塔城地区风速及风口区域风能资源特征分析

Analysis of Wind Speed and Wind Energy Resource Characteristics in Tuyere Area of Tacheng Area

摘要: 本文利用塔城地区1960~2020年7个国家地面气象观测站逐日平均风速和2018~2021年3个区域自动气象站逐日10分钟平均风速观测资料，分析了近61年塔城地区平均风速的变化趋势，以及近4年风口区域有效风速时数和有效风能密度。结果表明：1) 近61年来，塔城地区年平均风速呈减少趋势，递减率为−0.174 m/(s∙10a)，其中南部地区递减率高于北部；四季风速递减率为夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季。2) 由M-K检验可知，塔城地区年和秋季平均风速未发生突变，春、夏季均在1980年前后发生突变，冬季在1973年发生突变。3) 小波分析表明，年平均风速变化存在以7年、18年和30年左右的周期变化。4) 塔城地区风口区域年平均有效风速时数为4527 ｈ，年平均有效风能密度为195 W/m2，属风能较丰富区。

Abstract: In this paper, based on the daily average wind speed observation data of seven national surface meteorological observation stations in the Tacheng area from 1960 to 2020 and the daily 10-minute average wind speed observation data of three regional automatic weather stations from 2018 to 2021, the variation trend of average wind speed in the Tacheng area in recent 61 years, as well as the effective wind speed hours and effective wind energy density in the tuyere area in recent 4 years were analyzed. The results show that: 1) The annual average wind speed in the Tacheng area has been decreasing in the past 61 years, with a decreasing rate of −0.174 m/(s•10a), and the decreasing rate in the southern region is higher than that in the northern region. The decreasing rate of wind speed in the four seasons is summer > spring > autumn > winter. 2) The M-K test shows that there is no mutation in the annual and autumn average wind speed in the Tacheng area. The mutation occurs around 1980 in spring and summer, and in 1973 in winter. 3) Wavelet analysis shows that the annual average wind speed changes have periodic changes of 7 years, 18 years and 30 years. 4) The annual average effective wind speed hours in the tuyere area of Tacheng area is 4527 h, and the annual average effective wind energy density is 195 W/m2, which belongs to the wind energy-rich area.

1. 引言

风速是评价气候变化、大气循环、污染物扩散和风能资源开发的重要指标 [1] 。面向“双碳”目标，增强气候资源开发利用，充分利用风能和太阳能等可再生清洁能源，是实现碳达峰和碳中和的重要途径，也是近年来人类社会可持续发展的主要能源 [2] 。因此，研究风速变化特征对于合理开发利用风能资源具有重要意义。Feng等 [3] 研究表明，近五十多年以来，中国区域年平均风速和年有效风能密度的主要空间分布模态表现出高度的一致性，均呈现逐年减小的趋势。王遵娅等 [4] 研究发现，中国几乎全部地区的风速都在显著减小，指出冬、春季和西北西部减少最明显。黄小燕等 [5] 研究表明，中国西北地区大部分地区日照时数、风速均呈明显的减少趋势。有学者 [6] [7] 研究发现，随着海拔高度增加，风速逐渐增大，风能资源也较为丰富，是因为风速变化与地形有关。何毅等 [8] 研究发现，近50a来，南北疆年平均风速变化存在显著的减少趋势，主要原因是受大气环流变化和气候变暖的影响。何东坡等 [9] 对四川省年平均风速时空演变规律进行分析，得出年平均风速存在9~13a小尺度、8~18a中尺度的周期变化规律。刘艳艳等 [10] 研究表明，河西地区平均风速、有效风速时数、有效风能均呈减少趋势，对风能利用有一定的影响。有学者 [11] 研究表明，风能的大小主要取决于风速的大小，风速的减小对风能影响很大。孙蕾等 [12] 研究表明，阿拉山口地区属风能较丰富区，其风能储量有一定的开发价值。

可见，国内已有许多学者都对不同区域风速及风能资源进行了分析，发现许多地区的风速都有明显减小的现象。本文在前人关于平均风速研究的基础上，将对该地区风速变化特征进行系统的分析，并对前人很少涉及风口区域的有效风速时数和有效风能密度进行细致研究，以期掌握塔城地区风速变化趋势，评估其风能资源，为合理开发利用风能资源、气候可行性论证、防灾减灾方面提供可靠的科学依据。

2. 研究区概况

塔城地区位于新疆西北部，中纬度内陆区，地处东经82˚16'~87˚21'、北纬43˚25'~47˚15'之间。独特的地形形成了塔城地区南北两大气候区，南部地区为乌苏、沙湾，位于新疆天山北坡，准噶尔盆地西南缘，气候属中温带准噶尔盆地干旱气候；北部地区为塔城、额敏、托里、裕民、和布克赛尔五站，位于塔额盆地，气候属中温带半干旱气候 [13] 。

