近60年洞庭湖南部地區風速變化特征研究

徐金閣， 龔 璽， 戴昌明

(1.中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，長沙 410007； 2.國家氣象信息中心，北京 100081；3.陜西省氣象臺，西安 710014)

引 言

氣候變化已成為世界各國普遍關注的話題。受全球氣候變化和常規能源供應的影響，可再生能源日益受到世界各國的重視和發展。我國已提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的國家目標。充分運用水能、風能和太陽能等可再生清潔能源，是實現碳達峰和碳中和的重要途徑。根據《湖南省風能資源評價綜合報告》，湖南省風能資源主要分布于洞庭湖地區、湘西和湘南山區。截至2020年底，湖南全省風電裝機容量為669萬kW，中高風速區(5.5～7.2 m· s-1)的湘西和湘南地區裝機容量達435萬kW，洞庭湖周邊低風速區(4.8～5.5 m· s-1)裝機容量不足60萬kW。隨著適用于低風速的風力發電機的研制及風電開發成本的降低[1-2]，低風速區風電具備了開發價值。洞庭湖地區風電開發，為解決能源稟賦、環境約束雙重制約下日益增大的電力缺口具有重要作用。本文探討了洞庭湖南部地區風速的變化特征，為洞庭湖南部地區風電開發及氣象部門等提供參考。

近些年來，不少學者對中國近地面風速和風能資源的變化進行了研究分析。江瀅等[3]指出，風速與風能的變化與季風變化存在密切關系。王遵婭等[4]研究發現，中國幾乎全部地區的風速都在顯著減小，并指出風速大幅度減小主要是由于亞洲冬、夏季風的減弱。有學者[5]研究發現，我國局部地區風速也存在明顯下降趨勢。陳練等[6]研究指出，平均風能密度變化與地面氣象站風速變化存在相關性。馮蜀青等[7]指出，風電場開發對區域氣候變化有著顯著影響。有學者[8-10]研究發現，平均風速的下降與氣象站周邊的城市化發展有關。廖玉芳等[11]研究發現，1960-2010年湖南省年平均風速呈顯著下降趨勢。黃菊梅等[12]研究結果表明，1960-2014年洞庭湖區年平均風速呈減小趨勢，減小速率為0.21 m·s-1·(10a)-1。本文擬利用益陽市國家基本氣象站1960-2019年2 min平均風速資料，分析洞庭湖南部地區風速變化特征，為洞庭湖周邊的風能資源合理開發利用提供參考。

1 資料與方法

1.1 站點位置和數據來源

益陽市位于湖南省洞庭湖區南部(圖1)，地形西高東低，成狹長狀。本文原始數據為益陽市國家基本氣象站(28.56°N、112.38°E)1960-2019年2 min平均風速資料。

益陽市國家基本氣象站站址變遷：1956年1月-1958年12月，益陽市茈湖鄉劉家湖農場；1959年1月-1960年10月，益陽市長春公社馬良大隊；1960年11月-1964年12月，益陽市赫山廟農科所；1965年1月-1977年12月，益陽市長春公社馬良大隊；1978年1月-1985年12月益陽市羊舞嶺公社毛家塘大隊魚塘生產隊；1986年1月-1995年12月，益陽市赫山街道；1996年1月至今益陽市赫山區平安路53號。

經過數據篩選和對比分析，數據完整性較好，缺測率為0.98%，無連續超過3天以上的缺測數據，缺測數據屬偶發性。本文采用自相關法對缺測數據進行補齊，然后對數據進行均一性分析，未發現明顯的氣候不連續點，數據可靠。

1.2 研究方法

本文從年、季、月3個時間尺度采用氣候傾向法對平均風速變化的趨勢特征進行分析，利用時間與平均風速之間的相關性對變化趨勢進行顯著性檢驗；采用Mann-Kendall檢驗法和小波分析法對風速變化的突變和周期特征進行分析。季節劃分：春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為12月-翌年2月。

1.2.1 氣候傾向法

氣候傾向法多用于長時間序列氣候要素的趨勢分析，建立氣候要素和時間序列的一元線性回歸數學模型

y=β0+β1x

(1)

式中，β1表示氣候要素y隨時間x的趨勢傾向，β1的正負說明氣候要素y隨時間x的上升或下降趨勢，β1的大小反映了上升或下降的速率，β1×10即為氣候傾向率[13]。

1.2.2 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall方法(簡稱M-K法)既可以檢測序列的變化趨勢，也可以進行突變點檢驗。對于某一時間序列上的物理量，構造一秩序列Sk，秩序列為時間序列上某時刻數值大于另一時刻數值個數的累計數。定義統計量

(2)

式中，E(Sk)和Var(Sk)是Sk的均值和方差，將時間序列逆序，同時使

(3)

