郭海宇，陳華忠，湯翔宇，張 弩，楊 令

(1.湖南省益陽市氣象局，湖南 益陽 413000；2.浙江省玉環(huán)市氣象局，浙江 玉環(huán) 317600；3.湖南省韶山市氣象局，湖南 韶山 411300)

0 引言

近年來世界上大多數(shù)地區(qū)風(fēng)速降低的情況對(duì)風(fēng)能資源的開發(fā)利用帶來了極大的問題和挑戰(zhàn)，這使得對(duì)近地面風(fēng)速變化的研究得到重視。王遵婭[1]指出近50 a來中國(guó)風(fēng)速減小的趨勢(shì)非常顯著，并且中國(guó)風(fēng)速減小的實(shí)質(zhì)是亞洲冬季風(fēng)、夏季風(fēng)的減弱。史培軍[2]使用756個(gè)氣象站點(diǎn)年值數(shù)據(jù)，利用1961—2012年年值風(fēng)速的趨勢(shì)變化值和波動(dòng)特征值來識(shí)別中國(guó)風(fēng)速的區(qū)域變化特征，發(fā)現(xiàn)華東—華中地區(qū)為中幅減小趨勢(shì)帶。但是楊利群[3]指出作為可再生能源的風(fēng)力資源以其蘊(yùn)量巨大，分布廣泛，沒有污染等優(yōu)勢(shì)而在各國(guó)發(fā)展迅速，姚源山[4]的研究表明不同的建設(shè)項(xiàng)目對(duì)風(fēng)的考慮有所不同，平均風(fēng)速減弱并不代表不會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)的情況，《湖南省城鎮(zhèn)天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)辦法》中風(fēng)向和風(fēng)速各占中短期城鎮(zhèn)天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量5%的綜合得分，當(dāng)風(fēng)速預(yù)報(bào)為≤3級(jí)時(shí)，只對(duì)風(fēng)速預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)，不對(duì)風(fēng)向預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)預(yù)報(bào)或?qū)崨r出現(xiàn)了≥6級(jí)的災(zāi)害性大風(fēng)時(shí)，進(jìn)行災(zāi)害性大風(fēng)預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)，因此在預(yù)報(bào)過程中，掌握好3級(jí)以上風(fēng)向風(fēng)速特征是穩(wěn)步提升城鎮(zhèn)天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，而了解6級(jí)以上大風(fēng)的天氣背景是及時(shí)做出預(yù)報(bào)、減少災(zāi)害性大風(fēng)造成損失的必然要求。

本文利用2006—2016 年地面風(fēng)觀測(cè)資料，分析湖南省地面風(fēng)平均風(fēng)速、最大風(fēng)速3級(jí)及以上、最大風(fēng)速6級(jí)及以上的日期進(jìn)行年際變化、季變化及月變化分析，為湖南省城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、輸電線路設(shè)計(jì)、大氣污染評(píng)價(jià)、風(fēng)能資源開發(fā)等領(lǐng)域提供參考。

1 資料及研究方法

1.1 資料來源

①湖南省97個(gè)氣象觀測(cè)站，2006—2016年期間24次定時(shí)2 min風(fēng)速和逐日 10 min平均最大風(fēng)速數(shù)據(jù)，以20時(shí)為日界。統(tǒng)計(jì)了湖南省年平均風(fēng)速和最大風(fēng)速的累年平均，研究分析風(fēng)向風(fēng)速的空間分布和季節(jié)性差異。季節(jié)劃分為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月) 。

②下載NOAA位勢(shì)高度場(chǎng)及海平面氣壓場(chǎng)2006—2016年逐年資料，使用其建立區(qū)域性大風(fēng)天氣分型后概念模型。

1.2 分析方法

溫度、降水量的變化趨勢(shì)采用線性趨勢(shì)分析法，線性回歸方程為y=a+bx，式中，a是常數(shù)，b是回歸系統(tǒng)數(shù)，氣象上稱b為氣候傾向率。當(dāng)b為正(負(fù))時(shí)，表示氣象要素值在計(jì)算時(shí)間內(nèi)線性增加(減少)，x代表年份。

