宿州市室外风场年分布特征与变化趋势研究

程海峰，张国兵，张举

(1.安徽建筑大学 建筑能效控制与评估教育部工程研究中心，安徽 合肥 230022；2.智能建筑与建筑节能安徽省重点实验室，安徽 合肥 230022)

0 引言

随着我国城市化进程的不断加快，新建建筑数量也在逐年增加，每年新建建筑面积约20 亿m2[1]。自2008 年以来，人们接受着来自世界范围内的绿色建筑环保理念，促使新建建筑朝着绿色建筑理念设计，从而保证绿色建筑项目的节能、环保与自然和谐共处。同时也得到了政府的大力推崇，逐渐展开新建建筑朝着绿色建筑理念去设计[2]。

运用绿色建筑理念设计时，不可或缺的是进行室外风环境模拟，模拟的边界条件是以当地典型气象年不同季节的主导风向及风速为基础。杨易、金新阳等[3]对中国建筑科学研究院(CABR)新建科研大楼与原科研楼组成的高层建筑群的室外风环境进行数值模拟和方案优化设计，得出在新建大楼增设挡风屏等辅助措施可缓解不利风环境。He W，Yuan W[4]等通过对两个相邻高层建筑风压分布的数值模拟，得出高层建筑迎风面上的压力在建筑2/3 高度处达到最大值，而在顶部和底部具有较低的值。Dhunny A.Z[5]等对毛里求斯两个位置处的风速进行统计，最后利用数学方法建立风速的概率分布函数。Kubota[6]等用试验的方法研究了建筑物密度对人行高度处平均风速的影响。Tsang[7]等对高楼林立的建筑群，从建筑尺寸，建筑分离以及裙楼对建筑行人高度处风环境进行了风洞实验模拟。杨丽[8]以同济新村部分建筑和同济设计中心A楼为例，结合CFD 软件对风绕过居住区建筑时的流场进行了模拟分析。谢宗标[9]等对合肥市风频风速的分布特征进行研究，得出了合肥市是一个无主导风向的城市以及各季的风环境特点。

良好的室外风环境可以提高建筑区域内舒适度，降低空调系统能耗，促进当地绿色建筑的发展，然而以上研究对不同地区室外风环境以及典型气象年的风速、风向数据研究较少。本文通过对宿州市近30 年风向风速数据的统计分析，确定典型气象年、各季及全年的主导风向及风速，为宿州市绿色建筑设计室外风环境模拟提供边界条件，同时为宿州市建筑朝向与布局提供数据支持。

1 数据处理与计算

1.1 数据来源

本文的气象数据来自中国气象数据网中宿州气象数据资料。数据内容包括时间、站台编号、风速、风向等。本文所用数据是从1973 年至2018 年的风向、风速。该数据资料中风向按照16 方位，分别用数字1-16 表示，对应方位图如图1[2]。

图1 对应方位图

1.2 典型气象年选取

根据《城市居住区热环境设计标准》[10](JGJ286-2013)，典型气象年(TMY)，是以近30 年月平均值为依据，从近10 年的数据中选取一年各月接近30年的月平均值为典型气象年。本文选取数据是自1989 年至2018 年，经过数据处理得近三十年典型气象年为2010 年。以下数据分析都是以典型气象年为基础。

1.3 季节划分与风频风速计算

1.3.1 季节划分

根据宿州市室外气温、供冷及供暖期，划分不同季节，夏季：6 月-9 月；冬季：12 月-2 月；过渡季节：3 月-5 月、10 月、11 月。

1.3.2 风频风速计算

通过对宿州市典型气象年风向及风速统计分析，得到不同季节及全年风频、风速玫瑰图。 各朝向风频计算公式如下[9]：

各朝向平均风速计算公式如下[9]：

式(1)、(2)中：Am为m 方向上的风频；Km为m方向上该方向出现的次数；C 为静风次数；υim为m方向上第i 次观测的风速；υˉm为m 方向上的平均风速；m = 1～16。

1.4 主导风向风频及风速计算

1.4.1 主导风向定义

《环境影响评价技术导则—大气环境》(HJ2.2-2008)中主导风向是指风频最大风向角范围。风向角范围一般在22.5 °～45 °之间，对于以16 方位角表示的风向，主导风向一般是指连续2～3 个风向角的范围。某区域的主导风向应有明显的优势，其主导风向角风频之和应≥30%，否则可称该区域没有主导风向或主导风向不明显[11]。

