近60年洞庭湖南部地区风速变化特征研究

徐金阁， 龚 玺， 戴昌明

(1.中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，长沙 410007； 2.国家气象信息中心，北京 100081；3.陕西省气象台，西安 710014)

引 言

气候变化已成为世界各国普遍关注的话题。受全球气候变化和常规能源供应的影响，可再生能源日益受到世界各国的重视和发展。我国已提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的国家目标。充分运用水能、风能和太阳能等可再生清洁能源，是实现碳达峰和碳中和的重要途径。根据《湖南省风能资源评价综合报告》，湖南省风能资源主要分布于洞庭湖地区、湘西和湘南山区。截至2020年底，湖南全省风电装机容量为669万kW，中高风速区(5.5～7.2 m· s-1)的湘西和湘南地区装机容量达435万kW，洞庭湖周边低风速区(4.8～5.5 m· s-1)装机容量不足60万kW。随着适用于低风速的风力发电机的研制及风电开发成本的降低[1-2]，低风速区风电具备了开发价值。洞庭湖地区风电开发，为解决能源禀赋、环境约束双重制约下日益增大的电力缺口具有重要作用。本文探讨了洞庭湖南部地区风速的变化特征，为洞庭湖南部地区风电开发及气象部门等提供参考。

近些年来，不少学者对中国近地面风速和风能资源的变化进行了研究分析。江滢等[3]指出，风速与风能的变化与季风变化存在密切关系。王遵娅等[4]研究发现，中国几乎全部地区的风速都在显著减小，并指出风速大幅度减小主要是由于亚洲冬、夏季风的减弱。有学者[5]研究发现，我国局部地区风速也存在明显下降趋势。陈练等[6]研究指出，平均风能密度变化与地面气象站风速变化存在相关性。冯蜀青等[7]指出，风电场开发对区域气候变化有着显著影响。有学者[8-10]研究发现，平均风速的下降与气象站周边的城市化发展有关。廖玉芳等[11]研究发现，1960-2010年湖南省年平均风速呈显著下降趋势。黄菊梅等[12]研究结果表明，1960-2014年洞庭湖区年平均风速呈减小趋势，减小速率为0.21 m·s-1·(10a)-1。本文拟利用益阳市国家基本气象站1960-2019年2 min平均风速资料，分析洞庭湖南部地区风速变化特征，为洞庭湖周边的风能资源合理开发利用提供参考。

1 资料与方法

1.1 站点位置和数据来源

益阳市位于湖南省洞庭湖区南部(图1)，地形西高东低，成狭长状。本文原始数据为益阳市国家基本气象站(28.56°N、112.38°E)1960-2019年2 min平均风速资料。

益阳市国家基本气象站站址变迁：1956年1月-1958年12月，益阳市茈湖乡刘家湖农场；1959年1月-1960年10月，益阳市长春公社马良大队；1960年11月-1964年12月，益阳市赫山庙农科所；1965年1月-1977年12月，益阳市长春公社马良大队；1978年1月-1985年12月益阳市羊舞岭公社毛家塘大队鱼塘生产队；1986年1月-1995年12月，益阳市赫山街道；1996年1月至今益阳市赫山区平安路53号。

经过数据筛选和对比分析，数据完整性较好，缺测率为0.98%，无连续超过3天以上的缺测数据，缺测数据属偶发性。本文采用自相关法对缺测数据进行补齐，然后对数据进行均一性分析，未发现明显的气候不连续点，数据可靠。

1.2 研究方法

本文从年、季、月3个时间尺度采用气候倾向法对平均风速变化的趋势特征进行分析，利用时间与平均风速之间的相关性对变化趋势进行显著性检验；采用Mann-Kendall检验法和小波分析法对风速变化的突变和周期特征进行分析。季节划分：春季为3-5月，夏季为6-8月，秋季为9-11月，冬季为12月-翌年2月。

1.2.1 气候倾向法

气候倾向法多用于长时间序列气候要素的趋势分析，建立气候要素和时间序列的一元线性回归数学模型

y=β0+β1x

(1)

式中，β1表示气候要素y随时间x的趋势倾向，β1的正负说明气候要素y随时间x的上升或下降趋势，β1的大小反映了上升或下降的速率，β1×10即为气候倾向率[13]。

1.2.2 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall方法(简称M-K法)既可以检测序列的变化趋势，也可以进行突变点检验。对于某一时间序列上的物理量，构造一秩序列Sk，秩序列为时间序列上某时刻数值大于另一时刻数值个数的累计数。定义统计量

(2)

式中，E(Sk)和Var(Sk)是Sk的均值和方差，将时间序列逆序，同时使

(3)

