引言

随着城市建设规模不断扩大，台站观测环境发生了重大改变(中国气象局，2004；张国华等，2012；李邵云等，2008)，对近地面风观测造成了严重影响。目前，许多学者在这方面进行了大量研究。刘学锋等(2009)对河北省143个台站近地面年平均风速资料进行了分析，得出观测场附近微观环境改变对风速减小趋势有着重要影响，其贡献超过了区域背景风速变化趋势。张思超和潘洪学(2011)对阜阳国家基本气象站迁站前后风速变化分析认为：探测环境的开阔化使得年平均风速明显增大，10年年平均风速值提高了1 m·s^-1。

近年来，密云国家基准站的探测环境发生了改变，观测场周围的树木逐渐长高变粗，建筑物逐渐增多。观测场东面、西面、南面全是果树，2004年密云县在观测场东北方向新建了行宫小区，距离高度比为10.3。2008年观测场西南方向新建了卫生局，2011年在观测场南边新建了两栋医院大楼办公楼，其高度分别为52和51 m。新建的医院楼离密云观测场距离为293 m，根据国家规定的《气象设施和气象探测环境保护条例》要求，国家级基准气候站2000 m内建筑物距高比应小于1/10，该医院大楼实际高度远远超出了限高。上甸子站周围地形开阔，无遮挡物，且探测环境基本没有变化。密云气象站探测环境的改变对近地面风观测的影响量到底有多大？本文采用与上甸子大气本底站对比的方法，利用台站风观测资料，试图研究密云气象站探测环境改变对风观测的影响。

1 数据说明及分析方法

本文选取密云国家基准气候站及与之相距37 km的上甸子大气本底站1994—2014年20年的风观测数据为研究对象。风观测资料是台站10 m高2 min风速、风向数据。对缺测资料不予计算，剔除了没有物理意义及不符合统计意义的数据，样本数为102211个。年、季节、月平均风速、风向频率分别是对12个月、季节和1个月对应的分钟数据取平均获得的(荣艳淑和梁嘉颖，2008)。春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月至次年2月(毛飞等，2006；李瑞等，2009；邹立尧等，2010)。

图 1是对1994—2013年密云站、上甸子站月平均风速进行的Mann-Kendall检验(陈德桥等，2012；黄小燕等，2011)，其中虚线表示α=0.05的显著性水平检验值U (U=±1.96)。由图 1a可见，1994—2013年间UF曲线在0.05显著性水平检验线内波动，自2004年以后，UF曲线逐渐下降且超过了α=0.05显著性水平检验，说明密云站2004—2013年月平均风速下降趋势明显。密云站UF和UB曲线相交于2006年左右，但突变点没有通过显著性水平检验，因此其下降趋势表现为明显的渐变特征，而不是突变特征。而图 1b中UF曲线在95%信度线内上下波动，说明上甸子站月平均风速变化幅度较小，可以作为参考站。

根据密云站月平均风速的变化情况可将时间分为两个阶段，1994—2003年(简称第一阶段)和2004—2013年(简称第二阶段)。本文利用密云站和上甸子站风观测资料，通过对比前后两阶段密云站与参考站风速风向差值的方法(李欣等，2011；王颖等，2007；苑跃等，2011)来研究密云站风观测资料受探测环境影响的程度。

2 探测环境对风速的影响 2.1 风速差年代际变化

密云站年平均风速与参考站上甸子站序列差值的年代际变化如图 2a所示。从两站年平均风速差值图中可以看出，各年年平均风速差值均小于0，说明密云站各年年平均风速均小于上甸子站。20年平均风速差值为-0.47 m·s^-1(图 2a虚线所示)，第一阶段(1994—2003年)各年年平均风速差值均大于历年年平均风速差值，而第二阶段(2004—2013年)各年年平均风速差值均小于历年年平均风速差值(除2004年外)，且均通过了α=0.05的显著性水平检验；可见密云站第二阶段风速受探测环境影响较严重。

