惠农区1981~2020年风气候特征分析研究

Analysis and Research of Wind Climate Characteristics in Huinong District from 1981 to 2020

摘要: 本文作者分析了惠农国家气象观测站1981~2020年的风气候特征。根据统计分析得出，1981~2020年惠农区2分钟平均风速、10分钟平均最大风速、极大风速均呈明显下降趋势，气候倾向率分别为−0.30 (m∙s⁻¹)/10a、−2.69 (m∙s⁻¹)/10a、−2.83 (m∙s⁻¹)/10a；通过6阶多项式拟合曲线分析方法得出惠农区年平均风速的变化趋势为波动下降–快速增长–快速下降–波动增长–波动下降；累计距平分析显示，年平均风速总体呈现先增加后下降的趋势。惠农区平均大风日数为38.4 d，大风日数以8.96 d/10a的趋势减少，尤其以2004年之后减少趋势明显；通过风向的风玫瑰图分析，得出惠农区全年盛行风向以北西北风为主，风向频率为8.4%；春冬季盛行风向主要以偏北风为主，夏秋季盛行风向主要以偏南风为主。

Abstract: The authors of this article analyze the wind climate characteristics of Huinong National Meteorological Observation Station from 1981 to 2020. According to the statistical analysis, the 2-minute average wind speed, 10-minute average maximum wind speed and maximum wind speed in Huinong District showed an obvious downward trend during 1981~2020. The climate tendency rates were −0.30 (m∙s⁻¹)/10a, −2.69 (m∙s⁻¹)/10a and −2.83 (m∙s⁻¹)/10a, respectively. According to the sixth-order polynomial fitting curve analysis method, the variation trend of annual mean wind speed in Huinong District is as follows: fluctuation decline-rapid growth-rapid decline-fluctuation growth-fluctuation decline. The cumulative anomaly analysis shows that the average annual wind speed increases first and then decreases. The average gale days in Huinong District are 38.4 days, and the gale days decrease with the trend of 8.96 d/10a, especially after 2004. Through the analysis of the wind rose diagram of wind direction, it is concluded that the prevailing wind direction in Huinong District is mainly north-northwest wind, and the wind direction frequency is 8.4%. The prevailing wind direction is mainly northerly in spring and winter, and southerly in summer and autumn.

1. 引言

石嘴山市惠农区地处宁夏最北端，是宁夏的北大门。西侧为贺兰山，东侧为卓子山，中间是黄河河谷，地势相对较低，由于这种大地形的狭管效应，形成了一个南北方向的大风通道 [1] ，因此，惠农区有较丰富的风力资源。风能开发利用与气象工作密切相关，风资源评估方法中明确规定需要收集气象部门保存的有代表性的长序列的平均风资料，分析其与风电场测站风之间的关系，从而对风电场风能资源进行评估 [2] [3] [4] 。同时，根据2011~2021年惠农区气象灾害统计数据分析，大风灾害共发生11次，占气象灾害总次数的32.36%，是除暴雨洪涝外的第二大灾害。综上所述，研究惠农区风气候特征意义重大。国内外许多专家对我国风气候特征进行了分析研究，邱博等研究表明，近50a来，全国范围内大风日数都具有减少的变化趋势，其中青藏高原地区减少趋势最显著 [5] ；王小玲等研究表明，我国平均的5~8级及以上各级风日数近几十年来均呈线性减少趋势。其中，5级线性减少趋势最大，且北方地区大于南方，沿海大于内陆 [6] ；曲巧娜等、李超等、曹宗元等研究表明，黄、渤海沿海、江苏沿海、浙江沿海等地区最大不同等级大风日数均呈下降趋势 [7] [8] [9] ；王遵娅等、黄小燕等研究表明，近几十年中国风速有明显的减弱趋势，全国平均风速约减小了16%，西北地区年平均风速也呈明显减少趋势，平均每10a减少0.09 m.s⁻¹，其西部地区的减少率大致高于东部地区的减少率，以新疆大部分地区、青海大部分地区以及河西走廊减少最为明显 [10] [11] 。另外，许多专家也对宁夏气候特征进行了分析 [12] - [17] ，但多为气温和降水方面的研究，对风的研究仅限于对大风及其灾害的研究 [18] [19] [20] [21] ，对惠农区风的气候特征变化均没有研究。本文收集整理惠农国家气象观测站1981~2020年2分钟平均风速、10分钟最大风速、极大风速、大风日数及风向等观测资料，采用线性趋势分析、6阶多项式拟合曲线等数理统计方法、累计距平等方法分析了惠农区1981~2020年的风气候特征，同时制作年、季、月各风向玫瑰图，深入研究惠农区1981~2020年风变化规律，为惠农区风力资源的开发和利用提供科学依据和参考，为惠农区生产建设提供精准的风资料，为政府决策服务材料提供依据，对于防灾减灾、合理安排工业厂区布局、农业生产均有着重要作用。

