王 培，何盛浩，張新貝，張 磊

(1. 湖北省荊門市氣象局，湖北 荊門 448000；2. 荊門市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，湖北 荊門 448000 )

開發(fā)和利用清潔、可再生能源已成為我國能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，風能是綠色環(huán)保的可再生能源之一，也是目前技術(shù)較成熟、可作為產(chǎn)業(yè)開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展能源。在這樣的戰(zhàn)略背景下，我國的風電產(chǎn)業(yè)及風能資源評估研究蓬勃開展，對風的預(yù)報也越來越重視[1～2]。近年來，城鎮(zhèn)化進程的加快以及臺站探測環(huán)境的變化，對風的影響非常顯著。全球范圍來看，在過去30～50年間，中緯度的中國、歐洲、北美和澳洲風速以0.004～0.017(m/s)/a的速率遞減，而高緯度地區(qū)(如>65°的南極洲)則變化趨勢相反，以約0.005 (m/s)/a的速率在遞增[3]。王遵婭[4]等認為1951～2000年中國幾乎全部地區(qū)的風速都在減小，西北西部最為顯著，風速減小的實質(zhì)是亞洲冬、夏季風的減弱；彭珍[5]等研究發(fā)現(xiàn)隨著北京城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城區(qū)近地面的平均風速存在逐年遞減的趨勢；何毅[6]等研究發(fā)現(xiàn)1960～2013年南北疆地區(qū)風速顯著降低，并認為城鎮(zhèn)化發(fā)展不是風速顯著下降的主要原因，大氣環(huán)流變化和氣候變暖才是造成風速減小的可能原因；王傳輝[7]等認為安徽省大部風速普遍呈現(xiàn)顯著減少趨勢，長江以北地區(qū)的最大風速出現(xiàn)偏西風的頻率最高；王毅榮[8]等研究得出在探測環(huán)境變化較大的氣象觀測站的風速顯著減小，而探測環(huán)境變化較小的高山站風速減小并不明顯，個別地區(qū)還存在增加的趨勢；毛飛[9]等人利用那區(qū)地區(qū)1961～2000年風速資料分析出除冬季呈減小趨勢外，其他季節(jié)均呈增加趨勢。

從以往的研究結(jié)果看，風不僅受到大尺度天氣背景的影響，城鎮(zhèn)化發(fā)展也是重要的影響因素?，F(xiàn)有的研究比較關(guān)注的是風速的變化，在大風研究方面也已經(jīng)有了一定進展[10]，但對風向的研究還不是很多。鑒于此，筆者利用湖北荊門、襄陽、武漢三個地區(qū)近60年風速風向資料進行統(tǒng)計分析，并結(jié)合同時期荊門市城市發(fā)展歷程分析，得出荊門市風速、風向特點，以期為荊門市合理利用風能資源提供參考，并對同類型城市的風能利用提供借鑒。

1 資料與方法

1.1 荊門地區(qū)概況

荊門市位于湖北省中部、江漢平原西北部(111°51′～113°29′E、30° 32′～31°36′N)，地處秦嶺南支荊山余脈和大洪山南麓。如圖1所示，整體地勢東、西兩面最高，北部次高，南部較低，呈現(xiàn)東西低山坳谷、北部丘崗沖溝、南部平原湖區(qū)態(tài)勢。受地形地勢影響，荊門常年北風、風力較大，風能資源較為豐富。

圖1 荊門市三維地形Fig.1 Jingmen 3D topography

1.2 資料來源

選取1959～2018年近60年荊門、襄陽、武漢3個國家地面氣象觀測站逐時、逐日平均風速、風向數(shù)據(jù)觀測資料進行統(tǒng)計分析。隨著城市發(fā)展，荊門原站點(位于東寶區(qū)，圖2所示)四周各方位均建有零散高層建筑物及辦公樓，已不符合氣象探測環(huán)境要求，2008年原荊門站遷至掇刀區(qū)，新站點地勢較周圍高，周圍比較空曠、四周無建筑物，但由于環(huán)境差異較大使得大風資料的均一性受到影響。

