10 / 2021-08-04 08:30:15

基于聚类技术的北京风速日变化特征典型模态研究

风速日变化，典型模态，K-means聚类计算

      大型城市或工业区存在显著的环境问题，地面气象条件是城市大气环境质量的重要影响因素，强风有利于污染物的快速扩散。随着城市规模的扩大，城市热岛效应显著，白天的热岛环流要显著高于夜间，这势必改变原有的风速日变化特征。北京市地处华北平原北麓，为太行山脉和燕山山脉交汇处，是中国最大的城市之一。受特殊地形条件影响，随着北京城市规模的扩大，环境问题也日益严峻，研究其风速日变化特征有助于进一步了解污染成因、污染扩散，提升环境预报能力。目前研究风速日变化特征，多以时间、区域平均为主，而对于风速日变化的典型变化模态特征和数目仍然缺乏相应的研究。

      基于K-means聚类分析技术开展北京市观测站点风速日变化特征的分类研究，分析风速日变化的不同类型随时间、空间的变化。结果表明：（1）对每个站点进行聚类，大部分站点风速可以分为4~9类，其中主要分类数目为5~7类，靠近城区以5~6类为主、远离城区以7类为主，聚类数目为8类、9类的站点海拔较高；（2）长期变化来看，2013~2015年聚类数目为4~5的站点数目明显增加、聚类数目达到到6~8的站点数目减少，意味着这一时段风速总聚类变少了；近10年的聚类数目转换来看5类-6类、6类-7类的站点易发生转换，并且聚类数目变少的转换要多于聚类数目变多的转换；（3）从所有站点来说，风速日变化共计可分为12种型，其中9种“白天大、夜间小”型、1种“单调增加型”、1种“单调减弱型”、1种“强风型”，其中9种“白天大、夜间小”型主要由最大风速时间不同、风速大小不一致导致的；（4）长期变化趋势来看，P1、P4型是显著增加，P3、P5、P6为减小趋势，P7~P12在2014年前后呈相反的变化趋势；空间分布来看，P1型主要在城区、其他类型则主要在郊区。

      通过上述研究，总结了北京主要风速日变化典型特征和长期变化特征，明确了城市风速的日变化对气候变化的响应。