福建省風速變化的趨勢分析及可能原因探討

吳 濱 林秀芳

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福建省風速變化的趨勢分析及可能原因探討

吳 濱 林秀芳

福建省氣候中心

1 引言

為了應對氣候變化，減少溫室氣體的排放，國家頒布了《中華人民共和國可再生能源法》，大力開發可再生能源，風能作為清潔的可再生能源將在今后的能源結構中占重要一席。福建省地處臺灣海峽西岸，受海峽“峽管效應”的影響，風資源相當豐富，尤其是沿海地區。

在氣候變暖的背景下，全國風速存在著逐年變小的趨勢[1-5]，王遵婭[1]指出近幾十年來中國風速減小的趨勢非常顯著，全國平均風速約減小了16 %，任國玉[2]指出全國風速減小的速率大于0.1ｍ/ｓ.10ａ。在風速明顯減小的大背景下，仍有一些風速變化不明顯的區域，王毅榮[6]通過研究河西走廊風速的變化認為沒有顯著的下降趨勢，但存在階段性變化。

近年來我們在開展氣象科技服務中發現福建省沿海臺站的風速也呈明顯減小的趨勢，而內陸則有一些地區風速減小得則不明顯。風速的變化相當復雜，受局地的地形特點、環流等諸多因素的影響非常大，本文試圖研究福建全省各地風速變化的趨勢、變化程度及變化的可能原因，重點研究沿海大風地區風的變化，為福建省風能資源的開發及氣候可行性論證服務提供相應的背景依據。

2 資料

選取省內均勻分布的33個臺站1961~2006年逐年逐月的平均風速資料。平潭海洋站1977~2006年年平均風速。

由于風速受環境及地形的影響較大，因此資料選取的原則是觀測環境變化小，站址變動少，且資料的完整性較好。由于20世紀60、70年代臺站氣象數據缺測較多，因此所選的這些臺站還不免有個別月份缺測，對數據的訂正采用站點與周邊臺站的相關進行訂正。對這些臺站的搬遷情況及風儀變動情況都進行了仔細調查。

3 年、季平均風速的年際變化

對全省年平均風速場進行EOF[7]展開，得到第一特征向量解釋了98.84%的方差，反映了全省風速的共同特點，因此用第一時間系數來分析全省風速的時間變化特征。由圖1可見，福建省年平均風速呈現明顯的減小趨勢，其趨勢系數[8-9]為-0.899，超過了0.001的顯著性水平，減小的幅度為每10年減少0.147m/s，略大于全國平均水平[3]。其中1971年風速最大，1997年風速最小。20世紀60年代風速呈現增大的趨勢，1971年之后風速逐漸減小，2004年以后風速增大。

任國玉[2]分析指出全國平均風速在20世紀60年代末以前變化不大；1969年風速顯著增強，較高的風速維持到70年代中期，此后逐漸減小，福建省的變化基本與全國一致，較高的風速維持到1975年前后。

圖1 1961~2006年福建省年平均風速EOF展開第一時間系數變化曲線、趨勢線及5年滑動平均

就各個季節而言，我們以1、4、7、10月分別代表冬、春、夏、秋四季，同樣對風速場進行EOF分解，采用第一時間系數做趨勢分析，從表1中可以看出，四季的平均風速與年平均一樣均呈減小的趨勢，趨勢系數均超過了0.001的顯著性水平，其中減小最明顯的季節為冬季和秋季，其減小幅度分別達0.179m/s.10a和0.172m/s.10a，夏季減小得最少，幅度為0.110m/s.10a。

表1 福建省年平均及四季風速變化的趨勢系數及回歸系數

4 各地風速變化特征

就全省各地而言，年平均風速變化并非都是減小，閩中谷地風速的年趨勢變化不明顯，趨勢系數大多未通過顯著性檢驗，可以說是以自然變動為主，或有略微的增大，但這一地區的年平均風速本身就較小，大多為2米/秒左右，所以變化的趨勢不明顯，這種臺站有10個，占30%；對于沿海地區及省內南北走向的兩大山帶地區風速減小的趨勢相當顯著，有23個站，其趨勢變化系數達0.001的顯著性水平。對于內陸一些風速趨勢減小明顯的地區，由于風速較小，雖然負的趨勢系數較大，但風速減小的幅度并不大，每10年風速下降的幅度僅0.1米/秒左右，而沿海的大風地區風速降幅則較大，每10年降幅平潭達0.803米/秒、東山0.517米/秒，崇武0.445米/秒。

