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作者：張毅

在全球及中國氣候顯著變暖的背景下，中國風(fēng)能資源的變化趨勢、不同區(qū)域的風(fēng)能資源變化特征的差異性等是國家合理制定風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃和風(fēng)電上網(wǎng)價格所必須考慮與亟待研究的問題。

    近年開展了一系列針對風(fēng)能資源平均狀態(tài)變化特征的研究。利用近50年中國氣象站觀測資料對中國區(qū)域近地層風(fēng)速變化的分析研究表明，中國區(qū)域近地層年平均風(fēng)速呈現(xiàn)明顯的減小趨勢。但就其主要原因是否由于氣象臺站所在城市的城市化發(fā)展造成的仍存在明顯分歧。

目前，中國近地層風(fēng)速的周期變化特征、風(fēng)電場區(qū)城的風(fēng)速和風(fēng)能變化規(guī)律等方面的研究較少。本文以3個風(fēng)能資源開發(fā)利用的典型地區(qū)為對象，在仔細(xì)挑選氣象參證站并對其測風(fēng)沿革數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正后，系統(tǒng)研究了近40年來中國典型地區(qū)風(fēng)電場區(qū)域平均風(fēng)速的變化趨勢和周期變化特征。

1風(fēng)資源分析數(shù)據(jù)與方法

1.1典型地區(qū)的選取

    典型地區(qū)的選取原則：①風(fēng)能資源豐富地區(qū)；②典型地區(qū)間具有不同的風(fēng)能資源成因特征；③具有較長較完整的風(fēng)電場實(shí)測風(fēng)速和風(fēng)功率數(shù)據(jù)：④風(fēng)電場周邊具有良好自然環(huán)境，且有與風(fēng)電場實(shí)測風(fēng)速相關(guān)的氣象參證站。

本文選取了黑龍江富裕、山東榮成和內(nèi)蒙古巴盟3個典型地區(qū)（圖1）作為研究對象，其中，黑龍江富裕代表了中國東北地區(qū)風(fēng)能資源特點(diǎn)，冬春季的東支寒潮是該地區(qū)風(fēng)能資源的主要成因；山東榮成代表了中國東部沿海地區(qū)風(fēng)能資源特征，沿海大風(fēng)、海陸風(fēng)和北方冷空氣是該地區(qū)風(fēng)能資源主要成因；內(nèi)蒙古巴盟代表了中國北方中部地區(qū)風(fēng)能資源特征，北方冷空氣南下是該地區(qū)風(fēng)能資源的主要成因。

1.2風(fēng)資源分析可用數(shù)據(jù)

    每個典型地區(qū)有3類數(shù)據(jù)，包括能代表風(fēng)電場風(fēng)能資源的測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)（簡稱測風(fēng)塔數(shù)據(jù)）、風(fēng)機(jī)輪轂的實(shí)測數(shù)據(jù)（簡稱風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)）、與典型地區(qū)具有相似的地形地貌和天氣特征的長期氣象參證站數(shù)據(jù)（簡稱氣象參證站數(shù)據(jù)）。

1.2.1測風(fēng)塔數(shù)據(jù)

本文收集了3個典型地區(qū)風(fēng)電場內(nèi)的4座測風(fēng)塔自2008年1月～2013年12月每10 min的實(shí)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要包括平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度等要素（表1）。測風(fēng)塔有效數(shù)據(jù)完整率超過90%，符合風(fēng)電場風(fēng)能資源評估的國家標(biāo)準(zhǔn)要求，也滿足本文研究需要。

1.2.2風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)

    本文收集整理了3個典型地區(qū)內(nèi)風(fēng)電場的47臺風(fēng)機(jī)自2008年1月～2013年12月的每

10 min風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、最大風(fēng)速、有功功率數(shù)據(jù)，各風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)完整率超過90%(表1)。

1.2.3氣象站參證站數(shù)據(jù)

  收集整理了3典型地區(qū)與參考風(fēng)電場地形、地貌和天氣特征都相似的22個氣象站數(shù)據(jù)，如表2所示。氣象站數(shù)據(jù)主要分為兩個時間段：一是2008年1月至2013年12月的每日4次平均風(fēng)速、最大風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，該段數(shù)據(jù)與典型地區(qū)風(fēng)電場數(shù)據(jù)時間段一致，主要用來研究風(fēng)電場風(fēng)速和風(fēng)能變化特征與氣象參證站風(fēng)速和風(fēng)能變化特征的關(guān)系：二是1961年1月至2013年12月月平均風(fēng)速、最大風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)主要用來研究風(fēng)電場區(qū)域風(fēng)速和風(fēng)能的長期變化趨勢和周期變化特征等�？紤]到臺站沿革對測風(fēng)數(shù)據(jù)的影響，因此在以上挑選的基礎(chǔ)上，再根據(jù)氣象參證站遷址、測風(fēng)儀器變更的次數(shù)及影響、城市化影響以及氣象參證站與測風(fēng)塔風(fēng)速或風(fēng)機(jī)風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系等因素，分別于黑龍江富裕、山東榮成和內(nèi)蒙古巴盟典型地區(qū)挑選出齊齊哈爾(50745)、泰來(50844)、克山(50658)、成山頭(54776)、威海

