巢湖流域典型站点的风场特征分析

殷长秦，王体健，石春娥，魏文华

(1.南京大学大气科学学院，江苏南京210093;2.安徽气象科学研究所，安徽合肥230031)

0 引言

巢湖是我国的第五大淡水湖，位于安徽省中部。近年来巢湖湖面频繁出现大面积蓝藻，致使水体遭受污染，对生态系统产生巨大影响(皖军，2007)，同时巢湖水体重金属污染也受到了广泛的关注(童军华等，2006)。水体营养物质的输送取决于水流状态，而水流状态与近水面风场有密切关系，研究巢湖流域流场特征对于认识该地区的热量、水汽交换和水流运动规律，进一步为风场—水动力—生态耦合模型提供参数具有重要的科学意义和实用价值。关于湖区风场特征有很多研究工作，如吕云波等(2003)通过插值方法获取区域风场分布，并对其进行分类;吴增福和李振国(1991)、Klink(2002)、申红艳和余锦华(2007)分析了风速的日变化和季节变化以及风速频率的分布;由于风向的变化规律较复杂，通常仅对某一特定方向的风向频率进行分析(Lyons and Cole，1976;李惠丰和袁德辉，1985;林必元和李敏娴，1988;孙燕等，2007)。由于湖水和陆地之间存在热力差异，湖泊区域主要受到湖陆风的影响。Keen and Lyons(1978)通过在湖泊区域释放示踪物质，并跟踪观测，从而了解湖陆风的三维结构;Biggs and Graves(1962)通过大量观测建立了表征湖陆风强弱的湖陆风指数。国内在湖面的气象观测相对缺乏，一般通过常规观测站资料了解湖陆风对站点的影响(杨智等，2008)。另外，湖陆风对边界层结构的影响以及与天气系统的相互作用得到了广泛关注(Passarelli and Braham，1981;张克杰等，2005;吕雅琼等，2008;徐安伦等，2010)。

本文选取了巢湖流域的5个典型气象站，包括4个距离湖面较近的、代表受湖陆风影响的陆面站点，以及1个湖中小岛代表受湖陆风影响的湖面站点。利用这5个站的风、温资料分析了湖面和陆面风场的季节和日变化特征，使用风向差分析站点风向的变化，并给出了站点风向变化与湖陆温差变化之间的关系。

1 资料与方法

1.1 资料

主要采用5个站点1 a的风场及温度资料，包括:1)2006年6月到2007年5月姥山岛的逐时风向、风速及温度(风向分为17个方向，即N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNW、静风;风速精度为0.1 m/s;温度精度为0.1℃;去除缺测时次和异常值，共有7 011个时次);2)2006年合肥、肥东、巢湖、庐江4个自动气象站(统称为陆面站)逐时风向、风速及温度(风向精度为1°;风速精度为0.1 m/s;温度精度为0.1℃;去除缺测时次和异常值，风向、风速及温度分别包括8 760、8 604、8 463、8 625个时次)。5个观测站位置如图1所示。

1.2 方法

对5个站点全年风速、风向频率进行统计分析。采用离散功率谱方法和F检验分析风向变化的周期性(黄嘉佑，2004)。

图1 巢湖流域气象站分布(□:姥山岛站;●:陆面站)Fig.1 Distribution of meteorological stations over Chaohu Lake basin(□:Laoshan Island station;●:stations over land)

2 结果与讨论

2.1 风速

首先计算各站点风速年平均值，得到姥山岛站风速年均值为2.41 m/s，合肥站、肥东站、巢湖站、庐江站风速年均值分别为2.24、2.06、2.22、2.16 m/s，4个陆面站的平均风速为2.17 m/s。

图2为5站风速的逐月变化。可以看出，陆面站的风速逐月变化趋势一致，1—7月风速较大，基本维持在2.5 m/s左右，7月后风速下降，到10月降到最低值，约为1.5 m/s;姥山岛站5—7月的风速显著大于陆面站，而其他月份的风速则与陆面站基本相同。

图3给出了风速的日变化。可以看出，姥山岛站风速的日变化幅度较小，仅约为0.3 m/s，09—11时风速较大。陆面站风速日变化较大，变化幅度超过1 m/s，风速从08时开始增大，到14时达到最大，然后风速缓慢减小。对于陆面站，白天边界层大气层结不稳定，湍流活动较强，高层动量下传，近地面风速较大，而夜间大气层结稳定，近地面风速较小。湖面温度较低，温度日变化幅度较小，大气层结相对稳定，稳定度的变化幅度也不大，所以湖面平均风速的日变化较小。在夜间，湖面和陆面的大气层结均稳定，而湖面摩擦系数较小，因此湖面风速较大。

图2 2006年陆面站和2006年6月—2007年5月姥山岛站风速的逐月变化(单位:m/s)Fig.2Averaged monthly wind speed of stations on land in 2006 and Laoshan Island station fromJuly 2006 to May 2007(units:m/s)

图3 2006年各站点风速的平均日变化(单位:m/s)Fig.3 Averaged diurnal variation of wind speed of stations in 2006(units:m/s)

