陳 濤，袁智生，李 超，何煒煒，羅喜光

(1.湖南省衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421001；2.湖南省氣象局，湖南 長沙 410007)

1 引言

風能是太陽輻射下流動所形成的。風能與其它能源相比具有明顯優(yōu)勢，它蘊藏量大，分布廣泛，永不枯竭。自19世紀末丹麥研制成風力發(fā)電機以來，風力發(fā)電成為人們利用風能最常見形式。特別是近年來，全球資源環(huán)境約束加劇，氣候變化日趨明顯，風電越來越受到世界各國高度重視，并快速發(fā)展，使之成為世界上使用最為廣泛、發(fā)展最快的可再生能源之一。中國風能利用起步晚，但近年來發(fā)展十分迅速。風電新增裝機容量占全球市場份額比重從2000年的2.0%增長至2015年的48.5%，我國已成為世界上風能開發(fā)利用最活躍區(qū)域。

作為風能開發(fā)前奏，中國大陸風能資源普查已開展3次，分別始于1980年、1984年、2004年。衡陽首次風能普查始于2004年，受數(shù)據(jù)及技術條件限制，當時僅對各縣市區(qū)風速最大年、最小年、平均年分析，由于逐時數(shù)據(jù)缺乏，研究方法粗獷，不能全面、深入分析衡陽風能資源狀況。

大量研究表明，影響近地層風能蘊藏最直接與關鍵因素是下墊面的人為改變[1～4]。經(jīng)濟高速發(fā)展，城市化進程加劇、農(nóng)田開墾、植被破壞等人為因素使土地利用發(fā)生了顯著變化。近十幾年來，衡陽大規(guī)模基礎設施建設迅速鋪開，城鎮(zhèn)化率由2005年的33.8%上升到2016年的51.1%。張濤濤[5]研究發(fā)現(xiàn)，氣溫與風能密度之間有極顯著負相關，20世紀90年代中后期，衡陽氣溫發(fā)生突變，這些變化勢必影響衡陽風能資源蘊藏，這也是再次研究衡陽風能狀況的原因之一。

2 資料與方法

2.1 資料來源

分析資料來源于衡陽9個國家氣象站，其中南岳山站是我國為數(shù)不多有長時間持續(xù)觀測高海拔站，其高度接近對流層自由大氣底部(1 266 m)[6]。作為風景區(qū)，下墊面人為改變甚少。其它測站海拔不高(簡稱低海拔區(qū))，其中衡山站最低(63.3 m)，祁東站最高(151.6 m)。

測風儀是氣象觀測儀器中型號變化較多的，其改變對風記錄影響大，為了資料均一性，僅對1970—2016年采用EL型測風儀獲取數(shù)據(jù)分析。衡陽自2000年代中期開始，陸續(xù)用自動觀風儀替代人工觀測，自2010年1月1日起，全面采用自動觀測數(shù)據(jù)。受資料限制，風速及出現(xiàn)頻率統(tǒng)計以逐日02時、08時、14時、20時記錄為基礎。風能密度計算需24時數(shù)據(jù)，分析時段僅能選2010—2016年。氣候值統(tǒng)計參照國家氣候中心規(guī)定為1981—2010年平均，2010年代統(tǒng)計時段為2011—2016年。

2.2 分析方法

2.2.1 風向頻率 根據(jù)風向觀測資料，按16個方位加靜風統(tǒng)計時段各風向出現(xiàn)數(shù)與總次數(shù)的百分比。

2.2.2 風速頻率 以1 m/s為一個風速區(qū)間單元，統(tǒng)計各區(qū)間出現(xiàn)頻率。風速區(qū)是中間值，0區(qū)代表0～0.4 m/s范圍風速,1間代表0.5～1.4 m/s范圍風速, 以此類推。