(54774)、海陽(54863)、滿都拉(53149)、達(dá)爾罕聯(lián)合旗(53352)、海力素(53231)和東勝(53543)等氣象參證站（表2）。為了進(jìn)一步減小氣象參證站沿革的影響，本研究根據(jù)臺站沿革信息對挑選出來的測站長期序列觀測材料進(jìn)行均一化訂正。

1.3計(jì)算方法

1.3.1變化趨勢計(jì)算方法

用Xk表示樣本量為n的某一氣候變化，用“表示Xk所對應(yīng)的時間，建立X與tk之間的一元線性回歸

式中：a是回歸常數(shù)：b為回歸系數(shù)：a和b由最小二乘進(jìn)行估算。

    對觀測數(shù)據(jù)x及相應(yīng)的時間t。，回歸系數(shù)6和常數(shù)a的最小二乘估計(jì)為

    當(dāng)回歸系數(shù)6為正值（或負(fù)值）時表示氣候變量上升（或下降）趨勢，即變化趨勢。

1.3.2小波周期分析方法

    小波分析亦稱多分辨分析，是傅里葉分析方法的突破性進(jìn)展。小波變換不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯現(xiàn)出變化的時間位置和周期特征，具體算法參考文獻(xiàn)11。

2近年風(fēng)資源變化特征

2.1平均風(fēng)速與發(fā)電量變化

總體上來說，內(nèi)蒙古巴盟近幾年風(fēng)速呈減小趨勢，如圖2所示。2006～2013年，測風(fēng)塔70，50，30和10 m高度風(fēng)速每10年分別減小1.58，1.51，0.83 m/s和0.94 m/s。隨著高度增加，平均風(fēng)速增大，平均風(fēng)速減小幅度也更加明顯。2009～2013年，巴盟地區(qū)28#，31#和33#3臺風(fēng)機(jī)平均風(fēng)速也呈減小趨勢，且風(fēng)機(jī)上平均風(fēng)速減小程度比測風(fēng)塔輪轂高度風(fēng)速的減小程度顯著（圖2，表3）。2009～2013年，3臺風(fēng)機(jī)平均有功功率每年減小42.7 kW，其中不排除異常停機(jī)情況。

對于山東榮成典型地區(qū)來說，2008—2012年，風(fēng)機(jī)和氣象站平均風(fēng)速呈減小趨勢，平均每10年減小0.14 m/s和0.55 m/s，有功功率每年減小4.4kW（圖3，表2）。該地區(qū)測風(fēng)塔數(shù)據(jù)為2008年7月—2012年8月，使用該數(shù)據(jù)計(jì)算2008～2012年平均風(fēng)速變化趨勢呈增大趨勢。但是考慮到2008年和2012年每年只有半年數(shù)據(jù)，不能代表全年風(fēng)速，因此僅計(jì)算2009—2011年年平均風(fēng)速變化趨勢，結(jié)果表明呈減小趨勢，70，50 m和30 m每10年分別減小1.15，1.15 m/s和1.25 m/s。

    2008～2013年（2013年截至8月）黑龍江富裕典型地區(qū)70 m和50 m高度測風(fēng)塔平均風(fēng)速呈減小趨勢，平均每10年減小1.26 m/s：2008—2012年各層平均風(fēng)速也呈減小趨勢；氣象站同期平均風(fēng)速每10年減小0.35 m/s(圖2，3；表3)。該地區(qū)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)時間段為2010.04—2013.08，年平均風(fēng)速呈增加趨勢，但考慮到分析長期變化趨勢，該地區(qū)數(shù)據(jù)時間段較短，應(yīng)與后面的周期特征綜合看待。

3近40年風(fēng)資源變化特征

3.1變化趨勢特征

由圖4和表4可知，1972～2003年黑龍江富裕、山東榮成和內(nèi)蒙古巴盟3個典型地區(qū)的長期序列氣象參證站的歷年平均風(fēng)速均呈明顯的減小趨勢。①黑龍江富裕的3個長期氣象參證站的風(fēng)速變化趨勢非常一致，均呈明顯的減小趨勢，且每10年減小0.27—0.32  m/s；②山東榮成的3個氣象參證站風(fēng)速變化趨勢也呈明顯的減小趨勢，但是3個測站變化幅度差異較大，其中威海(54774)減小程度最大，為平均每10年減小0.463 m/s;成山頭(54776)減小程度最小，為平均每10年減小0.018m/s。威海歷年平均風(fēng)速減小程度較大除受氣候變化背景影響外，還與周邊城市化發(fā)展有關(guān)。③內(nèi)蒙巴盟的3個氣象參證站風(fēng)速變化趨勢也呈明顯的減小趨勢，且平均每10年減小0.153～0.367 m/s。④從3個典型地區(qū)平均變化趨勢來看，黑龍江富裕地區(qū)的變化趨勢最顯著，其次是內(nèi)蒙古巴盟，山東榮成最小。

