楊君建

（商丘市氣象局，河南商丘 476000）

風能參數分析是風能資源開發(fā)中一項極其重要的基礎性工作，是確定風電場選址和裝機容量以及布置的依據［1］. 由于風能受地理位置、地形條件以及氣候狀況的影響，因此分析各種風能參數必須科學、準確［2］.風速是風能資源開發(fā)的重要指標，近年來已有大量研究發(fā)現(xiàn)風速下降現(xiàn)象普遍存在于全球各地［3］. Mcvicar等［4］總結了近年有關風速變化的研究發(fā)現(xiàn)，中緯度及熱帶地區(qū)風速降幅均為-0.014 m/（s·a）；Azorin-Molina［5］、Minola［6］等研究發(fā)現(xiàn)，西班牙和葡萄牙、瑞典等地的風速具有顯著下降趨勢；Xu等［7］研究發(fā)現(xiàn)，我國年均風速在1969—2000年下降了28%，且強風區(qū)風速降幅大于弱風區(qū)；Guo等［8］研究發(fā)現(xiàn)，我國1969—2005年風速降幅為-0.018 m/（s·a）；Lin 等［9］研究發(fā)現(xiàn)，我國1969—2000 年風速降幅較大，2000 年以后降幅減小. 我國的東北［10］、華北［11］、西北［12］、西南地區(qū)［13］的風速分別以0.23、0.16、0.12、0.24（m·s-1）/10 a的速率呈現(xiàn)遞減趨勢；青藏高原、華中、東南等地區(qū)的風速也呈不同程度的減少趨勢［14］. 河南省東部平原地區(qū)風速風向變化，是否與全國和其他地區(qū)變化一致，需要進一步深入研究. 目前，針對河南省東部平原地區(qū)風能資源狀況的研究尚不多見. 本文以河南省商丘市為例，利用商丘市8個國家氣象站近61年氣象資料和民權風電場10～150 m 8個高度層（150、140、120、100、70、50、30、10 m）的實測數據，研究各氣象要素的變化特征及相關性分析，對商丘地區(qū)的風能資源狀況進行分析，以期為該地區(qū)合理有效開發(fā)利用風能資源提供科學依據.

1 資料和方法

1.1 資料及來源

1961—2021年的風速、風向、氣溫、日照、降水、濕度、蒸發(fā)、氣壓、大風、輕霧、霧、霾、浮塵、揚沙、沙塵暴15類氣象資料來源于商丘市所轄的睢縣、民權、商丘、虞城、柘城、寧陵、夏邑、永城8個國家氣象觀測站，使用資料具有代表性、一致性和連續(xù)性.

平均風速和最多風向指距地面10.5 m高度的平均風速和最多風向；每日平均風速指02時、08時、14時、20時觀測的風速平均值；風向主要統(tǒng)計年、季、月內各風向頻率，年內各風向頻率指年內各風向出現(xiàn)次數占全年各風向（包括靜風）記錄總次數的百分比，頻率最高的風向即為最多風向；氣象要素常年平均值使用國家規(guī)定最新標準1991—2020年氣候平均值［15］. 商丘市氣象要素平均值是指8個站點的平均值. 四季劃分：冬季（當年12月至翌年2月），春季（3—5月），夏季（6—8月），秋季（9—11月）.

本文風電場資料來源于河南省商丘市民權縣風電場項目區(qū)域內一座測風塔. 該風電場位于民權縣北部，屬平原風電場. 場址呈不規(guī)則四邊形，南北向長約6 km，東西向長約12 km，面積約72 km2，海拔高度66～72 m. 該風電場安裝有20臺單機容量為2.5 MW的風電機組. 測風塔位于風電場西南部，海拔高度59 m，塔高150 m，觀測有風速、風向、氣溫、氣壓等項目，觀測記錄每10 min一個，每個觀測儀器占用一個記錄通道.每個記錄通道記錄有10 min之內風速的平均值、方差、最大值、最小值. 風速參數采樣時間間隔1 s，并自動計算和記錄每10 min的平均風速和每10 min的風速標準偏差值. 極大風速值為每3 s采樣一次的風速的最大值，每10 min自動記錄；風向參數采樣間隔時間為1 s，并自動計算和記錄每10 min的風向值、風向標準偏差. 溫度參數和大氣壓力參數每10 min 采樣并記錄. 計算機系統(tǒng)自動處理各層風觀測資料，有150、140、120、100、70、50、30、10 m 共8個高度的資料，保存有完整的2018—2020年連續(xù)觀測數據. 根據數據合理性、有效性、完整性分析，參考中尺度及附近地形，在相關性分析基礎上，插補完整測風數據，對風資源分析具有一定代表性.

