湖南省風的時空分布特征及大風概念模型研究

郭海宇，陳華忠，湯翔宇，張 弩，楊 令

(1.湖南省益陽市氣象局，湖南 益陽 413000；2.浙江省玉環市氣象局，浙江 玉環 317600；3.湖南省韶山市氣象局，湖南 韶山 411300)

0 引言

近年來世界上大多數地區風速降低的情況對風能資源的開發利用帶來了極大的問題和挑戰，這使得對近地面風速變化的研究得到重視。王遵婭[1]指出近50 a來中國風速減小的趨勢非常顯著，并且中國風速減小的實質是亞洲冬季風、夏季風的減弱。史培軍[2]使用756個氣象站點年值數據，利用1961—2012年年值風速的趨勢變化值和波動特征值來識別中國風速的區域變化特征，發現華東—華中地區為中幅減小趨勢帶。但是楊利群[3]指出作為可再生能源的風力資源以其蘊量巨大，分布廣泛，沒有污染等優勢而在各國發展迅速，姚源山[4]的研究表明不同的建設項目對風的考慮有所不同，平均風速減弱并不代表不會出現大風的情況，《湖南省城鎮天氣預報質量檢驗辦法》中風向和風速各占中短期城鎮天氣預報質量5%的綜合得分，當風速預報為≤3級時，只對風速預報進行檢驗，不對風向預報進行檢驗，當預報或實況出現了≥6級的災害性大風時，進行災害性大風預報質量檢驗，因此在預報過程中，掌握好3級以上風向風速特征是穩步提升城鎮天氣預報質量的重要環節，而了解6級以上大風的天氣背景是及時做出預報、減少災害性大風造成損失的必然要求。

本文利用2006—2016 年地面風觀測資料，分析湖南省地面風平均風速、最大風速3級及以上、最大風速6級及以上的日期進行年際變化、季變化及月變化分析，為湖南省城市規劃、建筑設計、輸電線路設計、大氣污染評價、風能資源開發等領域提供參考。

1 資料及研究方法

1.1 資料來源

①湖南省97個氣象觀測站，2006—2016年期間24次定時2 min風速和逐日 10 min平均最大風速數據，以20時為日界。統計了湖南省年平均風速和最大風速的累年平均，研究分析風向風速的空間分布和季節性差異。季節劃分為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月) 。

②下載NOAA位勢高度場及海平面氣壓場2006—2016年逐年資料，使用其建立區域性大風天氣分型后概念模型。

1.2 分析方法

溫度、降水量的變化趨勢采用線性趨勢分析法，線性回歸方程為y=a+bx，式中，a是常數，b是回歸系統數，氣象上稱b為氣候傾向率。當b為正(負)時，表示氣象要素值在計算時間內線性增加(減少)，x代表年份。

2 湖南省平均風速的時空分布特征

2.1 年內變化特征

對2006—2016年湖南省97個測站11 a的平均風速(圖1)進行了統計分析，湖南省年平均風速為1.63 m/s，且年內變化明顯，呈正弦分布，出現兩個波峰、兩個波谷，其中5—6月、10—12月處于波谷，風速均小于平均風速，2—4月、7月處于波峰，且6—7月由波谷至波峰的變化為明顯躍增，最大值出現在7月，達到1.87 m/s，之后又出現明顯的減弱，最低值出現在10月和11月，僅為1.5 m/s，比7月風速偏小20%。從湖南省各季節平均風速來看，春季平均風速為1.64 m/s，夏季平均風速為1.71 m/s，秋季平均風速為1.54 m/s，冬季平均風速為1.60 m/s，在一年之中，夏季平均風速最大，秋季平均風速最小。

圖1 2006—2016年湖南省平均風速月變化圖Fig.1 Monthly variety of average wind velocity of Hunan Province in 2006—2016

2.2 年際變化特征

對近11 a湖南省平均風速進行距平分析(圖2，圖片距平分析結果放大1 000倍)，從年平均風速變化來看，年平均風速呈明顯的振蕩分布，可分為明顯偏強期、一般偏弱期和明顯偏弱期。2010—2011年、2013年和2016年均為明顯偏強期，均為正距平分布，2008年和2014年為明顯偏弱期，均為負距平分布，明顯偏強(弱)期的年平均風速均較11 a的年平均風速偏差3%～6%之間。2006—2007年、2009年、2012年和2015年則為一般偏弱期，較11 a來的年平均風速偏弱1%～3%之間。通過線性回歸分析得到近11 a來湖南省平均風速呈現出振蕩增強的趨勢，2006—2009年為較小幅度的擺動，2011—2014年處于非常明顯的振蕩期，在正負距平之間交替，自2013年以來，距平偏差程度逐漸增加，后4 a的距平的平均值較前7 a增加了27%。

圖2 2006—2016年湖南省平均風速逐年距平圖Fig.2 Annual average wind velocity anormaly of Hunan Province in 2006—2016