3.2變化周期特征

在平均風(fēng)速長期呈減小趨勢的變化背景下，黑龍江富裕地區(qū)平均風(fēng)速準(zhǔn)14年的周期特征比較突出（圖5），其中1974—1979,1992—1995，2005—2013年這幾段時期是風(fēng)速相對較小的時期，其它時段是風(fēng)速較大時期。該地區(qū)還存在準(zhǔn)7年的小周期，這個周期信號明最弱于14年周期的信號。此外，可能還存在準(zhǔn)40年以上的大周期，但是由于資料時間較短，這個周期信號還有待于進(jìn)一步研究。目前黑龍江富裕典型地區(qū)處于較強(qiáng)小風(fēng)信號周期中。

在風(fēng)速長期呈減小趨勢的變化背景下，山東榮成典型地區(qū)平均風(fēng)速的準(zhǔn)16年和準(zhǔn)30年周期比較突出，如圖6所示。此外，該地區(qū)準(zhǔn)6年的小周期信號也比較強(qiáng)。這幾種信號較強(qiáng)的周期相互疊加，形成真實(shí)的風(fēng)速周期變化特征。目前，山東榮成處于小風(fēng)信號期間，但受到準(zhǔn)6年周期信號的影響，可能將進(jìn)入偏大風(fēng)速信號期間，但是由于準(zhǔn)16年和準(zhǔn)30年周期仍處于小風(fēng)期間，因此，該期間的較大風(fēng)速可能會很弱。

在長期呈減小趨勢的變化背景下，內(nèi)蒙古巴盟典型地區(qū)平均風(fēng)速準(zhǔn)3—4年周期信號比較突出，如圖7所示。此外，還存在準(zhǔn)14年和準(zhǔn)30年的周期，但這兩種周期的信號明顯弱于準(zhǔn)3～4年的周期信號。這幾種信號較強(qiáng)的周期相互疊加，形成真實(shí)的風(fēng)速周期變化特征。目前，內(nèi)蒙古巴盟處于小風(fēng)期間，考慮受到3～4年周期信號的影響，可能將進(jìn)入偏大風(fēng)速期間，但由于準(zhǔn)14和30年周期仍處于小風(fēng)期間，因此，該期間的較大風(fēng)速可能不會很強(qiáng)。

4結(jié)語

    近40年（1972—2013年）來，黑龍江富裕、山東榮成和內(nèi)蒙古巴盟3個典型地區(qū)年平均風(fēng)速均呈明顯的減小趨勢。黑龍江富裕典型地區(qū)的變化趨勢最顯著，每10年風(fēng)速變化為0.293 m/s;其次是內(nèi)蒙古巴盟，每10年風(fēng)速變化為0.248 m/s;減小趨勢最小的是山東榮成，每10年風(fēng)速變化為0.205 m/s。平均風(fēng)速的減小，有可能減小風(fēng)電場可利用小時數(shù)，降低總有效功率和發(fā)電量。黑龍江富裕平均風(fēng)速存在較突出的準(zhǔn)14年周期特征，山東榮成存在準(zhǔn)16和準(zhǔn)30年周期特征，內(nèi)蒙古巴盟的準(zhǔn)3—4年周期信號比較突出，同時存在準(zhǔn)14年和準(zhǔn)30年周期特征。在較小風(fēng)速周期時間段，風(fēng)電場可利用小時數(shù)可能相對較少，而在較大風(fēng)速周期時間段，風(fēng)電場可利用小時較多，有利于發(fā)電量的增加。