3. 资料和方法

3.1. 资料

使用塔城地区1960~2020年7个国家地面气象观测站逐日平均风速观测资料，分析平均风速的变化趋势、突变和周期特征；在选取风口区域自动气象站资料时，进行了质量控制，剔除不完整资料及错误数据，选取2018~2021年3个风口区域自动气象站逐日10分钟平均风速观测资料，分析近4年风口区域有效风速时数和有效风能密度。季节划分为：春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)和冬季(12月~翌年2月)。

3.2. 研究方法

3.2.1. 线性倾向率法

运用一元线性回归方程方法对气象要素时间序列进行线性拟合 [14] ， $y\left(t\right)=a+bt$ 为线性趋势方程，其中y为气象要素，a为常数，b为回归系数，t为时间序列(1960~2020)，b × 10a为气候倾向率。b > 0表示要素呈上升(增加)趋势，b < 0表示要素呈下降(减少)趋势，|b × 10|大小表示要素变化速率，单位为：m/(s∙10a)。

3.2.2. Mann-Kendall突变检验

运用Mann-Kendall突变检验判断塔城地区近61a来风速时间序列是否发生过突变，如有，则求出突变点。Mann-Kendall是一种非参数的统计检验方法 [15] ，在M-K突变检测中，给定显著性水平α = 0.05，则临界值U0.05 = ± 1.96，将UF和UB曲线图与±1.96的2条临界直线绘在一张图上，若UF或UB超过临界直线，表明上升或下降趋势显著。如果UF和UB2条曲线出现交点，且交点在临界线之间，则可以判定交点便是突变点。

3.2.3. 小波分析法

小波分析方法能够反映时间序列的局部变化特征，可以看到每一时刻在各周期中所处的位置，能够更好地分析序列随时间的变化情况 [16] 。在一定的时间尺度下，小波系数能反映时间序列中所包含的某一时间尺度的周期震荡的强弱，而小波方差对应峰值处的尺度即为该序列的主周期 [17] 。利用平均风速来计算Morlet复小波系数的实部，借助Matlab、Suffer软件绘制小波系数实部等值线图，分析风速的周期变化。

3.2.4. 有效风能密度

风能密度指的是气流在单位时间内垂直通过单位面积的风能，是描述风能的一个重要参数 [6] [18] 。

$W=\frac{1}{2}\rho V^3$ (1)

式中，W为该时刻的风能密度，单位：W/m²；V为风速，单位：m/s；ρ为空气密度，单位：kg/m³。

根据逐日10分钟平均风速观测资料，利用风能密度公式计算各级风速下的能量，再将各等级风能之和除以总时数，即得到平均风能密度：

$\bar{W}=\frac{{\displaystyle \sum \frac{1}{2}{N}_i\rho V_i^3}}{N}$ (2)

式中，V_i为根据观测记录将10分钟平均风速分成的若干个等级值，如3, 4, 5…13 m/s (在实际计算时为消除误差，V_i应分别取其中间值3.5, 4.5, 5.5…13.5 m/s)；N_i为相应等级风速V_i的出现次数，即累积小时数；N为总时数。最后利用有效风速进行计算得到有效风能密度 [6] [18] [19] [20] 。

在海拔高度500 m以下时，一般取常温标准大气压下空气密度1.225 kg/m³，由于3个区域自动气象站海拔高度高于500 m，老风口区域自动气象站海拔598 m，铁厂沟区域自动气象站海拔869 m，乌雪特区域自动气象站海拔985 m，根据空气密度公式计算得出 [21] ：

$\rho =\left[1.276/\left(1+0.00366t\right)\right]\times \left[\left(p-0.378e\right)/1000\right]$ (3)

式中，p为平均大气压(hPa)；e为平均水汽压(hPa)；t为平均气温(℃)。

老风口区域自动气象站空气密度为1.162 kg/m³，铁厂沟区域自动气象站空气密度为1.131 kg/m³，乌雪特区域自动气象站空气密度为1.115 kg/m³。

4. 结果与分析

4.1. 风速的年际变化趋势

由图1可知，1960~2020年塔城地区年平均风速为2.35 m/s，最大风速为3.09 m/s (1962年)，最小风速为1.80 m/s (1992年)，极差为1.29 m/s。塔城地区年平均风速总体呈减少趋势，气候倾向率为−0.174 m/(s∙10a)，这与何毅等 [8] 研究南北疆年平均风速存在明显减少趋势的结果相一致。1960~1982年平均风速呈波动下降趋势，平均风速为2.77 m/s，1983~1992年呈直线下降趋势，最低降至为最小风速1.80 m/s，1993~2020年平均风速波动幅度较大，出现2个波峰、1个波谷，第1峰值在2004年(2.43 m/s)，第2峰值在2018年(2.44 m/s)，波谷在2013年(1.86 m/s)。