2.2 风向

进一步分析各站点全年风向频率分布发现，姥山岛站全年以东和西北偏西两个风向为主，其频率分别为14.2%和13.0%;合肥站主要受东北偏东风和东北风影响，其频率分别为11.7%和11.6%;肥东站主要受到东北、东北偏北风的影响，其频率分别为11.2%和10.6%;巢湖站则主要受到东北偏东风和东北风的影响，其频率分别为20.2%和19.5%;庐江主要受到西北和西北偏北风的影响，其频率分别为13.8%和11.7%。

图4为陆面站风向频率的平均日变化情况。可以看出，除了东北风，合肥站还受到南风的影响，其中东北风主要出现在00—09时及17—23时，09—19时南风的风向频率较高，这种风向的日夜变化特征说明合肥站受到湖陆风的影响;肥东站在00—10时及20—23时东北风和东北偏北风频率较高，09—18时西南偏南风频率较高，说明肥东站也受到湖陆风的影响，但肥东站风向频率的日变化特征没有合肥站明显，主要体现在南风频率在夜间也较高，由图1可知，肥东站相对于合肥站距离湖面远，所以受到湖陆风的影响较弱。类似的日变化特征也可以从庐江站风向频率(图4d)看出，但是西北偏北风频率的日变化特征并不明显。巢湖站比较特别，基本只受东北偏东风、西南偏西风以及西北风影响，风向频率日变化特征与合肥站相同(图4c)。

由风向频次的平均月变化(图5)可以看出，各站主导风向的月变化特征较明显。3—8月合肥和肥东站主导风向为南风，巢湖站主导风向为西南偏西风，庐江站主导风向为西南偏南风;其他月份，合肥、肥东和巢湖站的主导风向为东北风，庐江站主导风向为西北偏北风。

由于风向的季节变化特征明显，所以有必要分析不同季节风向的日变化特征。图6和图7分别给出了秋冬季(2006年1、2月和9—12月)和春夏季(3—8月)风向的日变化特征。由图6可知，10—17时合肥站受到南风的影响，即在主导风一定(东北风)的情况下，该站风向频率的日变化特征明显。这种现象在肥东站和巢湖站同样存在，但肥东站风向频率的日变化特征不如合肥站明显。庐江站的风向频率基本没有明显的日变化特征，其受湖风的影响较小。

由图7可以看出，合肥和巢湖站在夜晚均出现了较高的偏北风频率，庐江站和肥东站风向频率的日变化相对不明显。对比图6和图7可知，春夏季陆面站的风向日变化特征比秋冬季的明显。

图8为姥山岛站风向频率的平均日变化。可见，春夏季主要受到西南风和东风影响，秋冬季主要受西北风和东风影响。由于姥山岛位于湖面中心，一天中会受到不同环流的影响，日变化不如陆面站点明显。

图4 2006年陆面站风向频率的平均日变化(单位:%;通过计算每个时刻平均风向频率的分布绘制等值线并填色，其中色调越暖表示对应时刻的对应风向频率越高)a.合肥;b.肥东;c.巢湖;d.庐江Fig.4 Averaged diurnal variation of wind direction frequency in(a)Hefei，(b)Feidong，(c)Chaohu，and(d)Lujiang in 2006(units:%;The average wind direction frequency of every hour is calculated to plot contours，which is then filled with colors;The warmer the color is，the higher the frequency of the corresponding wind direction in the corresponding moment is)

图5 2006年陆面站风向频次的平均月变化a.合肥;b.肥东;c.巢湖;d.庐江Fig.5 Averaged monthly variation of wind frequency in(a)Hefei，(b)Feidong，(c)Chaohu，and(d)Lujiang in 2006

图6 秋冬季陆面站风向频率的平均日变化(单位:%)a.合肥;b.肥东;c.巢湖;d.庐江Fig.6 Averaged diurnal variation of wind frequency in(a)Hefei，(b)Feidong，(c)Chaohu，and(d)Lujiang in autumn and winter(units:%)

在上述风向频率时间变化特征的分析过程中，无法排除背景风场对站点的影响，本文试图通过陆面站和姥山岛站的风向差来消除背景风场的影响。由于陆面站和姥山岛站风、温资料的交集在6—12月，而春夏季风向日变化特征比秋冬季明显，故选取2006年6—8月进行功率谱分析。由风向差的频率谱(图9)可以发现，各站风向差的24 h周期频率最高，即24 h周期最明显，尽管有其他周期频率通过了显著性检验，但其功率均明显小于24 h周期功率。

由于风向差具有24 h的周期变化，所以可进一步分析其平均日变化。图10为风向差距平的平均日变化。可以看出，07—09时及19—21时各站点出现风向差距平的正负变化，而图11中温度差距平的正负变化发生在08时和20时前后。可见温度差距平的正负变化发生时间与风向差距平的正负变化时间基本对应，说明湖陆温差的变化是引起各站点风向变化的主要原因之一。由于影响风向差的因素较多，如站点方位、风速的相对大小以及站点与湖面的距离等，其很难被用来评估站点受湖陆风影响程度的大小。

