徐金閣， 龔 璽， 戴昌明

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙 410007； 2.國(guó)家氣象信息中心，北京 100081；3.陜西省氣象臺(tái)，西安 710014)

引 言

氣候變化已成為世界各國(guó)普遍關(guān)注的話題。受全球氣候變化和常規(guī)能源供應(yīng)的影響，可再生能源日益受到世界各國(guó)的重視和發(fā)展。我國(guó)已提出“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的國(guó)家目標(biāo)。充分運(yùn)用水能、風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生清潔能源，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的重要途徑。根據(jù)《湖南省風(fēng)能資源評(píng)價(jià)綜合報(bào)告》，湖南省風(fēng)能資源主要分布于洞庭湖地區(qū)、湘西和湘南山區(qū)。截至2020年底，湖南全省風(fēng)電裝機(jī)容量為669萬(wàn)kW，中高風(fēng)速區(qū)(5.5～7.2 m· s-1)的湘西和湘南地區(qū)裝機(jī)容量達(dá)435萬(wàn)kW，洞庭湖周邊低風(fēng)速區(qū)(4.8～5.5 m· s-1)裝機(jī)容量不足60萬(wàn)kW。隨著適用于低風(fēng)速的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制及風(fēng)電開發(fā)成本的降低[1-2]，低風(fēng)速區(qū)風(fēng)電具備了開發(fā)價(jià)值。洞庭湖地區(qū)風(fēng)電開發(fā)，為解決能源稟賦、環(huán)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(qū)風(fēng)速的變化特征，為洞庭湖南部地區(qū)風(fēng)電開發(fā)及氣象部門等提供參考。

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

1 資料與方法

1.1 站點(diǎn)位置和數(shù)據(jù)來(lái)源

益陽(yáng)市位于湖南省洞庭湖區(qū)南部(圖1)，地形西高東低，成狹長(zhǎng)狀。本文原始數(shù)據(jù)為益陽(yáng)市國(guó)家基本氣象站(28.56°N、112.38°E)1960-2019年2 min平均風(fēng)速資料。

益陽(yáng)市國(guó)家基本氣象站站址變遷：1956年1月-1958年12月，益陽(yáng)市茈湖鄉(xiāng)劉家湖農(nóng)場(chǎng)；1959年1月-1960年10月，益陽(yáng)市長(zhǎng)春公社馬良大隊(duì)；1960年11月-1964年12月，益陽(yáng)市赫山廟農(nóng)科所；1965年1月-1977年12月，益陽(yáng)市長(zhǎng)春公社馬良大隊(duì)；1978年1月-1985年12月益陽(yáng)市羊舞嶺公社毛家塘大隊(duì)魚塘生產(chǎn)隊(duì)；1986年1月-1995年12月，益陽(yáng)市赫山街道；1996年1月至今益陽(yáng)市赫山區(qū)平安路53號(hào)。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)篩選和對(duì)比分析，數(shù)據(jù)完整性較好，缺測(cè)率為0.98%，無(wú)連續(xù)超過(guò)3天以上的缺測(cè)數(shù)據(jù)，缺測(cè)數(shù)據(jù)屬偶發(fā)性。本文采用自相關(guān)法對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)齊，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均一性分析，未發(fā)現(xiàn)明顯的氣候不連續(xù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)可靠。

1.2 研究方法

本文從年、季、月3個(gè)時(shí)間尺度采用氣候傾向法對(duì)平均風(fēng)速變化的趨勢(shì)特征進(jìn)行分析，利用時(shí)間與平均風(fēng)速之間的相關(guān)性對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)；采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法和小波分析法對(duì)風(fēng)速變化的突變和周期特征進(jìn)行分析。季節(jié)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(zhǎng)時(shí)間序列氣候要素的趨勢(shì)分析，建立氣候要素和時(shí)間序列的一元線性回歸數(shù)學(xué)模型

y=β0+β1x

(1)

式中，β1表示氣候要素y隨時(shí)間x的趨勢(shì)傾向，β1的正負(fù)說(shuō)明氣候要素y隨時(shí)間x的上升或下降趨勢(shì)，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(yàn)

