衡阳风变化及风能蕴藏量评估

陈 涛，袁智生，李 超，何炜炜，罗喜光

(1.湖南省衡阳市气象局，湖南 衡阳 421001；2.湖南省气象局，湖南 长沙 410007)

1 引言

风能是太阳辐射下流动所形成的。风能与其它能源相比具有明显优势，它蕴藏量大，分布广泛，永不枯竭。自19世纪末丹麦研制成风力发电机以来，风力发电成为人们利用风能最常见形式。特别是近年来，全球资源环境约束加剧，气候变化日趋明显，风电越来越受到世界各国高度重视，并快速发展，使之成为世界上使用最为广泛、发展最快的可再生能源之一。中国风能利用起步晚，但近年来发展十分迅速。风电新增装机容量占全球市场份额比重从2000年的2.0%增长至2015年的48.5%，我国已成为世界上风能开发利用最活跃区域。

作为风能开发前奏，中国大陆风能资源普查已开展3次，分别始于1980年、1984年、2004年。衡阳首次风能普查始于2004年，受数据及技术条件限制，当时仅对各县市区风速最大年、最小年、平均年分析，由于逐时数据缺乏，研究方法粗犷，不能全面、深入分析衡阳风能资源状况。

大量研究表明，影响近地层风能蕴藏最直接与关键因素是下垫面的人为改变[1～4]。经济高速发展，城市化进程加剧、农田开垦、植被破坏等人为因素使土地利用发生了显著变化。近十几年来，衡阳大规模基础设施建设迅速铺开，城镇化率由2005年的33.8%上升到2016年的51.1%。张涛涛[5]研究发现，气温与风能密度之间有极显著负相关，20世纪90年代中后期，衡阳气温发生突变，这些变化势必影响衡阳风能资源蕴藏，这也是再次研究衡阳风能状况的原因之一。

2 资料与方法

2.1 资料来源

分析资料来源于衡阳9个国家气象站，其中南岳山站是我国为数不多有长时间持续观测高海拔站，其高度接近对流层自由大气底部(1 266 m)[6]。作为风景区，下垫面人为改变甚少。其它测站海拔不高(简称低海拔区)，其中衡山站最低(63.3 m)，祁东站最高(151.6 m)。

测风仪是气象观测仪器中型号变化较多的，其改变对风记录影响大，为了资料均一性，仅对1970—2016年采用EL型测风仪获取数据分析。衡阳自2000年代中期开始，陆续用自动观风仪替代人工观测，自2010年1月1日起，全面采用自动观测数据。受资料限制，风速及出现频率统计以逐日02时、08时、14时、20时记录为基础。风能密度计算需24时数据，分析时段仅能选2010—2016年。气候值统计参照国家气候中心规定为1981—2010年平均，2010年代统计时段为2011—2016年。

2.2 分析方法

2.2.1 风向频率 根据风向观测资料，按16个方位加静风统计时段各风向出现数与总次数的百分比。

2.2.2 风速频率 以1 m/s为一个风速区间单元，统计各区间出现频率。风速区是中间值，0区代表0～0.4 m/s范围风速,1间代表0.5～1.4 m/s范围风速, 以此类推。

2.2.3 平均(有效)风能密度：

2.2.4 突变分析 突变分析采用非参数检验Mann-Kendall(简称MK)，方法介绍略。

3 分析结果

3.1 年风速及突变

衡阳各区域风速存在差异(表1)，南岳山海拔高，平均风速最大(5.7 m/s)，历年最大风速7.3 m/s(1970年)，最小4.6 m/s(1999年)。在低海拔区，衡山风速最大(2.3 m/s),祁东最小(1.1 m/s)。历年最大3.3 m/s(衡山，1974年)，最小0.6 m/s(祁东，多年)。

衡阳风速气候倾向率均为负(表1)，表明自1970年以来，其风速呈减少趋势，衡山风速减少最明显，每10 a减少0.368 m/s，其次是南岳山，每10a减少0.367 m/s。相关系数显著性检验：衡山、衡东、衡阳县、南岳山通过置信水平99.9%，祁东为99.0%，衡阳市、衡南为90.0%，常宁、耒阳未通过置信水平90.0%检验。

表1 1970—2016年衡阳平均风速、气候倾向率、突变年份Tab.1 The average wind speed, climate trend rate and mutation year of Hengyang from 1970 to 2016

注：***通过99.9%显著性检验、**通过99.0%显著性检验、*通过90.0%显著性检验

对变化趋势进行M-K突变检验，衡山、衡东、衡阳县、南岳山风速减小趋势未发生突变，衡阳市、衡南、祁东、常宁、耒阳突变点在2002年、1979年、1986年、2008年、1974年。