對于各季而言，各地風速變化趨勢的空間分布特點與其年平均風速相似，在此不一一復述。

圖2 全省年平均風速趨勢系數分布圖

5 代表站風速變化特點

5.1 代表站的的選取

沿海地區是福建省風速最大同時也是變化最明顯的地區，故在此我們選取5個代表站來研究其風速趨勢變化特點。這幾個站分別為：

平潭站，位于福建省中部沿海一個海島氣象站，常年風速較大，年平均風速由20世紀80年代之前的6～7米/秒，下降至近年來的4～5米/秒。此站建站后1974年搬遷過1次，但20世紀80年代中期以后周邊觀測環境破壞較嚴重。

平潭海洋站，為海洋局設立的氣象觀測站，與平潭氣象站位于同一個島上，但氣象站在城關內，而海洋站則直接位于海邊，其周邊環境基本未改變。

崇武站，福建南部沿海半島上的國家基準氣象站，常年風速較大，年平均風速6米/秒以上，建站以后從未搬遷過，觀測環境變化較小。

福州站，位于福州市區內一個獨立的小山頂，年平均風速2.6米/秒。周邊無遮擋，觀測環境未破壞，站址未搬遷過。

東山站，位于福建南部海島氣象站，年平均風速6.2米/秒，建站以后從未搬遷，觀測環境變化較小。

這幾個站均位于福建南部沿海地區，平潭、崇武、東山為沿海地區風速最大的幾個氣象站，也是福建省風速指標站。

5.2 代表站風速趨勢變化特點

從圖3及表2看出，平潭、崇武、東山三個站作為福建省沿海風速最大的幾個氣象站，其年及各季平均風速的減小趨勢相當明顯，其中崇武和東山變化的趨勢系數及幅度基本相同，趨勢系數為-0.87左右，風速減小的幅度為0.4～0.5m/s.10a，兩站風速減小最明顯的季節是冬季，其次是秋季，只是夏季減小的趨勢不一致，崇武夏季風速減小的最少，東山則是春季，這兩個站的觀測環境變化較小。而平潭減小的趨勢最大，其趨勢系數達-0.945，減小幅度為0.8m/s.10a，與上述兩站相比其風速減小最主要的因素是觀測環境的破壞。這3個站的年風向頻率夏季以SSW為主導風向，其余季節以NNE或NE為主導風向。

對比分析平潭海洋站，近30年來風速也有較明顯的減小趨勢，其趨勢系數為-0.674，減小幅度為0.448 m/s.10a，為了對比分析應用氣象站近30年的風速計算其趨勢系數（表3），崇武和東山兩個站的趨勢系數均為0.79左右，減小幅度分別為0.452 m/s.10a和0.527 m/s.10a，與平潭海洋站的趨勢相當，略大于海洋站。而平潭氣象站的減小趨勢則非常明顯，遠超過其附近的海洋站，其趨勢系數達-0.928，幅度為-0.908 m/s.10a，相當于風速每10年減小1m/s，表明平潭氣象站從1977年之后風速減小相當顯著。

福州站風速沒有減小，其變化趨勢與沿海臺站有較大的差異，風速的這種變化可能與其地形環境有較大的關系，福州為沿海靠內陸的臺站，處于一個小盆地中，年平均風速僅2.6m/s，北面及東面為海拔較高的山體阻擋，致使在沿海地區本應以NE為主的盛行風向變為SE為主導風向，其中春夏季以SE為主，秋冬季以N或NW風為主，沿海地區秋冬季是風速最大的季節，夏季風速最小，而福州風速的月變化特點是夏季最大，秋季其次，冬、春季相當，且季節間的風速差僅為0.7m/s。因此其受沿海冬季大風的影響較小，但其秋季風速還是有略微減小的趨勢，其它各季風速均以自然變動為主。

圖3 代表站年平均風速的變化

表2 4個代表站1961~2006年年平均風速趨勢系數及回歸系數

表3 5個代表站1977~2006年年平均風速趨勢系數及回歸系數

6 可能原因的探討

風速減小有諸多因素，目前關注的主要歸結為幾點，即大氣環流的變化，臺站觀測環境的變化，儀器的變更等，減小的最主要原因目前還沒有公認，但許多研究指出大氣環流的變化是風速變化的最可能的原因。