2.3 空間分布特征

應用ArcGIS將湖南省各站點近11 a平均風速距平百分比投影到湖南省地圖觀察平均風速的空間分布特征(圖3)，距平零線從常德市東部經益陽市中部、婁底東部向南延伸至永州市北部，其西側為平均風速負距平，東側為正距平，另外在湘東南一帶存在一片數值較小的負距平區。負距平大值區主要位于湘西北、湘西地區，負距平值最大的三個站點分別為-90.32%的龍山縣(湘西州)A、-86.35%的古丈縣(湘西州)B和-75.73%的新晃縣(懷化市)C；正距平大值區主要位于湘東北、湘中以東、湘西南地區，區域最大(除去370.72%的南岳站)分別為104.08%的岳陽縣(岳陽市)D、71.04%的韶山縣(湘潭市)E、174.65%的江華縣(永州市)F。

圖3 2006—2016年湖南省平均風速距平百分比空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of Hunan Province average wind velocity anomaly percentage in 2006—2016

3 日最大風速3級以上變化特征

3.1 年際變化特征

對逐年出現最大風速>3級風的日數(一天出現9站以上)進行分析(圖4)，結果表明其分布具有明顯的階段性，2006—2007年為顯著的偏強期，比年平均日數偏多5%以上(年平均出現日數為164 d)，2008—2010年為基本穩定期，正負距平均小于年平均日數的3%，2011—2016年呈現出準3 a振蕩分布，其中2016年為近11 a最多的年份，出現了182 d。從回歸方程看，近11 a逐年最大風速3級以上日數呈減少的趨勢，與平均風速趨勢變化基本一致。

圖4 2006—2016年湖南省最大風速3級以上年日數變化圖Fig.4 Number of days variety of Hunan Province max-wind velocity beyond 3 grades in 2006—2016

3.2 年內變化特征

對湖南省近11 a每月最大風速>3級風日數進行統計(圖5)發現，大于3級風多發期基本在春季和夏季，3—8月出現日數均大于平均值150 d，其中7月和8月為特別偏多的月份，分別偏多85%和57%；少發期為9月—次年2月，即秋季和冬季，其中最少的11月份較平均次數偏少49%；與之前得到的平均風速年變化特征基本一致，因此綜合得到結論：春夏季風速偏大，秋冬季風速偏小。

圖5 2006—2016年湖南省日最大風速3級以上月累計日數圖Fig.5 Number of days monthly accumulation of Hunan Province max-wind velocity beyond 3 grades in 2006—2016

另外,7月和8月出現大于3級風的日數明顯高于其他月份，這兩個月出現日數占到全年次數的28%，因此通過對7、8月所有大于3級風的風向(圖6)進行頻數統計，分析夏季的主要風向，結果表明：7月和8月出現的大于3級風中以偏南風為主要風向，偏南風占到所有風向中的59%，其中正南風占所有偏南風的25%，西南風占51%，東南風占24%。

圖6 2006—2016年湖南省日最大風速3級以上風向頻數圖Fig.6 Frequency of Hunan Province max-wind direction beyond 3 grades in 2006—2016

3.3 空間分布特征

對近11 a來各站點日最大風速3級以上的日數進行統計，應用ArcGIS軟件按站點將日數標記到湖南省地圖上(圖7)，圖中紅色的深淺代表各站點區域大于3級風的頻數。由圖可知，近11 a來湖南省3級以上風的分布在空間上大致分為3個區域，湘東北至湘中以東即岳陽東部、長株潭大部為高頻次集中的一個區域，其中岳陽出現了1 648 d，湘南的南部即永州、郴州為另一個非常明顯且范圍較大的高頻區，江華縣和臨武縣出現3級以上風的日數分別達到了2 597 d和2 499 d處在前兩位；在湘北、湘西及湘西南除常德市、瀘溪縣、洪江市、靖州縣、城步縣等單個的高頻站點外其他地區頻次較小，其中湘西北、湘中偏西南一帶為低頻次站點集中的區域，在湘北到湘西北一帶，除個別站點頻次較大外，大部分出現3級以上風的日數較小，最小為張家界市37 d，另外在衡陽市西部到邵陽市一帶各站點大于3級風的日數基本都在600 d以下，最小為綏寧縣的125 d。

圖7 2006—2016年湖南省日最大風速3級以上距平百分比空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of Hunan Province max-wind velocity beyond 3 grades anomaly percentage in 2006—2016

4 日最大風速6級以上變化特征

4.1 年際變化特征

近11 a來大于6級風的年際變化(圖8)分為兩個階段：2006—2013年存在較平緩的振蕩，屬于第一階段，振蕩周期3～4 a，其中2006、2010、2013年各為一個波峰，當年大于6級風出現日數分別為21、21、24 d，2007—2009年、2011—2012年分別存在一個波谷，日數均在12～15 d之間；2013—2014年呈現出斷崖式下跌趨勢，減少至4 d，下降幅度達83%，而2014—2016年間突然呈現出爆發性的指數級增長，2 a間出現大于6級風的日數從4 d躍增至60 d。

圖8 2006—2016年湖南省日最大風速6級以上日數年際變化Fig.8 Number of days interannual variety of Hunan Province max-wind velocity beyond 6 grades

