1. 引言
近年来，我国正处于经济发展转型升级的关键时期，各行各业对能源的需求不断增加，而传统化石能源因存量的有限及对环境的污染问题亟需向新能源方向的转变。随着可持续发展理念的持续推进，国家对清洁能源的应用需求提高到一个高度，结合乡村振兴战略，启动“千乡万村驭风计划”和“千乡万村沐光行动”。风能作为可再生能源之一，因其应用技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景，在风力发电领域受到各级政府的高度重视和国家产业政策的重点支持，近年来风电行业装机迎来爆发式增长[1]。
随着风电产业的逐渐普及，风电技术发展所面临的问题也日益突出。当前风电技术主要针对高风速大容量地区，所以目前商业化运行的风电场大都位于远离人口聚居地的偏远地带或者高山区，由此带来了基础建设、电力输送、监控管理、设备维护、安全运行和使用寿命等诸多方面的难题，这些问题不仅大大增加了风电技术的难度，还提高了风电的使用成本。自然环境中风力的变化和不连续性也给风电的应用造成了困扰，风电直接接入传统电网会造成明显的电力波动，大量风电的接入可能导致传统电网的瘫痪[2]。面对以上困境，风电技术发展出现两极分化的趋势。一方面，传统风电技术向超大型高速风电机组发展；另一方面，小型微风低速发电机正在逐渐兴起。低速微风发电机具有宽泛的适应性和灵活性，正逐渐向城市地区渗透。城市是人口聚集的地区，电力需求最大。在城市地区现场发电，就地使用将非常有效地解决风力发电成本过高的问题。因此，微风发电对于扩大风电技术的应用范围，降低实施难度和使用成本等方面起着日益重要的作用，分散式微风发电具有环境适应性强、损耗低、操作简单、建设边界限制条件较少等方面优势[3]。
微风发电的启动风速因具体的技术和设备而异。一些微风发电机采用全球领先的“垂直式多叶片万向风能系统”机组设计及生产，其启动风速可以低至1.0 m/s。这种设计突破了传统三叶片风力发电启动风速5 m/s的条件，使得微风发电机在更低的风速下就能有效发电。一般来说，微风发电满负荷运转所需的微风风速范围在3 m/s到8.5 m/s之间，这个风速范围是根据微风发电机的设计特性和运行效率来确定的[4]。由于分散式微风发电的选址开发对提升低风速区域风能资源利用水平至关重要，因此，需要针对不同地区气候资源条件进行深入分析，研究采用不同机型、塔筒高度等的适用方案，有助于加强设备选型研究[5]。
本文基于湖州中尺度自动站资料，针对湖州微风风场年际、季节、月、日变化以及各时段微风占比情况，结合地形条件，分析微风风场空间分布特征，为微风发电提供参考。
2. 资料与方法
对湖州中尺度自动站小时数据库进行查询分析，获取了近10年(2014~2023年)全市249个站点微风小时频次数据，并与全风速小时频次进行对比，得到微风所占比率，计算了全市所有站点的微风比率数据。
为保证数据的完整性和代表性，对数据进行预处理，剔除掉时间总长度少于一年的风速数据共28个站点。为了具有代表性，选取2分钟和10分钟平均风速，按照各风速级别，利用python绘制出湖州全市221个站点微风风速比率的散点分布图，从中可以比较清晰的看出各级别风速在全市的分布情况。
3. 微风风速分析
3.1. 0~2 m/s微风风速分布
由图1可见，2分钟和10分钟平均的0~2 m/s微风分布情况基本一致，除了太湖沿岸及高山区比率较小外，全市大部分站点均超过50%，湖州市县中心城区附近及部分低海拔山区比率甚至超80%，说明0~2 m/s微风在上述地区占比非常大。
3.2. 2~6 m/s微风风速分布
由图2可见，2分钟和10分钟平均的2~6 m/s微风分布情况基本一致，均是在湖州东部、北部平原和太湖沿岸及个别高山区比率较大，超过50%，而全市其他大部地区在20%~50%。
3.3. 6~10 m/s微风风速分布
由图3可见，2分钟和10分钟平均的6~10 m/s微风分布情况基本一致，绝大部分都在10%以下，说明6 m/s以上的平均风在湖州全年里发生频率很小。
(a)
(b)
Figure 1. Distribution of wind speeds ranging from 0~2 m/s in Huzhou from 2014 to 2023. (a) 2-minute average wind speed; (b) 10-minute average wind speed
