荆门市近60年风速风向特征分析

王 培，何盛浩，张新贝，张 磊

(1. 湖北省荆门市气象局，湖北 荆门 448000；2. 荆门市规划勘测设计研究院，湖北 荆门 448000 )

开发和利用清洁、可再生能源已成为我国能源可持续发展战略的重要组成部分，风能是绿色环保的可再生能源之一，也是目前技术较成熟、可作为产业开发的可持续发展能源。在这样的战略背景下，我国的风电产业及风能资源评估研究蓬勃开展，对风的预报也越来越重视[1～2]。近年来，城镇化进程的加快以及台站探测环境的变化，对风的影响非常显著。全球范围来看，在过去30～50年间，中纬度的中国、欧洲、北美和澳洲风速以0.004～0.017(m/s)/a的速率递减，而高纬度地区(如>65°的南极洲)则变化趋势相反，以约0.005 (m/s)/a的速率在递增[3]。王遵娅[4]等认为1951～2000年中国几乎全部地区的风速都在减小，西北西部最为显著，风速减小的实质是亚洲冬、夏季风的减弱；彭珍[5]等研究发现随着北京城镇化的发展，城区近地面的平均风速存在逐年递减的趋势；何毅[6]等研究发现1960～2013年南北疆地区风速显著降低，并认为城镇化发展不是风速显著下降的主要原因，大气环流变化和气候变暖才是造成风速减小的可能原因；王传辉[7]等认为安徽省大部风速普遍呈现显著减少趋势，长江以北地区的最大风速出现偏西风的频率最高；王毅荣[8]等研究得出在探测环境变化较大的气象观测站的风速显著减小，而探测环境变化较小的高山站风速减小并不明显，个别地区还存在增加的趋势；毛飞[9]等人利用那区地区1961～2000年风速资料分析出除冬季呈减小趋势外，其他季节均呈增加趋势。

从以往的研究结果看，风不仅受到大尺度天气背景的影响，城镇化发展也是重要的影响因素。现有的研究比较关注的是风速的变化，在大风研究方面也已经有了一定进展[10]，但对风向的研究还不是很多。鉴于此，笔者利用湖北荆门、襄阳、武汉三个地区近60年风速风向资料进行统计分析，并结合同时期荆门市城市发展历程分析，得出荆门市风速、风向特点，以期为荆门市合理利用风能资源提供参考，并对同类型城市的风能利用提供借鉴。

1 资料与方法

1.1 荆门地区概况

荆门市位于湖北省中部、江汉平原西北部(111°51′～113°29′E、30° 32′～31°36′N)，地处秦岭南支荆山余脉和大洪山南麓。如图1所示，整体地势东、西两面最高，北部次高，南部较低，呈现东西低山坳谷、北部丘岗冲沟、南部平原湖区态势。受地形地势影响，荆门常年北风、风力较大，风能资源较为丰富。

图1 荆门市三维地形Fig.1 Jingmen 3D topography

1.2 资料来源

选取1959～2018年近60年荆门、襄阳、武汉3个国家地面气象观测站逐时、逐日平均风速、风向数据观测资料进行统计分析。随着城市发展，荆门原站点(位于东宝区，图2所示)四周各方位均建有零散高层建筑物及办公楼，已不符合气象探测环境要求，2008年原荆门站迁至掇刀区，新站点地势较周围高，周围比较空旷、四周无建筑物，但由于环境差异较大使得大风资料的均一性受到影响。

图2 荆门观测站区位Fig.2 Observation station location of Jingmen

1.3 分析方法

采用数理统计、线性分析、气候倾向率等方法，对荆门地区风向风速变化特征及变化趋势等进行气候统计分析。

2 荆门风速特征

2.1 年平均风速

为了分析荆门风速特点，北部选取襄阳、东部选择武汉作比较，利用荆门、襄阳、武汉3个国家气象站近60年逐月平均风速(襄阳站资料从1962～2018年56年)，得出年平均风速，荆门近60年年平均风速为2.9m/s，襄阳近56年年平均风速为2.6m/s，武汉近60年年平均风速为2.0m/s。可从荆门、襄阳、武汉年平均风速的变化曲线(图3)明显看出，除个别年份，荆门的年平均风速均比襄阳、武汉大。从图1还可看出3站的年平均风速整体均呈逐年减小趋势，荆门1959～2007年间年均风速减小了2.0m/s，2008年由于迁站的原因，2007～2008年年平均风速急剧上升，2008年之后又呈缓慢减小趋势；襄阳2013年迁站也出现了风速剧增现象；武汉2010年迁站后也出现了风速明显增加现象。3站旧观测站均处于城区，四周建筑密集，新观测站周边无高大遮挡物，新旧环境相差较大，导致观测数据有一定差别，3站均出现了风速陡升现象。

