福建省风速变化的趋势分析及可能原因探讨

来源:用户上传      作者: 吴 滨 林秀芳

　　1引言
　　 为了应对气候变化,减少温室气体的排放,国家颁布了《中华人民共和国可再生能源法》,大力开发可再生能源,风能作为清洁的可再生能源将在今后的能源结构中占重要一席。福建省地处台湾海峡西岸,受海峡“峡管效应”的影响,风资源相当丰富,尤其是沿海地区。
　　 在气候变暖的背景下,全国风速存在着逐年变小的趋势[1-5],王遵娅[1]指出近几十年来中国风速减小的趋势非常显著,全国平均风速约减小了16 %,任国玉[2]指出全国风速减小的速率大于0.1m/s.10a。在风速明显减小的大背景下,仍有一些风速变化不明显的区域,王毅荣[6]通过研究河西走廊风速的变化认为没有显著的下降趋势,但存在阶段性变化。
　　 近年来我们在开展气象科技服务中发现福建省沿海台站的风速也呈明显减小的趋势,而内陆则有一些地区风速减小得则不明显。风速的变化相当复杂,受局地的地形特点、环流等诸多因素的影响非常大,本文试图研究福建全省各地风速变化的趋势、变化程度及变化的可能原因,重点研究沿海大风地区风的变化,为福建省风能资源的开发及气候可行性论证服务提供相应的背景依据。
　　2资料
　　 选取省内均匀分布的33个台站1961~2006年逐年逐月的平均风速资料。平潭海洋站1977~2006年年平均风速。
　　 由于风速受环境及地形的影响较大,因此资料选取的原则是观测环境变化小,站址变动少,且资料的完整性较好。由于20世纪60、70年代台站气象数据缺测较多,因此所选的这些台站还不免有个别月份缺测,对数据的订正采用站点与周边台站的相关进行订正。对这些台站的搬迁情况及风仪变动情况都进行了仔细调查。
　　3年、季平均风速的年际变化
　　 对全省年平均风速场进行EOF[7]展开,得到第一特征向量解释了98.84%的方差,反映了全省风速的共同特点,因此用第一时间系数来分析全省风速的时间变化特征。由图1可见,福建省年平均风速呈现明显的减小趋势,其趋势系数[8-9]为-0.899,超过了0.001的显著性水平,减小的幅度为每10年减少0.147m/s,略大于全国平均水平[3]。其中1971年风速最大,1997年风速最小。20世纪60年代风速呈现增大的趋势,1971年之后风速逐渐减小,2004年以后风速增大。
　　 任国玉[2]分析指出全国平均风速在20世纪60年代末以前变化不大;1969年风速显著增强,较高的风速维持到70年代中期,此后逐渐减小,福建省的变化基本与全国一致,较高的风速维持到1975年前后。
　　
　　图11961~2006年福建省年平均风速EOF展开第一时间系数变化曲线、趋势线及5年滑动平均
　　 就各个季节而言,我们以1、4、7、10月分别代表冬、春、夏、秋四季,同样对风速场进行EOF分解,采用第一时间系数做趋势分析,从表1中可以看出,四季的平均风速与年平均一样均呈减小的趋势,趋势系数均超过了0.001的显著性水平,其中减小最明显的季节为冬季和秋季,其减小幅度分别达0.179m/s.10a和0.172m/s.10a,夏季减小得最少,幅度为0.110m/s.10a。
　　表1福建省年平均及四季风速变化的趋势系数及回归系数
　　 趋势系数 回归系数(m/s.10a)
　　 年 -0.899 -0.147
　　 冬(1月) -0.853 -0.179
　　 春(4月) -0.760 -0.149
　　 夏(7月) -0.474 -0.110
　　 秋(10月) -0.610 -0.172
　　4各地风速变化特征