選取風電場周邊的4 個區(qū)域站（程莊站、王橋站、莊子站、孫六站）日平均風速資料，資料年代為2018—2021年，與民權國家氣象站進行相關性分析. 民權國家氣象站與風電場距離較近，所在區(qū)域地形條件與場址地形基本一致，氣象站觀測數據對風電場氣象情況有較好的參證作用.

1.2 研究方法

1.2.1 年、季、月平均風速變化趨勢

風速變化趨勢采用風速傾向率方法，通過顯著性統(tǒng)計檢驗進行判斷.

式中：y為要素的擬合值；t為時間（1961—2021年）；a0為常數項；a1為線性趨勢項，a1乘以10為每10年的變化趨勢.

1.2.2 平均風功率密度

根據《風電場風能資源評估方法》［16］和《風電場氣象觀測及資料審核、訂正技術規(guī)范》［17］中的平均風功率密度計算公式：

式中：Dˉwp為設定時段內的平均風功率密度（W/m2）；n為設定時段內的風速記錄次數；i為第i個記錄數；vi為第i個記錄風速（m/s）值；ρ為空氣密度（kg/m3）.

如果沒有風場大氣壓力和溫度的實測值，也可根據海拔高度(z)近似估算空氣密度，公式如下：

根據《風電場風能資源評估方法》［16］，風功率密度蘊含風速、風速分布和空氣密度的影響，是風電場風能資源的綜合指標. 利用公式（2）計算得出測風塔的風功率密度，利用公式（4）計算得出測風塔各高度的空氣密度.

1.2.3 要素分析

利用Excel和SPSS對商丘市8個站點1961—2021年的平均風速和各氣象要素進行氣候統(tǒng)計、回歸分析、趨勢分析、相關分析等［18-19］.

2 分析結果

2.1 風速變化

2.1.1 年平均風速變化

商丘市1961—2021年年平均風速為2.4 m/s，年際變化較大，最大值3.7 m/s，最小值1.5 m/s. 年平均風速呈線性減小趨勢，減小速率為-0.36（m·s-1）/10 a(|r|=0.916 2＞r0.001=0.443 3，通過0.001 的顯著性檢驗). 年平均風速變化大致可分為3 個階段：1961—1987 年為偏大階段，1988—2014 年為持續(xù)偏小階段，2015 年以后為增大階段. 年平均風速20 世紀60 年代最大，70—80 年代年平均風速下降幅度最大，2000—2009 年年平均風速下降幅度最?。▓D1）. 該結果與徐艷琴的研究結果一致［20］.

圖1 1961—2021年商丘市年均風速及線性趨勢變化Fig.1 Annual average wind speed and linear trend change in Shangqiu City from 1961 to 2021

2.1.2 季平均風速變化

1961—2021 年商丘市季平均風速，春季（2.8 m/s）＞冬季（2.4 m/s）＞夏季（2.3 m/s）＞秋季（2.1 m/s）. 各季平均風速變化均呈顯著減小趨勢（圖2），減小速率春季（-0.43（m·s-1）/10 a）＞冬季（-0.40（m·s-1）/10 a）＞夏季（-0.37（m·s-1）/10 a）＞秋季（-0.36（m·s-1）/10 a）. 四季平均風速年代最大值均出現(xiàn)在20世紀60年代，最小值出現(xiàn)在2011—2020年，與年均風速年代最大值和最小值出現(xiàn)時間相同.