2 湖南省平均風(fēng)速的時(shí)空分布特征

2.1 年內(nèi)變化特征

對(duì)2006—2016年湖南省97個(gè)測(cè)站11 a的平均風(fēng)速(圖1)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，湖南省年平均風(fēng)速為1.63 m/s，且年內(nèi)變化明顯，呈正弦分布，出現(xiàn)兩個(gè)波峰、兩個(gè)波谷，其中5—6月、10—12月處于波谷，風(fēng)速均小于平均風(fēng)速，2—4月、7月處于波峰，且6—7月由波谷至波峰的變化為明顯躍增，最大值出現(xiàn)在7月，達(dá)到1.87 m/s，之后又出現(xiàn)明顯的減弱，最低值出現(xiàn)在10月和11月，僅為1.5 m/s，比7月風(fēng)速偏小20%。從湖南省各季節(jié)平均風(fēng)速來看，春季平均風(fēng)速為1.64 m/s，夏季平均風(fēng)速為1.71 m/s，秋季平均風(fēng)速為1.54 m/s，冬季平均風(fēng)速為1.60 m/s，在一年之中，夏季平均風(fēng)速最大，秋季平均風(fēng)速最小。

圖1 2006—2016年湖南省平均風(fēng)速月變化圖Fig.1 Monthly variety of average wind velocity of Hunan Province in 2006—2016

2.2 年際變化特征

對(duì)近11 a湖南省平均風(fēng)速進(jìn)行距平分析(圖2，圖片距平分析結(jié)果放大1 000倍)，從年平均風(fēng)速變化來看，年平均風(fēng)速呈明顯的振蕩分布，可分為明顯偏強(qiáng)期、一般偏弱期和明顯偏弱期。2010—2011年、2013年和2016年均為明顯偏強(qiáng)期，均為正距平分布，2008年和2014年為明顯偏弱期，均為負(fù)距平分布，明顯偏強(qiáng)(弱)期的年平均風(fēng)速均較11 a的年平均風(fēng)速偏差3%～6%之間。2006—2007年、2009年、2012年和2015年則為一般偏弱期，較11 a來的年平均風(fēng)速偏弱1%～3%之間。通過線性回歸分析得到近11 a來湖南省平均風(fēng)速呈現(xiàn)出振蕩增強(qiáng)的趨勢(shì)，2006—2009年為較小幅度的擺動(dòng)，2011—2014年處于非常明顯的振蕩期，在正負(fù)距平之間交替，自2013年以來，距平偏差程度逐漸增加，后4 a的距平的平均值較前7 a增加了27%。

圖2 2006—2016年湖南省平均風(fēng)速逐年距平圖Fig.2 Annual average wind velocity anormaly of Hunan Province in 2006—2016

2.3 空間分布特征

應(yīng)用ArcGIS將湖南省各站點(diǎn)近11 a平均風(fēng)速距平百分比投影到湖南省地圖觀察平均風(fēng)速的空間分布特征(圖3)，距平零線從常德市東部經(jīng)益陽市中部、婁底東部向南延伸至永州市北部，其西側(cè)為平均風(fēng)速負(fù)距平，東側(cè)為正距平，另外在湘東南一帶存在一片數(shù)值較小的負(fù)距平區(qū)。負(fù)距平大值區(qū)主要位于湘西北、湘西地區(qū)，負(fù)距平值最大的三個(gè)站點(diǎn)分別為-90.32%的龍山縣(湘西州)A、-86.35%的古丈縣(湘西州)B和-75.73%的新晃縣(懷化市)C；正距平大值區(qū)主要位于湘東北、湘中以東、湘西南地區(qū)，區(qū)域最大(除去370.72%的南岳站)分別為104.08%的岳陽縣(岳陽市)D、71.04%的韶山縣(湘潭市)E、174.65%的江華縣(永州市)F。

圖3 2006—2016年湖南省平均風(fēng)速距平百分比空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of Hunan Province average wind velocity anomaly percentage in 2006—2016