2. 资料和方法

2.1. 资料来源

本文所用资料为惠农国家气象观测站1981~2020年的2分钟平均风速、10分钟最大风速、极大风速(时间段为1993~2020年，地面气象月报表数据文件从1993年3月开始统计极大风速)、大风出现日数、各风向频率等观测资料(注：2004年惠农国家气象观测站风观测资料由原来的人工观测改为自动观测获取)。

2.2. 统计方法

以瞬时风速 ≥ 17.0 m∙s⁻¹或目测估计风力达到或超过8级作为大风标准，测站一日内出现大风定为一个大风日。季节划分：3~5月为春季，6~8月为夏季，9~11月为秋季，12月至次年2月为冬季。采用线性趋势分析、6阶多项式拟合曲线及累计距平法等方法分析惠农区的风气候特征，采用Excel表格制作各风向年、季、月的风玫瑰图。

线性趋势分析是通过建立回归方程，Y = mK + n，其中n为常数，m为回归系数，气象上称气候倾向率，当m为正(负)时，表示气象要素值在计算时间内线性增加(减小)；K代表年份。

累积距平也就是距平的累积，累积距平法是一种常见的由曲线直观判断要素变化趋势的方法，其主要步骤如下：

1) 首先定义一组变量(x₁, x₂, …, x_n)，求平均值 $\bar{x}$ ，其公式为：

$\bar{x}=\frac{1}{n}{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{x}_i}$ ，其中 $\bar{x}$ 为统计值的平均值，n为统计值的数量，x_i为所统计的统计值。

2) 将每一个变量与 $\bar{x}$ 相减得到距平，即x_i − $\bar{x}$ ，变量对应时间为t_i，求t_i时间之前所有距平值的和，即为累计距平，公式如下：

$x_t={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{t}{\sum }}\left(x_i-\bar{x}\right)}$ (t = 1, 2, …, n)

3) 通过绘制各时间点所对应的累计距平，绘制一条累计距平曲线。由曲线的上下起伏变化表明距平值的增加或者减少，从而可以判断其长期显著的演变趋势及持续性变化 [22] 。

3. 风速变化

3.1. 平均风速

3.1.1. 平均风速年变化及趋势分析

1981~2020年惠农区平均风速总体呈明显下降趋势，气候倾向率为−0.30 (m∙s⁻¹)/10a；年平均风速为2.74 m∙s⁻¹，最大年平均风速为3.70 m∙s⁻¹，分别出现在1992~1994、1996年；最小年平均风速为1.90 m∙s⁻¹ (出现在2011年)。6阶多项式拟合曲线显示，惠农区平均风速变化具有明显的阶段性特征，大致可以分为3个时期和5个阶段：1981~1989年的相对稳定期，除1981年外，其它各年距平值均在±0.2 m∙s⁻¹以内，年平均风速变化不大；1990~2003年相对大风时期，年距平值在0.3~1.0 m∙s⁻¹之间；2004~2020年相对小风时期，年距平值在−0.8~−0.4 m∙s⁻¹之间；1981~1985年、1998~2011年、2018~2020年的下降阶段和1986~1997年、2012~2017年的上升阶段，年均风速的变化趋势为波动下降–快速增长–快速下降–波动增长–波动下降(图1)。

Figure 1. Variation trend of annual mean wind speed in Huinong District from 1981 to 2020

图1. 1981~2020年惠农区年平均风速变化趋势

3.1.2. 平均风速季变化及趋势分析

Figure 2. Seasonal mean wind speed variation maps in Huinong District from 1981 to 2020

图2. 1981~2020年惠农区四季平均风速变化图

四季平均风速变化与全年平均风速变化基本一致，均表现为下降趋势(图2)。四季平均风速春、夏、秋、冬依次为3.27 m·s⁻¹、2.78 m·s⁻¹、2.48 m·s⁻¹和2.44 m·s⁻¹。风速最大为春季，风速最小为冬季。倾向率变化显示，下降最显著的为春季−0.38 (m∙s⁻¹)/10a，其次为夏季−0.36 (m∙s⁻¹)/10a、秋季−0.25 (m∙s⁻¹)/10a，冬季下降最小−0.23 (m∙s⁻¹)/10a。6阶多项式拟合曲线表明，四季平均风速变化与全年变化趋势具有一致性，大致可分为5个阶段：2个风速上升阶段和3个风速下降阶段。

