城市环境下地面风速概率分布的特征、演变及机理分析

摘要

本文以三参数Weibull分布模型为基础，利用江苏省2005年自动站逐时风速、气温资料，1985-2014年地面天气定时风速、气温资料，以及NCEP/NCAR Reanalysis-1、NCEP/DOEReanalysis-2、ERA-Interim再分析风速、气温资料，讨论了城乡风速差异的特征、影响因子及影响过程的物理机制，通过拟合风速Weibull分布的3个参数，对比城乡、城市发展不同时期风速概率分布参数的差异及变化趋势，分析城市规模指标与风速概率分布参数及其城市化相对变量之间的相关关系，从而深入分析城市化效应对地面风速概率分布的影响规律，得到一系列结论如下:
　　1.1985-2014年城市站风速平均值总体呈下降趋势，风速平均变化倾向率为-0.0555·10a-1，城市站风速比同样气候背景下的县站要下降得更快，城市效应对风速减小作用较为显著;再分析集合平均数据风速值偏大，与城市站相比变化形式相近而波动幅度较小，变化平稳;自动站逐时风速资料及长期资料统计显示，城乡风速差与乡村风速呈线性负相关关系;城市化通过下垫面粗糙度增加和城市热岛效应两方面对地面风速概率分布特征产生影响，并存在一个风速临界值，风速高于这个值，城市下垫面摩擦效应起主导作用，表现为削弱地面风速的效应，低于这个值，则城市化效应使得风速增强;长期资料还显示，城市下垫面摩擦作用随时间加强，即风速受城市化摩擦效应的削弱作用愈加明显;城市化热力效应对风速的增大作用随时间略减，但不明显。
　　2.将通用三参数Weibull分布函数的条件v≥r改为v≥0得到的限定定义域的三参数Weibull分布函数式，与通用函数式相比拟合效果更好，更适用于城市化效应下风速概率分布变化研究;使用数值迭代法拟合得到风速Weibull分布的3个参数，分布函数曲线拟合得很好，实测值和理论值的相关系数达到0.9999。理论分析认为，城市化摩擦作用使得尺度参数c减小、位置参数r向正轴方向移动，而形状参数k受城市下垫面影响不大。
　　3.城市及乡村站参数差异有一定的规律，其中城市站的形状参数k略小于乡村站，尺度参数c小于乡村站，而位置参数r则大于乡村站;参数中城乡差异最明显的是参数c，其次为r，k的城乡差异相对最不明显;城市风速概率密度峰值大于乡村，同时城市风速的标准差小于乡村，表明城市站风速概率密度曲线更紧凑，风速集中于众数附近的区间范围;初步资料分析认为，城市化对地面风速除摩擦效应的削弱作用之外，城市热岛效应还会增强近地层湍流，尤其大气层结稳定时，从而发生静风出现概率减少的现象。
　　4.长期资料显示随时间发展城市站参数k有微弱下降，c下降明显，而r则随时间上升。8个大城市1990-1994、2001-2004和2010-2014年3个时间段风参数变化分析结果有两种变化类型:Ⅰ型变化和Ⅱ型变化。其中Ⅰ、Ⅱ两种变化型的参数c均随城市发展而减小，概率密度峰值增大，曲线变得更陡峻，Ⅰ型参数r增大量明显大于Ⅱ型，Ⅰ型的静风概率密度大幅减小，Ⅱ型则增加，众数Ⅰ型多数增大，向右偏，Ⅱ型则是减小，向左偏;城市站与县站、再分析资料参数统计得到的相对变量c/c'、r-r'主要反映城市化影响的部分，趋势分析的结果与c、r相似，c/c'的变化取决于下垫面的摩擦效应，影响因素比较单一，r-r'则包含摩擦、热力和气候背景的波动，影响因素复杂。
　　5.城市规模指标与c、r相关良好，与k的相关相对不显著;不同城市规模指标与参数回归效果略有差异，但参数趋势变化均一致。城市-再分析参数相对变量c/c'随城市建成区面积增加呈现线性递减的趋势，意味着随城市规模扩大，风速概率密度曲线分布幅度收窄，r-r'随城市建成区面积的增加表现为线性趋势上升，数值由负到正，意味着城市规模增加会导致静风、微风的频率减小的效应;处于城市化飞速发展阶段的城市，其城市化对地面风速变化影响甚大，当城市规模扩大到一定程度之后（如北京），城市化进程对风参数的影响则趋于减弱，甚至有可能使得风参数稳定下来;分析还显示r-r'与市区人口、建成区面积的变化率与纬度相关良好，而c/c'与城市指标的变化率与纬度之间相关不显著。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的主要研究内容

1．4 本研究的意义

第二章 资料概况

2．1 江苏2005年地面自动站风速及其站点周边地形特征

2．2 台站1985-2014年观测资料

2．3 再分析资料

2．4 城市规模指标

第三章 城乡风速差异及其影响因子分析

3．1 近30年城市年平均风速变化趋势

3．2 城市站与对比站年平均风速变化趋势对比

3．3 城乡同期地面观i燹愤料的回归分析——以南京为例

3．4 对长期观澳愤料的回归分析——以北京为例

3．5 小结

第四章 关于城市化对风速分布曲线参数影响的理论分析

4．1 三参数Weibull分布的拟合方法

4．1．1 两参数与三参数Weibull分布的比较

4．1．2 应用于风速的Weibull概率分布函数的参数拟合

4．2 城市化效应因子对风速概率分布参数影响的理论分析

4．3 小结

第五章 同时期地面风速概率分布参数的城乡差异特征

5．1 地面风速概率分布参数的城乡差异

5．2 城市风速概率分布特征的描述及其与周边乡村的对比分析

5．3 小结

第六章 风速概率分布特征及参数随时间的演变

6．1 城市风速的Weibull参数随时间的演变规律

6．2 城市椤薛率分布曲线形式的变化及其类型分析

6．3 城市风速的概率特征演变与气候背景变化的对比

6．3．1 城市风速与ig-'-分析风速概率分布参数的变化对比分析

6．3．2 城市风速与邻近县站风速概率分布参数的变化趋势对比

6．4 风速概率分布参数的城市化相对变量时间变化特征

6．5 小结

第七章 城市扩展规模与风速概率分布参数的相关

7．1 城市规模指标与风速概率分布参数的关系讨论

7．2 风速概率分布参数的城市化相对变量与城市规模指标相关分析

7．3 小结

第八章 总结与展望

8．1 总结

8．2 展望

参考文献

读研期间参加的科研项目及论文发表情况

致谢