四川省風能資源時間及空間變化特征分析

何東坡，齊大鵬，萬 超，韓曉令

(貴州省氣象臺,貴州 貴陽 550002)

四川省風能資源時間及空間變化特征分析

何東坡，齊大鵬，萬 超，韓曉令

(貴州省氣象臺,貴州 貴陽 550002)

該文利用四川省1961—2014年逐日的平均風速，采用一元線性方程、5 a滑動平均、M-K突變檢驗、EOF正交函數(shù)分解等方法，研究了四川省以及各個分區(qū)年平均風速時間和空間分布特征，得到以下結論：①四川省年平均風速每10 a減少為0.046 m/s，且4個分區(qū)的年平均風速均呈遞減的變化趨勢，其中川北地區(qū)遞減幅度最大，同時得出年平均風速存在9～13 a小尺度、8～18 a中尺度的周期變化規(guī)律。②1990年為年平均風速年際突變年。③四川省年平均風速空間分布類型呈東—西型、東北—西南型空間分布特征。該文的研究為四川省風能資源的利用以及對大風造成的災害防御工作的開展提供一定的指導意義。

平均風速；小波變換；EOF正交函數(shù)分解；空間

Abstract：Making use Sichuan Province 1961—2014 daily average wind speed data, by using a linear equation, 5-year moving average, MK mutation test, EOF orthogonal function decomposition method, Sichuan Province’s each partition annual average wind speed, maximum wind speed of time and spatial distribution were analyzed, the following conclusions were obtained:①in Sichuan Province, the annual average wind speed of each 10A decreased to 0.046m/s, and the annual average wind speed of four partitions all showed a trend of decline, the decline was the largest in North Sichuan area, at the same time that the annual average wind speed is 9～13 years, 8～18 years in the small scale scale cycle variation.②annual mean wind speed in 1990.③the spatial distribution of annual average wind speed in Sichuan province is the spatial distribution pattern of the East West and the Northeast southwest. The research of this paper provides some guidance for the utilization of wind energy resources in Sichuan province and the development of disaster prevention.

Keywords：average wind speed; wavelet transform; EOF orthogonal function; space

1 引言

大風天氣給人們帶來了經(jīng)濟和人員損失[1]，但同時，風能也是一種可以再生的資源[2-3]，合理地對風能進行開發(fā)和使用是解決資源短缺，并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[4-5]。風速作為一個重要的氣象因子，目前有關我國風速變化的研究受到了普遍的關注[6-7]。目前國內(nèi)有很多學者對不同區(qū)域內(nèi)的風能進行了一系列的研究，帥士章等[8]對貴州省風能資料進行了普查和資源評價。李德友等[9]利用四川茂縣地區(qū)平均風速資料，研究了四川省茂縣風速的季節(jié)變化，研究得出，茂縣年平均風速具有顯著的季節(jié)性差異。莫芳等[10]利用四川省梁山州觀測站風速資料，對風速年際、月等變化趨勢進行了分析。李艷等[11]使用我國常規(guī)風速實測數(shù)據(jù)，采用了線性擬合、趨勢分析等方法，對我國年平均風速變化規(guī)律進行了研究，得出了近40 a來我國年平均風速呈逐年減弱的變化趨勢。王婷等[12]利用風能資源數(shù)值評估系統(tǒng)，并對其參數(shù)方案進行改進，對廣東省風能資源變化趨勢進行了研究，結果得出，風能主要出現(xiàn)在大風速過程中，且冬季風能資源高于夏季資源。張素云等[13]發(fā)現(xiàn)，河北省地面平均風速在4個季節(jié)里均呈遞減的變化趨勢。田莉等[14]研究表明，西北地區(qū)風速存在顯著性的地域差異性，北部地區(qū)風速較大，南部地區(qū)風速相對較小，且在中蒙邊境的風速達到最大。任國玉等[15]利用我國探空測站實測逐日平均風速資料，分析研究了我國平均風速季節(jié)差異性，研究表明，我國平均風速存在顯著性的季節(jié)性差異。龔強等[16]利用遼寧省氣象觀測站實測的風速資料以及太陽能源數(shù)據(jù)，對遼寧省風能、太陽能的時間和空間變化規(guī)律進行了分析，結果表明，遼寧東部以及西部海拔較高的地區(qū)風能較為豐富。謝今范等[17]研究發(fā)現(xiàn)，東北地區(qū)大風區(qū)域主要分布在平原以及高海拔的地區(qū)，并使用中尺度模式模擬了風速的氣候特征?？梢娗叭藢︼L能進行了大量的研究，風能的時間變化和空間分布因地形的千奇百變而隨之變化，這也是研究的困難之一。