圖2 1961—2021年商丘市季平均風速變化Fig.2 Variation of seasonal mean wind speed in Shangqiu from 1961 to 2021

2.1.3 月平均風速變化

1961—2021 年商丘市年內各月平均風速分布呈單峰型（圖3），4 月平均風速最大（3.0 m/s），9 月平均風速最?。?.0 m/s）. 月平均風速傾向率顯示，各月平均風速都在減少，且減少趨勢極其顯著(|r|=0.864 1～0.944 0＞r0.001=0.407 8），通過0.001水平的顯著性檢驗；4月減少幅度最大（-0.46（m·s-1）/10 a），8月減少幅度最小（-0.3（m·s-1）/10 a）. 由于各月平均風速呈極顯著減少趨勢，導致各季平均風速也均呈極顯著減少趨勢.

圖3 1961—2021年商丘市各月平均風速及傾向率Fig.3 Monthly average wind speed and tendency rate in Shangqiu from 1961 to 2021

2.2 風向變化

2.2.1 年最多風向及頻率

統(tǒng)計商丘市1961—2021年風向頻率，繪制1961—2021年商丘市年風向頻率玫瑰圖（圖4）. 從圖4可以看出，商丘市全年以北（N）風和南東南（SSE）風最多，風向頻率均為8%；其次是東東南（ESE）、東南（SE）、南（S）和南西南（SSW）風，風向頻率均為7%；東東南（ESE）、東南（SE）、南東南（SSE）、南（S）和南西南（SSW）風向頻率合計為36%，西北（NW）和西西南（WSW）風向頻率均為3%；西（W）和西西北（WNW）風最少，風向頻率均為2%.

圖4 1961—2021年商丘市年風向頻率玫瑰圖Fig.4 Rose chart of annual wind direction frequency in Shangqiu from 1961 to 2021

2.2.2 季最多風向及頻率

商丘市是典型的季風性氣候，風向隨季節(jié)不同有明顯的變化. 分析商丘市最多風向隨季節(jié)變化的情況，繪制1961—2021年商丘市四季風向頻率玫瑰圖（圖5）.

由圖5可知，商丘市冬季以北風和北東北風最多，風向頻率均為10%；其次是北西北風，風向頻率8%，若將北西北風和北東北風都稱為偏北風，其風向頻率可達28%；再次為西北風，風向頻率4%；西西北風、西風和南西南風最少，風向頻率均為3%. 春季以南東南風最多，風向頻率10%；其次是南風和南西南風，風向頻率均為9%，若將南東南風和南西南風都稱為偏南風，其風向頻率可達28%；再次是西北風和南西南風，風向頻率均為3%；西西北風和西風最少，風向頻率均為2%. 夏季以南東南風和東東南風最多，風向頻率均為9%；其次是東風、東南風、南風和南西南風，風向頻率均為8%；再次是南西南風，風向頻率為3%；西北風和西風最少，風向頻率均為2%.

圖5 1961—2021年商丘市四季風向頻率玫瑰圖Fig.5 Rose chart of wind direction frequency in winter，spring，summer and autumn in Shangqiu from 1961 to 2021

秋季以北風和北東北風最多，風向頻率均為9%；其次是南東南風，風向頻率7%；再次是西南風、南西南風和西北風，風向頻率均為3%；西風和西西北風最少，風向頻率均為2%.

總的來看，商丘市春季和夏季以南東南風最多，秋季和冬季以北風和北東北風最多，西風在四季都很少.

2.2.3 月最多風向及頻率

統(tǒng)計1961—2021年商丘市各月最多風向及頻率（表1），可以看出，每年8月到翌年2月，以偏北風最多，其中2月、8月和9月以北東北風最多，1月、10月、11月、12月以北風最多；每年3月至7月，以偏南風最多，其中3月、4月、6月以南東南風最多.