繪制UFk和UBk曲線圖，并給定顯著性水平α，確定置信區間臨界值。若UFk和UBk兩條曲線出現交點，且交點位于置信區間內，那么交點對應時刻即為突變開始的時刻[14]。其中變化趨勢的大小可用傾斜度β(也稱為趨勢系數)表示[15]，β正負值代表增減率。

1.2.3 小波分析

小波分析是時間序列上的一維變量信息在時間和頻率的二維平面展示。Morlet小波變換模的大小表示變量信息在不同時間尺度上的強弱，實部表示變量在不同時間尺度上的分布和位相2方面信息。小波系數反映了變量在不同時間尺度下的變化幅度，其絕對值越大，說明在對應的時間尺度下的變化越顯著，小波系數峰值對應的時間尺度值即為變量變化的主要周期[14]。

2 結果分析

2.1 趨勢分析

2.1.1 平均風速年際變化趨勢

統計結果(圖2)顯示，近60年來益陽市年平均風速為2.1 m·s-1，與黃菊梅等[12]的研究成果相近。1960-1989年年平均風速波動劇烈，最大值為3.0 m·s-1(1978年)。1990-2005年，年平均風速呈顯著減小趨勢，且最小值降至1.4 m·s-1(2000年)。自2006年起，年平均風速略有增大，變化趨于平穩，在1.5～1.9 m·s-1波動。近60年來年平均風速總體呈減小趨勢，氣候傾向率為-0.215 m·s-1·(10a)-1(相關系數為-0.823，通過 α=0.01的顯著性檢驗)。

圖2 1960-2019年益陽市年平均風速變化趨勢

2.1.2 平均風速季節變化趨勢

采用氣候傾向法對益陽市1960-2019年各季節平均風速的變化趨勢進行回歸分析，結果見表1。由表1可見，四季平均風速均呈減小趨勢，春季和冬季的氣候傾向率相近，春季的以0.238 m·s-1·(10a)-1的速率遞減最快，夏季的以0.165 m·s-1·(10a)-1的速率遞減最慢。

表1 1960-2019年益陽市各季節平均風速年際變化氣候傾向統計

2.1.3 平均風速月變化趨勢

由月平均風速分布圖(圖3)可以看出，3月和4月平均風速最大，均為2.3 m·s-1；次大值出現在7-9月，均為2.2 m·s-1。6月平均風速最小，為1.9 m·s-1；次小值出現在11月，為2.0 m·s-1。

對各月平均風速采用氣候傾向法進行回歸分析(表略，均通過 α=0.01的顯著性檢驗)，結果表明，各月平均風速均呈減小趨勢。其中，4月平均風速減小最快，氣候傾向率為-0.275 m·s-1·(10a)-1，8月平均風速減小最慢，氣候傾向率為-0.135 m·s-1·(10a)-1。

圖3 1960-2019年益陽市各月平均風速變化趨勢

2.2 突變和周期分析

2.2.1 Mann-Kendall突變檢驗和趨勢分析

(1)年平均風速突變和趨勢分析

由年平均風速突變檢驗結果(圖4)可看出，UF和UB兩變量曲線交點位于1989-1990年，且交點位于uα=±1.96(α=0.05)的置信區間，即益陽市年平均風速突變出現于1989—1990年。分析UF曲線發現，除1961年、1981-1983年為正值外，其余年份均為負值，表明年平均風速在近60年間總體呈現減小趨勢，趨勢系數β×10=-0.213 m·s-1·(10a)-1，與氣候傾向法計算結果基本一致。自1990年開始，UF變量超出置信區間，表明自1990年開始，年平均風速呈顯著減小趨勢。

圖4 1960-2019年益陽市年平均風速M-K突變檢驗

(2)季節平均風速突變和趨勢分析

圖5為季平均風速突變檢驗結果。由圖5看出，4個季節UF和UB兩變量曲線交點均位于uα=±1.96(α=0.05)的置信區間，即均為突變點。春季、秋季和冬季的突變點均出現于1989-1990年，夏季的出現于1985-1986年。以上結果說明夏季平均風速的突變年份早于其他3個季節的突變年份。

除個別年份外，4個季節的UF變量均為負值，表明各季節平均風速在近60年間均呈減小趨勢。春夏秋冬4個季節的趨勢系數 β×10數值分別為-0.224、-0.179、-0.219和-0.229，與氣候傾向法計算結果(表1)基本一致。4個季節自1990年開始，UF變量超出置信區間，表明自1990年開始，各季節平均風速均呈顯著減小趨勢，與年平均風速開始顯著減小的年份一致。

圖5 1960-2019年益陽市春季(a)夏季(b)秋季(c)冬季(d)平均風速M-K突變檢驗

2.2.2 基于小波分析的周期研究

采用復值Morlet小波分析法對益陽市1960-2019年年平均風速序列進行周期性分析，結果見圖6。由圖6(a)可知，益陽市年平均風速在15 a～20 a、30 a～35 a的時間尺度上存在周期性。