四川省位于我國西南地區(qū)，處于長江上游，地形地貌及氣候特征區(qū)域差異性較為顯著，氣象災害種類較多，出現(xiàn)較為頻繁。本文研究了四川省風能時間和空間兩個尺度上的氣候變化特征，尋找其規(guī)律。研究結果能夠通過平均風速的時間和空間的分布特征對四川省風能資源進行很好的利用，同時對因大風造成的災害防御工作的開展也提供一定的指導意義。

2 資料與方法

2.1 資料

本文使用四川省1961—2014年29個測站逐日平均風速觀測資料，對四川省風能時間和空間變化規(guī)律進行分析研究，資料來源于國家氣候中心編制的氣候統(tǒng)計資料。在對風速季節(jié)變化特征研究時，季節(jié)劃分范圍為：春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月)。

2.2 研究方法

采用一元線性方程、5 a滑動平均、M-K突變年檢驗、EOF正交函數(shù)分解等方法。

2.2.1 小波變換 小波變換是一種時域、頻域解析的方法[19]，它既可以了解到四川省風速時間序列在不同時間下的頻域下的變化特征，又能夠了解到風速時間序列在不同頻域下的不同時域分布特征。它能夠很好的解析出氣候在時間序列中的一系列變化特征，并能夠?qū)︼L速氣候未來發(fā)展趨勢進行定性的評估。

2.2.2 M-K突變檢驗 M-K突變檢驗方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，樣本不需要遵循某一特定的分布[20]，其僅用于檢測序列的變化趨勢。在對四川省風速突變的研究中，本文取顯著性水平α=0.01，則臨界值曲線為U0.01=±2.58。計算出UF風速順序以及UB逆序統(tǒng)計曲線，根據(jù)UF風速順序統(tǒng)計曲線的正負來判斷風速變化的趨勢，若UF風速順序統(tǒng)計曲線在某一個時間段內(nèi)小于0，說明在該時間期內(nèi)風速呈遞減的發(fā)展趨勢；大于0則相反；當UF風速順序統(tǒng)計曲線從某一時刻超出了置信檢驗曲線時，風速從該時刻起呈顯著性遞增或遞減發(fā)展趨勢。如果UF順序統(tǒng)計曲線和UB逆序統(tǒng)計曲線出現(xiàn)了交點，且該交點位于置信檢驗曲線內(nèi)，則說明了該交點為四川省風速變化的一個突變年。

2.2.3 EOF正交函數(shù)分解 EOF經(jīng)驗驗證正交分解是一種很好的對氣象要素場進行空間分解的方法，它的原理是把包含P個空間點(變量)的場隨時間變化進行分解。EOF方法分解出的特征向量正好能夠反映出氣象場的變化的空間結構。

3 年平均風速時間變化特征分析

3.1 年平均風速年際變化規(guī)律

年平均風速為四川省29個站點逐年平均風的平均值，四川省年平均風速為1.49 m/s，最大風速為1.73 m/s(1974年)；最小風速為1.20 m/s(2000年)。四川省年平均風速波動幅度較大(圖1)，圖中明顯可以看出年平均風速變化趨勢存在2個波峰，第1峰值出現(xiàn)在1973年，年平均風速為1.73 m/s,第2峰值出現(xiàn)在2006年，年平均風速為1.52 m/s。從一元線性回歸方程可以看出，四川省年平均風速在波動中呈逐年遞減的變化趨勢，求出的年平均風速氣候傾向率約為-0.046(m/s)/10 a，表明了四川省年平均風速每10 a減少為0.046 m/s左右。此外，在1970—1990年期間四川省年平均風速較大，在1995—2005年期間年平均風速較小。

圖1 1961—2014年四川省年平均風速變化趨勢及線性回歸結果Fig 1. The trend of annual mean wind speed variation and linear regression in Sichuan Province in 1961—2014