1.4.2 主导风向风速确定及计算公式

主导风向风速的确定是以典型气象年的气象数据为基础，经过统计计算，依据主导风向定义确定主导风向，再将主导风向角范围内各风向风速取平均，最终得到主导风向风速。

主导风向风速公式如下[12]：

式(3)中：υi为主导风向风速，m/s；υi+1为邻近风向风速，m/s；υi-1为邻近风向风速，m/s；υ 为主导风向风速，m/s，其中i=1～16。

注：1～16 分别代表16 个不同朝向，当i 取1时，i-1=0 对应16(NNW)方向风向风速；当i 取16时，i+1=17 对应1(N)方向风向风速。

2 典型气象年主导风向及风速统计分析

2.1 夏季主导风向及风速确定

根据主导风向定义及表1、表2 可得：宿州市夏季无静风风频；东风向(E)风频和最大且≥30%，为36.1%，因此宿州市夏季主导风向为东，主导风向较为明显，风速为2.18 m/s。从图2 中可以看出，夏季东东南(ESE)风向风频最大为13.1%，风速为2.2 m/s；次之为东东北(ENE)风向风频为12.3%，风速为2.1 m/s；北西北(NNW)风向为最小风频风向，风频为0.8%，风速为2.9 m/s。

表1 夏季风向、风速及风频统计表

表2 夏季主导风向计算表

图2 夏季风玫瑰图

2.2 冬季主导风向及风速确定

根据主导风向定义及表3、表4 可得：宿州市冬季无静风风频；东东北(ENE)风向风频和最大且≥30%，为34.4%，因此宿州市冬季主导风向为东北东，主导风向较为明显，风速为2.11 m/s。从图3中可以看出，冬季东东北(ENE)风向风频最大为18.9%，风速为2.2 m/s；次之为西(W)风向风频为17.8%，风速为1.7 m/s；南西南(SSW)风向风频最小为0。

2.3 过渡季节主导风向及风速确定

根据主导风向定义及表5、表6 可得：宿州市过渡季无静风风频；东(E)风向风频和最大且≦30%，为29.4%，因此宿州市过渡季主导风向为东，主导风向不明显，风速为2.46 m/s。从图4 中可以看出，西(W)风向风频最大为15%，风速为1.6 m/s；次之为东南(SE)风向风频为10.5%，风速为1.9 m/s；北东北(NNE)、西西南(WSW)及北西北(NNW)风向风频最小都为2%。

2.4 全年主导风向及风速确定

根据主导风向定义及表7、表8 可得：宿州市全年无静风风频；东(E)风向风频和最大且≧30%，为32.3%，因此宿州市全年主导风向为东，主导风向较为明显，风速为2.27 m/s。从图5 中可以看出，东东北(ENE)风向风频最大为13.7%，风速为2.19 m/s；次之为西(W)风向风频为13.4%，风速为1.73 m/s；SSW(南西南)及NNW(北西北)风向风频最小都为1.9%。

表3 冬季风向、风速及风频统计表

表4 冬季主导风向计算表

表5 过渡季风向、风速及风频统计表

表6 过渡季主导风向计算表

表7 全年风向、风速及风频统计表

图5 全年风玫瑰图

2.5 数据汇总分析

从表9 中可以看出，夏季、过渡季及全年主导风向都为东且冬季主导风向为东东北也在东方向附近。各季节及全年主导风向风速都满足规范《绿色建筑评价标准》[13](GB/T50378-2014)中建筑物周围人行区域风速小于5m/s 的要求。夏季主导风向风频最大为36.1%，风速为2.18 m/s，主导风向最为明显；过渡季主导风向风速最大为2.46 m/s。

3 对比分析

将宿州市1973 年至1982 年的风向及风速数据进行整理分析得到典型气象年为1974 年。对典型气象年(1974 年)的各季节、全年风向及风速数据进行统计分析，得到各季、全年的主导风向及风速。并将1973 年至1982 年的典型气象年(1974 年)主导风向及风速数据与1989 年至2018 年的典型气象年(2010)的主导风向及风速数据进行对比分析。

从表10 可以看出，以宿州市(1973-1982)典型气象年主导风向风速数据为基础，夏季、过渡季及全年的主导风向发生变化，其中夏季主导风向角度变化最大为90 °，从南(S)变化为E(东)；冬季主导风向无变化，仍为东东北(ENE)风向；过渡季及全年主导风向都由东东北(ENE)变化为东(E)，主导风向角变化都为22.5 °。此外，各季节及全年主导风向风速都相应的减小，其中冬季风速减小率最大为24.6%，由2.8 m/s 减小到2.11 m/s；夏季风速减小率最小为5.22%，从2.3 m/s 减小到2.18 m/s。

