1961—2020年宜昌市風速變化特征研究

龔璽 徐金閣

摘要利用宜昌市1961—2020年逐日2 min平均風速資料，采用氣候傾向法、MannKendall檢驗法和小波分析法，從不同時間尺度分析平均風速的變化趨勢、突變和周期特征，揭示三峽局部地區(qū)長時間序列風速變化規(guī)律。結果表明：近60年來宜昌市年平均風速有增大的趨勢，遞增率為0.084 m/（s·10 a）；四季平均風速均呈略增大趨勢，四季氣候傾向率相近。8月平均風速增大最快，6月平均風速增大最慢。MannKendall突變檢驗分析得出宜昌市年平均風速在1971、1996和2013年發(fā)生突變。小波分析結果表明，年平均風速變化有周期性規(guī)律，其第一主周期為32年。

關鍵詞風速；變化特征；氣候傾向；MannKendall檢驗；小波分析；宜昌市

中圖分類號S162? 文獻標識碼A? 文章編號05176611（2024）07020504

doi：10.3969/j.issn.05176611.2024.07.048

Study on the Change Characteristics of Wind Speed in Yichang City from 1961 to 2020

GONG Xi1，XU Jin-ge2

（1.National Meteorological Information Center， Beijing 100081;2.China Energy Construction Group Hunan Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， Changsha， Hunan 410007）

AbstractUsing the daily 2-minute average wind speed data from 1961 to 2020 in Yichang City， the climate tendency method， Mann-Kendall test method and wavelet analysis method were used to analyze the change trend， mutation， and periodic characteristics of average wind speed at different time scales， revealing the long-term wind speed variation patterns in the local area of the Three Gorges area.The results showed that the annual mean wind speed in Yichang City had increased in recent 60 years with a decreasing rate of 0.084 m/（s·10 a）， and the four seasons mean wind speed had a slightly increasing trend with a similar climate tendency rate. The increase of average wind speed was the fastest in August and the slowest in June. The Mann-Kendall mutation test showed that the annual mean wind speed in Yichang City had a sudden change in 1971，1996 and 2013. Wavelet analysis showed that the annual mean wind speed changes periodically， and the first main period of the annual mean wind speed change was 32 years.

Key wordsWind speed;Change characteristic;Climate tendency;Mann-Kendall test;Wavelet analysis;Yichang City

長江三峽工程是世界上最大的水利樞紐之一，它建成后對國民經(jīng)濟產(chǎn)生巨大效益，同時也對局地的天氣氣候產(chǎn)生了影響。武慧鈴等［13］通過分析三峽水庫及其周邊氣象站的降水數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)三峽水庫蓄水改變了下墊面，水庫年均氣溫呈弱的下降趨勢，年降水量與降水日數(shù)增加，年均相對濕度減小，年平均風速呈增加趨勢，蒸發(fā)量有所下降。封瑞雪等［45］利用重慶多年氣象站資料，分析了各氣象要素的年際變化，尤其是蓄水前后的差異情況。陳祥義等［6］利用三峽庫區(qū)及周邊氣象站的逐月降水數(shù)據(jù)，對三峽庫區(qū)1951─2012年年均、雨季、旱季降水量與降水日數(shù)的變化趨勢進行了研究，并對三峽庫區(qū)內(nèi)年降水量和降水日數(shù)的空間分布情況進行了分析。黃治勇等［7］研究了長江三峽庫區(qū)持續(xù)12 h以上和連續(xù)3 d以上極端大霧天氣氣候變化特征，探討了庫區(qū)蓄水后大霧天氣氣候變化的原因。張?zhí)煊畹龋?］利用1998—2016年TRMM和CMORPH衛(wèi)星降水資料和三峽庫區(qū)氣象觀測站數(shù)據(jù)，分析了三峽庫區(qū)局地降水變化。董新寧等［9］利用區(qū)域氣候模式RegCM3和NCEP（NNRP1）再分析資料模擬了2006年重慶三峽區(qū)域的氣候情況。

三峽庫區(qū)建成后除了提供豐富的水能資源以外，也存在風能資源的應用。前人對三峽庫區(qū)的降水、氣溫、相對濕度等要素進行了比較詳盡的分析［513］，但是對風的研究還較少。筆者利用宜昌市國家基本氣象站1961—2020年逐日2 min平均風速資料，采用氣候傾向法、MannKendall檢驗法和小波分析法，分析平均風速在不同月份的變化趨勢、突變和周期特征，揭示三峽地區(qū)長時間序列風速變化規(guī)律，為三峽地區(qū)氣候變化提供參考。