第二阶段年平均风速差值的均值较第一阶段减小了0.5 m·s^-1，其中2013年年平均风速衰减最严重，风速差值减小了1.0 m·s^-1。两个阶段年平均风速差值随时间变化的趋势均是减小的，第二阶段风速差值减小趋势(-0.0507 m·s^-1·年^-1)比第一阶段风速差值减小趋势(-0.0227 m·s^-1·年^-1)明显。

通过季节风速的差异来研究观测环境对风速资料的影响，图 2b为密云站与上甸子站各季年平均风速差值变化情况。第一阶段各季年平均风速差值基本在0.5 m·s^-1内；第二阶段各季年平均风速差值变化范围基本在-0.5~1.5 m·s^-1。显然第一阶段各季节风速差值为正距平，第二阶段各季节风速差值为负距平。说明第二阶段各季节风速差值小于第一阶段的风速差值。第二阶段各季年平均风速差值减小趋势均比第一阶段明显，其中两个阶段中均是冬季减小趋势最为明显。

第一阶段各季年平均风速差值从小到大依次为春季、夏季、秋季、冬季，平均量分别为-0.4、-0.3、-0.2和0.0 m·s^-1；第二阶段各季风速差值从小到大的规律与第一阶段相同，分别为-1.0、-0.7、-0.7和-0.5 m·s^-1。由于不同季节受不同天气系统的影响和控制，春季为冬夏环流调整季节，气旋活动频繁(申辉等，2011)，所以春季风速较大。可见，由于探测环境的改变，密云站第二阶段各季平均风速差值衰减剧烈，其中春季衰减最大，减小了0.6 m·s^-1，夏季最小，秋、冬季次之。

2.2 风速差年内变化

对密云站、上甸子站20年的风速进行月平均处理，所得的第一、二阶段两站月平均风速差如图 3所示。从图中可以明显看出，两个阶段中4月月平均风速差值均为最小，分别为-1.1和-0.6 m·s^-1，表明第二阶段4月月平均风速受探测环境影响量为0.5 m·s^-1；1月月平均风速差值最大，分别为-0.4和0.1 m·s^-1。

为了分析各月风速受探测环境影响的程度，对两阶段进行做差计算(图 3)，3月差值绝对值最大，即与第一阶段相比较，第二阶段3月月平均风速减小最明显，说明第二阶段3月月平均风速受环境影响程度最大，影响量为0.8 m·s^-1；其次是12月，风速受探测环境影响减小了0.6 m·s^-1；8月两阶段差值绝对值最小，可见第二阶段8月月平均风速对密云站平均风速的减小贡献最小，衰减了0.4 m·s^-1。与上述各季年平均风速差值变化趋势相一致。

2.3 不同风向年平均风速差变化

密云站两阶段年平均风速与参考站序列的差值随风向变化如图 4所示。从图中可以明显看出，前后两阶段风速差值变化趋势相一致，出现两次波谷，分别来自ENE和WSW；受探测环境影响，第二阶段ENE、WSW风速分别衰减了0.3和0.7 m·s^-1，西南偏西风风速受台站周围环境影响最严重。

与第一阶段相比较，第二阶段NNE、NE、SW风速均有所衰减(≥0.5 m·s^-1)，西南方向的卫生所、县医院和东北方向的行宫小区是导致风速衰减严重的主要原因。WNW、NNW风速均有所增加，西北偏北风风速变化较明显，增加了0.7 m·s^-1。两阶段风速差值差异最小的集中在NW。

2.4 年平均风速频率差变化

密云站与参考站在不同风速区间内的频率差值如表 1所示。比较前后两阶段风速频率差值，可以分为三类情况来讨论。(1) 小风速区间内(0~2 m·s^-1)，第二阶段年平均风速频率差值明显大于第一阶段的，尤其是1~2 m·s^-1的风速频率差值从第一阶段5.7%增大到第二阶段的20.8%，增加了15.1%；风速为0~1 m·s^-1时，第二阶段较第一阶段风速频率差值增加了9.0%。(2) 风速为2~8 m·s^-1内第二阶段年平均风速频率差值小于第一阶段的，其中2~3、3~4 m·s^-1内两阶段差异最为显著，较第一阶段分别减小了13.5%和6.8%。(3) 大风速下(8~12 m·s^-1)两阶段年平均风速差值完全一致。可见，密云站周边障碍物对小风速(＜2 m·s^-1)频率和2~8 m·s^-1风速频率影响非常显著。