3.2. 累计距平法分析

由图3可知，年平均风速累计距平曲线图总体呈现先增加后下降的趋势。1981~1989年的累积距平呈略有波动的平滑曲线，表明该时段的各年平均风速接近历年平均风速；1990~2003年累积距平值呈上升趋势，表明该时段各年平均风速较历年平均风速偏大，2004~2020年累积距平值呈下降趋势，表明该时段各年平均风速较历年平均风速偏小。

Figure 3. Cumulative anomaly curve of annual mean wind speed

图3. 年平均风速累计距平曲线图

Figure 4. Cumulative anomaly curves of average wind speed of four seasons

图4. 四季平均风速累计距平曲线图

累计距平法分析四季平均风速变化表明(图4)，1981~1991年春季和夏季平均风速累计距平为正，说明这些年份风速较平均风速值接近，且风速变化不大；秋季1983~1991年，冬季1981~1982、1984~1990年为负距平，说明秋冬季相应年份风速较小。1991~2003年距平累计值四季均呈上升趋势，这些年份风速呈增加趋势；2004~2020年距平累计值四季均呈下降趋势，这些年份风速呈减小趋势。

3.3. 平均风速月变化及趋势分析

6阶多项式拟合曲线表明，1981~2020年惠农区各月平均风速呈单峰状分布，3~5月为波峰，9~10月为波谷。平均风速最大值出现在4月份，为3.4 m·s⁻¹，之后缓慢减弱；9~10月处于波谷，为2.4 m·s⁻¹，最小值出现在1月，为2.3 m·s⁻¹，其它月份在2.5~3.3 m·s⁻¹之间(图5)。

Figure 5. Monthly variation trend of mean wind speed in Huinong District from 1981 to 2020

图5. 1981~2020年惠农区平均风速各月变化趋势

3.4. 最大风速和极大风速

3.4.1. 最大风速和极大风速年际变化

Figure 6. Annual variation curve of maximum wind speed during 1981~2020 and 1992~2020

图6. 1981~2020年最大风速和1992~2020年极大风速年变化曲线

1981~2020年惠农区最大风速年平均值为18.8 m·s⁻¹。从图6可以看出，最大值为30.0 m·s⁻¹ (风向WNW)，出现在1990年。最小值为12.0 m·s⁻¹ (风向NW)，出现在2017年。1981~2020年惠农区年最大风速气候倾向率为−2.69 (m∙s⁻¹)/10a，年最大风速呈明显减小趋势。最大风速风向频率最多为NW，NNW次之，两者出现频率之和为88%。

1992~2020年惠农区极大风速平均值为27.6 m·s⁻¹。从图6可以看出，年极大风速最大值出现在1993年，为35.6 m·s⁻¹ (风向NW)；极大风速次大值为34.8 m·s⁻¹ (风向NW)，出现在2001年；极大风速最小值为21.7 m·s⁻¹ (风向为NNW)，出现在2020年。1992~2020年惠农区年极大风速气候倾向率为−2.83 (m∙s⁻¹)/10a，年极大风速与最大风速趋势一致，均呈减小趋势。年极大风速风向以NW、NNW出现较多。

3.4.2. 最大风速和极大风速月际变化

Figure 7. Monthly variation curve of average maximum wind speed from 1981 to 2020 and average maximum wind speed from 1992 to 2020

图7. 1981~2020年平均最大风速和1992~2020年平均极大风速月变化曲线

从惠农区月平均最大风速(1981~2020年)和月平均极大风速(1992~2020年) (图7)可以看出，惠农区月平均最大风速呈“双峰”型变化：1~4月最大风速逐渐增大，4月达全年最大，平均最大风速为16.3 m·s⁻¹。5月风速开始减小，7月风速略有增大，之后继续减小，8月达年最小值为11.8 m·s⁻¹。9月风速又开始增大，10月达第二峰值，平均最大风速为15.4 m·s⁻¹，之后风速又开始减小。惠农区月平均极大风速与月平均最大风速变化趋势基本一致，也呈“双峰”型。1~4月风速逐渐增大，4月最大，平均极大风速为24.4 m·s⁻¹，5月风速开始减小，8月最小，为18.4 m·s⁻¹。9月风速又逐渐增大，11月达第二峰值，平均极大风速为22.0 m·s⁻¹，之后风速又开始减小。从季节变化来看，惠农区平均最大风速和平均极大风速春季最大，秋季次之，夏季最小。