　　 就全省各地而言,年平均风速变化并非都是减小,闽中谷地风速的年趋势变化不明显,趋势系数大多未通过显著性检验,可以说是以自然变动为主,或有略微的增大,但这一地区的年平均风速本身就较小,大多为2米/秒左右,所以变化的趋势不明显,这种台站有10个,占30%;对于沿海地区及省内南北走向的两大山带地区风速减小的趋势相当显著,有23个站,其趋势变化系数达0.001的显著性水平。对于内陆一些风速趋势减小明显的地区,由于风速较小,虽然负的趋势系数较大,但风速减小的幅度并不大,每10年风速下降的幅度仅0.1米/秒左右,而沿海的大风地区风速降幅则较大,每10年降幅平潭达0.803米/秒、东山0.517米/秒,崇武0.445米/秒。
　　 对于各季而言,各地风速变化趋势的空间分布特点与其年平均风速相似,在此不一一复述。
　　
　　图2全省年平均风速趋势系数分布图
　　5代表站风速变化特点
　　5.1 代表站的的选取
　　 沿海地区是福建省风速最大同时也是变化最明显的地区,故在此我们选取5个代表站来研究其风速趋势变化特点。这几个站分别为:
　　 平潭站,位于福建省中部沿海一个海岛气象站,常年风速较大,年平均风速由20世纪80年代之前的6～7米/秒,下降至近年来的4～5米/秒。此站建站后1974年搬迁过1次,但20世纪80年代中期以后周边观测环境破坏较严重。
　　 平潭海洋站,为海洋局设立的气象观测站,与平潭气象站位于同一个岛上,但气象站在城关内,而海洋站则直接位于海边,其周边环境基本未改变。
　　 崇武站,福建南部沿海半岛上的国家基准气象站,常年风速较大,年平均风速6米/秒以上,建站以后从未搬迁过,观测环境变化较小。
　　 福州站,位于福州市区内一个独立的小山顶,年平均风速2.6米/秒。周边无遮挡,观测环境未破坏,站址未搬迁过。
　　 东山站,位于福建南部海岛气象站,年平均风速6.2米/秒,建站以后从未搬迁,观测环境变化较小。
　　 这几个站均位于福建南部沿海地区,平潭、崇武、东山为沿海地区风速最大的几个气象站,也是福建省风速指标站。
　　5.2 代表站风速趋势变化特点
　　 从图3及表2看出,平潭、崇武、东山三个站作为福建省沿海风速最大的几个气象站,其年及各季平均风速的减小趋势相当明显,其中崇武和东山变化的趋势系数及幅度基本相同,趋势系数为-0.87左右,风速减小的幅度为0.4～0.5m/s.10a,两站风速减小最明显的季节是冬季,其次是秋季,只是夏季减小的趋势不一致,崇武夏季风速减小的最少,东山则是春季,这两个站的观测环境变化较小。而平潭减小的趋势最大,其趋势系数达-0.945,减小幅度为0.8m/s.10a,与上述两站相比其风速减小最主要的因素是观测环境的破坏。这3个站的年风向频率夏季以SSW为主导风向,其余季节以NNE或NE为主导风向。
　　 对比分析平潭海洋站,近30年来风速也有较明显的减小趋势,其趋势系数为-0.674,减小幅度为0.448 m/s.10a,为了对比分析应用气象站近30年的风速计算其趋势系数(表3),崇武和东山两个站的趋势系数均为0.79左右,减小幅度分别为0.452 m/s.10a和0.527 m/s.10a,与平潭海洋站的趋势相当,略大于海洋站。而平潭气象站的减小趋势则非常明显,远超过其附近的海洋站,其趋势系数达-0.928,幅度为-0.908 m/s.10a,相当于风速每10年减小1m/s,表明平潭气象站从1977年之后风速减小相当显著。
　　 福州站风速没有减小,其变化趋势与沿海台站有较大的差异,风速的这种变化可能与其地形环境有较大的关系,福州为沿海靠内陆的台站,处于一个小盆地中,年平均风速仅2.6m/s,北面及东面为海拔较高的山体阻挡,致使在沿海地区本应以NE为主的盛行风向变为SE为主导风向,其中春夏季以SE为主,秋冬季以N或NW风为主,沿海地区秋冬季是风速最大的季节,夏季风速最小,而福州风速的月变化特点是夏季最大,秋季其次,冬、春季相当,且季节间的风速差仅为0.7m/s。因此其受沿海冬季大风的影响较小,但其秋季风速还是有略微减小的趋势,其它各季风速均以自然变动为主。

　　图3代表站年平均风速的变化
　　表24个代表站1961~2006年年平均风速趋势系数及回归系数
　　 平潭 崇武 福州 东山