3 日最大風(fēng)速3級(jí)以上變化特征

3.1 年際變化特征

對(duì)逐年出現(xiàn)最大風(fēng)速>3級(jí)風(fēng)的日數(shù)(一天出現(xiàn)9站以上)進(jìn)行分析(圖4)，結(jié)果表明其分布具有明顯的階段性，2006—2007年為顯著的偏強(qiáng)期，比年平均日數(shù)偏多5%以上(年平均出現(xiàn)日數(shù)為164 d)，2008—2010年為基本穩(wěn)定期，正負(fù)距平均小于年平均日數(shù)的3%，2011—2016年呈現(xiàn)出準(zhǔn)3 a振蕩分布，其中2016年為近11 a最多的年份，出現(xiàn)了182 d。從回歸方程看，近11 a逐年最大風(fēng)速3級(jí)以上日數(shù)呈減少的趨勢(shì)，與平均風(fēng)速趨勢(shì)變化基本一致。

圖4 2006—2016年湖南省最大風(fēng)速3級(jí)以上年日數(shù)變化圖Fig.4 Number of days variety of Hunan Province max-wind velocity beyond 3 grades in 2006—2016

3.2 年內(nèi)變化特征

對(duì)湖南省近11 a每月最大風(fēng)速>3級(jí)風(fēng)日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖5)發(fā)現(xiàn)，大于3級(jí)風(fēng)多發(fā)期基本在春季和夏季，3—8月出現(xiàn)日數(shù)均大于平均值150 d，其中7月和8月為特別偏多的月份，分別偏多85%和57%；少發(fā)期為9月—次年2月，即秋季和冬季，其中最少的11月份較平均次數(shù)偏少49%；與之前得到的平均風(fēng)速年變化特征基本一致，因此綜合得到結(jié)論：春夏季風(fēng)速偏大，秋冬季風(fēng)速偏小。

圖5 2006—2016年湖南省日最大風(fēng)速3級(jí)以上月累計(jì)日數(shù)圖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月出現(xiàn)大于3級(jí)風(fēng)的日數(shù)明顯高于其他月份，這兩個(gè)月出現(xiàn)日數(shù)占到全年次數(shù)的28%，因此通過對(duì)7、8月所有大于3級(jí)風(fēng)的風(fēng)向(圖6)進(jìn)行頻數(shù)統(tǒng)計(jì)，分析夏季的主要風(fēng)向，結(jié)果表明：7月和8月出現(xiàn)的大于3級(jí)風(fēng)中以偏南風(fēng)為主要風(fēng)向，偏南風(fēng)占到所有風(fēng)向中的59%，其中正南風(fēng)占所有偏南風(fēng)的25%，西南風(fēng)占51%，東南風(fēng)占24%。

圖6 2006—2016年湖南省日最大風(fēng)速3級(jí)以上風(fēng)向頻數(shù)圖Fig.6 Frequency of Hunan Province max-wind direction beyond 3 grades in 2006—2016

3.3 空間分布特征

對(duì)近11 a來各站點(diǎn)日最大風(fēng)速3級(jí)以上的日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用ArcGIS軟件按站點(diǎn)將日數(shù)標(biāo)記到湖南省地圖上(圖7)，圖中紅色的深淺代表各站點(diǎn)區(qū)域大于3級(jí)風(fēng)的頻數(shù)。由圖可知，近11 a來湖南省3級(jí)以上風(fēng)的分布在空間上大致分為3個(gè)區(qū)域，湘東北至湘中以東即岳陽東部、長(zhǎng)株潭大部為高頻次集中的一個(gè)區(qū)域，其中岳陽出現(xiàn)了1 648 d，湘南的南部即永州、郴州為另一個(gè)非常明顯且范圍較大的高頻區(qū)，江華縣和臨武縣出現(xiàn)3級(jí)以上風(fēng)的日數(shù)分別達(dá)到了2 597 d和2 499 d處在前兩位；在湘北、湘西及湘西南除常德市、瀘溪縣、洪江市、靖州縣、城步縣等單個(gè)的高頻站點(diǎn)外其他地區(qū)頻次較小，其中湘西北、湘中偏西南一帶為低頻次站點(diǎn)集中的區(qū)域，在湘北到湘西北一帶，除個(gè)別站點(diǎn)頻次較大外，大部分出現(xiàn)3級(jí)以上風(fēng)的日數(shù)較小，最小為張家界市37 d，另外在衡陽市西部到邵陽市一帶各站點(diǎn)大于3級(jí)風(fēng)的日數(shù)基本都在600 d以下，最小為綏寧縣的125 d。