3.5. 大风日数的年变化和月变化

由图8(a)可以看出，惠农区1981~2020年大风日数呈明显下降的趋势，以8.96 d/10a的速度下降，平均大风日数为38.4 d，尤其以2004年之后下降趋势明显。大风日数最多年出现在1996年，为68 d；最少年出现在2018年，为10 d。

由图8(b)可以看出，惠农区大风日数月变化呈“双峰”型分布：1~４月大风日数呈逐月增加，4月增至全年最多，40年累积出现大风日数231 d；5月大风日数开始减少，9月最少，出现大风日数仅59 d；9月以后冷空气活动加强，大风日数又开始逐渐增多，12月达到第二峰值，出现大风日数142 d。从季节变化来看，春季惠农区冷暖空气活动频繁，大风日数最多，40年累积有625 d；冬季次之，出现大风日数338 d；秋季和夏季大风较少，大风日数分别为294 d和278 d。

(a) 大风日数年变化 (b) 大风日数月变化

Figure 8. Annual and monthly variation of gale days in Huinong District from 1981 to 2020

图8. 1981~2020年惠农区大风日数年变化和月变化

4. 风向变化

4.1. 1981~2020年惠农区平均风向频率年变化规律

Figure 9. Rose chart of annual average wind direction frequency in Huinong District from 1981 to 2020

图9. 1981~2020年惠农区年平均风向频率玫瑰图

由图9可知，惠农区全年盛行风向以北西北风为主，风向频率为8.4%；次多风向为北风、南风、南西南风、南东南风等4个风向，频率为8.3%。最少风向为西风，风向频率仅为2.2%，次少风向为东北风，风向频率为2.6%。

4.2. 1981~2020年惠农区平均风向频率季节变化规律

由图10可知：惠农区春季盛行风向为北西北风，风向频率为10.1%；次多风向为南西南风，风向频率为8.4%；最少风向为西风，风向频率为2.3%，次少风向为东北风，风向频率为2.7%。

Figure 10. Rose charts of seasonal wind direction frequency in Huinong District from 1981 to 2020

图10. 1981~2020年惠农区季节风向频率玫瑰图

夏季盛行风向为南西南风，风向频率为11.4%；次多风向为南风，风向频率为11.1%；最少风向为西西北风，风向频率为1.8%，次少风向为西风，风向频率为2.0%。

秋季盛行风向为东南风，风向频率为8.6%；次多风向为北西北风，风向频率为8.5%；最少风向为西风，风向频率为2.0%，次少风向为西西北风，风向频率为2.4%。

冬季盛行风向为北风，风向频率为11.6%；次多风向为北西北风，风向频率为9.0%；最少风向为西风，风向频率为2.5%，次少风向为东北风，风向频率为2.9%。

4.3. 1981~2020年惠农区平均风向频率月份变化规律

图11. 1981~2020年惠农区月平均风向频率玫瑰图

由图11可以看出，1、2、12月最多风向为北风，风向频率分别为12.4%、11.3%、11.0%；3~4、10~11月最多风向为北西北风，3、4月风向频率分别为10.3%、10.7%；10、11月风向频率分别为8.8%、9.9%；5、6月最多风向为南西南风，风向频率分别为10.8%、11.9%；7、8月最多风向为南风，9月最多风向为东南风，风向频率分别为11.7%、11.0%、10.8%。

5. 结论

1) 1981~2020年惠农区年平均风速总体呈明显下降趋势，与全国和西北地区的风速变化趋势基本一致，气候倾向率为−0.30 (m∙s⁻¹)/10a；平均风速变化具有明显的阶段性特征，大致可以分为3个时期和5个阶段。四季平均风速变化与全年变化趋势一致。各月平均风速呈单峰状分布，3~5月为波峰，9~10月为波谷。

2) 平均风速累计距平曲线图总体呈现先增加后下降的趋势。1981~1991年四季风速累计距平在零线附近摆动，风速变化不大。1991~2003年距平累计值四季均呈上升趋势，风速呈增加趋势；2004~2020年距平累计值四季均呈下降趋势，风速呈减小趋势。

3) 1981~2020年惠农区年最大风速、极大风速均呈明显减小趋势，气候倾向率分别为−2.69 (m∙s ⁻¹)/10a、−2.83 (m∙s⁻¹)/10a；平均大风日数为38.4 d，大风日数变化趋势与全国大风日数变化趋势一致，呈减少趋势，气候倾向率为−8.96 d/10a，尤其以2004年之后下降趋势明显。

4) 1981~2020年惠农区全年盛行风向以北西北风为主，风向频率为8.4%；春冬季盛行风向主要以偏北风为主，夏秋季盛行风向主要以偏南风为主。