衡陽風(fēng)變化及風(fēng)能蘊(yùn)藏量評(píng)估

陳 濤，袁智生，李 超，何煒煒，羅喜光

(1.湖南省衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421001；2.湖南省氣象局，湖南 長沙 410007)

1 引言

風(fēng)能是太陽輻射下流動(dòng)所形成的。風(fēng)能與其它能源相比具有明顯優(yōu)勢，它蘊(yùn)藏量大，分布廣泛，永不枯竭。自19世紀(jì)末丹麥研制成風(fēng)力發(fā)電機(jī)以來，風(fēng)力發(fā)電成為人們利用風(fēng)能最常見形式。特別是近年來，全球資源環(huán)境約束加劇，氣候變化日趨明顯，風(fēng)電越來越受到世界各國高度重視，并快速發(fā)展，使之成為世界上使用最為廣泛、發(fā)展最快的可再生能源之一。中國風(fēng)能利用起步晚，但近年來發(fā)展十分迅速。風(fēng)電新增裝機(jī)容量占全球市場份額比重從2000年的2.0%增長至2015年的48.5%，我國已成為世界上風(fēng)能開發(fā)利用最活躍區(qū)域。

作為風(fēng)能開發(fā)前奏，中國大陸風(fēng)能資源普查已開展3次，分別始于1980年、1984年、2004年。衡陽首次風(fēng)能普查始于2004年，受數(shù)據(jù)及技術(shù)條件限制，當(dāng)時(shí)僅對(duì)各縣市區(qū)風(fēng)速最大年、最小年、平均年分析，由于逐時(shí)數(shù)據(jù)缺乏，研究方法粗獷，不能全面、深入分析衡陽風(fēng)能資源狀況。

大量研究表明，影響近地層風(fēng)能蘊(yùn)藏最直接與關(guān)鍵因素是下墊面的人為改變[1～4]。經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市化進(jìn)程加劇、農(nóng)田開墾、植被破壞等人為因素使土地利用發(fā)生了顯著變化。近十幾年來，衡陽大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速鋪開，城鎮(zhèn)化率由2005年的33.8%上升到2016年的51.1%。張濤濤[5]研究發(fā)現(xiàn)，氣溫與風(fēng)能密度之間有極顯著負(fù)相關(guān)，20世紀(jì)90年代中后期，衡陽氣溫發(fā)生突變，這些變化勢必影響衡陽風(fēng)能資源蘊(yùn)藏，這也是再次研究衡陽風(fēng)能狀況的原因之一。

2 資料與方法

2.1 資料來源

分析資料來源于衡陽9個(gè)國家氣象站，其中南岳山站是我國為數(shù)不多有長時(shí)間持續(xù)觀測高海拔站，其高度接近對(duì)流層自由大氣底部(1 266 m)[6]。作為風(fēng)景區(qū)，下墊面人為改變甚少。其它測站海拔不高(簡稱低海拔區(qū))，其中衡山站最低(63.3 m)，祁東站最高(151.6 m)。

測風(fēng)儀是氣象觀測儀器中型號(hào)變化較多的，其改變對(duì)風(fēng)記錄影響大，為了資料均一性，僅對(duì)1970—2016年采用EL型測風(fēng)儀獲取數(shù)據(jù)分析。衡陽自2000年代中期開始，陸續(xù)用自動(dòng)觀風(fēng)儀替代人工觀測，自2010年1月1日起，全面采用自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)。受資料限制，風(fēng)速及出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)以逐日02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)、20時(shí)記錄為基礎(chǔ)。風(fēng)能密度計(jì)算需24時(shí)數(shù)據(jù)，分析時(shí)段僅能選2010—2016年。氣候值統(tǒng)計(jì)參照國家氣候中心規(guī)定為1981—2010年平均，2010年代統(tǒng)計(jì)時(shí)段為2011—2016年。