圖7 2006—2016年湖南省日最大風(fēng)速3級(jí)以上距平百分比空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of Hunan Province max-wind velocity beyond 3 grades anomaly percentage in 2006—2016

4 日最大風(fēng)速6級(jí)以上變化特征

4.1 年際變化特征

近11 a來大于6級(jí)風(fēng)的年際變化(圖8)分為兩個(gè)階段：2006—2013年存在較平緩的振蕩，屬于第一階段，振蕩周期3～4 a，其中2006、2010、2013年各為一個(gè)波峰，當(dāng)年大于6級(jí)風(fēng)出現(xiàn)日數(shù)分別為21、21、24 d，2007—2009年、2011—2012年分別存在一個(gè)波谷，日數(shù)均在12～15 d之間；2013—2014年呈現(xiàn)出斷崖式下跌趨勢(shì)，減少至4 d，下降幅度達(dá)83%，而2014—2016年間突然呈現(xiàn)出爆發(fā)性的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，2 a間出現(xiàn)大于6級(jí)風(fēng)的日數(shù)從4 d躍增至60 d。

圖8 2006—2016年湖南省日最大風(fēng)速6級(jí)以上日數(shù)年際變化Fig.8 Number of days interannual variety of Hunan Province max-wind velocity beyond 6 grades

4.2 年內(nèi)變化特征

湖南省有站點(diǎn)出現(xiàn)6級(jí)以上風(fēng)，從逐月變化(圖9)來看，春夏多、秋冬少，其中春夏兩季出現(xiàn)日數(shù)占全年出現(xiàn)總?cè)諗?shù)的72%，1、2、3月出現(xiàn)日數(shù)有明顯的上升趨勢(shì)，4月為出現(xiàn)次數(shù)最多的月份達(dá)到39 d，5、6月份稍下降至17 d，7月陡升至34 d，之后8、9月開始持續(xù)下降，10月份為最低值3 d，11、12月在10 d以下略有起伏。

圖9 2006—2016年湖南省日最大風(fēng)速6級(jí)以上日數(shù)逐月變化Fig.9 Monthly variety of max-wind velocity beyond 6 grades of Hunan Province in 2006—2016

4.3 空間分布特征

湖南省97個(gè)氣象站近11 a有43個(gè)出現(xiàn)過日最大風(fēng)速6級(jí)以上大風(fēng)天氣，其分布具有離散性。南岳站作為湖南省內(nèi)最高的高山站，大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)最多，出現(xiàn)了1 035 d，年均94 d。如圖10，湘南的郴州A、冷水灘B和江華C出現(xiàn)大風(fēng)次數(shù)也較多，年均4～5 d；常德D、韶山E年均2～3 d；長(zhǎng)沙、新寧和瀘溪年均1 d；其他的縣市均在1 d以下。

圖10 2006—2016年湖南省日最大風(fēng)速6級(jí)以上日數(shù)空間分布圖Fig.10 Number of days of spatial distribution of Hunan Province max-wind velocity beyond 6 grades

5 區(qū)域性大風(fēng)天氣情況

5.1 區(qū)域性大風(fēng)分型

本文研究的區(qū)域性大風(fēng)[5]主要是指針對(duì)城鎮(zhèn)天氣預(yù)報(bào)方法，當(dāng)日地面日最大風(fēng)速(10 min平均最大風(fēng)速)≥10.8 m/s，且在全省96個(gè)國(guó)家站點(diǎn)(除南岳站外)中出現(xiàn)5站及以上為一個(gè)區(qū)域性大風(fēng)日。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006—2016年湖南省共出現(xiàn)46個(gè)區(qū)域性大風(fēng)日，根據(jù)其天氣形勢(shì)所屬的主要影響系統(tǒng)可將其分為4類，分別是冷空氣影響類20次，低壓大風(fēng)類11次，雷暴大風(fēng)類11次，臺(tái)風(fēng)影響類4次。

