中條山西南部山區(qū)風(fēng)向風(fēng)速資料分析＊

范秀平，戴翠賢，史源香，徐可文，米曉楠

（1.山西省氣象信息中心，山西 太原030006；2.河南省三門峽市氣象局，河南 三門峽472000；3.山西省氣候中心，山西 太原030006）

風(fēng)能利用研究日益受到科研機構(gòu)眾多學(xué)者的關(guān)注，陳艷英[1]模擬了重慶地區(qū)風(fēng)資源的空間分布；馬玲霞等[2]探討了新疆老風(fēng)口風(fēng)能資源分布特征；莫芳等[3]對涼山州風(fēng)資源分布特征進行了分析；段門喜等[4]對山西朔州平魯區(qū)1975—2004年逐月風(fēng)能變化情況進行了分析，得出風(fēng)功率密度與風(fēng)速之間有很好的對應(yīng)關(guān)系；江瀅等[5]指出利用氣候模式模擬和預(yù)估近地層風(fēng)速方面的研究還需要做大量試驗。

中條山西南部山區(qū)位于晉豫兩省運城、三門峽地區(qū)交界處，是中國重要的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展基地之一。如何有效利用風(fēng)能發(fā)電是該區(qū)域加快能源建設(shè)、實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的現(xiàn)實需要，同時也是推進生態(tài)文明建設(shè)、加速鄉(xiāng)村振興發(fā)展的迫切需求。

1 資料來源及分析方法

1.1 資料來源

2011年后，山西、河南氣象部門大面積鋪開常規(guī)氣象觀測站（簡稱“區(qū)域站”）建設(shè)工程，成為國家地面觀測氣象站（簡稱“國家站”）的重要補充，所采集數(shù)據(jù)為小尺度天氣系統(tǒng)預(yù)報研判、細化分析風(fēng)資源提供了數(shù)據(jù)支持。本文利用2014—2018年11個國家地面觀測氣象站、67個常規(guī)氣象觀測站（如表1所示）風(fēng)向風(fēng)速資料，進行該區(qū)域風(fēng)速日、月、年變化以及風(fēng)向頻率分析。

表1 參與分析的站點個數(shù)及區(qū)站號

1.2 分析方法

選用2014—2018年各小時10 min平均風(fēng)速風(fēng)向和最大、極大風(fēng)數(shù)據(jù)進行分析。其中，最大風(fēng)速為某時段出現(xiàn)的最大10 min平均風(fēng)速值，極大風(fēng)速指某個時間段內(nèi)出現(xiàn)的最大瞬時風(fēng)速值，風(fēng)向方位按16方位統(tǒng)計分析。依據(jù)各站小時數(shù)據(jù)利用地面氣象測報（OSSMO）軟件計算每日平均風(fēng)速（24時次），挑取日最大、極大風(fēng)速；計算每月（年）平均風(fēng)速，挑取月（年）最大、極大風(fēng)速及月（年）最多風(fēng)頻。利用Excel軟件做各站的月、季、年風(fēng)速變化趨勢圖、繪制各站風(fēng)向玫瑰圖。

2 風(fēng)速分析

2.1 風(fēng)速日變化

該地區(qū)11個國家站一日（以20：00為日界）當(dāng)中風(fēng)資源比較密集的時段集中在08：00—14：00，風(fēng)速在2～3.5 m/s之間。疊加區(qū)域站資料后，有62個區(qū)域站風(fēng)速日變化與國家站類似（如圖1所示），08：00—14：00風(fēng)速較大，其余時次風(fēng)速較小，多在11：00風(fēng)速達到當(dāng)日最高。日平均風(fēng)速在1.0～1.9 m/s之間的有40站，在2.0～2.9 m/s之間的有25站，大于3.0 m/s的有8站，其中位于河南三門峽市湖濱區(qū)高廟鄉(xiāng)大安村的O2171，各時風(fēng)速最大，日變化在3.5～4.8 m/s之間。

圖1 中條山西南部山區(qū)11個國家站和62個區(qū)域站小時風(fēng)速日變化曲線

但也有5個區(qū)域站風(fēng)速日變化與以上趨勢不一致。O2175、B8278、B8310三站16：00后風(fēng)速逐漸增大，夜間22：00左右風(fēng)速逐漸減小，白天08：00—14：00反倒是個低值區(qū)。B8157、B8204的日變化曲線有多個高值區(qū)，其中04：00—07：00、12：00—14：00風(fēng)速較大。結(jié)合這5站參數(shù)及地理環(huán)境進行進一步比較分析，除B8204外，其余4站考慮風(fēng)速日變化規(guī)律受站點所處的周圍環(huán)境影響，在這些站點附近建立風(fēng)電場時需考慮周圍環(huán)境的影響。