2.2 分析方法

2.2.1 風(fēng)向頻率 根據(jù)風(fēng)向觀測資料，按16個(gè)方位加靜風(fēng)統(tǒng)計(jì)時(shí)段各風(fēng)向出現(xiàn)數(shù)與總次數(shù)的百分比。

2.2.2 風(fēng)速頻率 以1 m/s為一個(gè)風(fēng)速區(qū)間單元，統(tǒng)計(jì)各區(qū)間出現(xiàn)頻率。風(fēng)速區(qū)是中間值，0區(qū)代表0～0.4 m/s范圍風(fēng)速,1間代表0.5～1.4 m/s范圍風(fēng)速, 以此類推。

2.2.3 平均(有效)風(fēng)能密度：

2.2.4 突變分析 突變分析采用非參數(shù)檢驗(yàn)Mann-Kendall(簡稱MK)，方法介紹略。

3 分析結(jié)果

3.1 年風(fēng)速及突變

衡陽各區(qū)域風(fēng)速存在差異(表1)，南岳山海拔高，平均風(fēng)速最大(5.7 m/s)，歷年最大風(fēng)速7.3 m/s(1970年)，最小4.6 m/s(1999年)。在低海拔區(qū)，衡山風(fēng)速最大(2.3 m/s),祁東最小(1.1 m/s)。歷年最大3.3 m/s(衡山，1974年)，最小0.6 m/s(祁東，多年)。

衡陽風(fēng)速氣候傾向率均為負(fù)(表1)，表明自1970年以來，其風(fēng)速呈減少趨勢，衡山風(fēng)速減少最明顯，每10 a減少0.368 m/s，其次是南岳山，每10a減少0.367 m/s。相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)：衡山、衡東、衡陽縣、南岳山通過置信水平99.9%，祁東為99.0%，衡陽市、衡南為90.0%，常寧、耒陽未通過置信水平90.0%檢驗(yàn)。

表1 1970—2016年衡陽平均風(fēng)速、氣候傾向率、突變年份Tab.1 The average wind speed, climate trend rate and mutation year of Hengyang from 1970 to 2016

注：***通過99.9%顯著性檢驗(yàn)、**通過99.0%顯著性檢驗(yàn)、*通過90.0%顯著性檢驗(yàn)

對(duì)變化趨勢進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)，衡山、衡東、衡陽縣、南岳山風(fēng)速減小趨勢未發(fā)生突變，衡陽市、衡南、祁東、常寧、耒陽突變點(diǎn)在2002年、1979年、1986年、2008年、1974年。

3.2 風(fēng)速年代際變化

分別統(tǒng)計(jì)南岳山、低海拔區(qū)年代際風(fēng)速距平，南岳山1970—2010年代距平分別為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年代負(fù)距平，90年代負(fù)距平最大。低海拔區(qū)1990—2010年代距平分別為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，較2000年代偏大0.4 m/s。

不少學(xué)者研究結(jié)果顯示[7-10]，受測站環(huán)境變化及下墊面改變影響，風(fēng)速減少趨勢明顯。衡陽低海拔區(qū)1970—2000年代都遵循這一變化規(guī)律，但2010年代不降反增。統(tǒng)計(jì)各區(qū)域靜風(fēng)頻率發(fā)現(xiàn)(圖1)，低海拔區(qū)靜風(fēng)頻率2002年最高(38.1%)，2009、2010年迅速減少，分別為19.9%、5.4%，之后維持偏低水平。分析發(fā)現(xiàn)，靜風(fēng)頻率減少與測風(fēng)儀更換密切相關(guān)，測站將EL型電接風(fēng)向風(fēng)速計(jì)更換為風(fēng)杯式遙測風(fēng)向風(fēng)速傳感器后，靜風(fēng)概率明顯減少。衡陽儀器更換始于2003年，開始僅個(gè)別站更換，2009年大量更換，2010年全面采用自動(dòng)站數(shù)據(jù)。南岳山2004年正式采用自動(dòng)站數(shù)據(jù)，其靜風(fēng)頻率由2003年7.5%下降到2004年2.3%，其后一直維持較低水平。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)站平均風(fēng)速較同期人工站偏大0.4 m/s[11]，其原因是自動(dòng)測風(fēng)儀更靈敏，山歷年風(fēng)頻變化分其啟動(dòng)風(fēng)速為0.3 m/s，而人工站要1.5 m/s[12]。