图1. 2014~2023年湖州全市0~2 m/s风速分布。(a) 2分钟平均风；(b) 10分钟平均风
(a)
(b)
Figure 2. Distribution of wind speeds ranging from 2~6 m/s in Huzhou from 2014 to 2023. (a) 2-minute average wind speed; (b) 10-minute average wind speed
图2. 2014~2023年湖州全市2~6 m/s风速分布。(a) 2分钟平均风；(b) 10分钟平均风
(a)
(b)
Figure 3. Distribution of wind speeds ranging from 6~10 m/s in Huzhou from 2014 to 2023. (a) 2-minute average wind speed; (b) 10-minute average wind speed
图3. 2014~2023年湖州全市6~10 m/s风速分布。(a) 2分钟平均风；(b) 10分钟平均风
3.4. 10~12 m/s风速分布
由图4可见，2分钟和10分钟平均的10~12 m/s风速分布情况基本一致，绝大部分都在1%以下，说明10 m/s以上的平均风在湖州全年里微乎其微。
(a)
(b)
Figure 4. Distribution of wind speeds ranging from 10~12 m/s in Huzhou from 2014 to 2023. (a) 2-minute average wind speed; (b) 10-minute average wind speed
图4. 2014~2023年湖州全市10~12 m/s风速分布。(a) 2分钟平均风；(b) 10分钟平均风
4. 微风风向频率分析
根据上述关于微风风向的统计，6 m/s以上的风发生几率较小，故仅对6 m/s以下的微风进行分析，而考虑0~2 m/s实际应用价值不大，故针对2~6 m/s的风向进行统计并计算比率，并绘制风向频率图(图略)。
因为风向具有一定的随机性，选择有代表性的站点进行分析。首选代表市县中心城区的城市站：湖州(K5454)、南浔(K5004)、德清(K5079)、安吉(58446)、长兴(58443)，另外选取太湖湖岸及高山站：幻娄(K5001)、金融小镇(K5002)、云上草原(K5170)、莫干山(K5005)。
4.1. 城市代表站
湖州(58450)站2014~2023年累计风向频率为ESE最多，占比15.0%，其次为WNW，占比14.9%，E第三，占比9.3%，SE第四，占比8.9%。
南浔(K5004)站2014~2023年累计风向频率为E最多，占比18.7%，其次为NW，占比13.0%，NNW第三，占比10.1%，NNE第四，占比8.9%。
德清(K5079)站2014~2023年累计风向频率为E最多，占比18.5%，其次为ENE，占比12.4%，NW第三，占比11.3%，NNW第四，占比11.0%。
安吉(58446)站2014~2023年累计风向频率为ESE最多，占比21.3%，其次为SE，占比14.5%，NNW第三，占比12.6%，N第四，占比12.2%。
长兴(58443)站2014~2023年累计风向频率为E和ENE最多，占比均达到了14.9%，其次NE，占比10.1%，NNE第三，占比8.6%，WNW第四，占比7.9%。
4.2. 太湖沿岸站
幻娄(K5001)站2014~2023年累计风向频率为SE最多，占比14.4%，其次NE，占比11.0%，ENE第三，占比8.9%，NW第四，占比8.4%。
金融小镇(K5002)站2014~2023年累计风向频率为SSE最多，占比15.5%，其次为NNE，占比14.9%，SE第三，占比11.9%，N第四，占比11.7%。
4.3. 高山站
云上草原(K5170)站2019~2023年累计风向频率为SSW最多，占比31%，其次为NNW，占比25.9%，E第三，占比13.1%，S第四，占比12.3%。