2.2.3 平均(有效)風能密度：

2.2.4 突變分析 突變分析采用非參數(shù)檢驗Mann-Kendall(簡稱MK)，方法介紹略。

3 分析結果

3.1 年風速及突變

衡陽各區(qū)域風速存在差異(表1)，南岳山海拔高，平均風速最大(5.7 m/s)，歷年最大風速7.3 m/s(1970年)，最小4.6 m/s(1999年)。在低海拔區(qū)，衡山風速最大(2.3 m/s),祁東最小(1.1 m/s)。歷年最大3.3 m/s(衡山，1974年)，最小0.6 m/s(祁東，多年)。

衡陽風速氣候傾向率均為負(表1)，表明自1970年以來，其風速呈減少趨勢，衡山風速減少最明顯，每10 a減少0.368 m/s，其次是南岳山，每10a減少0.367 m/s。相關系數(shù)顯著性檢驗：衡山、衡東、衡陽縣、南岳山通過置信水平99.9%，祁東為99.0%，衡陽市、衡南為90.0%，常寧、耒陽未通過置信水平90.0%檢驗。

表1 1970—2016年衡陽平均風速、氣候傾向率、突變年份Tab.1 The average wind speed, climate trend rate and mutation year of Hengyang from 1970 to 2016

注：***通過99.9%顯著性檢驗、**通過99.0%顯著性檢驗、*通過90.0%顯著性檢驗

對變化趨勢進行M-K突變檢驗，衡山、衡東、衡陽縣、南岳山風速減小趨勢未發(fā)生突變，衡陽市、衡南、祁東、常寧、耒陽突變點在2002年、1979年、1986年、2008年、1974年。

3.2 風速年代際變化

分別統(tǒng)計南岳山、低海拔區(qū)年代際風速距平，南岳山1970—2010年代距平分別為1.0 m/s、0.5 m/s、-0.4 m/s、-0.2 m/s、-0.1 m/s，1970、1980年代正距平，1990—2010年代負距平，90年代負距平最大。低海拔區(qū)1990—2010年代距平分別為0.6 m/s、0.3 m/s、-0.1 m/s、-0.2 m/s、0.2 m/s，1970年代最大，2000年代最小，2010年代正距平，較2000年代偏大0.4 m/s。

不少學者研究結果顯示[7-10]，受測站環(huán)境變化及下墊面改變影響，風速減少趨勢明顯。衡陽低海拔區(qū)1970—2000年代都遵循這一變化規(guī)律，但2010年代不降反增。統(tǒng)計各區(qū)域靜風頻率發(fā)現(xiàn)(圖1)，低海拔區(qū)靜風頻率2002年最高(38.1%)，2009、2010年迅速減少，分別為19.9%、5.4%，之后維持偏低水平。分析發(fā)現(xiàn)，靜風頻率減少與測風儀更換密切相關，測站將EL型電接風向風速計更換為風杯式遙測風向風速傳感器后，靜風概率明顯減少。衡陽儀器更換始于2003年，開始僅個別站更換，2009年大量更換，2010年全面采用自動站數(shù)據(jù)。南岳山2004年正式采用自動站數(shù)據(jù)，其靜風頻率由2003年7.5%下降到2004年2.3%，其后一直維持較低水平。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，自動站平均風速較同期人工站偏大0.4 m/s[11]，其原因是自動測風儀更靈敏，山歷年風頻變化分其啟動風速為0.3 m/s，而人工站要1.5 m/s[12]。

圖1 南岳山及低海拔區(qū)歷年靜風頻率/%Fig.1 Annual static wind frequency in Nanyue mountain and low elevation area

低海拔區(qū)受測站環(huán)境改變影響，風速減少，但更換高靈敏度儀器后，靜風頻率速減，平均風速增大。南岳山更換儀器也存在這種情況，由于其風速大，靜風原本就少，影響有限。此外，南岳山觀測環(huán)境保護較好，下墊面人為改變不大，能真實反映氣候變暖背景下風蘊藏量變化情況。

