应用气象学报  2008, 19 (6): 666-672   PDF    
引用本文
江滢, 罗勇, 赵宗慈. 近50年我国风向变化特征[J]. 应用气象学报, 2008, 19(6): 666-672.
Jiang Ying, Luo Yong, Zhao Zongci. Characteristics of Wind Direction Change in China During Recent 50 Years[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2008, 19(6): 666-672  
近50年我国风向变化特征
江滢1,2, 罗勇1,2, 赵宗慈2     
1. 南京信息工程大学, 南京 210044;
2. 国家气候中心, 北京 100081
2008-03-03 收到, 2008-05-28 收到修改稿.
资助项目: 科技部国际合作项目“区域气候变化的监测、模拟和影响研究”(2005DFA20940) 和发改委、财政部项目“风能资源详查”共同资助    
摘要: 利用我国基本和基准气象台站1956—2005年的一日4次风向和风速资料, 对近50年我国风向变化做了尝试性分析。分析发现：我国大部分地区年最大风向频率呈减小趋势, 其中西北、华南和西南地区最大风向频率减小趋势最为显著, 只有西部个别地区略有增加; 全国大部分地区年最大风向频率对应的风速均呈明显的减小趋势。同时, 年最大风向频率对应的风速减小趋势比年平均风速的减小趋势更为显著, 最大风向频率对应的风速减小是平均风速减小的主导因素; 我国冬季主要盛行的偏北风和夏季主要盛行的偏南风都呈明显的减小趋势。偏北风（冬季）和偏南风（夏季）的减小主要是亚洲冬季风和夏季风减弱造成的。
关键词: 风向    风速    气候变化    
Characteristics of Wind Direction Change in China During Recent 50 Years
Jiang Ying1,2, Luo Yong1,2, Zhao Zongci2     
1. Nanjing University of In formation Science & Technology, Nanjing 210044;
2. National Climate Center, Beijing 100081
Abstract: With the development of wind power industries, much attention is paid to the issues of the wind power's sustainable utilization against the global warming background. The stability of wind directions is very important to the effective availability of wind energy resources. The stability of the prevailing wind directions is not only able to enhance the availability rate of the wind energy, but also the life of wind turbogenerators can be prolonged. Therefore, the characteristics of the wind direction changes for the last 50 years in China are focused on. Based on the observation data sets of both wind speed and wind direction in the baseline and standard stations of China of four times per day, the wind data of 488 stations during 1956--2005 are chosen, the changes of wind directions in China for the last 50 years are analyzed. 16 wind directions are used. The statistic methods are employed to analyze the characteristics of the seasonal and annual wind directions, maximum wind directions and prevailing wind directions at each station in 12 sub-regions in China. It is found that the frequencies of the annual prevailing wind directions have decreasing trends, especially in North China, northwestern and southwestern China. There are slightly increasing trends in a few areas in West China. The wind speeds corresponding to the annual prevailing wind directions in most regions of China decrease much more obviously than the decreasing trends of the annual mean wind speeds. It indicates that the reducing annual mean wind speeds are mainly caused by the decreasing annual prevailing wind speeds. Both northerly wind (winter) and southerly (summer) prevailing winds in China decrease significantly. The reducing prevailing wind in China is lead to by the decreasing Asian winter and summer monsoon.
Key words: wind direction     wind speed     climate change    
引言

随着我国风电产业的发展, 气候变暖背景下风能资源的可持续利用问题倍受关注, 我国风气候、风能蕴藏量变化的研究也逐步发展起来。王遵娅等[1]、Zou等[2]、任国玉等[3]、Xu等[4]、江滢等[5]认为, 近50年我国年平均风速存在减小的变化趋势。江滢等[5]还指出, 近50年我国年平均风速减小趋势主要是由于风速较大的西北、华北、东北和东部沿海地区风速明显减小所致, 而河套及其以南至云南和广西一带以及西藏东部年平均风速较小地区, 风速没有明显的趋势变化。此外, 王遵娅等[1]认为, 我国青藏高原区和西南区风速变化的波动性大。

然而上述这些都是关于我国风速变化方面的研究, 在气候变暖背景下, 关于我国风向变化方面研究很少。风向的稳定性对风资源的有效利用非常重要, 盛行风向稳定不仅可以增大风能利用率, 还可以延长风机寿命[6-7]。

50年以来, 我国地面气温存在明显的趋势变化[8-9], 1996-2005年与1956-1965年两个10年平均地面温度差为0.8 ℃左右[8]。另一方面关于风速变化的研究表明, 这两个时段我国大部分地区风速变化非常明显[1-5]。因此, 本文以1996-2005年与1956-1965年两个背景存在显著差异的10年对比为主, 尝试性研究近50年我国风向变化特征, 主要分析了最大风向频率和盛行风的变化特征, 以期为我国风能资源开发和规划提供参考。

