湖南省风的时空分布特征及大风概念模型研究

郭海宇，陈华忠，汤翔宇，张 弩，杨 令

(1.湖南省益阳市气象局，湖南 益阳 413000；2.浙江省玉环市气象局，浙江 玉环 317600；3.湖南省韶山市气象局，湖南 韶山 411300)

0 引言

近年来世界上大多数地区风速降低的情况对风能资源的开发利用带来了极大的问题和挑战，这使得对近地面风速变化的研究得到重视。王遵娅[1]指出近50 a来中国风速减小的趋势非常显著，并且中国风速减小的实质是亚洲冬季风、夏季风的减弱。史培军[2]使用756个气象站点年值数据，利用1961—2012年年值风速的趋势变化值和波动特征值来识别中国风速的区域变化特征，发现华东—华中地区为中幅减小趋势带。但是杨利群[3]指出作为可再生能源的风力资源以其蕴量巨大，分布广泛，没有污染等优势而在各国发展迅速，姚源山[4]的研究表明不同的建设项目对风的考虑有所不同，平均风速减弱并不代表不会出现大风的情况，《湖南省城镇天气预报质量检验办法》中风向和风速各占中短期城镇天气预报质量5%的综合得分，当风速预报为≤3级时，只对风速预报进行检验，不对风向预报进行检验，当预报或实况出现了≥6级的灾害性大风时，进行灾害性大风预报质量检验，因此在预报过程中，掌握好3级以上风向风速特征是稳步提升城镇天气预报质量的重要环节，而了解6级以上大风的天气背景是及时做出预报、减少灾害性大风造成损失的必然要求。

本文利用2006—2016 年地面风观测资料，分析湖南省地面风平均风速、最大风速3级及以上、最大风速6级及以上的日期进行年际变化、季变化及月变化分析，为湖南省城市规划、建筑设计、输电线路设计、大气污染评价、风能资源开发等领域提供参考。

1 资料及研究方法

1.1 资料来源

①湖南省97个气象观测站，2006—2016年期间24次定时2 min风速和逐日 10 min平均最大风速数据，以20时为日界。统计了湖南省年平均风速和最大风速的累年平均，研究分析风向风速的空间分布和季节性差异。季节划分为春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月) 。

②下载NOAA位势高度场及海平面气压场2006—2016年逐年资料，使用其建立区域性大风天气分型后概念模型。

1.2 分析方法

温度、降水量的变化趋势采用线性趋势分析法，线性回归方程为y=a+bx，式中，a是常数，b是回归系统数，气象上称b为气候倾向率。当b为正(负)时，表示气象要素值在计算时间内线性增加(减少)，x代表年份。

2 湖南省平均风速的时空分布特征

2.1 年内变化特征

对2006—2016年湖南省97个测站11 a的平均风速(图1)进行了统计分析，湖南省年平均风速为1.63 m/s，且年内变化明显，呈正弦分布，出现两个波峰、两个波谷，其中5—6月、10—12月处于波谷，风速均小于平均风速，2—4月、7月处于波峰，且6—7月由波谷至波峰的变化为明显跃增，最大值出现在7月，达到1.87 m/s，之后又出现明显的减弱，最低值出现在10月和11月，仅为1.5 m/s，比7月风速偏小20%。从湖南省各季节平均风速来看，春季平均风速为1.64 m/s，夏季平均风速为1.71 m/s，秋季平均风速为1.54 m/s，冬季平均风速为1.60 m/s，在一年之中，夏季平均风速最大，秋季平均风速最小。

图1 2006—2016年湖南省平均风速月变化图Fig.1 Monthly variety of average wind velocity of Hunan Province in 2006—2016

2.2 年际变化特征

对近11 a湖南省平均风速进行距平分析(图2，图片距平分析结果放大1 000倍)，从年平均风速变化来看，年平均风速呈明显的振荡分布，可分为明显偏强期、一般偏弱期和明显偏弱期。2010—2011年、2013年和2016年均为明显偏强期，均为正距平分布，2008年和2014年为明显偏弱期，均为负距平分布，明显偏强(弱)期的年平均风速均较11 a的年平均风速偏差3%～6%之间。2006—2007年、2009年、2012年和2015年则为一般偏弱期，较11 a来的年平均风速偏弱1%～3%之间。通过线性回归分析得到近11 a来湖南省平均风速呈现出振荡增强的趋势，2006—2009年为较小幅度的摆动，2011—2014年处于非常明显的振荡期，在正负距平之间交替，自2013年以来，距平偏差程度逐渐增加，后4 a的距平的平均值较前7 a增加了27%。

图2 2006—2016年湖南省平均风速逐年距平图Fig.2 Annual average wind velocity anormaly of Hunan Province in 2006—2016