图3 荆门、襄阳、武汉年平均风速的年际变化Fig.3 The annual variation of annual average wind speed in Jingmen, Xiangyang and Wuhan

从荆门年代际变化来看(图4)，20世纪60年代基本稳定略有上升，20世纪70年代和80年代均呈减小趋势，其气候倾向率分别为-0.72(m/s)/10 a和-0.37(m/s)/10 a，20世纪90年代转为增加趋势，10年间增加0.22m/s，21世纪后又转为减小趋势，2000～2007年线性趋势线倾斜率为-0.11，2008年之后为-0.02。

图4 荆门年平均风速年代际变化特征Fig.4 The decadal variation of annual average wind speed in Jingmen

结合图4与荆门市城市发展历程分析(图5)看，荆门市风速变化与城市发展具有一定的相关性：20世纪60年代城区面积约0.8km2，城市规模稳定少发展，这阶段风速基本稳定；20世纪70年代东西城区的格局开始形成，城市开始发展，这个阶段风速减小趋势较大；20世纪80年代城市用地迅速扩张达到中等城市规模，且主要集中在城市北部发展，这个阶段风速继续呈减小趋势；20世纪90年代城区主要向南部扩展，北部发展速度减缓，气象观测站处于北部老城区，这期间风速有缓慢增加趋势；21世纪后南北部城区均加速发展，该时段风速减小趋势最为明显，风速减小原因是城市发展，周围高层建筑物增加速度快，改变了地面粗糙度的同时，对风速形成了明显的阻挡作用。

图5 荆门市城市发展历程分析Fig.5 The city development analysis of Jingmen

2.2 月平均风速

分析荆门、襄阳、武汉平均风速月变化曲线图(图6)可见，荆门各月平均风速均大于襄阳、武汉，荆门、襄阳在全年月平均风速的变化趋势略有差异，但波动趋势基本一致，与武汉差异较大。荆门月平均风速起伏较大，最大3月3.6m/s，最小6月2.8m/s，波动幅度为0.8m/s，夏季由于南风增多，风速明显减小，春秋季节多北方冷空气南下入侵，荆门多偏北大风，风速明显增加；襄阳波动幅度更大为1.0m/s，最大4月，最小10月；武汉波动幅度较小为0.5m/s，最大7月，最小10月，武汉月平均风速起伏较为平缓，7月有明显增加，主要由夏季局地雷雨、大风天气较多所致。

图6 荆门、襄阳、武汉平均风速月变化Fig.6 The monthly change of the average wind speed in Jingmen, Xiangyang and Wuhan

2.3 年大风日数

中国气象观测业务规定，瞬时风速达到或超过17 m/s的风为大风，有大风出现的一天称为大风日[11]。经统计，荆门年均大风日数为16.5d，襄阳为11.4d，武汉为5.6d。图7显示了荆门1959～2007年、2008～2018年大风日数变化特征。由图7可知，2007年之前荆门大风日数最多的年份为1971年，达35d，大风日高值时段发生在20世纪70年代，20世纪80年代后大风日数逐渐减少，2008年后受迁站影响大风日数又急剧增加，2009年高达48d，2010年后又逐步减少。因此从总变化趋势来看，荆门的大风日数整体呈减少趋势，其气候倾向率2007年之前为-4.1d/10 a，2008年之后为-3.3d/10 a。年大风日数最低值出现在2007年，为1d。

图7 荆门大风日数年变化Fig.7 The annual variation of strong wind days in Jingmen

3 荆门风向特征

3.1 年平均风向频率

从荆门平均风向频率玫瑰图(图8)可以看出，荆门常年主导风向为N，占全年风向频率的22.9%；次最多风向为NNE，占16.4%；NE、SSW、SW均占7%；最不常见的风向为ESE，仅占2%。

图8 荆门平均风向频率(%)玫瑰图Fig.8 The average wind direction frequency(%) rose diagram in Jingmen

3.2 季风向频率

从荆门四季风向频率玫瑰图(图9)可看出，荆门的主导风向一年四季较为稳定，均为N，主导风向N出现频次秋季最高为29.4%，冬季次之为25.2%[12]；春季和夏季主导风向N所占比例小于秋季和冬季，SSW、SW风向明显增多。