Mann-Kendall方法(簡(jiǎn)稱M-K法)既可以檢測(cè)序列的變化趨勢(shì)，也可以進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗(yàn)。對(duì)于某一時(shí)間序列上的物理量，構(gòu)造一秩序列Sk，秩序列為時(shí)間序列上某時(shí)刻數(shù)值大于另一時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。定義統(tǒng)計(jì)量

(2)

式中，E(Sk)和Var(Sk)是Sk的均值和方差，將時(shí)間序列逆序，同時(shí)使

(3)

繪制UFk和UBk曲線圖，并給定顯著性水平α，確定置信區(qū)間臨界值。若UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)位于置信區(qū)間內(nèi)，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻即為突變開始的時(shí)刻[14]。其中變化趨勢(shì)的大小可用傾斜度β(也稱為趨勢(shì)系數(shù))表示[15]，β正負(fù)值代表增減率。

1.2.3 小波分析

小波分析是時(shí)間序列上的一維變量信息在時(shí)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(shí)間尺度上的強(qiáng)弱，實(shí)部表示變量在不同時(shí)間尺度上的分布和位相2方面信息。小波系數(shù)反映了變量在不同時(shí)間尺度下的變化幅度，其絕對(duì)值越大，說(shuō)明在對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度下的變化越顯著，小波系數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度值即為變量變化的主要周期[14]。

2 結(jié)果分析

2.1 趨勢(shì)分析

2.1.1 平均風(fēng)速年際變化趨勢(shì)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖2)顯示，近60年來(lái)益陽(yáng)市年平均風(fēng)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(fēng)速波動(dòng)劇烈，最大值為3.0 m·s-1(1978年)。1990-2005年，年平均風(fēng)速呈顯著減小趨勢(shì)，且最小值降至1.4 m·s-1(2000年)。自2006年起，年平均風(fēng)速略有增大，變化趨于平穩(wěn)，在1.5～1.9 m·s-1波動(dòng)。近60年來(lái)年平均風(fēng)速總體呈減小趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.215 m·s-1·(10a)-1(相關(guān)系數(shù)為-0.823，通過(guò) α=0.01的顯著性檢驗(yàn))。

圖2 1960-2019年益陽(yáng)市年平均風(fēng)速變化趨勢(shì)

2.1.2 平均風(fēng)速季節(jié)變化趨勢(shì)

采用氣候傾向法對(duì)益陽(yáng)市1960-2019年各季節(jié)平均風(fēng)速的變化趨勢(shì)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見表1。由表1可見，四季平均風(fēng)速均呈減小趨勢(shì)，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(yáng)市各季節(jié)平均風(fēng)速年際變化氣候傾向統(tǒng)計(jì)

2.1.3 平均風(fēng)速月變化趨勢(shì)

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

對(duì)各月平均風(fēng)速采用氣候傾向法進(jìn)行回歸分析(表略，均通過(guò) α=0.01的顯著性檢驗(yàn))，結(jié)果表明，各月平均風(fēng)速均呈減小趨勢(shì)。其中，4月平均風(fēng)速減小最快，氣候傾向率為-0.275 m·s-1·(10a)-1，8月平均風(fēng)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(yáng)市各月平均風(fēng)速變化趨勢(shì)

2.2 突變和周期分析

2.2.1 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和趨勢(shì)分析

(1)年平均風(fēng)速突變和趨勢(shì)分析

由年平均風(fēng)速突變檢驗(yàn)結(jié)果(圖4)可看出，UF和UB兩變量曲線交點(diǎn)位于1989-1990年，且交點(diǎn)位于uα=±1.96(α=0.05)的置信區(qū)間，即益陽(yáng)市年平均風(fēng)速突變出現(xiàn)于1989—1990年。分析UF曲線發(fā)現(xiàn)，除1961年、1981-1983年為正值外，其余年份均為負(fù)值，表明年平均風(fēng)速在近60年間總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，趨勢(shì)系數(shù)β×10=-0.213 m·s-1·(10a)-1，與氣候傾向法計(jì)算結(jié)果基本一致。自1990年開始，UF變量超出置信區(qū)間，表明自1990年開始，年平均風(fēng)速呈顯著減小趨勢(shì)。

圖4 1960-2019年益陽(yáng)市年平均風(fēng)速M(fèi)-K突變檢驗(yàn)