2.3 空间分布特征

应用ArcGIS将湖南省各站点近11 a平均风速距平百分比投影到湖南省地图观察平均风速的空间分布特征(图3)，距平零线从常德市东部经益阳市中部、娄底东部向南延伸至永州市北部，其西侧为平均风速负距平，东侧为正距平，另外在湘东南一带存在一片数值较小的负距平区。负距平大值区主要位于湘西北、湘西地区，负距平值最大的三个站点分别为-90.32%的龙山县(湘西州)A、-86.35%的古丈县(湘西州)B和-75.73%的新晃县(怀化市)C；正距平大值区主要位于湘东北、湘中以东、湘西南地区，区域最大(除去370.72%的南岳站)分别为104.08%的岳阳县(岳阳市)D、71.04%的韶山县(湘潭市)E、174.65%的江华县(永州市)F。

图3 2006—2016年湖南省平均风速距平百分比空间分布图Fig.3 Spatial distribution of Hunan Province average wind velocity anomaly percentage in 2006—2016

3 日最大风速3级以上变化特征

3.1 年际变化特征

对逐年出现最大风速>3级风的日数(一天出现9站以上)进行分析(图4)，结果表明其分布具有明显的阶段性，2006—2007年为显著的偏强期，比年平均日数偏多5%以上(年平均出现日数为164 d)，2008—2010年为基本稳定期，正负距平均小于年平均日数的3%，2011—2016年呈现出准3 a振荡分布，其中2016年为近11 a最多的年份，出现了182 d。从回归方程看，近11 a逐年最大风速3级以上日数呈减少的趋势，与平均风速趋势变化基本一致。

图4 2006—2016年湖南省最大风速3级以上年日数变化图Fig.4 Number of days variety of Hunan Province max-wind velocity beyond 3 grades in 2006—2016

3.2 年内变化特征

对湖南省近11 a每月最大风速>3级风日数进行统计(图5)发现，大于3级风多发期基本在春季和夏季，3—8月出现日数均大于平均值150 d，其中7月和8月为特别偏多的月份，分别偏多85%和57%；少发期为9月—次年2月，即秋季和冬季，其中最少的11月份较平均次数偏少49%；与之前得到的平均风速年变化特征基本一致，因此综合得到结论：春夏季风速偏大，秋冬季风速偏小。

图5 2006—2016年湖南省日最大风速3级以上月累计日数图Fig.5 Number of days monthly accumulation of Hunan Province max-wind velocity beyond 3 grades in 2006—2016

另外,7月和8月出现大于3级风的日数明显高于其他月份，这两个月出现日数占到全年次数的28%，因此通过对7、8月所有大于3级风的风向(图6)进行频数统计，分析夏季的主要风向，结果表明：7月和8月出现的大于3级风中以偏南风为主要风向，偏南风占到所有风向中的59%，其中正南风占所有偏南风的25%，西南风占51%，东南风占24%。

图6 2006—2016年湖南省日最大风速3级以上风向频数图Fig.6 Frequency of Hunan Province max-wind direction beyond 3 grades in 2006—2016

3.3 空间分布特征

对近11 a来各站点日最大风速3级以上的日数进行统计，应用ArcGIS软件按站点将日数标记到湖南省地图上(图7)，图中红色的深浅代表各站点区域大于3级风的频数。由图可知，近11 a来湖南省3级以上风的分布在空间上大致分为3个区域，湘东北至湘中以东即岳阳东部、长株潭大部为高频次集中的一个区域，其中岳阳出现了1 648 d，湘南的南部即永州、郴州为另一个非常明显且范围较大的高频区，江华县和临武县出现3级以上风的日数分别达到了2 597 d和2 499 d处在前两位；在湘北、湘西及湘西南除常德市、泸溪县、洪江市、靖州县、城步县等单个的高频站点外其他地区频次较小，其中湘西北、湘中偏西南一带为低频次站点集中的区域，在湘北到湘西北一带，除个别站点频次较大外，大部分出现3级以上风的日数较小，最小为张家界市37 d，另外在衡阳市西部到邵阳市一带各站点大于3级风的日数基本都在600 d以下，最小为绥宁县的125 d。

图7 2006—2016年湖南省日最大风速3级以上距平百分比空间分布图Fig.7 Spatial distribution of Hunan Province max-wind velocity beyond 3 grades anomaly percentage in 2006—2016

4 日最大风速6级以上变化特征

4.1 年际变化特征

近11 a来大于6级风的年际变化(图8)分为两个阶段：2006—2013年存在较平缓的振荡，属于第一阶段，振荡周期3～4 a，其中2006、2010、2013年各为一个波峰，当年大于6级风出现日数分别为21、21、24 d，2007—2009年、2011—2012年分别存在一个波谷，日数均在12～15 d之间；2013—2014年呈现出断崖式下跌趋势，减少至4 d，下降幅度达83%，而2014—2016年间突然呈现出爆发性的指数级增长，2 a间出现大于6级风的日数从4 d跃增至60 d。