1資料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

宜昌地處湖北省西南部，長江三峽起始地，三峽大壩、葛洲壩所在地。該研究使用的數(shù)據(jù)為宜昌市國家基本氣象站（30°42′N，111°18′E）1961—2020年逐日2 min平均風速的觀測資料，對缺測數(shù)據(jù)進行了補齊［14］。

1.2研究方法

1.2.1氣候傾向法。

假設y表示氣候要素，用x表示時間序列：

y=β0+β1x+ε（1）

式中：β0為回歸常數(shù)；β1為回歸系數(shù)。

1.2.2MannKendall檢驗。

對于n個樣本量的時間序列x，構造一秩序列：

Sk=ki=1ri（k=2，3，…，n）（2）

其中，

ri=±1xi>xj0xi≤xj（j=1，2，…，i）（3）

定義統(tǒng)計量：

UFk=SkE（Sk）Var（Sk）（k=1，2，…，n）（4）

UF1=0時符合標準正態(tài)分布，E（Sk）和Var（Sk）是累計數(shù)Sk的均值和方差，在x1，x2，…，xn相互獨立且連續(xù)分布時，均值和方差可由下式計算得出：

E（Sk）=n（n+1）4（5）

Var（Sk）=n（n1）（2n+5）72（6）

給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表可得Uα/2，若|UFi|>|Uα/2|，則在顯著水平α下序列具有顯著的趨勢變化，如α=0.05，置信區(qū)間臨界值uα/2=±1.96。將時間序列x逆序，重復上述計算過程，同時使

UBk=UFkk=n+1k（k=1，2，…，n）（7）

繪制UFk和UBk曲線圖，若UFk>0，則序列在第k時刻呈上升趨勢，反之，則呈下降趨勢；當UFk超過臨界值，表明上升或下降趨勢顯著。若UFk和UBk 2條曲線出現(xiàn)交點，且交點位于置信區(qū)間內(nèi)，那么交點對應時刻即為突變開始的時刻。其中變化趨勢的大小可用傾斜度β（也稱為趨勢系數(shù)）表示，計算式如下：

β=medianxixjijj

式中，n為樣本數(shù)量，若β>0，則說明樣本呈上升或增大趨勢，反之，樣本呈下降或減小趨勢。β的絕對值即為增減率。

1.2.3小波分析。

將任意L2（R）空間中的函數(shù)f（t）在小波基函數(shù)下展開：

Wf（a，b）≤f（t）（12）

Ψa，b（t）≥1|a|∫∞t=∞f（t）Ψtbadt（13）

Wf（a，b）為小波變換系數(shù)，與頻率參數(shù)a和時間參數(shù)b有關。將（13）式離散化為：

Wf（a，b）=1|a|Δtf（kΔt）ΨkΔtba（14）

將復值Morlet小波作為母函數(shù)，如下式：

Ψ（t）=eiωtet2/22eω2t2/4（15）

Morlet小波變換包含模、實部、虛部和幅值等變量，模的大小表示變量信息在不同時間尺度上的強弱，實部表示變量在不同時間尺度上的分布和位相兩方面信息。小波系數(shù)反映了變量在不同時間尺度下的變化幅度，其絕對值越大，說明在對應的時間尺度下的變化越顯著，小波系數(shù)峰值對應的時間尺度值即為變量變化的主要周期［15］。

2結果與分析

2.1趨勢分析

2.1.1平均風速的年際變化趨勢。

從1961—2020年宜昌市年平均風速變化趨勢（圖1）可以看出，近60年來宜昌市年平均風速為1.3 m/s，與張靜等［3］對三峽庫區(qū)年平均風速的研究成果一致。

1990年以前年平均風速變化起伏明顯，20世紀60年代呈不明顯減小趨勢，70年代基本呈顯著增大趨勢，自1977年開始減小，持續(xù)至1989年。最大值出現(xiàn)在1976年，為1.8 m/s；1971年年平均風速顯著增大。1990年以后年平均風速基本波動中呈上升趨勢，20世紀90年代年平均風速顯著增大，2000—2005年顯著減小，2006年略有增大后，呈緩慢減小至2013年，2014年顯著增大，后呈緩慢減小趨勢。

采用氣候傾向法對1961—2020年的年平均風速進行趨勢分析，最小二乘法得到回歸方程，由趨勢圖和回歸方程（圖1）可知，近60年來宜昌市年平均風速總體呈略增大趨勢，氣候傾向率為0.084 m/（s·10 a）（相關系數(shù)為0.446，通過α=0.01的顯著性檢驗），尤其是自2006年開始年平均風速的變化總體轉為上升趨勢，除大氣環(huán)流變化影響［16］，宜昌市年平均風速變化與三峽水庫蓄水后水面粗糙度減小有關［3］。