　　 趋势系数 回归系数 趋势系数 回归系数 趋势系数 回归系数 趋势系数 回归系数
　　 年 -0.945 -0.803 -0.879 -0.445 0.206 0.031 -0.872 -0.517
　　 春 -0.843 -0.597 -0.55 -0.366 0.068 0.016 -0.527 -0.346
　　 夏 -0.723 -0.497 -0.397 -0.172 0.179 0.043 -0.649 -0.412
　　 秋 -0.809 -1.13 -0.623 -0.68 -0.104 -0.033 -0.682 -0.784
　　 冬 -0.849 -0.959 -0.798 -0.629 -0.089 -0.025 -0.736 -0.549
　　
　　表35个代表站1977~2006年年平均风速趋势系数及回归系数
　　 平潭 崇武 福州 东山 平潭海洋站
　　 趋势系数 回归系数 趋势系数 回归系数 趋势系数 回归系数 趋势系数 回归系数 趋势系数 回归系数
　　年 -0.928 -0.908 -0.786 -0.452 0.426 0.103 -0.792 -0.527 -0.674 -0.448
　　6可能原因的探讨
　　 风速减小有诸多因素,目前关注的主要归结为几点,即大气环流的变化,台站观测环境的变化,仪器的变更等,减小的最主要原因目前还没有公认,但许多研究指出大气环流的变化是风速变化的最可能的原因。
　　6.1 大气环流的变化
　　 文献[2]指出,大气环流的变化是造成中国年平均风速呈显著减小趋势的最可能原因,近50 年来亚洲经向环流呈现减弱的趋势。我们分析了1961-2006年亚洲经向环流指数的年趋势系数为-0.302,达到0.05的显著性水平,而纬向环流呈略加强趋势,亚洲纬向环流年趋势系数为0.012。研究表明经向环流的变化与东亚季风的变化密切相关,中国大部地区受亚洲季风控制,近50 年来,东亚夏季风、南海季风明显减弱,意味着中国大部夏季偏南风减小。
　　 徐建军等[10]研究了东亚冬季风的长期变化趋势,发现20世纪80 年代以后冬季风有所减弱。Wang[11]认为20世纪70 年代全球大气环流的转变是导致80年代东亚季风减弱的主要原因。施晓晖、徐祥德[12]等对东亚冬季风年代际变化可能成因进行了模拟研究,表明冬季风指数随时间增长的线性变化呈显著减弱趋势,因此近40 年来,东亚冬季风强度总体上呈显著减弱趋势,这与最近40～50 年中,我国寒潮频率趋于降低,低温日数趋于减少的冬季气候变化趋势相吻合,其同时还研究了20世纪60~70年代初,近地面经向风的变化表现为北风减弱;70 年代初至80 年代初,近地面北风增强;80年代初期以后,近地面北风又减弱。
　　 高辉等[13]通过研究冬季风强弱的各种指数[13],包括纬向海陆热力差异,区域平均经向风和纬向风及东亚大槽等的趋势变化,均显示20 世纪80 年代以后东亚冬季风强度有一个线性减弱的趋势,这与徐建军等人的研究是一致的,目前已经为人们所公认,并且很好地揭示出“强冬季风年,东亚地区北风偏强;弱冬季风年,北风偏弱”这一基本特征,即亚洲冬季风减弱致使中国偏北风减小。冬季风的减弱趋势略明显于夏季风的减弱趋势,冬、夏季风的减弱刚好揭示了中国平均风速减弱的物理内涵。文献[1]也指出,中国四季风速均大幅减小,尤其在冬、春季,中国风速减小的实质是亚洲冬、夏季风的减弱。
　　 福建是明显的季风区,尤其沿海地区秋冬季以NE或NNE风向为主,夏季以SW风向为主,而秋冬季是沿海地区大风的多发期,平均风速是全年最大的时期,夏季是风速最小的时期。综合以上的研究结果,表明冬季风的减弱与沿海地区风速减小密切相关,冬季风减弱趋势大于夏季风体现在地面风是秋冬季风的减小趋势大于夏季,这可以从沿海的气象站风速变化看出,如东山、崇武等。秋冬季风的减小是年平均风速减小的最主要的原因。从福州站的风速变化也可以看出,受地形影响其NE或NNE风向频率很小,故风速以自然变动为主,没有减小趋势。