绘制UFk和UBk曲线图，并给定显著性水平α，确定置信区间临界值。若UFk和UBk两条曲线出现交点，且交点位于置信区间内，那么交点对应时刻即为突变开始的时刻[14]。其中变化趋势的大小可用倾斜度β(也称为趋势系数)表示[15]，β正负值代表增减率。

1.2.3 小波分析

小波分析是时间序列上的一维变量信息在时间和频率的二维平面展示。Morlet小波变换模的大小表示变量信息在不同时间尺度上的强弱，实部表示变量在不同时间尺度上的分布和位相2方面信息。小波系数反映了变量在不同时间尺度下的变化幅度，其绝对值越大，说明在对应的时间尺度下的变化越显著，小波系数峰值对应的时间尺度值即为变量变化的主要周期[14]。

2 结果分析

2.1 趋势分析

2.1.1 平均风速年际变化趋势

统计结果(图2)显示，近60年来益阳市年平均风速为2.1 m·s-1，与黄菊梅等[12]的研究成果相近。1960-1989年年平均风速波动剧烈，最大值为3.0 m·s-1(1978年)。1990-2005年，年平均风速呈显著减小趋势，且最小值降至1.4 m·s-1(2000年)。自2006年起，年平均风速略有增大，变化趋于平稳，在1.5～1.9 m·s-1波动。近60年来年平均风速总体呈减小趋势，气候倾向率为-0.215 m·s-1·(10a)-1(相关系数为-0.823，通过 α=0.01的显著性检验)。

图2 1960-2019年益阳市年平均风速变化趋势

2.1.2 平均风速季节变化趋势

采用气候倾向法对益阳市1960-2019年各季节平均风速的变化趋势进行回归分析，结果见表1。由表1可见，四季平均风速均呈减小趋势，春季和冬季的气候倾向率相近，春季的以0.238 m·s-1·(10a)-1的速率递减最快，夏季的以0.165 m·s-1·(10a)-1的速率递减最慢。

表1 1960-2019年益阳市各季节平均风速年际变化气候倾向统计

2.1.3 平均风速月变化趋势

由月平均风速分布图(图3)可以看出，3月和4月平均风速最大，均为2.3 m·s-1；次大值出现在7-9月，均为2.2 m·s-1。6月平均风速最小，为1.9 m·s-1；次小值出现在11月，为2.0 m·s-1。

对各月平均风速采用气候倾向法进行回归分析(表略，均通过 α=0.01的显著性检验)，结果表明，各月平均风速均呈减小趋势。其中，4月平均风速减小最快，气候倾向率为-0.275 m·s-1·(10a)-1，8月平均风速减小最慢，气候倾向率为-0.135 m·s-1·(10a)-1。

图3 1960-2019年益阳市各月平均风速变化趋势

2.2 突变和周期分析

2.2.1 Mann-Kendall突变检验和趋势分析

(1)年平均风速突变和趋势分析

由年平均风速突变检验结果(图4)可看出，UF和UB两变量曲线交点位于1989-1990年，且交点位于uα=±1.96(α=0.05)的置信区间，即益阳市年平均风速突变出现于1989—1990年。分析UF曲线发现，除1961年、1981-1983年为正值外，其余年份均为负值，表明年平均风速在近60年间总体呈现减小趋势，趋势系数β×10=-0.213 m·s-1·(10a)-1，与气候倾向法计算结果基本一致。自1990年开始，UF变量超出置信区间，表明自1990年开始，年平均风速呈显著减小趋势。

图4 1960-2019年益阳市年平均风速M-K突变检验

(2)季节平均风速突变和趋势分析

图5为季平均风速突变检验结果。由图5看出，4个季节UF和UB两变量曲线交点均位于uα=±1.96(α=0.05)的置信区间，即均为突变点。春季、秋季和冬季的突变点均出现于1989-1990年，夏季的出现于1985-1986年。以上结果说明夏季平均风速的突变年份早于其他3个季节的突变年份。

除个别年份外，4个季节的UF变量均为负值，表明各季节平均风速在近60年间均呈减小趋势。春夏秋冬4个季节的趋势系数 β×10数值分别为-0.224、-0.179、-0.219和-0.229，与气候倾向法计算结果(表1)基本一致。4个季节自1990年开始，UF变量超出置信区间，表明自1990年开始，各季节平均风速均呈显著减小趋势，与年平均风速开始显著减小的年份一致。

图5 1960-2019年益阳市春季(a)夏季(b)秋季(c)冬季(d)平均风速M-K突变检验

2.2.2 基于小波分析的周期研究

采用复值Morlet小波分析法对益阳市1960-2019年年平均风速序列进行周期性分析，结果见图6。由图6(a)可知，益阳市年平均风速在15 a～20 a、30 a～35 a的时间尺度上存在周期性。