    內(nèi)蒙古巴盟的測風(fēng)塔數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)和參考?xì)庀笳緮?shù)據(jù)都顯示近幾年（測風(fēng)塔和氣象站數(shù)據(jù)為2006—2013年；風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)為2009—2013年）平均風(fēng)速呈較明顯的減小趨勢，有功功率也呈減小趨勢。從該地區(qū)周期特征來看，2006～2013年是一個準(zhǔn)30年周期的小風(fēng)速期間背景。在這個小風(fēng)期背景下，2006～2010年出現(xiàn)一個準(zhǔn)3～4年的大風(fēng)期，之后很快又進(jìn)入小風(fēng)期。因此，2009～2013年的平均風(fēng)速和有功功率的減小趨勢更顯著。值得注意的是，2009—2013年的減小趨勢主要原因還是受到準(zhǔn)周期特征的影響，不能代表平均風(fēng)速和有功功率的長期變化特征。山東榮成測風(fēng)塔數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)和參考?xì)庀笳緮?shù)據(jù)顯示，近幾年（測風(fēng)塔數(shù)據(jù)為2009—2011年：風(fēng)機(jī)和氣象站數(shù)據(jù)為2008—2012年）平均風(fēng)速呈減小趨勢，有功功率也呈減小趨勢。其中，風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)的減小趨勢明顯小于內(nèi)蒙古巴盟風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)的減小趨勢，主要原因是分析時間段所在準(zhǔn)周期位置略有不同。2008～2012年山東榮成處在準(zhǔn)16和準(zhǔn)30年周期疊加的小風(fēng)速周期期間，其中2010年前后有一個弱小的大風(fēng)期間高頻擾動。黑龍江富裕測風(fēng)塔數(shù)據(jù)顯示2008～2013年平均風(fēng)速呈減小趨勢。該典型區(qū)域2006～2013年是一個30年準(zhǔn)周期和14年準(zhǔn)周期小風(fēng)速期間疊加的一個非常顯著的小風(fēng)期背景，2009—2010年期間存在一個非常弱小的大風(fēng)期擾動。

    每個典型地區(qū)平均風(fēng)速都存在較明顯低頻準(zhǔn)周期和高頻準(zhǔn)周期，但不同地區(qū)準(zhǔn)周期特征不盡相同，在進(jìn)行年度考核時考慮周期特征可能更符合自然的變化特征從而更合理。當(dāng)然，某地區(qū)年發(fā)電量除了受到風(fēng)速變化的影響外，還受到各種天氣氣候系統(tǒng)的影響。不同地區(qū)影響的主要天氣氣候系統(tǒng)也有所不同，如中國北方大部地區(qū)低溫可較大影響到風(fēng)力發(fā)電；中國東南沿海地區(qū)，臺風(fēng)既能帶來豐富的風(fēng)能資源，也能帶來災(zāi)害性風(fēng)險(xiǎn)；中國西南部分地區(qū)覆冰可較大影響風(fēng)力發(fā)電。因此，僅用大風(fēng)年或小風(fēng)年的風(fēng)速年景來評估風(fēng)電場年度發(fā)電情況是不夠的。

值得注意的是，近地層風(fēng)速和風(fēng)能都具有局地性強(qiáng)、影響復(fù)雜等特征。地形、地貌，甚至周邊人文環(huán)境的微小改變會給風(fēng)速的測量造成顯著的影響，這使得分析研究風(fēng)及風(fēng)能的變化存在很大困難和不確定性。風(fēng)電機(jī)組有功功率是考察風(fēng)能利用最重要的指標(biāo)之一，利用有功功率的變化，分析風(fēng)能資源的變化，還應(yīng)考慮風(fēng)電機(jī)組隨著時間的推移，風(fēng)機(jī)存在一定的自身磨損，發(fā)電效率有所降低。因此，利用風(fēng)電機(jī)組的有功功率變化分析風(fēng)能資源變化，也存在一定的不確定性。為了更科學(xué)地評估風(fēng)電場發(fā)電年景，仍需開展更進(jìn)一步的研究。

5摘要：通過對風(fēng)電場測風(fēng)塔近5年風(fēng)速和周邊氣象站近40年風(fēng)速的變化趨勢、周期特征分析研究發(fā)現(xiàn)：①過去40多年（1972—2013年）黑龍江富裕、山東榮成和內(nèi)蒙古巴盟3個典型地區(qū)年平均風(fēng)速均呈明顯減小的變化趨勢；②平均風(fēng)速的減小，有可能減小風(fēng)電場可利用小時數(shù)，降低總有效功率和發(fā)電量；③黑龍江富裕平均風(fēng)速存在較突出的準(zhǔn)14年周期特征，山東榮成存在準(zhǔn)16年和準(zhǔn)30年周期特征，內(nèi)蒙古巴盟的準(zhǔn)3—4年周期信號比較突出，同時存在準(zhǔn)14年和準(zhǔn)30年周期特征；④每個典型地區(qū)平均風(fēng)速都存在較明顯低頻準(zhǔn)周期和高頻準(zhǔn)周期，但不同地區(qū)準(zhǔn)周期特征不盡相同，各種周期的疊加形成該地區(qū)的風(fēng)速年景。在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電年度考核時，如能考慮到周期特征將更符合自然的變化特征。文章將氣候變化情景模擬成果應(yīng)用于風(fēng)能資源開發(fā)利用研究，對3個典型區(qū)域風(fēng)電開發(fā)中的規(guī)劃選址、風(fēng)能評估、風(fēng)險(xiǎn)分析等起到很好的指導(dǎo)作用和科學(xué)支撐。