表1 1961—2021年商丘市各月最多風向及頻率Tab.1 Maximum wind direction and frequency of each month in Shangqiu from 1961 to 2021

2.3 平均風速與各氣象要素相關性分析

統(tǒng)計商丘市1961—2021年平均風速與各氣象要素進行相關性分析得出，年平均風速與年平均氣溫、輕霧日數、霧日數呈顯著負相關，相關系數-0.448～-0.785；與年日照時數、蒸發(fā)量、揚沙日數、沙塵暴日數、大風日數、無天氣現(xiàn)象的日數呈顯著正相關，相關系數0.752～0.862，均通過0.001的顯著檢驗；與年霾日數呈明顯的負相關，相關系數-0.251；與年降水量、相對濕度、浮塵日數相關不明顯（表2）.

表2 1961—2021年商丘市氣象要素與年平均風速的相關性Tab.2 Correlation between annual mean wind speed and meteorological elements in Shangqiu from 1961 to 2021

2.4 各站點平均風速相關性分析

1961—2021年商丘市年平均風速分布呈東南部大，中部較小. 年平均風速最大值（2.6 m/s）出現(xiàn)在永城，最小值（2.2 m/s）出現(xiàn)在柘城（表3）. 商丘市8個國家級氣象站年、季平均風速傾向率均為負值，且呈顯著減少趨勢. 各站年平均風速差異不大，民權站年平均風速與其余7個氣象站建站以來的10.5 m高度年平均風速的相關系數為0.844～0.947，存在較高的正相關性，說明各站年平均風速的變化趨勢具有較好的一致性，民權站可作為分析商丘市風能參數的代表站點.

表3 1961—2021年商丘市各站點風速傾向率統(tǒng)計Tab.3 Statistics of climate tendency rate of each station in Shangqiu City from 1961 to 2021

選取民權風電場周邊的4個區(qū)域氣象站（程莊站、王橋站、莊子站、孫六站）的氣象數據，利用相關分析法研究民權站與其余7個站之間平均風速的相關性. 分析可知，民權站日平均風速與程莊站、王橋站、莊子站、孫六站日平均風速之間的相關系數分別為0.877、0.870、0.881、0.806，并且均呈現(xiàn)出0.001水平的顯著性，說明民權站日平均風速和程莊站、王橋站、莊子站、孫六站日平均風速之間有著顯著的正相關關系. 因此選民權風電場2018—2020年10～150 m的8個高度層的平均風速資料進行分析研究.

2.5 風電場風能參數分析

2.5.1 風電場不同高度的平均風速變化

2018年3月—2020年2月民權風電場測風塔10～150 m 的8個高度層（10、30、50、70、100、120、140、150 m）年平均風速4.11 m/s，且風速隨高度升高呈對數增加，年平均風速分別為1.59、2.65、3.56、4.18、4.75、5.13、5.45、5.51 m/s. 由圖6（a）可以看出，年平均風速增大幅度隨高度增加逐漸減小，10～100 m增大幅度3.2 m/s，120～150 m增大幅度0.4 m/s.

由圖6（b）可以看出，季平均風速在10～150 m 的8個不同高度從低到高逐漸增大，增大幅度隨高度的增加逐漸減小，與年平均風速變化趨勢一致. 春季平均風速最大，從2.0 m/s（10 m 高度）逐漸增大到6.3 m/s（150 m高度）；冬季平均風速從1.6 m/s（10 m高度）逐漸增大到5.1 m/s（150 m高度）；秋季平均風速從1.6 m/s（10 m高度）逐漸增大到5.3 m/s（150 m高度）；夏季平均風速從5.1 m/s（10 m高度）逐漸增大到5.1 m/s（150 m高度）.