3.2 风速年代际变化

分别统计南岳山、低海拔区年代际风速距平，南岳山1970—2010年代距平分别为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年代负距平，90年代负距平最大。低海拔区1990—2010年代距平分别为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，较2000年代偏大0.4 m/s。

不少学者研究结果显示[7-10]，受测站环境变化及下垫面改变影响，风速减少趋势明显。衡阳低海拔区1970—2000年代都遵循这一变化规律，但2010年代不降反增。统计各区域静风频率发现(图1)，低海拔区静风频率2002年最高(38.1%)，2009、2010年迅速减少，分别为19.9%、5.4%，之后维持偏低水平。分析发现，静风频率减少与测风仪更换密切相关，测站将EL型电接风向风速计更换为风杯式遥测风向风速传感器后，静风概率明显减少。衡阳仪器更换始于2003年，开始仅个别站更换，2009年大量更换，2010年全面采用自动站数据。南岳山2004年正式采用自动站数据，其静风频率由2003年7.5%下降到2004年2.3%，其后一直维持较低水平。统计发现，自动站平均风速较同期人工站偏大0.4 m/s[11]，其原因是自动测风仪更灵敏，山历年风频变化分其启动风速为0.3 m/s，而人工站要1.5 m/s[12]。

图1 南岳山及低海拔区历年静风频率/%Fig.1 Annual static wind frequency in Nanyue mountain and low elevation area

低海拔区受测站环境改变影响，风速减少，但更换高灵敏度仪器后，静风频率速减，平均风速增大。南岳山更换仪器也存在这种情况，由于其风速大，静风原本就少，影响有限。此外，南岳山观测环境保护较好，下垫面人为改变不大，能真实反映气候变暖背景下风蕴藏量变化情况。

3.3 风速频率

3.3.1 风速频率年变化 表2为南岳山及低海拔区不同区间风速发生频率。南岳山风速范围广，在0～23区(0～23.5 m/s)均存在一定比例。频率在10%以上有3、4、5区(2.5～5.4 m/s)，最多是4区(3.5～4.4 m/s)有12.7%，24区以上(≥23.5 m/s)出现频率不足0.05%。低海拔站风区范围窄，最大是1区(0.5～1.4 m/s)，频率为24.3%，其次是0区(0～0.4 m/s)，频率为24.2%，0～3区(0～3.4 m/s)累计频率为85.8%，风速在11.5 m/s以上(≥12间)出现频率不到0.05%。

表2 南岳山及低海拔区风速频率/%Tab.2 Wind speed frequency in Nanyue mountain and low altitude area

3.3.2 风速频率历年变化 图2为南岳山、低海拔区1970—2016年各区间风速频率分布(简称风频)。南岳山风频变化分为3段(图2a)：1970—1989年段，0区间风频较其它时段少，0～25区间风频均有存在，主要风速在0～11区间，频率在4%以上，23区间以上强风频均匀分布；1990—2004年段，主风频在3～7区间，频率在10%～16%左右，0～1区间风频是3段中偏高的，1992—1993年，24～25区间风频缺失；2005—2016年段，强风频(23～25区间)有较多缺失，低风频(0～1区间)略有增大，主风频在1～7区间。

低海拔区风频变化(图2b)较南岳山明显不同，高速区呈离散型结构，主风频在6区间以下，且随时间推移向低速区聚集。风频可分为两阶段：1970—1990年段，各区间风频均匀，连续性好，0～18区间断层较少；1991年—2016年段，风频逐渐两极分化，低速及高速区增多，12～17区出现断层且逐步扩大，2015年后达到最大。在高风速区，风频呈间断性，无规律可循，随机性大，这或许与气候变暖极端事件频发有关。低风频增大也可分为两部分，1991—2008年，主要受观测环境影响，低风频呈渐进性增多。2008年后，受观测环境及测风仪改变影响，低速风频进一步增多，等值线密集。

图2 1970—2016年 南岳山(a)及低海拔区(b)各区间风速频率分布Fig.2 The wind speed distribution of Nanyue mountain (2a) and low-elevation area (2b) from 1970 to 2016

3.4 风向频率

表3是南岳山及低海拔区平均风向频率。低海拔区平均静风出现频率为23.6%，占总风向频率近四成，其次是N向风，出现频率为15.9%。偏北风(N、NNE、NNW)累计出现频率为33.5%，偏南风(S、SSE、SSW)出现频率次之(11.7%)，偏东风、偏西风各为7.7%、6.4%。南岳山受海拔高度影响，静风频率明显较少(4.3%)，其单向风频率最多为N风(13.8%)，偏北风、偏南风频率为28.0%、19.0%。