(2)季節(jié)平均風(fēng)速突變和趨勢(shì)分析

圖5為季平均風(fēng)速突變檢驗(yàn)結(jié)果。由圖5看出，4個(gè)季節(jié)UF和UB兩變量曲線交點(diǎn)均位于uα=±1.96(α=0.05)的置信區(qū)間，即均為突變點(diǎn)。春季、秋季和冬季的突變點(diǎn)均出現(xiàn)于1989-1990年，夏季的出現(xiàn)于1985-1986年。以上結(jié)果說(shuō)明夏季平均風(fēng)速的突變年份早于其他3個(gè)季節(jié)的突變年份。

除個(gè)別年份外，4個(gè)季節(jié)的UF變量均為負(fù)值，表明各季節(jié)平均風(fēng)速在近60年間均呈減小趨勢(shì)。春夏秋冬4個(gè)季節(jié)的趨勢(shì)系數(shù) β×10數(shù)值分別為-0.224、-0.179、-0.219和-0.229，與氣候傾向法計(jì)算結(jié)果(表1)基本一致。4個(gè)季節(jié)自1990年開始，UF變量超出置信區(qū)間，表明自1990年開始，各季節(jié)平均風(fēng)速均呈顯著減小趨勢(shì)，與年平均風(fēng)速開始顯著減小的年份一致。

圖5 1960-2019年益陽(yáng)市春季(a)夏季(b)秋季(c)冬季(d)平均風(fēng)速M(fèi)-K突變檢驗(yàn)

2.2.2 基于小波分析的周期研究

采用復(fù)值Morlet小波分析法對(duì)益陽(yáng)市1960-2019年年平均風(fēng)速序列進(jìn)行周期性分析，結(jié)果見圖6。由圖6(a)可知，益陽(yáng)市年平均風(fēng)速在15 a～20 a、30 a～35 a的時(shí)間尺度上存在周期性。

圖6 益陽(yáng)市年平均風(fēng)速M(fèi)orlet小波時(shí)頻分布圖(a)和方差圖(b)

由圖6(b)可知，15 a的時(shí)間尺度為年平均風(fēng)速變化的第一主周期，其次為30 a的時(shí)間尺度(為第二主周期)。進(jìn)一步分析時(shí)頻分布圖可看出，15 a的時(shí)間尺度上，年平均風(fēng)速的變化在1960-1989年表現(xiàn)為2個(gè)正值區(qū)和1個(gè)負(fù)值區(qū)的“增-減-增”的2次振蕩，但后一次增大趨勢(shì)已不顯著；1990-2004年年平均風(fēng)速的變化表現(xiàn)為“增-減”的準(zhǔn)一次振蕩，但增大趨勢(shì)持續(xù)時(shí)間短暫且不顯著，該周期主要表現(xiàn)為顯著的減小趨勢(shì)，這與M-K檢驗(yàn)結(jié)果相同；2005-2019年年平均風(fēng)速的變化表現(xiàn)為“減-增”的一次振蕩，減小趨勢(shì)持續(xù)時(shí)間短暫，主要表現(xiàn)為增大趨勢(shì)。以上結(jié)論與線性趨勢(shì)分析結(jié)論一致。30 a的時(shí)間尺度上，年平均風(fēng)速表現(xiàn)為顯著的“增-減-增”的變化規(guī)律，小波系數(shù)在1960-1979年為正值，1980-1999年為負(fù)值，2000-2019年為正值，且前一正值中心數(shù)值和負(fù)值中心數(shù)值絕對(duì)值均大于后一正值中心數(shù)值，表明年平均風(fēng)速在前20年表現(xiàn)為顯著增大趨勢(shì)，中間20年為顯著減小趨勢(shì)，后20年為不顯著的增大趨勢(shì)。根據(jù)以上周期性規(guī)律分析，可知未來(lái)幾年益陽(yáng)市年平均風(fēng)速可能將呈一定程度減小趨勢(shì)。