4 近30 年(1989-2018)各季节及全年最大风频、风速变化趋势分析

4.1 夏季逐年风速及最大风频变化趋势分析

从图6 可以看出，夏季风速极大值同时出现在1990 年与1997 年，风速极大值为2.51 m/s；风速极小值同时出现在1989 年与2014 年，风速极小值为1.74 m/s。与前20 年对比，近10 年风速呈下降趋势。同时夏季最大风频极大值、极小值分别出现在2000 年、2005 年，最大风频值分别为29.5%、13.1%。与前20 年对比，近10 年最大风频呈下降趋势。近30 年夏季风向变化波动性较大。从图7可以看出，近30 年出现频率最大、最小风向为东北(NE)、北东北(NNE)，占比分别为37%、3%。

4.2 冬季逐年风速及最大风频变化趋势分析

从图8 可以看出，冬季风速极大出现在1994年，风速极大值为2.5 m/s；风速极小值同时出现在2007 年与2008 年，风速极小值为1.61 m/s。与前20 年对比，近10 年风速呈下降趋势。同时冬季最大风频极大值、极小值分别出现在1998 年、1993年，最大风频值分别为28.9%、13.3%。与前20 年对比，近10 年最大风频变化趋势不明显。近30 年冬季风向变化波动性较大。从图9 可以看出，近30 年出现频率最大、最小风向为东北(NE)、东(E)，占比分别为53%、3%。

图7 近30年夏季各风向占比图

4.3 过渡季逐年风速及最大风频变化趋势分析

从图10 可以看出，过渡季风速极大、极小值分别出现在1998 年、2008 年，风速分别为2.5 m/s、1.75 m/s。与前20 年对比，近10 年风速呈下降趋势。同时过渡季最大风频极大值、极小值分别出现在1999 年、2007 年，最大风频值分别为26.1%、12.4%。与前20 年对比，近10 年最大风频变化趋势不明显。近30 年过渡季风向变化波动性较大。从图11 可以看出，近30 年出现频率最大、最小风向为东东北(ENE)、西北(NW)，占比分别为40%、3%。

表10 宿州市典型气象年主导风向风速对比分析表

图8 冬季逐年风速及最大风频变化趋势图

图9 近30年冬季各风向占比图

4.4 全年逐年风速及最大风频变化趋势分析

从图12 可以看出，全年风速极大、极小值分别出现在1996 年、2008 年，风速分别为2.45 m/s、1.76 m/s。与前20 年对比，近10 年风速呈下降趋势。同时全年最大风频极大值、极小值分别出现在1999 年、2018 年，最大风频值分别为27.1%、11.2%。与前20 年对比，近10 年最大风频呈下降趋势。近30 年全年风向变化较为稳定。从图13可以看出，近30 年出现频率最大、最小风向为东北(NE)、西(W)，占比分别为53%、3%。

图10 过渡季逐年风速及最大风频变化趋势图

图11 近30年过渡季各风向占比图

5 结论

(1)典型气象年宿州市年主导风向明显，全年无静风。夏季、过渡季及全年主导风向都为东(E)，风频分别为10.7%、9.8%、8.8%，冬季主导风向为东东北(ENE)，风频为18.9%；夏季、冬季、过渡季及全年主导风向风速分别为2.18 m/s、2.11 m/s、2.46 m/s、2.27 m/s。

(2)自然气象年近10 年各季节、全年平均风速较前20 年呈下降趋势，夏季、全年最大风频较前20 年呈下降趋势，冬季、过渡季变化趋势不明显，存在异常变化年份；夏季、冬季、过渡季及全年平均风速区间分别为1.74 m/s、2.51 m/s、1.61 m/s、2.50 m/s、1.75 m/s、2.50 m/s、1.76 m/s、2.45 m/s；风频区间分别为13.1%-27%、13.3%-28.9%、12.4%-26.1%、11.2%-27.1%。

图12 全年逐年风速及最大风频变化趋势图

图13 近30年全年各风向占比图

(3)自然气象年近30 年夏季、冬季及过渡季逐年风向变化波动性较大，全年逐年风向变化较为稳定。

(4)自然气象年近30 年夏季、冬季及全年占比最大风向都为东北(NE)风向，过渡季最大占比风向为东东北(ENE)。

(5)近30 年(1989-2018)典型年(2010 年)与1973-1982 年的典型年(1974)对比，夏季主导风向逆时针发生了90 °偏移；过渡季及全年主导风向均顺时针发生了22.5 °偏移；冬季主导风向无变化；各季节主导风向风速呈现下降趋势。