2.2 風(fēng)速月、季、年變化

1月聞喜、平陸、垣曲有4～6 m/s風(fēng)速較大區(qū)，聞喜、垣曲個別站點風(fēng)速達到6～8 m/s。2月聞喜、絳縣、垣曲、平陸有4～6 m/s風(fēng)速較大區(qū)，聞喜、絳縣、垣曲個別站點風(fēng)速達到6～8 m/s。3月絳縣東北部、平陸南部及夏縣的小區(qū)域風(fēng)速較大，其余多數(shù)地區(qū)風(fēng)速在2～4 m/s之間。4月多地風(fēng)速在2～4 m/s之間，少部分在0～2 m/s之間。5月與4月接近，6—10月多地風(fēng)速小于4 m/s，11、12月風(fēng)速逐漸增大，平陸南部與三門峽交界處出現(xiàn)4～6 m/s風(fēng)速區(qū)。冬半年風(fēng)速明顯大于夏半年。春季風(fēng)速多在2～4 m/s之間，鹽湖區(qū)、平陸、垣曲地域內(nèi)風(fēng)速多小于2 m/s。夏季北麓風(fēng)速進一步減小，南麓芮城、平陸、夏縣少部分地區(qū)風(fēng)速在2～4 m/s之間。秋季變化與夏季接近。冬季風(fēng)速進一步加大，多地風(fēng)速在2～4 m/s之間，并且在垣曲、聞喜、平陸出現(xiàn)4～6 m/s風(fēng)速區(qū)。因此冬、春季是這個區(qū)域風(fēng)資源比較豐富的季節(jié)。

該區(qū)北麓年平均風(fēng)速較小，多在1.0～2.6 m/s之間，只有聞喜中部、鹽湖區(qū)北部小部區(qū)域風(fēng)速在2.6～4.0 m/s之間。山區(qū)南麓風(fēng)速相對較大，芮城中部及與河南靈寶交界處風(fēng)速在2.6～3.2 m/s之間。平陸、夏縣為風(fēng)速高值區(qū)，尤其平陸南部與河南三門峽交界處，風(fēng)速在4.0～4.8 m/s之間，是風(fēng)資源密集區(qū)。分析各站2014—2018年最大風(fēng)速資料，永濟靠近中條山附近、芮城西南部和靈寶交界地帶、平陸東南部與三門峽交界地帶、夏縣中部及鹽湖區(qū)東北部最大風(fēng)速可達13～16 m/s，平陸和夏縣最大風(fēng)速達16～19 m/s。挑取2014—2018年各站極大風(fēng)資料中最大的一次，芮城西南部和靈寶交界地帶、平陸東南部與三門峽交界地帶仍是極大風(fēng)活躍區(qū)，瞬時風(fēng)速可達28～32 m/s，以二者為中心，向周邊延伸，極大風(fēng)速在25～28 m/s之間，僅絳縣與聞喜交界處、垣曲大部、聞喜與夏縣交界處、鹽湖區(qū)西部少數(shù)地方極大風(fēng)較小，如圖2所示。

圖2 年平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速變化圖

3 風(fēng)向分析

3.1 風(fēng)向季變化

利用Excel軟件繪制各站各年的風(fēng)向玫瑰圖，并按季節(jié)綜合分析，如圖3所示。山區(qū)春季多數(shù)站最多風(fēng)向為E，夏季多數(shù)站最多風(fēng)向為SSE，秋季多數(shù)站最多風(fēng)向為SE，冬季多數(shù)站最多風(fēng)向為ENE。風(fēng)電場建設(shè)初期不僅應(yīng)考慮大氣環(huán)流背景，還應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐匦巍⒌貏輰︼L(fēng)的走向的影響，需要參考周邊站點各月風(fēng)向頻率，同時要關(guān)注年最多、次多風(fēng)向。

圖3 四季最多風(fēng)向分布圖

3.2 風(fēng)向年變化

山區(qū)年最多風(fēng)向為E的站較多，其他年最多風(fēng)向沒有明顯規(guī)律。因此具體建立風(fēng)電場要參考周邊站點，逐一分析其風(fēng)速、風(fēng)向變化，綜合考慮。

4 結(jié)論

平陸東部、夏縣南部、芮城與靈寶交界處為風(fēng)資源密集區(qū)，是開發(fā)風(fēng)資源、建立風(fēng)電場的理想選擇。

中條山西南部山區(qū)110.43°E—110.67°E之間，111.13°E—111.60°E之間和35.17°N以南為風(fēng)資源較豐富區(qū)，在該區(qū)域開發(fā)建廠、生態(tài)治理或風(fēng)力發(fā)電都需考慮周邊風(fēng)向風(fēng)速的季、年變化情況。

山區(qū)冬半年風(fēng)速明顯大于夏半年。冬半年最多風(fēng)向以ENE、E為主，夏半年最多風(fēng)向以SSE、SE為主。但不同地方的最多風(fēng)向除受大氣環(huán)流影響外，還受當(dāng)?shù)氐匦巍⒑０胃叨鹊鹊挠绊懀行┱军c次多風(fēng)向和最多風(fēng)向方位完全相反，因此，需要根據(jù)季節(jié)做生產(chǎn)上的調(diào)整。