2.3 風(fēng)速變化原因討論

20世紀(jì)70年代末，益陽(yáng)市平均風(fēng)速存在劇烈變化。1978年平均風(fēng)速為3.0 m·s-1，較前一年增幅達(dá)0.6 m·s-1。有研究發(fā)現(xiàn)[16-17]，氣象站自城區(qū)遷往城郊鄉(xiāng)村后，年平均風(fēng)速觀測(cè)值增大。根據(jù)氣象站站址變遷，益陽(yáng)氣象站1977年底由城區(qū)(長(zhǎng)春公社)遷至鄉(xiāng)村(毛家塘)，初步推測(cè)1978年年平均風(fēng)速的劇烈增大與此有關(guān)，還需對(duì)遷站前后觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

現(xiàn)今對(duì)于中國(guó)風(fēng)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(fā)現(xiàn)，東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度自20世紀(jì)70年代末顯著減弱，并持續(xù)維持較低水平。另有研究發(fā)現(xiàn)，東亞冬季風(fēng)自20世紀(jì)80年代中期開始減弱[22-24]。季風(fēng)處在減弱時(shí)期，相應(yīng)益陽(yáng)市平均風(fēng)速呈減小趨勢(shì)；東亞夏季風(fēng)早于東亞冬季風(fēng)減弱，因此益陽(yáng)市夏季平均風(fēng)速突變年份早于其他3個(gè)季節(jié)的突變年份，突變時(shí)間均較季風(fēng)開始減弱時(shí)間晚約5～6年。益陽(yáng)市自20世紀(jì)90年代開始，城鎮(zhèn)化規(guī)?？焖侔l(fā)展[25]，氣象站周邊環(huán)境發(fā)生很大變化，因此城市下墊面變化可能是風(fēng)速變化的另一個(gè)因素(圖7)。從全球氣候變化、人類活動(dòng)到局地效應(yīng)，影響風(fēng)速變化的因素很多，本文僅從自然氣候因素給出了一點(diǎn)分析，還需根據(jù)更多研究進(jìn)行證實(shí)和修改。

圖7 益陽(yáng)市常住人口城鎮(zhèn)化率逐年變化

3 結(jié) 論

隨著我國(guó)陸上優(yōu)質(zhì)風(fēng)資源開發(fā)趨近飽和[26]，低風(fēng)速區(qū)風(fēng)資源已是今后開發(fā)的重點(diǎn)。因此，計(jì)算分析低風(fēng)速區(qū)域風(fēng)速變化，建立健全氣象預(yù)測(cè)與風(fēng)資源規(guī)劃發(fā)展的聯(lián)合生產(chǎn)調(diào)度機(jī)制，對(duì)風(fēng)電開發(fā)具有重要意義。本文將益陽(yáng)市國(guó)家基本氣象站作為典型示范站，利用1960-2019年的2 min平均風(fēng)速資料，運(yùn)用氣候傾向法、Mann-Kendall檢驗(yàn)法和小波分析法，分析了年、季和月時(shí)間尺度上的變化趨勢(shì)、突變和周期特征，揭示了洞庭湖南部地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列風(fēng)速變化規(guī)律，為洞庭湖區(qū)風(fēng)能資源的開發(fā)和利用提供參考。主要結(jié)論如下：

(1)近60年來(lái)益陽(yáng)市年平均風(fēng)速減小趨勢(shì)顯著。線性趨勢(shì)分析和Mann-Kendall檢驗(yàn)趨勢(shì)系數(shù)分析的年平均風(fēng)速氣候傾向率基本一致，為-0.215 m·s-1·(10a)-1，風(fēng)速減小主要發(fā)生于1990-2005年，之后年平均風(fēng)速變化相對(duì)平穩(wěn)。

(2)風(fēng)速的年內(nèi)變化表現(xiàn)為減小趨勢(shì)，其中春季4月減小最快，夏季8月的最慢。

(3)益陽(yáng)市年平均風(fēng)速突變出現(xiàn)于1989-1990年。春季、秋季和冬季平均風(fēng)速的突變均出現(xiàn)于1989-1990年，夏季出現(xiàn)于1985-1986年。以上結(jié)果說(shuō)明夏季平均風(fēng)速的突變年份早于其他3個(gè)季節(jié)的突變年份。

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

(5)本文從自然氣候因素方面對(duì)益陽(yáng)市風(fēng)速減小原因進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述，由于影響風(fēng)速變化的因子很多，還需根據(jù)更多研究進(jìn)行證實(shí)和修訂。