3.3 風速頻率

3.3.1 風速頻率年變化 表2為南岳山及低海拔區(qū)不同區(qū)間風速發(fā)生頻率。南岳山風速范圍廣，在0～23區(qū)(0～23.5 m/s)均存在一定比例。頻率在10%以上有3、4、5區(qū)(2.5～5.4 m/s)，最多是4區(qū)(3.5～4.4 m/s)有12.7%，24區(qū)以上(≥23.5 m/s)出現(xiàn)頻率不足0.05%。低海拔站風區(qū)范圍窄，最大是1區(qū)(0.5～1.4 m/s)，頻率為24.3%，其次是0區(qū)(0～0.4 m/s)，頻率為24.2%，0～3區(qū)(0～3.4 m/s)累計頻率為85.8%，風速在11.5 m/s以上(≥12間)出現(xiàn)頻率不到0.05%。

表2 南岳山及低海拔區(qū)風速頻率/%Tab.2 Wind speed frequency in Nanyue mountain and low altitude area

3.3.2 風速頻率歷年變化 圖2為南岳山、低海拔區(qū)1970—2016年各區(qū)間風速頻率分布(簡稱風頻)。南岳山風頻變化分為3段(圖2a)：1970—1989年段，0區(qū)間風頻較其它時段少，0～25區(qū)間風頻均有存在，主要風速在0～11區(qū)間，頻率在4%以上，23區(qū)間以上強風頻均勻分布；1990—2004年段，主風頻在3～7區(qū)間，頻率在10%～16%左右，0～1區(qū)間風頻是3段中偏高的，1992—1993年，24～25區(qū)間風頻缺失；2005—2016年段，強風頻(23～25區(qū)間)有較多缺失，低風頻(0～1區(qū)間)略有增大，主風頻在1～7區(qū)間。

低海拔區(qū)風頻變化(圖2b)較南岳山明顯不同，高速區(qū)呈離散型結構，主風頻在6區(qū)間以下，且隨時間推移向低速區(qū)聚集。風頻可分為兩階段：1970—1990年段，各區(qū)間風頻均勻，連續(xù)性好，0～18區(qū)間斷層較少；1991年—2016年段，風頻逐漸兩極分化，低速及高速區(qū)增多，12～17區(qū)出現(xiàn)斷層且逐步擴大，2015年后達到最大。在高風速區(qū)，風頻呈間斷性，無規(guī)律可循，隨機性大，這或許與氣候變暖極端事件頻發(fā)有關。低風頻增大也可分為兩部分，1991—2008年，主要受觀測環(huán)境影響，低風頻呈漸進性增多。2008年后，受觀測環(huán)境及測風儀改變影響，低速風頻進一步增多，等值線密集。

圖2 1970—2016年 南岳山(a)及低海拔區(qū)(b)各區(qū)間風速頻率分布Fig.2 The wind speed distribution of Nanyue mountain (2a) and low-elevation area (2b) from 1970 to 2016

3.4 風向頻率

表3是南岳山及低海拔區(qū)平均風向頻率。低海拔區(qū)平均靜風出現(xiàn)頻率為23.6%，占總風向頻率近四成，其次是N向風，出現(xiàn)頻率為15.9%。偏北風(N、NNE、NNW)累計出現(xiàn)頻率為33.5%，偏南風(S、SSE、SSW)出現(xiàn)頻率次之(11.7%)，偏東風、偏西風各為7.7%、6.4%。南岳山受海拔高度影響，靜風頻率明顯較少(4.3%)，其單向風頻率最多為N風(13.8%)，偏北風、偏南風頻率為28.0%、19.0%。

表3 1970—2016年南岳山、低海拔區(qū)風向頻率/%Tab.3 The frequency of wind direction in Nanyue mountain and low altitude area from 1970 to 2016

3.5 風能密度

風能密度是描述某地風能開發(fā)潛力的物理量，它描述空氣在單位時間內(nèi)以一定速度流過單位面積產(chǎn)生的動能，是風能資源開發(fā)重要指標。

3.5.1 平均風能密度 衡陽低海拔區(qū)平均風能密度為7.3 W/m2，最高的是衡陽縣(12.7 W/m2)，其次是衡南(11.6 W/m2)，祁東由于靜風頻率偏多(41.7%)，其平均風能密度僅有2.3 W/m2。南岳山由于地勢高，風速較大，平均風能密度為227.9 W/m2。