5.2 概念模型分型

使用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的位勢(shì)高度場(chǎng)及海平面氣壓場(chǎng)逐年資料，將由于冷空氣和低壓影響而產(chǎn)生的區(qū)域性大風(fēng)日挑選出來，按日期分別把冷空氣大風(fēng)日和低壓大風(fēng)日對(duì)高度場(chǎng)和氣壓場(chǎng)進(jìn)行算術(shù)平均，得到其平均狀態(tài)作為概念模型，得到如下結(jié)果：①受冷空氣影響的大風(fēng)日，從位勢(shì)高度場(chǎng)平均情況來看，在中高緯度呈現(xiàn)兩槽一脊的形勢(shì)，其中在鄂霍次克海至我國(guó)江淮以南為一深厚低槽，另一槽位于烏拉爾山以西，在兩槽之間貝加爾湖以西、阿爾泰山附近為一高壓脊，中低緯度青藏高原以西多小槽活動(dòng)影響湖南省南部；從海平面氣壓場(chǎng)平均狀況來看，冷高壓中心分別位于烏拉爾山以西薩彥嶺附近和蒙古高原南部，冷空氣前沿影響湖南省氣壓強(qiáng)度達(dá)1 022 hPa。在此條件下，槽后脊前有利于冷空氣南下影響湖南省，并在南下過程中與中低緯小波帶動(dòng)的氣團(tuán)交匯增加氣壓梯度，更有利于產(chǎn)生大風(fēng)天氣。②受低壓影響的大風(fēng)日從海平面氣壓平均狀況來看，整個(gè)湖南省受到低壓系統(tǒng)影響，低壓中心位于貴渝川三省市交界處，中心值低于1 002 hPa，湘東北—湘西南處于明顯低壓倒槽內(nèi)，湖南省湘南地區(qū)由于處在低壓中心附近，常有區(qū)域性偏南大風(fēng)發(fā)生，而從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看當(dāng)湘北地區(qū)受到弱冷空氣滲透影響時(shí)，由于氣壓梯度增大也可能產(chǎn)生區(qū)域性偏北大風(fēng)。③區(qū)域性雷暴大風(fēng)由于天氣分型較多、臺(tái)風(fēng)影響大風(fēng)由于出現(xiàn)情況較少，本文暫不考慮建立概念模型。

6 小結(jié)

①湖南省年平均風(fēng)速為1.63 m/s，呈現(xiàn)出逐年振蕩增強(qiáng)趨勢(shì)，5—6月、10—12月處于波谷，2—4月、7月處于波峰，夏季平均風(fēng)速最大，秋季平均風(fēng)速最小。湖南省平均風(fēng)速較小區(qū)域主要位于湘西北、湘西地區(qū)，較大區(qū)域主要位于湘東北、湘中以東、湘西南地區(qū)。②逐年日最大風(fēng)速3級(jí)以上日數(shù)呈減弱的趨勢(shì)，多發(fā)期為春夏季，7月最多，秋冬季為少發(fā)期，11月最少。日最大風(fēng)速3級(jí)以上偏南風(fēng)占到所有風(fēng)向中的59%，其中正南風(fēng)占所有偏南風(fēng)的25%，西南風(fēng)占51%，東南風(fēng)占24%。湘東北至湘中以東的岳陽東部、長(zhǎng)株潭和湘南南部的永州、郴州大部為日最大風(fēng)速3級(jí)以上高頻區(qū)，湘西北、湘中偏西南一帶、衡陽市西部到邵陽市一帶為低頻區(qū)。③日平均風(fēng)速6級(jí)以上日數(shù)的年際變化前平緩后激烈，整體呈現(xiàn)為增長(zhǎng)的趨勢(shì)，春夏多、秋冬少。④日最大風(fēng)速6級(jí)以上大風(fēng)天氣空間分布具有離散性，概率由大到小依次為南岳、郴州、冷水灘、江華、常德、韶山、長(zhǎng)沙、新寧和瀘溪。⑤湖南省的區(qū)域性大風(fēng)分型主要為4種：冷空氣，低壓大風(fēng)，雷暴大風(fēng)，臺(tái)風(fēng)影響。冷空氣類主要形勢(shì)為中高緯兩槽一脊，中低緯多波動(dòng)，地面高壓南下；低壓大風(fēng)類主要受到低壓中心和倒槽影響。