1 资料和方法简述

本文使用我国基本和基准气象台站一日4次风速和十六方位风向资料, 该资料质量可靠[10]。为了更好地分析风速和风向的长期变化, 选取1956-2005年时段内无缺测年的488个气象观测站作为研究基础。青藏高原由于台站较稀少, 与该地区有关的图表仅做参考。全国其余地区测站分布相对均匀, 该资料由中国气象局提供, 具体站点分布图见文献[5]。

考虑到测站风速和风向局地性强, 受台站周边环境影响大, 即使临近的台站, 同一时刻的风向也难以取得一致, 且最大风向频率对应的风向也不完全一致。针对每个台站来说, 年或季节的最大频率的风向是相对稳定的; 另据《地面气象观测规范》[11]规定, 10 min平均风速小于0.3 m/s认为该时次为静风, 因此, 本文选取每个台站季或年非静风最大风向频率及其对应的平均风速为基础, 分析其变化特征。

我国属季风区, 冬季盛行北风和西北风, 夏季盛行南风和偏南风。因此, 本文还针对每个台站选取冬季 (夏季) 10 min平均风速大于等于2.0 m/s的北风和西北风 (南、东南和西南风) 为有效盛行风时次, 进行分析研究。

在对风向频率及其对应的平均风速等要素的长期变化特征进行讨论时, 主要采用线性回归的趋势分析方法[12], 并进行了显著性检验。对1956-1965年和1996-2005年时段进行对比分析时, 使用t检验方法进行显著性检验[12]。

2 最大风向频率变化特征 2.1 全国分布特征

从全国最大风向频率分布图 (图 1a) 可知, 西北部分地区、长江以南大部分地区最大风向频率较高, 一般大于18%, 部分地区大于21%; 而内蒙古中部、东北北部和山东省及邻近地区最大风向频率较小, 一般小于15%。最大风向频率对应的平均风速 (图 1b) 与年平均风速[5]的分布相比, 北方风速大、南方风速小的总体形式比较一致, 但是对于更详细的特征分布两者存在一定差异。

图 1. 1956-2005年我国年最大风向频率 (单位:%) (a) 及其对应的平均风速 (单位:m/s) (b) 分布图 Fig 1. The mean distributions of the annual maximum wind direction frequency (unit :%)(a) and its wind speeds (unit :m/ s)(b) during 1956-2005

对比1956-1965年与1996-2005年年最大风向频率 (图 2a) 可知, 除西部个别地区外, 我国大部分地区最大风向频率呈明显的减小趋势, 一般来说1996-2005年比1956-1965年减小1%~3%。最大风向频率对应的平均风速 (图 2b) 分布, 除个别地区外, 我国大部分地区呈明显减小趋势, 其中华北北部、内蒙古东北部和东北大部分地区最大风向频率对应风速减小的趋势尤为显著。

图 2. 1956-1965年与1996-2005年我国年最大风向频率差值 (单位:%)(a) 及其对应的平均风速差值 (单位:m/ s; 阴影区域为通过90%信度t检验区域) (b) 分布图 Fig 2. The difference distributions between 1956-1965 and 1996-2005 of the annual maximum wind direction frequency (unit :%) (a) and its wind speeds (unit:m/ s; shadow regions denote pas sing 90% level test) (b)

2.2 分区特征

为了详细分析我国不同地区最大风向频率及其对应风速的变化特征, 按气候区和地貌特征将全国分为12个区 (图 3), 除青藏高原地区外, 各区测站分布相对均匀。其中8区和12区选取的范围是海岸线两侧50 km, 主要是因为离岸50 km风速衰减约80% [5, 13], 该范围内平均风速特征基本上表征了沿海地区平均风速特征。

图 3. 分区示意图 Fig 3. Sub-regions' sketch map

从图 4和表 1可知, 全国大部地区最大风向频率呈减小趋势, 其中西北大部分地区 (1区、2区)、华南 (11区) 和西南地区 (9区) 最大风向频率减小趋势尤为显著, 每10年减少1~3 d; 我国东部和东南部沿海以及四川盆地 (8区、12区和10区), 最大风向频率呈略增加趋势; 而河套与陕川部分地区 (6区) 风向则表现为年代际波动; 个别地区 (3区) 风向则无明显变化趋势。全国所有区域的最大风向频率对应的风速均呈明显的减小趋势, 减小最显著的区域是华北北部及其以北地区 (3区) 和东南沿海地区 (12区), 平均每10年减小0.3 m/ s。年平均风速没有明显变化的10区[5], 最大风向频率对应的平均风速也呈比较明显的减小趋势, 每10年减小0.08 m/s。对比我国各区域年平均风速[5], 最大风向频率对应的平均风速减小趋势比年平均风速的减小趋势更为显著。也就是说, 最大风向频率对应的风速显著减小是年平均风速呈减小趋势的主导因素。

图 4. 1956-2005年我国各区域年最大风向频率演变图 Fig 4. Evolutions of the annual maximum wind directions frequency for sub-regions in China during 1956-2005