3.5.2 有效風能密度 表4為衡陽各區(qū)域逐月、年均有效風能密度，按照湖南省有效風能密度區(qū)劃標準，低海拔區(qū)均為風能貧乏區(qū)(<50 W/m2)。年有效風能密度最大是耒陽(35.7 W/m2)，祁東最少(21.0 W/m2)。從月際間變化看，也未達到風能可利用要求。月有效風能密度最大為48.3 W/m2，2月出現(xiàn)在衡陽縣，最小為16.2 W/m2，7月出現(xiàn)在衡山。南岳山年均有效風能密度達到豐富標準(273.4 W/m2)，其1—7月有效風能密度均在200 W/m2以上，其中2月達到489.1 W/m2；8、11、12月為風能較豐富時期；9、10月為風能可利用時段。南岳山風能蘊藏量豐富，全年各時段均滿足風力發(fā)電要求。

表4 衡陽各區(qū)域有效風能密度(W/m2)Tab.4 Effective wind energy density in various regions of Hengyang (unit:W/m2)

圖3為南岳山、低海拔區(qū)月平均風能密度曲線。低海拔區(qū)(圖3a)2月最大(37.3 W/m2)，之后總體呈減少，6—8月是有效風能密度較少時段，8月為全年最少(20.5 W/m2)，之后又逐步增大，全年呈正弦型波動變化。南岳山月風能密度有兩個高點(圖3b)，分別在2月(489.1 W/m2)、7月(396.2 W/m2)，9—10月是風能密度較少時段，9月為全年最小(114.1 W/m2)，其年變化呈波浪型下降。

圖3 低海拔區(qū)(a)、南岳山(b)有效風能密度月變化Fig.3 Monthly variation of effective wind energy density in low-elevation area (a) and Nanyue mountain (b)

4 結論及討論

通過對衡陽9個觀測點1970—2016年風資料統(tǒng)計，分析近47 a來衡陽不同區(qū)域風向、風速頻率，變化趨勢及突變情況，從風能密度計算各區(qū)域風能蘊藏量，探討2010年后低海拔區(qū)風速異常原因，其結論如下：

①近47 a衡陽風速呈減少變化，部分低海拔區(qū)減少速度甚至超過南岳山。衡山減速最快，每10 a減少0.368 m/s，常寧、耒陽減速偏小。信度檢驗結果是：減速快的衡山、南岳山、衡東、衡陽縣通過了置信水平99.9%檢驗，為極顯著性減少，但常寧、耒陽減速變化未通過置信水平90.0%檢驗。衡山、衡東、衡陽縣、南岳山減小趨勢未發(fā)生突變，耒陽、衡南、祁東、衡陽市、常寧風速突變分別在1974年、1979年、1986年、2002年、2008年。

②低海拔區(qū)風速集中在0～3.4 m/s(85.8%)，0.5～1.4 m/s(1區(qū))出現(xiàn)最多(24.3%)；南岳山風速區(qū)間跨度比較大，0～23區(qū)間均存在一定比例， 4區(qū)(3.5～4.4 m/s)出現(xiàn)頻率最大(12.7%)。南岳山歷年風頻變化分為三段，其中2005—2016年強風頻(23～25區(qū)間)有較多缺失。低海拔區(qū)風頻分為兩階段，隨時間推移向低速區(qū)聚集， 1991—2016年風頻兩極分化，低速及高速區(qū)增多，中間斷層擴大。

③低海拔區(qū)靜風風頻最大(23.6%)，其次是N向風(15.9%)，2010年代后，全面采用自動測風儀，靈敏度增加致使靜風風頻迅速減少。南岳山N向風頻最大(13.8%)，靜風風頻為4.3%。

④參考有效風能密度標準，南岳山年風能豐富(273.4 W/m2)，其中1—7月風能豐富，8、11、12月較豐富，9、10月風能可利用。低海拔區(qū)有效風能密度27.9 W/m2,未達到可利用標準，2月風能密度最大(34.7 W/m2)，9月最小(24.4 W/m2)，但這與有效風能小時數(shù)結論存在一定差異。