应用气候研究进展

朱瑞兆

（中国气象局气象科学研究院）

“七五”期间应用气候研究组承担国家科技攻关“75-21”项目中两个子项，即“被动太阳房设计手册”和“最佳风场和风特性研究”；国家自然科学基金项目“京津冀晋地区水分平衡与经济发展的研究”；国家气象局气候基金项目：“太阳能、风能数据库研究”“不同气候区城市气候研究”“城市气候数值模拟研究”，还有“国家建筑荷载规范”　“采暖通风和空调规范”等研究工作。这些研究工作都按计划完成了任务，研究成果已为有关单位所采用，取得了良好的经济效益。

一、太阳能的研究

太阳能资源研究，在全国7个站（北京、郑州、烟台、济南、成都、昆明、广州）进行了为期一年的光合有效辐射资源的观测。发现无论是小时累计量，还是正点瞬时量，光合有效辐射与总日射的比值为一定值，在0.42～0.43，据此可以推算出任何地区的光合有效辐射资源［1］。

利用直接日射历史资料，研究了国内各地气溶胶浑浊系数的分布情况，借此了解大范围大气污染情况。

为了简便日辐观测的计算，给出了一套太阳赤纬、日地距离订正系数和时差的简便计算公式，其准确度比世界气象组织地面观测指南中推荐的公式要高得多，还研究了滤光片透射系数的直接测定［2］。

在国家自然科学基金的支持下，对总日射表倾斜响应进行了研究，倾斜的响应具有方位效应和辐照水准效应，研究结果不仅对太阳能利用中倾斜情况下的辐射测量是重要的，对气象观测地表反射比的测定也有实际价值。此外，还发现总日射表具有热滞后效应等［3］。

根据太阳能的作用，进行了被动太阳房的区划，为优先开发利用提供了依据。

二、风能资源研究

在我国风能资源和风能区划研究的基础上［4］，对风电场（风力田）选址、风力资源潜力和风能资源数值模拟进行了研究。

（一）风电场选址

以辽宁大鹿岛为基地，并在天津渤海沿岸进行距海不同距离的风速增减情况的观测，分析不同地形下风的变化规律。如大鹿岛在不同地形下风速可相差1倍，在同一观测点风向不同，风速也可相差1倍或1倍以上，这些差异，主要是地形造成的。渤海沿岸设了两组观测站，1组距海岸垂直距离为0～8.6km，2组为0～54.2km，得出两组方程。

1组为

向岸风　y=-0.033x+1

离岸风　y=-0.020x+1

2组为

向岸风　y=［1.930/（x+4.795）］0.656+0.45

离岸风　y=［8.018/（x+14.071）］0.766+0.35

式中：y——所在点风速与标准站的风速比；

x——所在点的距海距离（km）。

（二）风能开发利用潜力评估

根据全国800余站的多年逐时测风资料，计算了各站的Weibull参数的形状参数k和尺度参数c的全国分布图。利用k、c参数结合各种大、中、小型风力发电机的参数，可计算出各地各种风力机的潜力，也称风力机的容量系数（capcity factor）Fc［4，5］，即

式中，为风力机实际平均输出功率，其公式：

式中：V0——切入风速；

V1——额定风速；

V2——切出风速；

P（v）——风力机输出功率；

p（v）——风速概率密度函数；

Pr——额定功率。

Fc是衡量一地风力机安装潜在输出能力的评价指标。

（三）山区和复杂地形风能资源模拟

山区风能资源模拟，是以地形坐标系中的水平无辐散关系作为约束条件，在变分的意义下对客观分析获得的风场进行调整。计算中对风场进行了自然正交展开，可大大地减少无辐散调整次数［6，7］。以内蒙古乌盟南部山丘地带气流的模拟为例，该地区有6个观测点，在验证时不包括其中1个或2个点，计算值与实测值的误差为-1.0～2.0。这表明，这种方法可以得到一定精度的山区风能估计值。

复杂地形风场数值模拟及试验，运用一层σ坐标下的中尺度模式。它是给定天气尺度的高度和温度场后，积分地面水平运动方程和温度方程到稳定状态，可诊断由复杂地形强迫产生的地面风场和温度场。以此为初始场，加入非绝热强迫项，再积分模式至规定时间，得到模式的输出风场。对辽东半岛复杂地形的地面流场进行诊断模拟，验证其模拟能力。将模拟图与实测风场图对比（见图1、图2），两者大致相当。所以从这个模拟结果来看，该模式能较好地模拟出中尺度流场，对一些局地环流细致特征，如绕流、汇合、狭管效应等都有一定的模拟能力。