6.1 大氣環流的變化

文獻[2]指出，大氣環流的變化是造成中國年平均風速呈顯著減小趨勢的最可能原因，近50 年來亞洲經向環流呈現減弱的趨勢。我們分析了1961-2006年亞洲經向環流指數的年趨勢系數為-0.302，達到0.05的顯著性水平，而緯向環流呈略加強趨勢，亞洲緯向環流年趨勢系數為0.012。研究表明經向環流的變化與東亞季風的變化密切相關，中國大部地區受亞洲季風控制，近50 年來，東亞夏季風、南海季風明顯減弱，意味著中國大部夏季偏南風減小。

徐建軍等[10]研究了東亞冬季風的長期變化趨勢，發現20世紀80 年代以后冬季風有所減弱。Wang[11]認為20世紀70 年代全球大氣環流的轉變是導致80年代東亞季風減弱的主要原因。施曉暉、徐祥德[12]等對東亞冬季風年代際變化可能成因進行了模擬研究，表明冬季風指數隨時間增長的線性變化呈顯著減弱趨勢，因此近40 年來,東亞冬季風強度總體上呈顯著減弱趨勢，這與最近40～50 年中，我國寒潮頻率趨于降低,低溫日數趨于減少的冬季氣候變化趨勢相吻合，其同時還研究了20世紀60~70年代初，近地面經向風的變化表現為北風減弱；70 年代初至80 年代初,近地面北風增強；80年代初期以后,近地面北風又減弱。

高輝等[13]通過研究冬季風強弱的各種指數[13]，包括緯向海陸熱力差異，區域平均經向風和緯向風及東亞大槽等的趨勢變化，均顯示20 世紀80 年代以后東亞冬季風強度有一個線性減弱的趨勢，這與徐建軍等人的研究是一致的，目前已經為人們所公認，并且很好地揭示出“強冬季風年，東亞地區北風偏強；弱冬季風年，北風偏弱”這一基本特征，即亞洲冬季風減弱致使中國偏北風減小。冬季風的減弱趨勢略明顯于夏季風的減弱趨勢，冬、夏季風的減弱剛好揭示了中國平均風速減弱的物理內涵。文獻[1]也指出，中國四季風速均大幅減小，尤其在冬、春季，中國風速減小的實質是亞洲冬、夏季風的減弱。

福建是明顯的季風區，尤其沿海地區秋冬季以NE或NNE風向為主，夏季以SW風向為主，而秋冬季是沿海地區大風的多發期，平均風速是全年最大的時期，夏季是風速最小的時期。綜合以上的研究結果，表明冬季風的減弱與沿海地區風速減小密切相關，冬季風減弱趨勢大于夏季風體現在地面風是秋冬季風的減小趨勢大于夏季，這可以從沿海的氣象站風速變化看出，如東山、崇武等。秋冬季風的減小是年平均風速減小的最主要的原因。從福州站的風速變化也可以看出，受地形影響其NE或NNE風向頻率很小，故風速以自然變動為主，沒有減小趨勢。

由此表明大氣環流的變化是福建沿海風速減小的原因之一。

6.2 測風儀器的變化

福建省與全國一樣氣象測風儀器經歷了2次變更，即國家基本站20世紀70年代初，一般站20世紀80年代中期測風儀器由維爾德風壓板改為EL電接風儀；2004年改為自動站觀測。其中改為EL電接風儀后有14個站風速明顯減小，占代表站的42.4%，而改成自動站測風后大部分臺站的風速有所增大。文獻[4]指出，全國因儀器變化產生風速非均一的臺站中，約有6 成站位于沿海或海拔高度較高處，東南沿海地區為我國年平均風速最大的3個地區之一，測風儀器變化對風速大的地區更敏感。從福建省這14個臺站的分布情況看，大部分臺站位于沿海地區或海拔較高的山區，儀器更換以前風壓板測出的風速會偏大，儀器更換后風速變小明顯，使風速的年代際變化表現出明顯的下降趨勢，風速的減小與儀器變更的關系較大，尤其是內陸山區表現得更為明顯，但儀器變化以后，大部分臺站的風速仍呈現減小的趨勢，表明儀器的變更并非風速減小的原因。

6.3 測站環境變化的影響

由于城鎮經濟的發展以及其它原因，許多氣象站都進行過站址的遷移。我們對33個臺站的搬遷情況進行了調查。14個站在1961~2006年之間進行過1次遷站，其中1個站進行過2次遷站。20世紀60年代有6個站搬遷，70年代有3個站進行搬遷，80年代初4個站進行搬遷，90年代及2000年以后各有1個站進行搬遷。