由圖6（c）可以看出，10～150 m 的8 個高度層的月平均風速最大值分別為2.2、3.4、4.4、5.1、5.8、6.3、6.7、6.9 m/s，均出現(xiàn)在4月；最小值出現(xiàn)的時間不同，10 m和30 m高度月平均風速最小值均出現(xiàn)在9月，50 m高度月平均風速最小值分別出現(xiàn)在1月、7月和9月，70、100、140、150 m 4個高度層月平均風速最小值均出現(xiàn)在1 月. 10～140 m高度各月平均風速隨著高度的增加而增大，增大幅度最大值為1.2 m/s，出現(xiàn)在10～30 m 高度，出現(xiàn)月份為4 月、8月、9月和12月；增大幅度最小值為0.2 m/s，出現(xiàn)在100～120 m高度，出現(xiàn)月份為1月和8月；150 m與140 m高度月平均風速相比，1月偏小，2月和8—12月相同，3—7月偏大.

圖6 民權風電場2018—2020年不同高度層年、季、月平均風速變化Fig.6 Annual，seasonal and monthly changes of average wind speed at 8 height levels of Minquan wind farm from 2018 to 2020

2.5.2 風電場不同高度風向分布

對風電場風向資料進行統(tǒng)計，分別繪制其全年風向玫瑰圖（圖7），重點分析10、100、150 m三個高度的風向. 根據統(tǒng)計結果分析，風電場10 m高度年主導風向為北東北，占全年風向頻率的14%；其次為南西南，占全年風向頻率的11%. 風電場100 m高度年主導風向為北東北風，占全年風向頻率的13%；其次為南風，占全年風向頻率的12%. 風電場150 m高度年主導風向為東北風，占全年風向頻率的13%；其次為南西南風，占全年風向頻率的12%. 由此可見，風電場各高度主風向及次風向基本一致，10、100、150 m主導風向分布集中.

圖7 民權風電場不同高度全年風向頻率玫瑰圖Fig.7 Rose chart of annual wind direction frequency at different heights of Minquan wind farm

從季節(jié)分布來看，10 m高度春季主導風向為南西南風，平均風速1.95 m/s；夏季主導風向為東北風，平均風速為1.33 m/s；秋季主導風向為東北東風，平均風速為1.25 m/s；冬季主導風向為東北東風，平均風速為1.66 m/s. 100 m高度春季主導風向為南風，平均風速5.27 m/s；夏季主導風向為南西南風，平均風速4.37 m/s；秋季主導風向為東北東風，平均風速4.55 m/s；冬季主導風向東北東風，平均風速4.67 m/s. 150 m高度春季主導風向為西南風，平均風速6.26 m/s；夏季主導風向為南西南風，平均風速5.09 m/s；秋季主導風向為東北風，平均風速5.17 m/s；冬季主導風向為東北風，平均風速5.28 m/s.

2.5.3 平均風功率密度分析

平均風功率密度指單位面積上的風能，是表征某地區(qū)風能資源的重要指標. 根據《風電場風能資源評估方法》［15］，利用公式（2）計算得出民權風電場的風功率密度（表4）. 由表4可知，測風塔10 m高度平均風功率密度為9.01 W/m2，150 m高度平均風功率密度為209.96 W/m2，且隨著高度的增加而增大.

表4 民權風電場風功率密度表Tab.4 Wind power density talbe of Minquan wind farm

3 結論

1）商丘市1961—2021年年平均風速2.4 m/s，且以0.36（m·s-1）/10 a呈顯著減小趨勢；季平均風速春季＞冬季＞夏季＞秋季；月平均風速4月最大，9月最?。?個國家級氣象站年平均風速差異不大.

2）商丘市年最多風向以北風和南東南風最多；春季和夏季風向以南東南風最多，秋季和冬季以北風和北東北風最多，四季均以西風最少；3—7月風向偏南風最多，8月到翌年2月偏北風最多.

3）年、季、月平均風速與各氣象要素之間呈顯著相關性，民權站與風電場周邊4個區(qū)域站的平均風速存在顯著的正相關關系，表明氣象站與風電場具有較好的一致性，對風資源分析具有準確性、代表性.

4）民權風電場10～150 m 高度平均風速范圍1.59～5.51 m/s，平均風功率密度范圍9.01～209.96 W/m2，且隨著高度的增加均增大；各高度主風向及次風向基本一致，主導風向分布集中.