图7 春夏季陆面站风向频率的平均日变化(单位:%)a.合肥;b.肥东;c.巢湖;d.庐江Fig.7 Averaged diurnal variation of wind frequency in(a)Hefei，(b)Feidong，(c)Chaohu，and(d)Lujiang in spring and summer(units:%)

图8 姥山岛站风向频率的平均日变化(单位:%)a.春夏季;b.秋冬季Fig.8 Averaged diurnal variation of wind direction frequency of Laoshan Island station in(a)spring and summer，and(b)autumn and winter(units:%)

3 结论

利用巢湖流域4个陆面气象站和1个湖面气象站的风场资料，分析了巢湖流域的风场特征，结论如下:

1)巢湖流域4个陆面站(合肥、肥东、巢湖、庐江)年平均风速为2.17 m/s，湖面站(姥山岛)年平均风速为2.41 m/s。各站点风速具有明显的季节变化特征，春夏季风速大于秋冬季。陆面站风速日变化显著，白天风速大于夜间，湖面风速日变化较不显著。夜间湖面站风速大于陆面站风速，白天则反之。

2)由于位于东亚季风区内，巢湖流域各站点在春夏季主要受偏南风影响，而秋冬季主要受偏北风影响。春夏季的风向日变化特征较秋冬季明显。陆面站点与湖面站点风向差的距平具有明显的日变化特征，与温度差距平的日变化保持一致，表明湖陆温差的变化对巢湖流域周围站点风向的变化起关键作用。

3)巢湖流域陆面站点不同程度地受到湖陆风的影响，距离湖面越近，受到的影响越显著。

图9 2006年夏季陆面站与姥山岛站的风向差功率谱(单位:(°)2;图中水平线代表0.05显著性水平的功率)a.合肥;b.肥东;c.巢湖;d.庐江Fig.9 Power spectrum of wind direction differences between stations on land and Laoshan Island station in summer 2006(units:(°)2;The horizontal line represents the power with a significance level of 0.05)a.Hefei;b.Feidong;c.Chaohu;d.Lujiang

图10 2006年夏季陆面站与姥山岛站风向差距平的平均日变化(单位:(°))Fig.10 Averaged diurnal variation of wind direction differences anomaly between stations on land and Laoshan Island station in summer 2006(units:(°))

图11 2006年夏季陆面站与姥山岛站温度差距平的平均日变化(单位:℃;正温度差表示陆面站点温度高，负温度差表示姥山岛温度高)Fig.11 Averaged diurnal variation of temperature differences anomaly between stations on land and Laoshan Island station in summer 2006(units:℃)

黄嘉佑.2004.气象统计分析与预报方法［M］.3版.北京:气象出版社:219-220;223.

李惠丰，袁德辉.1985.浙江沿海海陆风的初步分析［J］.东海海洋，3(1):12-16.

林必元，李敏娴.1988.洞庭湖湖陆风特征与降水［J］.南京气象学院学报，11(1):78-87.

吕雅琼，马耀明，李茂善，等.2008.青藏高原纳木错湖区大气边界层结构分析［J］.高原气象，27(6):1205-1210.

吕云波，周东风，龚震.2003.滇池风场的基本特征分析［J］.云南环境科学，22(1):1-5.

申红艳，余锦华.2007.环青海湖地区风的气候变化特征分析［J］.青海环境(4):170-172.

孙燕，吴海英，沈树勤，等.2007.冬春季江苏沿海大风的特征［J］.南京气象学院学报，30(5):699-704.

童军华，黄祥明，陈勇.2006.巢湖水体重金属污染评价［J］.安徽农业科学，34(17):4373-4374.

皖军.2007.安徽巢湖蓝藻局部爆发［EB/OL］.(2007-06-12)［2011-10-19］.http://news.163.com/07/0612/02/3GOMKCTD0001124J.html.

吴增福，李振国.1991.湖陆风速的气候特征及预报方法浅析［J］.广西气象，12(3):19-22.

徐安伦，董保举，刘劲松，等.2010.洱海湖滨大气边界层结构及特征分析［J］.高原气象，29(3):637-644.

杨智，刘劲松，孙绩华.2008.大理近地层山谷盆地湖陆风及湍流特征分析［J］.气象与环境学报，24(5):32-37.

张克杰，刘汉武，王玉红.2005.巢湖“5.21”降雹成因分析［J］.气象，31(9):75-78.

Biggs W G，Graves M E.1962.A lake breeze index［J］.J Appl Meteor，1:474-480.

Keen C S，Lyons W A.1978.Lake/land breeze circulations on the western shore of Lake Michigan［J］.J Appl Meteor，17:1843-1855.

Klink K.2002.Trends and interannual variability of wind speed distribu-tions in Minnesota［J］.J Climate，15:3311-3317.

Lyons W A，Cole H S.1976.Photochemical oxidant transport:Mesoscale lake breeze and synoptic-scale aspects［J］.J Appl Meteor，15:733-743.

Passarelli R E，Braham R R.1981.The role of the winter land breeze in the formation of great lake snow storms［J］.Bull Amer Meteor Soc，62:482-492.