图9 荆门四季风向频率(%)玫瑰图Fig.9 The wind direction frequency(%) rose diagram in four seasons in Jingmen

3.3 月风向频率

荆门风向的变化除受大尺度天气系统影响外，同时也受山脉、河流等地形的影响，盛行风向的变化并不明显。下表统计了荆门1～12月最多风向及次多风向出现频率，可以看出：荆门全年以偏北风向为主，主导风向为N；6、7月由于副热带高压逐渐北抬，随着暖湿气流的增强，荆门市偏南风开始增多，从而导致以偏北的盛行风向所占比例有所减少；秋季和冬季，北方冷空气南下频繁，偏北风向明显增多[13]。

表 荆门1～12月主导风向及出现频率Tab. The dominant wind direction and frequency from Jan to Dec in Jingmen (%)

3.4 大风风向

荆门大风日多出现在春季，其次是冬季。从荆门大风风向频率玫瑰图(图10)能够看出，荆门的大风风向主要集中在N～NNE方位区间，其中N风向占45.2%、NNE风向占32.2%，偏南风向的大风发生概率均较小。

图10 荆门大风风向频率(%)玫瑰图Fig.10 The strong wind direction frequency(%) rose diagram in Jingmen

4 结果与讨论

荆门年平均风速为2.9m/s，与襄阳、武汉年均风速相比均偏大。荆门地形北高南低、东西高中间低，中部有汉水河谷，北出南阳盆地、南入长江，是冷空气南侵的通道，独特的地形和地势是荆门风速较大的主要原因。

荆门、襄阳、武汉年均风速变化趋势总体一致，呈减小趋势，但三站均因迁站出现了风速陡升现象，这是新旧环境相差较大导致观测数据有一定差别，但迁站后风速仍然呈缓慢减小趋势，荆门1959～2007年49年间年均风速减小了2.0m/s。

荆门市风速变化与城市发展具有一定的相关性：城市快速发展时期，周围高层建筑物增加速度快，改变了地面粗糙度的同时，对风速形成了明显的阻挡作用，风速呈明显减小趋势。

荆门主导风向一年四季较为稳定，均为N，N出现频次以秋季最高、冬季次之，春季和夏季主导风向N所占比例小于秋季和冬季，SSW、SW风向明显增多；1～12月最多风向均为N，6、7月N所占比例有所减少，各月平均风速均大于襄阳、武汉，最大3月3.6m/s，最小6月2.8m/s，波动幅度为0.8m/s；6、7月由于副热带高压逐渐北抬，随着暖湿气流的增强，荆门市偏南风开始增多，从而导致以偏北的盛行风向所占比例有所减少，风速也有所减小。

荆门年均大风日数为16.5d，明显高于襄阳、武汉；大风日数整体呈减少趋势，气候倾向率2007年之前为-4.1d/10 a，2008年之后为-3.3d/10 a；大风日多出现在春季，大风风向多集中在N～NNE方位区间。

荆门风速较大，除去6月风速最小，其他月份风速基本稳定在3.1～3.6m/s之间，有稳定的盛行风向，适宜在城市周边建设风电场，目前荆门市已经建设子陵铺风电场、象河风电场、圣境山风电场等多个风电场。荆门中心城区常年以北风为主，城市建设过程中注重对风向的利用，在铁路(焦柳铁路荆门城区段)、高速公路(襄荆高速荆门段)和城市道路(207国道荆门城区段)等沿线降低城市开发强度、控制建设高度，形成南北向的城市风道，将夏季凉风引入城区，降低城市热岛效应。

荆门、襄阳、武汉3站都存在因气象站迁站导致的风速突变，风速资料的均一性受到影响，在连续使用风速数据时可参照新旧观测站对比观测数据，利用差值方法对风速数据进行订正，订正后数据应更加合理。

5 结 语

城市风向，很大程度决定了城市的空间格局，对城市的能源构成以及产业结构影响深远；而城市风速，一定程度决定了能源的利用率以及一些重大项目的选址论证，进而影响城市的基础设施配套与生态廊道预留。本文仅以荆门近60年城市风向与风速的研究分析，希望对中国正面临“退二进三”转型时期的大多城市，尤其是资源消耗较大的城市，在能源利用、产业布局、重大基础设施建设、生态廊道建设、重大项目落户时提供借鉴意义！