图6 益阳市年平均风速Morlet小波时频分布图(a)和方差图(b)

由图6(b)可知，15 a的时间尺度为年平均风速变化的第一主周期，其次为30 a的时间尺度(为第二主周期)。进一步分析时频分布图可看出，15 a的时间尺度上，年平均风速的变化在1960-1989年表现为2个正值区和1个负值区的“增-减-增”的2次振荡，但后一次增大趋势已不显著；1990-2004年年平均风速的变化表现为“增-减”的准一次振荡，但增大趋势持续时间短暂且不显著，该周期主要表现为显著的减小趋势，这与M-K检验结果相同；2005-2019年年平均风速的变化表现为“减-增”的一次振荡，减小趋势持续时间短暂，主要表现为增大趋势。以上结论与线性趋势分析结论一致。30 a的时间尺度上，年平均风速表现为显著的“增-减-增”的变化规律，小波系数在1960-1979年为正值，1980-1999年为负值，2000-2019年为正值，且前一正值中心数值和负值中心数值绝对值均大于后一正值中心数值，表明年平均风速在前20年表现为显著增大趋势，中间20年为显著减小趋势，后20年为不显著的增大趋势。根据以上周期性规律分析，可知未来几年益阳市年平均风速可能将呈一定程度减小趋势。

2.3 风速变化原因讨论

20世纪70年代末，益阳市平均风速存在剧烈变化。1978年平均风速为3.0 m·s-1，较前一年增幅达0.6 m·s-1。有研究发现[16-17]，气象站自城区迁往城郊乡村后，年平均风速观测值增大。根据气象站站址变迁，益阳气象站1977年底由城区(长春公社)迁至乡村(毛家塘)，初步推测1978年年平均风速的剧烈增大与此有关，还需对迁站前后观测数据进行对比分析。

现今对于中国风速减小原因的研究，主要集中于气候和自然变化[18]。丁一汇[19]、Wang[20]和韩晋平[21]的研究发现，东亚夏季风强度自20世纪70年代末显著减弱，并持续维持较低水平。另有研究发现，东亚冬季风自20世纪80年代中期开始减弱[22-24]。季风处在减弱时期，相应益阳市平均风速呈减小趋势；东亚夏季风早于东亚冬季风减弱，因此益阳市夏季平均风速突变年份早于其他3个季节的突变年份，突变时间均较季风开始减弱时间晚约5～6年。益阳市自20世纪90年代开始，城镇化规模快速发展[25]，气象站周边环境发生很大变化，因此城市下垫面变化可能是风速变化的另一个因素(图7)。从全球气候变化、人类活动到局地效应，影响风速变化的因素很多，本文仅从自然气候因素给出了一点分析，还需根据更多研究进行证实和修改。

图7 益阳市常住人口城镇化率逐年变化

3 结 论

随着我国陆上优质风资源开发趋近饱和[26]，低风速区风资源已是今后开发的重点。因此，计算分析低风速区域风速变化，建立健全气象预测与风资源规划发展的联合生产调度机制，对风电开发具有重要意义。本文将益阳市国家基本气象站作为典型示范站，利用1960-2019年的2 min平均风速资料，运用气候倾向法、Mann-Kendall检验法和小波分析法，分析了年、季和月时间尺度上的变化趋势、突变和周期特征，揭示了洞庭湖南部地区长时间序列风速变化规律，为洞庭湖区风能资源的开发和利用提供参考。主要结论如下：

(1)近60年来益阳市年平均风速减小趋势显著。线性趋势分析和Mann-Kendall检验趋势系数分析的年平均风速气候倾向率基本一致，为-0.215 m·s-1·(10a)-1，风速减小主要发生于1990-2005年，之后年平均风速变化相对平稳。

(2)风速的年内变化表现为减小趋势，其中春季4月减小最快，夏季8月的最慢。

(3)益阳市年平均风速突变出现于1989-1990年。春季、秋季和冬季平均风速的突变均出现于1989-1990年，夏季出现于1985-1986年。以上结果说明夏季平均风速的突变年份早于其他3个季节的突变年份。

(4)益阳市年平均风速的变化在15 a～20 a、30 a～35 a的时间尺度上存在周期性。15 a的时间尺度为第一主周期，第二主周期为30 a。根据周期性规律分析，未来几年益阳市年平均风速可能将呈一定程度减小趋势。

(5)本文从自然气候因素方面对益阳市风速减小原因进行了简单阐述，由于影响风速变化的因子很多，还需根据更多研究进行证实和修订。