Figure 1. Variation trend of annual mean wind speed in the Tacheng area

图1. 塔城地区年平均风速变化趋势

由表1可以看出，北部地区年平均风速偏大为2.48 m/s，最大值出现在托里(2.86 m/s)，南部地区年平均风速偏小为2.02 m/s，最小值出现在沙湾(1.98 m/s)。塔城地区北部、南部年均风速均表现为减小趋势，北部气候倾向率为−0.15 m/(s∙10a)，南部气候倾向率为−0.23 m/(s∙10a)，其中南部乌苏减幅最大，北部额敏减幅最小。受独特地形和大气环流的共同影响，风速变化表现出显著的地域差异，年平均风速分布呈现出由南部向北部逐渐递减的趋势，其递减速率南部高于北部。

Table 1. Average wind speeds and climatic tendency rate in the northern and southern parts of the Tacheng region

表1. 塔城地区北部、南部平均风速及气候倾向率

4.2. 风速的年代际变化趋势

从表2可以看出，塔城地区年均和季节平均风速的年代际变化总体均呈减少趋势，距平值在1960~1969、1970~1979和1980~1989年为正，表明年平均风速偏大，其中1960~1969年风速偏大最为明显；1990~1999、2000~2009和2010~2020年距平值为负，表明年平均风速偏小，其中1990~1999年风速偏小最为明显。春、夏、秋季平均风速距平值与年平均风速距平值的变化趋势相同，只有冬季平均风速距平值在1980~1989年开始为负，较其他季节开始减少早10年。

Table 2. Annual and seasonal interdecadal wind speed averages and distance levels in the Tacheng area (unit: m/s)

表2. 塔城地区年、季节的年代际风速均值和距平值(单位：m/s)

4.3. 风速的季节变化趋势

采用气候倾向率法对塔城地区1960~2020年各季节平均风速的变化趋势进行分析，由图2(a)可以得出，春季平均风速为2.83 m/s，最大风速为3.76 m/s (1963年)，最小风速为2.24 m/s (2011年)，气候倾向率为−0.188 m/(s∙10a)；夏季平均风速为2.79 m/s，最大风速为3.74 m/s (1962年)，最小风速为2.08 m/s (1992年)，气候倾向率为−0.201 m/(s∙10a) (图2(b))；秋季平均风速为2.14 m/s，最大风速为2.84 m/s (1961年)，最小风速为1.58 m/s (1992年)，气候倾向率为−0.179 m/(s∙10a) (图2(c))；冬季平均风速为1.64 m/s，最大风速为2.31 m/s (1960年)，最小风速为1.18 m/s (1992年)，气候倾向率为−0.117 m/(s∙10a) (图2(d))。通过分析年均和四季平均风速的趋势变化发现，最大风速都在1962年左右，最小风速除春季在2011年，其他都出现在1992年，四季风速变化趋势与年平均风速变化趋势基本一致，均呈减小趋势，减幅夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季，这与张明军等 [22] 研究天山山区四季风速均呈减小趋势的结论相一致。

Figure 2. Variation trend of mean wind speed in the Tacheng region over the four seasons

图2. 塔城地区四季平均风速变化趋势

4.4. 风速的月变化趋势

由表3可以看出，近61年塔城地区月平均风速变化范围在1.6~3.1 m/s之间，4月、5月平均风速最大，均为3.1 m/s，次大值6月为2.9 m/s，1月和12月平均风速最小，均为1.6 m/s。1~12月平均风速均呈减少趋势，4月平均风速减少趋势最快，其气候倾向率为−0.23 m/(s∙10a)，其次9月为−0.22 m/(s∙10a)，12月平均风速减少趋势最慢，其气候倾向率为−0.11 m/(s∙10a)，这也印证了季节分析的结论。

Table 3. Monthly average wind speed in the Tacheng area

表3. 塔城地区月平均风速

4.5. 风速的突变检验分析

利用Mann-Kendall法对塔城地区年、季节平均风速进行突变检验分析，由图3可以看出，虽然年平均风速UF、UB值曲线相交于1980年，但交点在±1.96临界线外，表明近61年塔城地区年平均风速无突变发生。

从季节突变来看，春季、夏季和冬季平均风速的突变时间分别为1981年、1983年和1973年，其中冬季突变时间早于春、夏季，秋季平均风速UF、UB值曲线相交于1977年，交点在±1.96临界线外，表明秋季无突变发生。春、夏季突变年份与新疆风速突变发生在1983年左右的结果基本一致 [5] ，但与全国范围平均得到的突变点1969年结论不一致，说明风速的突变存在区域的差异性 [23] 。