由圖2分析得出：川東地區(qū)年平均風速為1.34 m/s，最大風速為1.5 m/s，最小風速為1.14 m/s，從一元線性回歸方程可以看出，川東地區(qū)年平均風速在波動中呈逐年遞減的變化趨勢，求出的年平均風速氣候傾向率約為-0.018(m/s)/10 a(圖2a)。(b)川西地區(qū)年平均風速為1.72 m/s，最大風速為2.16 m/s，最小風速為1.28 m/s，由回歸方程得，川西地區(qū)年平均風速在波動中呈逐年遞減的變化趨勢，年平均風速氣候傾向率約為-0.069(m/s)/10 a，其遞減的速度要高于川東地區(qū)(圖2b)。川南地區(qū)年平均風速為1.53 m/s，最大風速為1.93 m/s，最小風速為1.24 m/s，回歸方程可知，川南地區(qū)年平均風速在波動中呈逐年遞減的變化趨勢，年平均風速氣候傾向率約為-0.073(m/s)/10 a，遞減的速度要高于川東、西2個地區(qū)(圖2c)。川北地區(qū)年平均風速為1.69 m/s，最大風速為2.15 m/s，最小風速為1.28 m/s，回歸方程看出，川北地區(qū)年平均風速在波動中呈逐年遞減的變化趨勢，年平均風速氣候傾向率約為-0.096(m/s)/10 a，可見川北平均風速遞減最大(圖2d)。

圖2 1961—2014年四川省川東(a)、川西(b)、川南(c)、川北(d)4個分區(qū)年平均風速變化趨勢及線性回歸結果Fig 2.The trend of annual mean wind speed variation and linear regression results in four zones in Sichuan Province in 1961—2014.(a)eastern part of Sichuan Province (b)western part of Sichuan Province (c)Southern part of Sichuan Province (d)northern part of Sichuan Province

從表1可以看出，29個測站中僅有6個測站的年平均風速的變化趨勢為正數(shù)，這6個測站年平均風速在變化中呈遞增的變化趨勢，其余測站年平均風速變化趨勢值均為負值，這些地區(qū)年平均風速呈遞減的變化趨勢，其中雷波地區(qū)遞減的速度最大，遞減的速度為-0.189(m/s)/10 a，其次是雅安地區(qū)年平均風速遞減的速度為-0.179(m/s)/10 a。

表1 29個測站年平均風速變化趨勢統(tǒng)計結果(單位：(m/s)/10 a)Tab.1 Statistical trends of annual mean wind speed changes of 29 stations used in this paper (unit: (m/s) /10 a)

3.2 年平均風速季節(jié)變化規(guī)律

四川省年平均風速存在一定的季節(jié)性差異性(圖3)，但是總體上4個季節(jié)年平均風速均呈遞減趨勢，其中春季年平均風速遞減幅度最大，其次是夏季，冬季年平均風速遞減幅度最小。

圖3 1961—2014年四川省年平均風速季節(jié)變化趨勢及5 a滑動平均結果Fig.3 The seasonal variation trend of annual mean wind speed and the 5 year moving average results in Sichuan Province in 1961—2014

①根據(jù)最小二乘法求出的一元線性方程，春季年平均風速氣候傾向率為-0.075 d/10 a,說明四川省春季年平均風速呈逐年遞減的發(fā)展趨勢，且每10 a四川省年平均風速減少0.075 m/s。從春季年平均風速距平值可以看出，在1961—1968年期間年平均風速距平值以負值為主，表明這些年份期間四川省年平均風速較小。在1969—1991年期間四川省春季年平均風速較大，距平值均大于0，從1992年開始，四川省年平均風速距平值以小于0為主，僅1993年的距平值為正數(shù)，說明從1992年開始四川省年平均風速較小。根據(jù)5 a滑動平均曲線可以看出，1992年為四川省春季年平均風速的一個轉(zhuǎn)折年，即在1992年之前5 a滑動平均值以大于0為主，而在1992年之后5 a滑動平均值以小于0為主。

②夏季年平均風速氣候傾向率為-0.041 d/10 a,說明四川省夏季年平均風速呈逐年遞減的發(fā)展趨勢，且每10 a平均風速減少0.041 m/s，遞減的速度要小于春季遞減的速度。從夏季年平均風速距平值可以看出，在1961—1968年期間年平均風速距平值均為負值，說明這些年份期間四川省年平均風速較小，低于平均值水平。在1969—1990年期間四川省春季年平均風速較大，距平值以大于0為主，從1991年開始，四川省年平均風速距平值以小于0為主，僅3個年份的距平值為正數(shù)，即從1991年開始四川省年平均風速較小。根據(jù)5 a滑動平均曲線可以看出，1970年、1992年為四川省夏季年平均風速的兩個轉(zhuǎn)折年。