（四）太阳能、风能利用区划

我国冬季风能丰富、夏季太阳能丰富两者可以相互补充，结合我国的气候特点，尽可能有效利用这两种能源。根据以上特点，我们把全国分为13个大区，31个副区［8］。

三、建筑气候研究

（一）城市规划与气候的研究

在过去的城市规划中，工业区布置在主导风向的下风向，居住区在其上风向，这样污染物对人的影响最小。此原则对非季风气候区域是较合理的，但对季风气候国家是不适用的，因为季风区内，冬夏风频相当而风向相反，冬季是上风向，到了夏季便变为下风向。所以在季风气候区域内，必须采用最小风向频率这一概念，因为从最小风频风向吹来的次数最少，因而污染的机会也最小。故应将那些向大气排放有害物质的工业企业，按当地最小风向频率，布局在最小风向频率的上风方向，居住区在其下风向。

在城市规划中还要考虑风速，通常利用污染系数即为某一方向风向频率（DF）除以相应风向的平均风速（），但这样分子是无因次的，分母是有因次的，两者不便比较，我们改进为

式中，为平均风速，这样分子分母都是无因次量。

（二）建筑风压研究

为了将各种风速换算为统一标准，建立了一系列风速观测时距的关系，根据全国几百个自记风速资料，建立的关系式如自记10min（y）与定时2min（x）关系：

y=0.78x+8.41

自记10min与瞬时风速（x）关系：

y=0.65x+5.00，陆地

y=0.75x+1.00，海上及沿海

风压要求的风速是1/30或1/50的重现期风速，利用极值I型分布函数计算的。

式中：α——常数；

μ——极值分布众数，为待定参数，它与分布的标准差和平均值有关。

高层建筑还需要50m以上的风压，我们根据国内外的实测资料，确定采用指数律：

式中：Vn——高度zn处的风速；

α——指数。

根据我国实际观测资料，在海面、沿海及沙漠α取0.12；乡村、小镇α取0.16；大城市α取0.20。

四、城市气候研究

（一）城市热岛的变化

城市热岛与人口密度有高度相关关系，以我国温带城市为例（见表1）。

利用卫星遥感诊断城市热岛，由图3可见，热岛结构形状与城市建设规模基本一致。

（二）城市气候模式研究

建立一个三维线性定常城市边界层气候解析模式，考虑城市地面人为加热因子和边界层热力输送过程，使用富氏变换反演法对模式方程组求出形式解，再结合实际的城市气候资料进行分析和计算，得到温度场和风场分布特征的初步结果。结果表明在边界层低层位于城区上风处对应着下沉运动，下风处于应着上升运动，在边界层上层热岛减弱并消失；垂直运动也减弱。这对于从理论上认识城市热岛、城市风场分布的基本特征及其影响因子有重要的意义。

五、医疗气候研究

主要对急性心肌梗塞发病气象条件进行了研究。发现冬半年是该病的高发期，这与冷锋过境和大风降温天气有关。

根据北京1977—1979年逐日发病资料对应地面天气图和700hPa、850hPa高空天气图，在冷空气侵入、暖空气侵入和低压发展时，发病率显著增多，称为激发型；在单一的高、低压控制下，发病率明显减少，称为缓和型。

激发型全年出现次数较少，仅占全年的35%，而缓和型则占全年的65%。尽管激发型天气过程出现次数较缓和型少，但此类天气对发病率影响却很大，在全年发病高峰日中有89.2%是受激发型天气影响所致［9］。

参考文献

［1］王炳忠，税亚欣.关于光合有效辐射的气候学计算问题［J］.太阳能学报，1988（1）：61-67.

［2］王炳忠.关于滤光片透射系数的直接测定［J］.太阳能学报，1988（3）：108-114.

［3］王炳忠，葛洪川，邸乃力，等.总日射表倾斜效应的研究（1）——实验装置及结果［J］.太阳能学报，1991（2）：214-224.

［4］薛桁，朱瑞兆.我国风能开发利用及布局潜力评估［J］.太阳能学报，1990（1）：1-11.

［5］朱瑞兆.我国风力机潜力的估计［J］.气象科学研究院院刊，1986（2）：185-195.

［6］刘永强，朱瑞兆.山区风能资源的模拟研究［J］.气象学报，1988（1）：69-76.

［7］朱瑞兆，刘永强.Forecast and variation characteristics of wind over mountain area［C］.Recent Advances in Wind Engineering.International Academic Publishers，1989.

［8］朱瑞兆.中国太阳能-风能综合利用区划［J］.太阳能学报，1986（1）：3-11.

［9］王衍文，仉学淬.急性心肌梗塞发病气象条件的研究［J］.气象学报，1985（4）：109-112.