圖6 益陽市年平均風速Morlet小波時頻分布圖(a)和方差圖(b)

由圖6(b)可知，15 a的時間尺度為年平均風速變化的第一主周期，其次為30 a的時間尺度(為第二主周期)。進一步分析時頻分布圖可看出，15 a的時間尺度上，年平均風速的變化在1960-1989年表現為2個正值區和1個負值區的“增-減-增”的2次振蕩，但后一次增大趨勢已不顯著；1990-2004年年平均風速的變化表現為“增-減”的準一次振蕩，但增大趨勢持續時間短暫且不顯著，該周期主要表現為顯著的減小趨勢，這與M-K檢驗結果相同；2005-2019年年平均風速的變化表現為“減-增”的一次振蕩，減小趨勢持續時間短暫，主要表現為增大趨勢。以上結論與線性趨勢分析結論一致。30 a的時間尺度上，年平均風速表現為顯著的“增-減-增”的變化規律，小波系數在1960-1979年為正值，1980-1999年為負值，2000-2019年為正值，且前一正值中心數值和負值中心數值絕對值均大于后一正值中心數值，表明年平均風速在前20年表現為顯著增大趨勢，中間20年為顯著減小趨勢，后20年為不顯著的增大趨勢。根據以上周期性規律分析，可知未來幾年益陽市年平均風速可能將呈一定程度減小趨勢。

2.3 風速變化原因討論

20世紀70年代末，益陽市平均風速存在劇烈變化。1978年平均風速為3.0 m·s-1，較前一年增幅達0.6 m·s-1。有研究發現[16-17]，氣象站自城區遷往城郊鄉村后，年平均風速觀測值增大。根據氣象站站址變遷，益陽氣象站1977年底由城區(長春公社)遷至鄉村(毛家塘)，初步推測1978年年平均風速的劇烈增大與此有關，還需對遷站前后觀測數據進行對比分析。

現今對于中國風速減小原因的研究，主要集中于氣候和自然變化[18]。丁一匯[19]、Wang[20]和韓晉平[21]的研究發現，東亞夏季風強度自20世紀70年代末顯著減弱，并持續維持較低水平。另有研究發現，東亞冬季風自20世紀80年代中期開始減弱[22-24]。季風處在減弱時期，相應益陽市平均風速呈減小趨勢；東亞夏季風早于東亞冬季風減弱，因此益陽市夏季平均風速突變年份早于其他3個季節的突變年份，突變時間均較季風開始減弱時間晚約5～6年。益陽市自20世紀90年代開始，城鎮化規模快速發展[25]，氣象站周邊環境發生很大變化，因此城市下墊面變化可能是風速變化的另一個因素(圖7)。從全球氣候變化、人類活動到局地效應，影響風速變化的因素很多，本文僅從自然氣候因素給出了一點分析，還需根據更多研究進行證實和修改。

圖7 益陽市常住人口城鎮化率逐年變化

3 結 論

隨著我國陸上優質風資源開發趨近飽和[26]，低風速區風資源已是今后開發的重點。因此，計算分析低風速區域風速變化，建立健全氣象預測與風資源規劃發展的聯合生產調度機制，對風電開發具有重要意義。本文將益陽市國家基本氣象站作為典型示范站，利用1960-2019年的2 min平均風速資料，運用氣候傾向法、Mann-Kendall檢驗法和小波分析法，分析了年、季和月時間尺度上的變化趨勢、突變和周期特征，揭示了洞庭湖南部地區長時間序列風速變化規律，為洞庭湖區風能資源的開發和利用提供參考。主要結論如下：

(1)近60年來益陽市年平均風速減小趨勢顯著。線性趨勢分析和Mann-Kendall檢驗趨勢系數分析的年平均風速氣候傾向率基本一致，為-0.215 m·s-1·(10a)-1，風速減小主要發生于1990-2005年，之后年平均風速變化相對平穩。

(2)風速的年內變化表現為減小趨勢，其中春季4月減小最快，夏季8月的最慢。

(3)益陽市年平均風速突變出現于1989-1990年。春季、秋季和冬季平均風速的突變均出現于1989-1990年，夏季出現于1985-1986年。以上結果說明夏季平均風速的突變年份早于其他3個季節的突變年份。

(4)益陽市年平均風速的變化在15 a～20 a、30 a～35 a的時間尺度上存在周期性。15 a的時間尺度為第一主周期，第二主周期為30 a。根據周期性規律分析，未來幾年益陽市年平均風速可能將呈一定程度減小趨勢。

(5)本文從自然氣候因素方面對益陽市風速減小原因進行了簡單闡述，由于影響風速變化的因子很多，還需根據更多研究進行證實和修訂。