　　 由此表明大气环流的变化是福建沿海风速减小的原因之一。
　　6.2 测风仪器的变化
　　 福建省与全国一样气象测风仪器经历了2次变更,即国家基本站20世纪70年代初,一般站20世纪80年代中期测风仪器由维尔德风压板改为EL电接风仪;2004年改为自动站观测。其中改为EL电接风仪后有14个站风速明显减小,占代表站的42.4%,而改成自动站测风后大部分台站的风速有所增大。文献[4]指出,全国因仪器变化产生风速非均一的台站中,约有6 成站位于沿海或海拔高度较高处, 东南沿海地区为我国年平均风速最大的3个地区之一,测风仪器变化对风速大的地区更敏感。从福建省这14个台站的分布情况看,大部分台站位于沿海地区或海拔较高的山区,仪器更换以前风压板测出的风速会偏大,仪器更换后风速变小明显,使风速的年代际变化表现出明显的下降趋势,风速的减小与仪器变更的关系较大,尤其是内陆山区表现得更为明显,但仪器变化以后,大部分台站的风速仍呈现减小的趋势,表明仪器的变更并非风速减小的原因。
　　6.3 测站环境变化的影响
　　 由于城镇经济的发展以及其它原因,许多气象站都进行过站址的迁移。我们对33个台站的搬迁情况进行了调查。14个站在1961~2006年之间进行过1次迁站,其中1个站进行过2次迁站。20世纪60年代有6个站搬迁,70年代有3个站进行搬迁,80年代初4个站进行搬迁,90年代及2000年以后各有1个站进行搬迁。
　　 20世纪80年代以前台站的搬迁对风速的影响不大,80年代以后,台站搬迁后风速变大或变小的情况都有,故台站的搬迁对风速的减小并非主要原因。对于没有搬迁的台站由于观测环境的破坏,风速减小相当明显,尤其是沿海的大风区。
　　 以平潭站为例,我们利用滑动T检验法及Mann-Kendall法对平潭站年平均风速进行突变检测,结果均表明在1988年前后风速有一个突变,即风速明显变小,分析平潭站周边气象观测环境的变化可以看出,1990年前后周边的建筑物已开始增多,1994年以后周边不符合观测要求的障碍物进一步增加,周围360度遮挡物仰角除西、西北方向外,其余方向均在3～8度,南部方位则达到近15度。东山站虽然周边人为的环境变化较小,但观测场周边西北至东北方向的几棵大树也对观测数据产生了影响,其遮挡物仰角也达到了10度左右,相比之下崇武则好很多,周边环境变化较小,但崇武站位于城镇的西部,近十几年来崇武镇经济发展很快,城镇下垫面粗糙度明显增加,对风速也会产生一些影响。
　　 由此可知观测场周边环境的变化是观测风速减小不可忽视的因素。
　　表4气象台站搬迁情况表
　　年代 60年代 70年代 80年代 90年代 21世纪以来 合计
　　搬迁站数 6 3 4 1 1 15
　　
　　7结论
　　7.1 福建省平均风速呈现明显的减小趋势,20世纪60年代风速呈现增大的趋势,1970年之后风速逐渐减小,2004年以后风速增大。秋冬季风速减少得最多,夏季最小。

　　7.2 闽中谷地风速的年代际变化不明显,大多以自然变动为主;沿海地区及省内南北走向的两大山带地区风速减小的趋势相当显著,内陆山区由于风速较小,风速减小的幅度并不大,而沿海的大风地区风速降幅则较大。
　　7.3 通过研究沿海几个代表站风速的变化趋势表明,除去周边探测环境变化的因素,风速确有减小的趋势,尤其是秋冬季。
　　7.4 大气环流的变化及测站周边环境的变化是风速减小的最主要原因,沿海大风地区表现得最为明显,但两者分别对风速减小的贡献率还有待于进一步研究。内陆山区由于风速较小,观测仪器的变化加快了由于大气环流引起的风速减小的趋势。
　　7.5 台站的搬迁不是风速减小的主要原因,但观测环境的破坏对风速的减小产生重要的影响。
　　
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