表 1 1956-2005年全国各区域年最大频率风向日数及其对应平均风速变化趋势 Table 1 Linear trends of the annual maximum wind direction frequency and its mean wind speeds in sub-regions during 1956-2005

3 季最大风向频率变化特征

我国属典型季风区, 四季分明。分别选择1月、4月、7月和10月代表春、夏、秋、冬四季。

总体来说, 各区域四季的最大风向频率变化趋势与年最大风向频率变化趋势的分布形式基本一致 (表 2, 表 3), 西北大部分地区 (1区、2区)、华南 (11区) 和西南地区 (9区) 最大风向频率呈明显的减小趋势, 我国东部和东南部沿海以及四川盆地周边地区 (8区、10区和12区), 年最大风向频率呈略增加趋势。从四季变化趋势的比较来看, 我国大部地区冬季 (1月) 最大风向频率减小趋势较其他季节明显, 尤其是我国北方地区。

表 2 1956-2005年我国各区域季节最大风向频率日数变化趋势 (单位:d/10a) Table 2 Linear trends of the seasonal maximum wind direction frequency in sub-regions in China during 1956-2005 (unit:d/10a)

表 3 1956-2005年我国各区域季节最大风向频率对应平均风速变化趋势 (单位:m·s-1/10a) Table 3 Linear trends of seasonal maximum wind direction frequency in sub-regions in China during 1956-2005(unit:m · s -1/ 10a)

近50年来, 我国四季的最大风向频率对应平均风速都呈减小趋势。大部分地区冬春季最大风向频率对应的平均风速减小趋势较其他季节明显。季平均风速无明显减小趋势或略呈增加趋势的地区 (6区和10区) [5], 季最大风向频率对应的平均风速仍表现为减小趋势, 但没有其他区域风速减小的趋势显著。

4 冬季偏北风和夏季偏南风的变化特征

我国冬季大部分地区盛行从大陆吹向海洋的偏北风, 夏季大部分盛行从海洋吹向陆地的偏南风。为了更突出各区域整体盛行风特征, 选取10 min平均风速大于等于2.0 m/s的风进行分析, 分别计算了冬季 (1月) 和夏季 (7月) 12个分区16个风向日数变化趋势 (表 4)。

表 4 1956-2005年各区域冬季偏北风和夏季偏南风日数变化趋势 (单位:d/10a) Table 4 Linear trends of winter and summer prevailing wind days during 1956-2005(unit :d/10a)

从表 4中可以看出, 除个别区域外, 大部分区域夏季, 南、东南和西南风频率总体上呈减小趋势, 每10年减少约为1 d左右。而冬季各区北风和西北风频率的减小趋势非常一致, 减小程度也较夏季明显, 一般每10年减小1~2 d。近50年全球变暖[14], 相应亚洲冬季西伯利亚高压减弱[15-16]。另一方面东亚夏季风有多年代际变率, 近30年东亚夏季风减弱[17-21]。因而, 表 4计算得到近50年我国冬季偏北风和夏季偏南风频率的减小趋势, 主要是由亚洲冬季风和夏季风减弱造成的。此外, 近50年风向计算还表明, 在冬季各区主要盛行北风和西北风减小的同时, 偏南风在多数区域则有增加的趋势, 而夏季在各区主要盛行偏南风减小的同时, 偏西北和偏东北风则有增加的趋势 (表略)

5 结论和讨论

对近50年我国年和季风向变化的计算和分析表明:

1) 我国大部分地区年最大风向频率呈减小趋势, 其中西北大部分地区 (1区、2区)、华南 (11区) 和西南地区 (9区) 最大风向频率减小趋势尤为显著, 每10年减少1~3 d。西部个别地区有增加趋势。

2) 全国各区域年最大风向频率对应的平均风速均呈明显的减小趋势, 减小趋势最显著的区域是华北北部及其以北地区 (3区) 和东南沿海地区 (12区), 平均每10年减小0.3 m/s左右。

3) 年最大风向频率对应的平均风速减小趋势比年平均风速的减小趋势更为显著, 最大风向频率对应风速的减小是年平均风速减小的主导因素。

4) 各区域四季的最大风向频率变化趋势分布类似于年最大风向频率变化趋势的分布。我国大部分地区尤其是北方地区, 冬季 (1月) 最大风向频率减小趋势较其他季节明显。

5) 各区域冬季主要盛行的偏北风和夏季主要盛行的偏南风都呈明显的减小趋势, 主要是由于亚洲冬季风和夏季风的减弱造成的。

值得注意的是, 风尤其是风向具有局地性强、随时间变化大、影响复杂等特征, 地形或周边环境的微小改变会给风尤其是风向的测量造成非常显著的影响, 我国地形复杂, 测风仪器以及气象台站的周边环境变化也千差万别, 这使得分析研究风及风向的变化存在很大困难。本文仅尝试性地分析了我国最大风向频率和全国各区域的冬季偏北风及夏季偏南风风向的变化规律, 方法和观点还不是很成熟, 仍需进一步探讨和完善。

参考文献
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