4.2 年內變化特征

湖南省有站點出現6級以上風，從逐月變化(圖9)來看，春夏多、秋冬少，其中春夏兩季出現日數占全年出現總日數的72%，1、2、3月出現日數有明顯的上升趨勢，4月為出現次數最多的月份達到39 d，5、6月份稍下降至17 d，7月陡升至34 d，之后8、9月開始持續下降，10月份為最低值3 d，11、12月在10 d以下略有起伏。

圖9 2006—2016年湖南省日最大風速6級以上日數逐月變化Fig.9 Monthly variety of max-wind velocity beyond 6 grades of Hunan Province in 2006—2016

4.3 空間分布特征

湖南省97個氣象站近11 a有43個出現過日最大風速6級以上大風天氣，其分布具有離散性。南岳站作為湖南省內最高的高山站，大風出現次數最多，出現了1 035 d，年均94 d。如圖10，湘南的郴州A、冷水灘B和江華C出現大風次數也較多，年均4～5 d；常德D、韶山E年均2～3 d；長沙、新寧和瀘溪年均1 d；其他的縣市均在1 d以下。

圖10 2006—2016年湖南省日最大風速6級以上日數空間分布圖Fig.10 Number of days of spatial distribution of Hunan Province max-wind velocity beyond 6 grades

5 區域性大風天氣情況

5.1 區域性大風分型

本文研究的區域性大風[5]主要是指針對城鎮天氣預報方法，當日地面日最大風速(10 min平均最大風速)≥10.8 m/s，且在全省96個國家站點(除南岳站外)中出現5站及以上為一個區域性大風日。據統計，2006—2016年湖南省共出現46個區域性大風日，根據其天氣形勢所屬的主要影響系統可將其分為4類，分別是冷空氣影響類20次，低壓大風類11次，雷暴大風類11次，臺風影響類4次。

5.2 概念模型分型

使用美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的位勢高度場及海平面氣壓場逐年資料，將由于冷空氣和低壓影響而產生的區域性大風日挑選出來，按日期分別把冷空氣大風日和低壓大風日對高度場和氣壓場進行算術平均，得到其平均狀態作為概念模型，得到如下結果：①受冷空氣影響的大風日，從位勢高度場平均情況來看，在中高緯度呈現兩槽一脊的形勢，其中在鄂霍次克海至我國江淮以南為一深厚低槽，另一槽位于烏拉爾山以西，在兩槽之間貝加爾湖以西、阿爾泰山附近為一高壓脊，中低緯度青藏高原以西多小槽活動影響湖南省南部；從海平面氣壓場平均狀況來看，冷高壓中心分別位于烏拉爾山以西薩彥嶺附近和蒙古高原南部，冷空氣前沿影響湖南省氣壓強度達1 022 hPa。在此條件下，槽后脊前有利于冷空氣南下影響湖南省，并在南下過程中與中低緯小波帶動的氣團交匯增加氣壓梯度，更有利于產生大風天氣。②受低壓影響的大風日從海平面氣壓平均狀況來看，整個湖南省受到低壓系統影響，低壓中心位于貴渝川三省市交界處，中心值低于1 002 hPa，湘東北—湘西南處于明顯低壓倒槽內，湖南省湘南地區由于處在低壓中心附近，常有區域性偏南大風發生，而從統計結果來看當湘北地區受到弱冷空氣滲透影響時，由于氣壓梯度增大也可能產生區域性偏北大風。③區域性雷暴大風由于天氣分型較多、臺風影響大風由于出現情況較少，本文暫不考慮建立概念模型。

6 小結

①湖南省年平均風速為1.63 m/s，呈現出逐年振蕩增強趨勢，5—6月、10—12月處于波谷，2—4月、7月處于波峰，夏季平均風速最大，秋季平均風速最小。湖南省平均風速較小區域主要位于湘西北、湘西地區，較大區域主要位于湘東北、湘中以東、湘西南地區。②逐年日最大風速3級以上日數呈減弱的趨勢，多發期為春夏季，7月最多，秋冬季為少發期，11月最少。日最大風速3級以上偏南風占到所有風向中的59%，其中正南風占所有偏南風的25%，西南風占51%，東南風占24%。湘東北至湘中以東的岳陽東部、長株潭和湘南南部的永州、郴州大部為日最大風速3級以上高頻區，湘西北、湘中偏西南一帶、衡陽市西部到邵陽市一帶為低頻區。③日平均風速6級以上日數的年際變化前平緩后激烈，整體呈現為增長的趨勢，春夏多、秋冬少。④日最大風速6級以上大風天氣空間分布具有離散性，概率由大到小依次為南岳、郴州、冷水灘、江華、常德、韶山、長沙、新寧和瀘溪。⑤湖南省的區域性大風分型主要為4種：冷空氣，低壓大風，雷暴大風，臺風影響。冷空氣類主要形勢為中高緯兩槽一脊，中低緯多波動，地面高壓南下；低壓大風類主要受到低壓中心和倒槽影響。