圖1 南岳山及低海拔區(qū)歷年靜風(fēng)頻率/%Fig.1 Annual static wind frequency in Nanyue mountain and low elevation area

低海拔區(qū)受測站環(huán)境改變影響，風(fēng)速減少，但更換高靈敏度儀器后，靜風(fēng)頻率速減，平均風(fēng)速增大。南岳山更換儀器也存在這種情況，由于其風(fēng)速大，靜風(fēng)原本就少，影響有限。此外，南岳山觀測環(huán)境保護(hù)較好，下墊面人為改變不大，能真實(shí)反映氣候變暖背景下風(fēng)蘊(yùn)藏量變化情況。

3.3 風(fēng)速頻率

3.3.1 風(fēng)速頻率年變化 表2為南岳山及低海拔區(qū)不同區(qū)間風(fēng)速發(fā)生頻率。南岳山風(fēng)速范圍廣，在0～23區(qū)(0～23.5 m/s)均存在一定比例。頻率在10%以上有3、4、5區(qū)(2.5～5.4 m/s)，最多是4區(qū)(3.5～4.4 m/s)有12.7%，24區(qū)以上(≥23.5 m/s)出現(xiàn)頻率不足0.05%。低海拔站風(fēng)區(qū)范圍窄，最大是1區(qū)(0.5～1.4 m/s)，頻率為24.3%，其次是0區(qū)(0～0.4 m/s)，頻率為24.2%，0～3區(qū)(0～3.4 m/s)累計(jì)頻率為85.8%，風(fēng)速在11.5 m/s以上(≥12間)出現(xiàn)頻率不到0.05%。

表2 南岳山及低海拔區(qū)風(fēng)速頻率/%Tab.2 Wind speed frequency in Nanyue mountain and low altitude area

3.3.2 風(fēng)速頻率歷年變化 圖2為南岳山、低海拔區(qū)1970—2016年各區(qū)間風(fēng)速頻率分布(簡稱風(fēng)頻)。南岳山風(fēng)頻變化分為3段(圖2a)：1970—1989年段，0區(qū)間風(fēng)頻較其它時(shí)段少，0～25區(qū)間風(fēng)頻均有存在，主要風(fēng)速在0～11區(qū)間，頻率在4%以上，23區(qū)間以上強(qiáng)風(fēng)頻均勻分布；1990—2004年段，主風(fēng)頻在3～7區(qū)間，頻率在10%～16%左右，0～1區(qū)間風(fēng)頻是3段中偏高的，1992—1993年，24～25區(qū)間風(fēng)頻缺失；2005—2016年段，強(qiáng)風(fēng)頻(23～25區(qū)間)有較多缺失，低風(fēng)頻(0～1區(qū)間)略有增大，主風(fēng)頻在1～7區(qū)間。

低海拔區(qū)風(fēng)頻變化(圖2b)較南岳山明顯不同，高速區(qū)呈離散型結(jié)構(gòu)，主風(fēng)頻在6區(qū)間以下，且隨時(shí)間推移向低速區(qū)聚集。風(fēng)頻可分為兩階段：1970—1990年段，各區(qū)間風(fēng)頻均勻，連續(xù)性好，0～18區(qū)間斷層較少；1991年—2016年段，風(fēng)頻逐漸兩極分化，低速及高速區(qū)增多，12～17區(qū)出現(xiàn)斷層且逐步擴(kuò)大，2015年后達(dá)到最大。在高風(fēng)速區(qū)，風(fēng)頻呈間斷性，無規(guī)律可循，隨機(jī)性大，這或許與氣候變暖極端事件頻發(fā)有關(guān)。低風(fēng)頻增大也可分為兩部分，1991—2008年，主要受觀測環(huán)境影響，低風(fēng)頻呈漸進(jìn)性增多。2008年后，受觀測環(huán)境及測風(fēng)儀改變影響，低速風(fēng)頻進(jìn)一步增多，等值線密集。