Figure 3. M-K mutation test maps for annual and seasonal mean wind speed in the Tacheng area

图3. 塔城地区年及四季平均风速M-K突变检验图

4.6. 风速的周期分析

采用Morlet小波对塔城地区年平均风速时间序列尺度的周期性进行分析，从图4可以看出，塔城地区年平均风速在5~8年、15~20年和25~30年的时间尺度上存在周期性。以25~30年为周期的时间尺度变化最强，振荡中心的时间尺度为30年左右；以15~20年为周期的时间尺度变化次之，振荡中心的时间尺度为18年左右；以5~8年为周期的时间尺度变化最弱，振荡中心的时间尺度为7年左右。由以上分析可知，塔城地区年平均风速在整个时间尺度上存在7、18和30年左右的周期性规律，其中风速在30年左右的周期震荡最明显，说明30年左右为风速变化的主周期。

Figure 4. Real part contour of Morlet wavelet coefficient of annual average wind speed in Tacheng area

图4. 塔城地区年平均风速Morlet小波系数实部等值线

4.7. 风口区域风能资源状况

近4年塔城地区风口区域年平均风速为5.0 m/s，铁厂沟站最大(5.56 m/s)，其次为乌雪特站(5.11 m/s)，老风口站最小(4.36 m/s)；风口区域年平均大风日数为103 d，瞬间风速 ≥ 17.2 m/s的风。由此可以看出，风口区域年平均风速明显高于平原地区，并且年平均风速也达到风力机的起动风速(3 m/s)，因此对该区域风能资源有效持续开发利用有重要参考价值。

4.7.1. 风能资源分区划分标准

根据有效风能密度的大小和全年有效风速累积小时数作为区划指标，把我国风能划分风能丰富区、较丰富区、可利用区和风能贫乏区4个区 [24] [25] 。

4.7.2. 风口区域有效风速时数

风力发电机的起动风速是3 m/s，终止风速是25 m/s，在风口区域10分钟平均风速达到12 m/s以上时，极大风速往往会超过25 m/s，风力机就要停机 [12] ；因而有效风速时数则是统计出10分钟平均风速在3~12 m/s之间的小时数。由表4统计得出，3个风口区域气象自动站年平均有效风速时数为4527 h。

Table 4. Effective wind speed hours of 10 min average wind speed between 3~12 m/s in the tuyere area (unit: h)

表4. 风口区域10 min平均风速在3~12 m/s之间的有效风速时数(单位：h)

4.7.3. 风口区域各月及年平均有效风能密度

由表5可以得出，风口区域平均有效风能密度2018年是190 W/m²，2019年是193 W/m²，2020年是196 W/m²，2021年是202 W/m²，年平均有效风能密度是195 W/m²。

近4年风口区域平均有效风能密度12月最大(268 W/m²)，其次是3月(237 W/m²)，8月最小(127 W/m²)。根据风口区域年平均有效风速时数4527 h和年平均有效风能密度195 W/m²，符合风能资源区划指标较丰富区(见表6)。

Table 5. Monthly effective wind energy density in the tuyere area (unit: W/m2)

表5. 风口区域各月有效风能密度(单位：W/m²)

Table 6. Wind energy zoning indexs

表6. 风能分区指标

5. 结论

1) 1960~2020年，塔城地区年均和各季节平均风速均表现出不同程度减小的趋势，年均和春、夏、秋季平均风速在90年代后风速开始减少，冬季较其他季节开始减少早10年。年平均风速分布特征呈现出由南部向北部逐渐递减的趋势。

2) 由M-K法分析得到，塔城地区年和秋季平均风速均未发生突变，春、夏季突变年份与新疆风速突变发生在1983年左右的结果基本一致，冬季在1973年发生突变，早于春、夏季，说明风速的突变存在区域的差异性。

3) 小波分析发现，塔城地区年平均风速在5~8年、15~20和25~30年的时间尺度上存在周期性，其中30年左右为风速变化的主周期。

4) 塔城地区风口区域属于风能资源较丰富区，对塔城地区调整改善能源结构、风能资源有效持续开发利用具有很大的价值。

以上初步分析了风口区域风能资源状况，相较于前人的研究，本文选取的区域自动气象站多位于风区一线，对风口区域有效风速时数和有效风能密度变化特征进行详细分析，更具有代表性；然而，影响风速变化的因子很多，大气环流、气候变暖以及城市化进程等因素都会对风能资源开发利用产生影响 [10] ，在未来的研究中，要对影响风速变化的因素进行全面分析，为后期深入研究风能资源精细化评估提供参考。