图8 2006—2016年湖南省日最大风速6级以上日数年际变化Fig.8 Number of days interannual variety of Hunan Province max-wind velocity beyond 6 grades

4.2 年内变化特征

湖南省有站点出现6级以上风，从逐月变化(图9)来看，春夏多、秋冬少，其中春夏两季出现日数占全年出现总日数的72%，1、2、3月出现日数有明显的上升趋势，4月为出现次数最多的月份达到39 d，5、6月份稍下降至17 d，7月陡升至34 d，之后8、9月开始持续下降，10月份为最低值3 d，11、12月在10 d以下略有起伏。

图9 2006—2016年湖南省日最大风速6级以上日数逐月变化Fig.9 Monthly variety of max-wind velocity beyond 6 grades of Hunan Province in 2006—2016

4.3 空间分布特征

湖南省97个气象站近11 a有43个出现过日最大风速6级以上大风天气，其分布具有离散性。南岳站作为湖南省内最高的高山站，大风出现次数最多，出现了1 035 d，年均94 d。如图10，湘南的郴州A、冷水滩B和江华C出现大风次数也较多，年均4～5 d；常德D、韶山E年均2～3 d；长沙、新宁和泸溪年均1 d；其他的县市均在1 d以下。

图10 2006—2016年湖南省日最大风速6级以上日数空间分布图Fig.10 Number of days of spatial distribution of Hunan Province max-wind velocity beyond 6 grades

5 区域性大风天气情况

5.1 区域性大风分型

本文研究的区域性大风[5]主要是指针对城镇天气预报方法，当日地面日最大风速(10 min平均最大风速)≥10.8 m/s，且在全省96个国家站点(除南岳站外)中出现5站及以上为一个区域性大风日。据统计，2006—2016年湖南省共出现46个区域性大风日，根据其天气形势所属的主要影响系统可将其分为4类，分别是冷空气影响类20次，低压大风类11次，雷暴大风类11次，台风影响类4次。

5.2 概念模型分型

使用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的位势高度场及海平面气压场逐年资料，将由于冷空气和低压影响而产生的区域性大风日挑选出来，按日期分别把冷空气大风日和低压大风日对高度场和气压场进行算术平均，得到其平均状态作为概念模型，得到如下结果：①受冷空气影响的大风日，从位势高度场平均情况来看，在中高纬度呈现两槽一脊的形势，其中在鄂霍次克海至我国江淮以南为一深厚低槽，另一槽位于乌拉尔山以西，在两槽之间贝加尔湖以西、阿尔泰山附近为一高压脊，中低纬度青藏高原以西多小槽活动影响湖南省南部；从海平面气压场平均状况来看，冷高压中心分别位于乌拉尔山以西萨彦岭附近和蒙古高原南部，冷空气前沿影响湖南省气压强度达1 022 hPa。在此条件下，槽后脊前有利于冷空气南下影响湖南省，并在南下过程中与中低纬小波带动的气团交汇增加气压梯度，更有利于产生大风天气。②受低压影响的大风日从海平面气压平均状况来看，整个湖南省受到低压系统影响，低压中心位于贵渝川三省市交界处，中心值低于1 002 hPa，湘东北—湘西南处于明显低压倒槽内，湖南省湘南地区由于处在低压中心附近，常有区域性偏南大风发生，而从统计结果来看当湘北地区受到弱冷空气渗透影响时，由于气压梯度增大也可能产生区域性偏北大风。③区域性雷暴大风由于天气分型较多、台风影响大风由于出现情况较少，本文暂不考虑建立概念模型。

6 小结

①湖南省年平均风速为1.63 m/s，呈现出逐年振荡增强趋势，5—6月、10—12月处于波谷，2—4月、7月处于波峰，夏季平均风速最大，秋季平均风速最小。湖南省平均风速较小区域主要位于湘西北、湘西地区，较大区域主要位于湘东北、湘中以东、湘西南地区。②逐年日最大风速3级以上日数呈减弱的趋势，多发期为春夏季，7月最多，秋冬季为少发期，11月最少。日最大风速3级以上偏南风占到所有风向中的59%，其中正南风占所有偏南风的25%，西南风占51%，东南风占24%。湘东北至湘中以东的岳阳东部、长株潭和湘南南部的永州、郴州大部为日最大风速3级以上高频区，湘西北、湘中偏西南一带、衡阳市西部到邵阳市一带为低频区。③日平均风速6级以上日数的年际变化前平缓后激烈，整体呈现为增长的趋势，春夏多、秋冬少。④日最大风速6级以上大风天气空间分布具有离散性，概率由大到小依次为南岳、郴州、冷水滩、江华、常德、韶山、长沙、新宁和泸溪。⑤湖南省的区域性大风分型主要为4种：冷空气，低压大风，雷暴大风，台风影响。冷空气类主要形势为中高纬两槽一脊，中低纬多波动，地面高压南下；低压大风类主要受到低压中心和倒槽影响。