圖2 1970—2016年 南岳山(a)及低海拔區(qū)(b)各區(qū)間風(fēng)速頻率分布Fig.2 The wind speed distribution of Nanyue mountain (2a) and low-elevation area (2b) from 1970 to 2016

3.4 風(fēng)向頻率

表3是南岳山及低海拔區(qū)平均風(fēng)向頻率。低海拔區(qū)平均靜風(fēng)出現(xiàn)頻率為23.6%，占總風(fēng)向頻率近四成，其次是N向風(fēng)，出現(xiàn)頻率為15.9%。偏北風(fēng)(N、NNE、NNW)累計(jì)出現(xiàn)頻率為33.5%，偏南風(fēng)(S、SSE、SSW)出現(xiàn)頻率次之(11.7%)，偏東風(fēng)、偏西風(fēng)各為7.7%、6.4%。南岳山受海拔高度影響，靜風(fēng)頻率明顯較少(4.3%)，其單向風(fēng)頻率最多為N風(fēng)(13.8%)，偏北風(fēng)、偏南風(fēng)頻率為28.0%、19.0%。

表3 1970—2016年南岳山、低海拔區(qū)風(fēng)向頻率/%Tab.3 The frequency of wind direction in Nanyue mountain and low altitude area from 1970 to 2016

3.5 風(fēng)能密度

風(fēng)能密度是描述某地風(fēng)能開發(fā)潛力的物理量，它描述空氣在單位時(shí)間內(nèi)以一定速度流過單位面積產(chǎn)生的動(dòng)能，是風(fēng)能資源開發(fā)重要指標(biāo)。

3.5.1 平均風(fēng)能密度 衡陽低海拔區(qū)平均風(fēng)能密度為7.3 W/m2，最高的是衡陽縣(12.7 W/m2)，其次是衡南(11.6 W/m2)，祁東由于靜風(fēng)頻率偏多(41.7%)，其平均風(fēng)能密度僅有2.3 W/m2。南岳山由于地勢高，風(fēng)速較大，平均風(fēng)能密度為227.9 W/m2。

3.5.2 有效風(fēng)能密度 表4為衡陽各區(qū)域逐月、年均有效風(fēng)能密度，按照湖南省有效風(fēng)能密度區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，低海拔區(qū)均為風(fēng)能貧乏區(qū)(<50 W/m2)。年有效風(fēng)能密度最大是耒陽(35.7 W/m2)，祁東最少(21.0 W/m2)。從月際間變化看，也未達(dá)到風(fēng)能可利用要求。月有效風(fēng)能密度最大為48.3 W/m2，2月出現(xiàn)在衡陽縣，最小為16.2 W/m2，7月出現(xiàn)在衡山。南岳山年均有效風(fēng)能密度達(dá)到豐富標(biāo)準(zhǔn)(273.4 W/m2)，其1—7月有效風(fēng)能密度均在200 W/m2以上，其中2月達(dá)到489.1 W/m2；8、11、12月為風(fēng)能較豐富時(shí)期；9、10月為風(fēng)能可利用時(shí)段。南岳山風(fēng)能蘊(yùn)藏量豐富，全年各時(shí)段均滿足風(fēng)力發(fā)電要求。

表4 衡陽各區(qū)域有效風(fēng)能密度(W/m2)Tab.4 Effective wind energy density in various regions of Hengyang (unit:W/m2)