表3 1970—2016年南岳山、低海拔区风向频率/%Tab.3 The frequency of wind direction in Nanyue mountain and low altitude area from 1970 to 2016

3.5 风能密度

风能密度是描述某地风能开发潜力的物理量，它描述空气在单位时间内以一定速度流过单位面积产生的动能，是风能资源开发重要指标。

3.5.1 平均风能密度 衡阳低海拔区平均风能密度为7.3 W/m2，最高的是衡阳县(12.7 W/m2)，其次是衡南(11.6 W/m2)，祁东由于静风频率偏多(41.7%)，其平均风能密度仅有2.3 W/m2。南岳山由于地势高，风速较大，平均风能密度为227.9 W/m2。

3.5.2 有效风能密度 表4为衡阳各区域逐月、年均有效风能密度，按照湖南省有效风能密度区划标准，低海拔区均为风能贫乏区(<50 W/m2)。年有效风能密度最大是耒阳(35.7 W/m2)，祁东最少(21.0 W/m2)。从月际间变化看，也未达到风能可利用要求。月有效风能密度最大为48.3 W/m2，2月出现在衡阳县，最小为16.2 W/m2，7月出现在衡山。南岳山年均有效风能密度达到丰富标准(273.4 W/m2)，其1—7月有效风能密度均在200 W/m2以上，其中2月达到489.1 W/m2；8、11、12月为风能较丰富时期；9、10月为风能可利用时段。南岳山风能蕴藏量丰富，全年各时段均满足风力发电要求。

表4 衡阳各区域有效风能密度(W/m2)Tab.4 Effective wind energy density in various regions of Hengyang (unit:W/m2)

图3为南岳山、低海拔区月平均风能密度曲线。低海拔区(图3a)2月最大(37.3 W/m2)，之后总体呈减少，6—8月是有效风能密度较少时段，8月为全年最少(20.5 W/m2)，之后又逐步增大，全年呈正弦型波动变化。南岳山月风能密度有两个高点(图3b)，分别在2月(489.1 W/m2)、7月(396.2 W/m2)，9—10月是风能密度较少时段，9月为全年最小(114.1 W/m2)，其年变化呈波浪型下降。

图3 低海拔区(a)、南岳山(b)有效风能密度月变化Fig.3 Monthly variation of effective wind energy density in low-elevation area (a) and Nanyue mountain (b)

4 结论及讨论

通过对衡阳9个观测点1970—2016年风资料统计，分析近47 a来衡阳不同区域风向、风速频率，变化趋势及突变情况，从风能密度计算各区域风能蕴藏量，探讨2010年后低海拔区风速异常原因，其结论如下：

①近47 a衡阳风速呈减少变化，部分低海拔区减少速度甚至超过南岳山。衡山减速最快，每10 a减少0.368 m/s，常宁、耒阳减速偏小。信度检验结果是：减速快的衡山、南岳山、衡东、衡阳县通过了置信水平99.9%检验，为极显著性减少，但常宁、耒阳减速变化未通过置信水平90.0%检验。衡山、衡东、衡阳县、南岳山减小趋势未发生突变，耒阳、衡南、祁东、衡阳市、常宁风速突变分别在1974年、1979年、1986年、2002年、2008年。

②低海拔区风速集中在0～3.4 m/s(85.8%)，0.5～1.4 m/s(1区)出现最多(24.3%)；南岳山风速区间跨度比较大，0～23区间均存在一定比例， 4区(3.5～4.4 m/s)出现频率最大(12.7%)。南岳山历年风频变化分为三段，其中2005—2016年强风频(23～25区间)有较多缺失。低海拔区风频分为两阶段，随时间推移向低速区聚集， 1991—2016年风频两极分化，低速及高速区增多，中间断层扩大。

③低海拔区静风风频最大(23.6%)，其次是N向风(15.9%)，2010年代后，全面采用自动测风仪，灵敏度增加致使静风风频迅速减少。南岳山N向风频最大(13.8%)，静风风频为4.3%。

④参考有效风能密度标准，南岳山年风能丰富(273.4 W/m2)，其中1—7月风能丰富，8、11、12月较丰富，9、10月风能可利用。低海拔区有效风能密度27.9 W/m2,未达到可利用标准，2月风能密度最大(34.7 W/m2)，9月最小(24.4 W/m2)，但这与有效风能小时数结论存在一定差异。