2.1.2平均風速的季節(jié)變化趨勢。

采用氣候傾向法對1961—2020年宜昌市各季節(jié)平均風速的變化趨勢進行回歸分析，計算得各季節(jié)氣候傾向率，結果見表1。由表1可知，四季平均風速均呈略增大趨勢，四季氣候傾向率相近，春季平均風速以0.089 m/（s·10 a）遞增最快，秋季以0.081 m/（s·10 a）遞增最慢。

2.1.3平均風速的月變化趨勢。

分析1961—2020年宜昌市各月平均風速的變化趨勢，結果發(fā)現(xiàn)（圖2），4月平均風速最大，為1.5 m/s，10月平均風速最小，為1.1 m/s。對各月平均風速采用氣候傾向法進行回歸分析，結果見表2。由表2可知，近60年宜昌市各月平均風速均呈增大趨勢；其中，8月平均風速增大最快，氣候傾向率為0.099 m/（s·10 a），6月平均風速增大最慢，氣候傾向率為0.066 m/（s·10 a）。

2.1.4平均風速的日變化趨勢。

從1961—2020年宜昌市近地面風速日均值變化特征（圖3）可以看出，總體而言，宜昌市日均風速先隨日序增加而增加，大約在第90天達到最大值，而后逐漸平穩(wěn)，之后又隨著日序增加而減小，在約第300天降到最小值，最后日均風速基本穩(wěn)定在1.2 m/s左右。與1991—2020年氣候標準值相比，60年的日均值略小于近30年的氣候標準值，說明近30年宜昌市近地面風速略有增大。

2.2突變檢驗分析

2.2.1年平均風速。

采用MannKendall檢驗法對宜昌市1961—2020年年平均風速序列進行突變檢驗，結果見圖4。MannKendall檢驗法的UF和UB兩變量曲線交點位于1971、1996和2013年，且以上交點位于uα=±1.96的置信區(qū)間。

2.2.2季節(jié)平均風速。

采用MannKendall檢驗法對1961—2020年宜昌市各季節(jié)平均風速序列進行突變檢驗，結果發(fā)現(xiàn)（圖5），MannKendall檢驗法秋季UF和UB兩變量曲線位于uα=±1.96的置信區(qū)間的交點有5個，其他3個季節(jié)均為2個；春季、秋季平均風速的突變點均出現(xiàn)于1973和2013年，夏季出現(xiàn)于1971和2013年，冬季出現(xiàn)于1973和2011年，說明20世紀70年代夏季平均風速的突變早于其他3個季節(jié)，21世紀冬季平均風速突變早于其他3個季節(jié)。

2.3周期分析

通過小波分析法對1961—2020年宜昌市年平均風速序列進行周期性分析，由時頻分布（圖6a）可知，宜昌市年平均風速在10～15、30～35年的時間尺度上存在周期性。

由小波方差（圖6b）可知，32年的時間尺度為年平均風速變化的第一主周期。32年的時間尺度上，年平均風速表現(xiàn)為顯著的“增—減—增”的變化規(guī)律，小波系數(shù)在1961—1982年為正值，1983—2004年為負值，2005—2020年為正值，且后一正值中心數(shù)值大于前一正值中心數(shù)值，表明年平均風速在進入21世紀20年間增大趨勢較20世紀60—70年代更顯著。

3結論

該研究利用宜昌市1961—2020年的風速觀測資料，采用氣候傾向法、MannKendall檢驗法和小波分析法，分析了平均風速的變化趨勢、突變和周期性特征，揭示了三峽地區(qū)風速變化規(guī)律，得到的結論如下：

（1）近60年來宜昌市年平均風速總體為增大趨勢，氣候傾向率為0.084 m/（s·10 a），相關系數(shù)為0.446，通過α=0.01的顯著性檢驗。

（2）四季平均風速均呈略增大趨勢，四季氣候傾向率相近。8月平均風速增大最快，6月平均風速增大最慢。

（3）MannKendall突變檢驗分析得出宜昌市年平均風速在1971、1996和2013年發(fā)生突變，春季、秋季平均風速的突變點均出現(xiàn)于1973和2013年，夏季出現(xiàn)于1971和2013年，冬季出現(xiàn)于1973和2011年。

（4）小波分析結果表明，宜昌市年平均風速在10～15、30～35年的時間尺度上存在周期性變化；32年的時間尺度為年平均風速變化的第一主周期。

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作者簡介龔璽（1990—），女，江蘇泰州人，工程師，博士，從事風能資源數(shù)值模擬研究。