③秋季年平均風速氣候傾向率為-0.035 d/10 a,即四川省秋季年平均風速呈逐年遞減的發(fā)展趨勢，且每10 a平均風速減少0.035 m/s，遞減的速度要小于春季、夏季遞減的速度。從秋季年平均風速距平值可以看出，在1969—1987年期間年平均風速距平值以正值為主，僅1980年距平值為負數(shù)，說明這些年份期間四川省秋季年平均風速較大，高于平均值水平。在1993—2003年期間四川省春季年平均風速較小，距平值均小于0。根據(jù)5 a滑動平均曲線可以看出，1988年為四川省夏季年平均風速的一個轉(zhuǎn)折年，即在1988年之前5a滑動平均值以大于0為主，而在1988年之后5 a滑動平均值以小于0為主。

④冬季年平均風速氣候傾向率為-0.027 d/10 a,則四川省冬季年平均風速呈逐年遞減的發(fā)展趨勢，且每10 a平均風速減少0.027 m/s，冬季年平均風速遞減速度最小。從距平值可以看出，在1969—1984年期間年平均風速距平值均為正值，可以看出這次年份期間四川省冬季年平均風速較大，高于平均值水平。根據(jù)5 a滑動平均曲線，1988年為四川省冬季年平均風速的一個轉(zhuǎn)折年，即在1988年之前5 a滑動平均值以大于0為主，而在1988年之后5 a滑動平均值以小于0為主，這一轉(zhuǎn)折年與秋季年平均風速的相一致。

表2看出，4個分區(qū)在4個季節(jié)內(nèi)年平均風速均呈遞減的變化趨勢，對于春季，川南地區(qū)年平均風速遞減速度最大，遞減速度為-0.101(m/s)/10 a；對于夏季，川西地區(qū)年平均風速遞減速度最大，遞減速度為-0.075(m/s)/10 a；對于秋季，川西地區(qū)年平均風速遞減速度最大，遞減速度為-0.075(m/s)/10 a；對于東季，川北地區(qū)年平均風速遞減速度最大，遞減速度為-0.094(m/s)/10 a。

表2 4個分區(qū)年平均風速變化趨勢統(tǒng)計結果(單位：(m/s)/10 a)Tab.2 Statistical trends of annual mean wind speed variation in four zones (unit: (m/s) /10 a)

3.3 年平均風速周期變化規(guī)律

從圖4中可以看出，川東地區(qū)，年平均風速存在多時間尺度的周期變化規(guī)律，存在一個4～8 a小尺度時間演變周期，且這一小尺度變化周期在整個時間域內(nèi)都是顯著的，同時存在12～20 a的中尺度的演變周期，這一變化周期從70年代開始較為顯著(圖4a)。川西地區(qū)，年平均風速也存在多時間尺度的周期變化規(guī)律，有一個8～12 a小尺度時間演變周期，這一小尺度變化周期在90年代中后期較為顯著，同時存在14～22 a的中尺度的演變周期，這一變化周期在1970—2000年之間較為顯著(圖4b)。川南地區(qū)，年平均風速同樣存在多時間尺度的周期變化規(guī)律，存在一個9～13 a小尺度時間演變周期，且這一小尺度變化周期在整個時間域內(nèi)都比較顯著，同時有個15～20 a的中尺度的演變周期，這一變化周期在1970—1995年之間較為顯著(圖4c)。川北地區(qū)，年平均風速同樣存在多時間尺度的周期變化規(guī)律，存在一個8～18 a的中尺度的演變周期，這一變化周期在00年代后期較為顯著(圖4d)。

圖4 1961—2014年四川省川東(a)、川西(b)、川南(c)、川北(d)4個分區(qū)年平均風速周期變化Fig.4 The annual mean wind speed cycle variation in four zonesin Sichuan Province in 1961—2014 .(a)eastern part of Sichuan Province (b)western part of Sichuan Province (c)Southern part of Sichuan Province (d)northern part of Sichuan Province