莫干山(K5005)站2014~2023年累计风向频率为E最多，占比19.1%，其次为ESE，占比18.1%，WNW第三，占比13.0%，NNW第四，占比6.3%。
5. 微风年际、月际及季节、日变化分析
5.1. 年际变化
统计了2014~2023年湖州各县区国家站或城市代表站逐年累计2~6 m/s微风小时数，从图5可见，近10年各站总体均呈缓慢下降趋势，这可能与城市化效应有关，观测站周边的建筑物高度升高对风力有一定降速作用。各站对比来看，湖州、长兴较多，最多为湖州(58450)站2014年达4814小时，德清、南浔较少，最少为南浔(K5004)站2023年仅为1066小时。
Figure 5. Annual cumulative hours of light wind (2~6 m/s) at representative stations in Huzhou districts and counties from 2014 to 2023
图5. 湖州各县区代表站2014~2023年逐年累计微风(2~6 m/s)小时数
5.2. 月际变化
统计了2014~2023年湖州各月累计2~6 m/s微风小时数，并进行10年平均，从图6可见，3~5月和8月微风小时数为最多，因10分钟平均风力绝大部分都分布在6 m/s以下，分析可知上述几个月微风风力相对较大，其中3、4月最多，分别达368小时、363小时，而11月最少，仅为278小时。
5.3. 季节变化
经各月累计分别可得平均四季微风小时数，从图7可见，各季差异较明显，其中春季2~6 m/s微风小时数明显最多，累计平均时长达到了1088小时，而秋、冬季最少，分别为923、922小时，夏季居中，为995小时。
5.4. 日变化
统计了2014~2023年湖州各县区国家站或城市代表站逐时累计2~6 m/s微风小时数，从图8可见，近10年各站日变化总体均呈单峰型。中午到傍晚微风小时数较多，对应风力较大，峰值一般出现在14时、15时，而夜间微风小时数较少，对应风力较小，谷值一般出现在02~06时，这与常规风力分布基本一致。各站对比来看，湖州、长兴较多，最多为长兴(58443)站14时、15时分别达2845、2843小时，德清、南浔较少，最少为德清(K5079)站02时、05时，分别仅为192、197小时。
Figure 6. Average monthly hours of light wind (2~6 m/s) at Huzhou from 2014 to 2023
图6. 湖州2014~2023年平均逐月微风(2~6 m/s)小时数
Figure 7. Seasonal average hours of light wind (2~6 m/s) at Huzhou from 2014 to 2023
图7. 湖州2014~2023年平均四季微风(2~6 m/s)小时数
Figure 8. Hourly aggregated light wind (2~6 m/s) duration at representative stations in Huzhou districts and counties from 2014 to 2023
图8. 湖州各县区代表站2014~2023年逐时累计微风(2~6 m/s)小时数
6. 结论
(1) 湖州微风主要集中0~2 m/s和2~6 m/s区段，湖州东部、北部平原和太湖沿岸及个别高山区比率超过50%，这些区域微风资源相对比较丰富。
(2) 2~6 m/s微风主风向频率按不同类型站点分布为：城市站湖州、安吉ESE，德清、南浔E，长兴E、ENE，湖岸站SE到SSE，高山站云上草原SSW，莫干山E。
(3) 2~6 m/s微风年际、月际和季节、日变化具有如下特点：占比近10年呈缓慢下降趋势；3~5月和8月风力相对较大；春季风力较大，夏季次之，秋、冬季最小；日变化总体均呈单峰型，中午到傍晚微风风力较大，峰值一般出现在14时、15时，而夜间微风风力较小，谷值一般出现在02~06时。微风总时长对比，湖州、长兴较多，德清、南浔较少。
基金项目
湖州市公益性应用研究项目“多模式精细化降水预报产品在安吉两库水资源调度中的应用研究(2023GZ63)”资助。