圖3為南岳山、低海拔區(qū)月平均風(fēng)能密度曲線。低海拔區(qū)(圖3a)2月最大(37.3 W/m2)，之后總體呈減少，6—8月是有效風(fēng)能密度較少時(shí)段，8月為全年最少(20.5 W/m2)，之后又逐步增大，全年呈正弦型波動(dòng)變化。南岳山月風(fēng)能密度有兩個(gè)高點(diǎn)(圖3b)，分別在2月(489.1 W/m2)、7月(396.2 W/m2)，9—10月是風(fēng)能密度較少時(shí)段，9月為全年最小(114.1 W/m2)，其年變化呈波浪型下降。

圖3 低海拔區(qū)(a)、南岳山(b)有效風(fēng)能密度月變化Fig.3 Monthly variation of effective wind energy density in low-elevation area (a) and Nanyue mountain (b)

4 結(jié)論及討論

通過對(duì)衡陽9個(gè)觀測點(diǎn)1970—2016年風(fēng)資料統(tǒng)計(jì)，分析近47 a來衡陽不同區(qū)域風(fēng)向、風(fēng)速頻率，變化趨勢及突變情況，從風(fēng)能密度計(jì)算各區(qū)域風(fēng)能蘊(yùn)藏量，探討2010年后低海拔區(qū)風(fēng)速異常原因，其結(jié)論如下：

①近47 a衡陽風(fēng)速呈減少變化，部分低海拔區(qū)減少速度甚至超過南岳山。衡山減速最快，每10 a減少0.368 m/s，常寧、耒陽減速偏小。信度檢驗(yàn)結(jié)果是：減速快的衡山、南岳山、衡東、衡陽縣通過了置信水平99.9%檢驗(yàn)，為極顯著性減少，但常寧、耒陽減速變化未通過置信水平90.0%檢驗(yàn)。衡山、衡東、衡陽縣、南岳山減小趨勢未發(fā)生突變，耒陽、衡南、祁東、衡陽市、常寧風(fēng)速突變分別在1974年、1979年、1986年、2002年、2008年。

②低海拔區(qū)風(fēng)速集中在0～3.4 m/s(85.8%)，0.5～1.4 m/s(1區(qū))出現(xiàn)最多(24.3%)；南岳山風(fēng)速區(qū)間跨度比較大，0～23區(qū)間均存在一定比例， 4區(qū)(3.5～4.4 m/s)出現(xiàn)頻率最大(12.7%)。南岳山歷年風(fēng)頻變化分為三段，其中2005—2016年強(qiáng)風(fēng)頻(23～25區(qū)間)有較多缺失。低海拔區(qū)風(fēng)頻分為兩階段，隨時(shí)間推移向低速區(qū)聚集， 1991—2016年風(fēng)頻兩極分化，低速及高速區(qū)增多，中間斷層擴(kuò)大。

③低海拔區(qū)靜風(fēng)風(fēng)頻最大(23.6%)，其次是N向風(fēng)(15.9%)，2010年代后，全面采用自動(dòng)測風(fēng)儀，靈敏度增加致使靜風(fēng)風(fēng)頻迅速減少。南岳山N向風(fēng)頻最大(13.8%)，靜風(fēng)風(fēng)頻為4.3%。

④參考有效風(fēng)能密度標(biāo)準(zhǔn)，南岳山年風(fēng)能豐富(273.4 W/m2)，其中1—7月風(fēng)能豐富，8、11、12月較豐富，9、10月風(fēng)能可利用。低海拔區(qū)有效風(fēng)能密度27.9 W/m2,未達(dá)到可利用標(biāo)準(zhǔn)，2月風(fēng)能密度最大(34.7 W/m2)，9月最小(24.4 W/m2)，但這與有效風(fēng)能小時(shí)數(shù)結(jié)論存在一定差異。