大风速下第二阶段年平均风速频率差值与第一阶段相比较无变化，说明密云站第二阶段风速的衰减主要集中在0~8 m·s^-1风速内。第二阶段小风速(＜2 m·s^-1)频率的增加和2~8 m·s^-1风速频率的减小，均是密云站第二阶段风速衰减的主要原因。

3 探测环境对风向的影响 3.1 风向频率差年代际变化

对密云站前后10年地面风向出现的频率与参考站序列的差值进行统计，所得的年、各季节风玫瑰图如图 5所示。由图 5a可见，与参考站相比，密云站第一阶段东风出现频率最大，差值为4.3%，而第二阶段东风频率差值为2.4%；第二阶段西南偏南出现频率最大，为2.7%，较第一阶段减小了0.3%。对前后两阶段年风向频率差值进行比较，密云站第二阶段各个风向频率均有所减小，其中ENE、E、SSW和W频率减小较明显；ENE频率受探测环境影响最大，由第一阶段3.3%减小到了第二阶段的1.6%。说明观测场周围环境的改变对各个风向频率均有影响。

春、夏季两阶段风向频率在西南偏南方向上差异最大，秋、冬季两阶段风向频率在东北偏东方向上差异最大。对于第二阶段东风频率的减小，冬季贡献最大，分别较第一阶段减小了1.1%；第二阶段西风频率的减小，夏季贡献最大。观测场西面是桃树，相距8.7 m，夏季枝叶最为茂盛，对风向影响较明显。春、夏季两阶段的北风频率差异不大，秋、冬季较明显。

以上甸子站为参考，第一阶段静风频率差值(密云站—参考站)为-7.0%，第二阶段为-1.5%，静风频率增加了5.5%，比各风向频率的增加量都高，说明静风频率受探测环境影响较显著。

与第一阶段相比，密云第二阶段静风在各季节出现的频率差值均有增加，且出现频率均较高。从增加的频率来看，冬季频率最大，春季频率最小，秋季大于夏季。春季频率较第一阶段增加了0.8%，冬季为1.7%。

3.2 风向频率差月变化

图 6是密云站春季(3月)、夏季(6月)、秋季(9月)和冬季(12月)风向频率与参考站序列差值玫瑰图，分成前后10年两个阶段进行统计。从图中可以看出，密云站第二阶段3、6、9和12月月平均风向频率在ENE、E、SSW方向上衰减较明显，均是东北偏东风向频率衰减最大；其中9月ENE受环境影响最严重，较第一阶段减小了1.8%，6月最小，可达1.0%。西南偏南风向频率在6月衰减最严重，为0.8%；东风风向频率在12月衰减最严重，可达1.6%。可见密云站风向不但受东北行宫小区和西南建筑物的影响，而且与四季变换有关。

4 结论

利用密云站、上甸子站20年风场资料，通过对比密云站前后两个阶段(第一阶段：1994—2003年；第二阶段：2004—2013年)分别与上甸子站观测资料的差值，分析了密云站风观测资料受探测环境影响的程度，得到以下结论：

(1) 密云站第二阶段年平均风速差值下降趋势较第一阶段明显，年平均风速减小了0.5 m·s^-1，其中2013年年平均风速差值减小了1.0 m·s^-1。观测环境对风速观测的影响存在季节变化和月变化：春季衰减最大，夏季最小；3月衰减最大，8月最小。

(2) 前后两阶段各个风向上年平均风速变化趋势相一致，西南偏西风风速受探测环境影响最严重。

(3) 随着探测环境的变化，密云站小风速(＜2 m·s^-1)频率增加显著，而2~8 m·s^-1风速频率均减小。1~2 m·s^-1风速频率增加了15.1%。

(4) 密云站第二阶段年、季、月风向频率较第一阶段均有所减小，但衰减量较小。第二阶段静风频率差值增加了5.5%，比各风向出现的频率差值都高。从增加的频率来看，冬季频率最大，春季频率最小。