20世紀80年代以前臺站的搬遷對風速的影響不大，80年代以后，臺站搬遷后風速變大或變小的情況都有，故臺站的搬遷對風速的減小并非主要原因。對于沒有搬遷的臺站由于觀測環境的破壞，風速減小相當明顯，尤其是沿海的大風區。

以平潭站為例，我們利用滑動T檢驗法及Mann-Kendall法對平潭站年平均風速進行突變檢測，結果均表明在1988年前后風速有一個突變，即風速明顯變小，分析平潭站周邊氣象觀測環境的變化可以看出，1990年前后周邊的建筑物已開始增多，1994年以后周邊不符合觀測要求的障礙物進一步增加，周圍360度遮擋物仰角除西、西北方向外，其余方向均在3～8度，南部方位則達到近15度。東山站雖然周邊人為的環境變化較小，但觀測場周邊西北至東北方向的幾棵大樹也對觀測數據產生了影響，其遮擋物仰角也達到了10度左右，相比之下崇武則好很多，周邊環境變化較小，但崇武站位于城鎮的西部，近十幾年來崇武鎮經濟發展很快，城鎮下墊面粗糙度明顯增加，對風速也會產生一些影響。

由此可知觀測場周邊環境的變化是觀測風速減小不可忽視的因素。

表4 氣象臺站搬遷情況表

7 結論

7.1 福建省平均風速呈現明顯的減小趨勢，20世紀60年代風速呈現增大的趨勢，1970年之后風速逐漸減小，2004年以后風速增大。秋冬季風速減少得最多，夏季最小。

7.2 閩中谷地風速的年代際變化不明顯，大多以自然變動為主；沿海地區及省內南北走向的兩大山帶地區風速減小的趨勢相當顯著，內陸山區由于風速較小，風速減小的幅度并不大，而沿海的大風地區風速降幅則較大。

7.3 通過研究沿海幾個代表站風速的變化趨勢表明，除去周邊探測環境變化的因素，風速確有減小的趨勢，尤其是秋冬季。

7.4 大氣環流的變化及測站周邊環境的變化是風速減小的最主要原因，沿海大風地區表現得最為明顯，但兩者分別對風速減小的貢獻率還有待于進一步研究。內陸山區由于風速較小，觀測儀器的變化加快了由于大氣環流引起的風速減小的趨勢。

7.5 臺站的搬遷不是風速減小的主要原因，但觀測環境的破壞對風速的減小產生重要的影響。

[1] 王遵婭,丁一匯,何金海,等.近50年來中國氣候變化特征再分析[J].氣象學報,2004,62（2）:228－236.

[2] 任國玉,郭軍,徐銘志,等.近50年中國地面氣候變化基本特征[J].氣象學報,2005,63(6): 934-956.

[3] 江瀅,羅勇,趙宗慈,等.近50 年中國風速變化及原因分析[J].中國氣象學會2007年年會論文集氣候變化分會,80-89.

[4] 劉小寧.我國40 年年平均風速的均一性檢驗[J].應用氣象學報,2000,11(1):27-34.

[5] 楊雪艷,田廣元.近40 年中國東北地區平均風速的氣候變化特征分析[C].中國氣象學會2007年年會論文集:617-621.

[6] 王毅榮,張存杰.河西走廊風速變化及風能資源研究[J].高原氣象,2006,25(6):1196-1202.

[7] 施能.氣象科研與預報中的多元分析方法(第二版) [M].北京:氣象出版社,2002.

[8] 顧駿強,施能,薛根元.近40年浙江省降水量、雨日的氣候變化[J].應用氣象學報,2002,13(3):322—329.

[9] 任國玉,吳虹,陳正洪.我國降水變化趨勢的空間特征[J].應用氣象學報,2000,11(3):323—330.

[10] 徐建軍,朱乾根,周鐵漢.近百年東亞冬季風的突變性和周期性[J].應用氣象學報, 1999,10(1):1-8.

[11] Wang H J.The weakening of the Asian monsoon circulation after the end of 1970s. Adv Atmos Sci,2001,18(3):376-386.

[12] 施曉暉,徐祥德.東亞冬季風年代際變化可能成因的模擬研究[J].應用氣象學報,2007,18(6):776-782.

[13] 高輝.東亞冬季風指數及其對東亞大氣環流異常的表征[J].氣象學報,2007,65(2):272-279.