4 年平均風速突變年檢驗

圖5中突變檢驗結果中可以看出，在1961—1971年期間，四川省年平均風速UF順序統(tǒng)計值以小于0為主，表明在此年份期間四川省年平均風速呈遞減的發(fā)展趨勢。在1972—1990年期間，四川省年平均風速UF順序統(tǒng)計值均大于0為主，即在此年份期間四川省年平均風速呈遞增的發(fā)展趨勢。從1990年之后年平均風速UF順序統(tǒng)計曲線開始小于0，表明年平均風速從1990年之后開始呈逐年遞減的變化趨勢，其中從1997年開始年平均風速順序統(tǒng)計曲線開始超出了置信檢驗曲線，說明四川省年平均風速從1997年開始遞減的幅度較大。從圖中還可以看出，四川省年平均風速UF順序統(tǒng)計曲線和UB逆序統(tǒng)計曲線相交點位在1990年，位于置信檢驗曲線內(nèi)，因此，在1990年四川省年平均風速開始突變年，即在1990年前年平均風速較高，1990年之后年平均風速較小。

圖5 1961—2014年四川省年平均風速M-K突變統(tǒng)計結果Fig.5 The statistical results of annual mean wind speed M-K mutation in Sichuan Province in 1961—2014

5 年平均風速空間分布EOF分解

利用四川省年平均風速時間序列數(shù)據(jù)進行EOF正交函數(shù)分解，來研究四川省平均風速空間變化規(guī)律。利用Matlab軟件編寫出EOF正交函數(shù)分解程序，并求出特征向量以及各個向量方差貢獻率。本文按照累積方差貢獻率大于80%作為選取幾個主成分的條件。根據(jù)求出的累積方差貢獻率 (表3)，前4個主成分累積貢獻率為88.8512%大于80%，說明前3個主成分所包含的信息能夠解釋四川省年平均風速氣候空間場的全部特征。從表3中看出，第1主成分貢獻率最高為49.5283%，其次是第2主成分貢獻率為27.0073%。

表3 四川省年平均風速方差貢獻率、累積方差貢獻率Tab.3 Contribution rate of annual mean wind speed variance and cumulative variance contribution rate in Sichuan Province

圖6為年平均風速風速前3個主成分特征向量場空間分布情況，第1特征場空間分布特征反映出了四川省年平均風速東—西型的空間分布特征，即西部區(qū)域年平均風速較高，而東部區(qū)域年平均風速較小，這與大尺度天氣系統(tǒng)的影響密切相關，在特征向量正(負)值中心位置附近年平均風速相對較高(較低)，在(105.5°E,32°N)位置處的年平均風速最小。第2特征場空間分布特征反映出了四川省年平均風速也呈現(xiàn)出東—西型的空間分布特征，而與第1特征向量場分布不同的是，西部區(qū)域年平均風速較低，而東部區(qū)域年平均風速較高，有幾個區(qū)域年平均風速最大。第3特征場空間分布特征反映出了四川省年平均風速也呈現(xiàn)出東北—西南型的空間分布特征，即東北區(qū)域年平均風速較高，而西南部區(qū)域年平均風速較小，在(103°E,28°N)位置處的年平均風速最小。

圖6 四川省年平均風速風速前3個特征向量場空間分布情況Fig.6 The spatial distribution of the three characteristic vector fields of annual mean wind speed and wind speed in Sichuan

6 總結與討論

通過四川省風速時空演變規(guī)律分析，主要得出以下結論：

①四川省年平均風速呈逐年遞減的變化趨勢，每10 a減少為0.046 m/s左右，川東、川西、川南、川北4個分區(qū)的年平均風速均呈遞減的變化趨勢，川北地區(qū)遞減幅度最大，且4個分區(qū)在4個季節(jié)內(nèi)年平均風速也均呈遞減的變化趨勢，同時得出年平均風速存在9～13 a小尺度、8～18 a中尺度的周期變化規(guī)律。

②1990年為四川省年平均風速年際突變年。

③四川省年平均風速空間分布類型為東—西型、東北—西南型空間分布特征。

本文的研究結果得到了一些風能的變化規(guī)律與分布特征，對風能資源的開發(fā)利用有一定的參考價值，但本文只討論了平均風速的變化特征，下一步計劃研究最大風速的時間和空間變化特征，并建立預測模型，希望能為大風災害性天氣的預報與防御提供一種新的思路與方案。

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ThetimeandspatialchangescharacteristicsanalysisofwindresourcesinSichuan

HE Dongpo,QI Dapeng, WAN Chao, HAN Xiaoling

(Guizhou Meteorological Observatory,Guiyang 550002, China)

X382

A

1003-6598(2017)04-0001-08

2017-02-18

何東坡(1990-)，男，助工，主要從事氣候預測與數(shù)據(jù)挖掘研究工作，E-mail:1062449482@qq.com。