势有升有降，但均不显著。

乐亭在地面、300和600m高度的年风速均呈现递减趋势，而且都通过了0.01的显著性检验，其中以地面年风速递减为最大，达-0.49m·s^-1/10a。600m以下各高度四季平均风速也都呈递减趋势，除600m高度冬季没有通过显著性检验外，其余均通过了0.05的显著性检验，地面各季风速变化则通过了信度为0.01的显著性检验。尽管随高度增加平均风速下降速率呈现减小特征，但与其他两站比较，600m以下风速递减率明显偏大。900m高度年及各季风速变化趋势不显著。

3 讨论

近50年来包括河北在内的我国东部大部分台站地面风速呈明显下降趋势。对于观测资料中地面风速减弱的原因，目前还没有认识清楚。人们怀疑城市化和台站附近观测环境变化对风速下降可能有一定影响，但不同于对地面气温变化趋势中城市化影响的识别，对于地面风速变化中城市化影响识别更为困难，因为风速记录对微观环境变化非常敏感，采用对比城镇站与乡村站变化趋势方法常常不能奏效。在这种情况下，利用边界层内探空风资料，对比分析地面和边界层不同高度同期风速变化趋势，对于认识城镇化和台站观测环境变化对地面风速的影响，不失为一种比较有效的途径。

分析表明，3个站不同高度上平均风速变化趋势的差异主要体现在地面与其他3个层次之间。与我国东部其他各级地面气象站一样，河北的3个探空站地面平均风速在近36年里也明显减弱。但是，这3个站近地面以上层次观测的风速变化一般不存在显著减弱趋势，与地面风速变化趋势差异显著。由于各站所处的地理位置和地形条件不同，各个高度平均风速变化趋势存在若干差别，但3站平均的风速变化趋势具有随高度减小现象，其中从地面到300m高度风速变化趋势的递减速率最大。这说明，近地面的风速受到不同程度的城市化以及台站附近观测环境变化的影响，出现显著的减弱趋势；随着高度增加，风速受城市化、地面粗糙度及微观环境变化的影响渐趋弱化甚至消失，风速减弱现象随之变得不明显。

最近的36年，河北省3个探空站所在地城市化进程加快，观测站周围环境遮蔽程度逐渐加大。邢台站曾有迁址经历，从建筑物密集城区迁往相对开阔的区域(公园内)造成地面风速序列前后变化，部分抵消了本应下降的风速变化趋势，从对与邢台空间距离相近任县、南和和内邱等站风速资料分析中(递减率均通过了0.01的显著性检验)得到了进一步证实，邢台的风速变化因为迁站原因，其变化趋势有其特殊性，是该站地面风速变化趋势没有其他站显著的主要原因。张家口和乐亭站分别位于较大城市和小城市，城镇化速率也很快，观测场附近环境改变也比较大，在各自城市主导风向的上游陆续有建筑物竖起，加之站址没有迁移，地面风速减弱趋势就非常明显。

但是，由于地面以上的其他层次风速也在一定程度上存在着减弱现象，特别是各站300m高度和乐亭600m高度，风速减少趋势比较明显，因此河北省地面风速的显著下降似乎又不完全是由于城镇化和观测环境变化引起的，大尺度背景环流场的变化可能也是原因之一。一些研究发现，在过去的50年，我国东部夏季风和冬季风环流均明显减弱^[11-12]，对我国地面气温、降水和沙尘暴发生频率变化造成重要影响，也说明城市化和观测环境变化不是地面风速下降的唯一因素。

4 结论

应用河北省1971—2006年3个站点的探空和地面风速资料，分析了边界层内不同高度风速的变化趋势，获得以下结论：

(1) 边界层内不同高度年平均风速随着距地面高度的增加而变大，风速在年内时间分布上具有明显的季节性特征，春季风速最大，夏季较小。10m到300m风速垂直递增速率最大。

(2) 在近36年内，地面平均风速从1970年代至1990年代呈现逐步减小趋势，其中1970年代到1980年代减小幅度最大，但300m高度以上1970年代至1990年代的变化没有明显规律可循。在整个分析时期，各站平均风速线性变化趋势最显著的层次仍然在地面，300m以上各高度层风速变化趋势尽管也多为负值，但一般不明显。

(3) 不同高度平均风速的差异主要是由城市化以及台站附近观测环境的变化引起的，这使得地面风速明显减弱；但地面以上各层风速也有减弱现象，说明大尺度大气环流的变化是地面风速下降的另一原因。本文所分析的3个台站地面平均风速减弱现象应为城市化、观测环境变化和大气环流变化共同作用的结果。

致谢：李元华、田国强、刘莉同志参加了资料整理和统计工作，在此表示衷心感谢。