圖2 荊門觀測站區(qū)位Fig.2 Observation station location of Jingmen

1.3 分析方法

采用數(shù)理統(tǒng)計、線性分析、氣候傾向率等方法，對荊門地區(qū)風向風速變化特征及變化趨勢等進行氣候統(tǒng)計分析。

2 荊門風速特征

2.1 年平均風速

為了分析荊門風速特點，北部選取襄陽、東部選擇武漢作比較，利用荊門、襄陽、武漢3個國家氣象站近60年逐月平均風速(襄陽站資料從1962～2018年56年)，得出年平均風速，荊門近60年年平均風速為2.9m/s，襄陽近56年年平均風速為2.6m/s，武漢近60年年平均風速為2.0m/s。可從荊門、襄陽、武漢年平均風速的變化曲線(圖3)明顯看出，除個別年份，荊門的年平均風速均比襄陽、武漢大。從圖1還可看出3站的年平均風速整體均呈逐年減小趨勢，荊門1959～2007年間年均風速減小了2.0m/s，2008年由于遷站的原因，2007～2008年年平均風速急劇上升，2008年之后又呈緩慢減小趨勢；襄陽2013年遷站也出現(xiàn)了風速劇增現(xiàn)象；武漢2010年遷站后也出現(xiàn)了風速明顯增加現(xiàn)象。3站舊觀測站均處于城區(qū)，四周建筑密集，新觀測站周邊無高大遮擋物，新舊環(huán)境相差較大，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)有一定差別，3站均出現(xiàn)了風速陡升現(xiàn)象。

圖3 荊門、襄陽、武漢年平均風速的年際變化Fig.3 The annual variation of annual average wind speed in Jingmen, Xiangyang and Wuhan

從荊門年代際變化來看(圖4)，20世紀60年代基本穩(wěn)定略有上升，20世紀70年代和80年代均呈減小趨勢，其氣候傾向率分別為-0.72(m/s)/10 a和-0.37(m/s)/10 a，20世紀90年代轉(zhuǎn)為增加趨勢，10年間增加0.22m/s，21世紀后又轉(zhuǎn)為減小趨勢，2000～2007年線性趨勢線傾斜率為-0.11，2008年之后為-0.02。

圖4 荊門年平均風速年代際變化特征Fig.4 The decadal variation of annual average wind speed in Jingmen

結(jié)合圖4與荊門市城市發(fā)展歷程分析(圖5)看，荊門市風速變化與城市發(fā)展具有一定的相關(guān)性：20世紀60年代城區(qū)面積約0.8km2，城市規(guī)模穩(wěn)定少發(fā)展，這階段風速基本穩(wěn)定；20世紀70年代東西城區(qū)的格局開始形成，城市開始發(fā)展，這個階段風速減小趨勢較大；20世紀80年代城市用地迅速擴張達到中等城市規(guī)模，且主要集中在城市北部發(fā)展，這個階段風速繼續(xù)呈減小趨勢；20世紀90年代城區(qū)主要向南部擴展，北部發(fā)展速度減緩，氣象觀測站處于北部老城區(qū)，這期間風速有緩慢增加趨勢；21世紀后南北部城區(qū)均加速發(fā)展，該時段風速減小趨勢最為明顯，風速減小原因是城市發(fā)展，周圍高層建筑物增加速度快，改變了地面粗糙度的同時，對風速形成了明顯的阻擋作用。

圖5 荊門市城市發(fā)展歷程分析Fig.5 The city development analysis of Jingmen

2.2 月平均風速

分析荊門、襄陽、武漢平均風速月變化曲線圖(圖6)可見，荊門各月平均風速均大于襄陽、武漢，荊門、襄陽在全年月平均風速的變化趨勢略有差異，但波動趨勢基本一致，與武漢差異較大。荊門月平均風速起伏較大，最大3月3.6m/s，最小6月2.8m/s，波動幅度為0.8m/s，夏季由于南風增多，風速明顯減小，春秋季節(jié)多北方冷空氣南下入侵，荊門多偏北大風，風速明顯增加；襄陽波動幅度更大為1.0m/s，最大4月，最小10月；武漢波動幅度較小為0.5m/s，最大7月，最小10月，武漢月平均風速起伏較為平緩，7月有明顯增加，主要由夏季局地雷雨、大風天氣較多所致。

圖6 荊門、襄陽、武漢平均風速月變化Fig.6 The monthly change of the average wind speed in Jingmen, Xiangyang and Wuhan

2.3 年大風日數(shù)

中國氣象觀測業(yè)務(wù)規(guī)定，瞬時風速達到或超過17 m/s的風為大風，有大風出現(xiàn)的一天稱為大風日[11]。經(jīng)統(tǒng)計，荊門年均大風日數(shù)為16.5d，襄陽為11.4d，武漢為5.6d。圖7顯示了荊門1959～2007年、2008～2018年大風日數(shù)變化特征。由圖7可知，2007年之前荊門大風日數(shù)最多的年份為1971年，達35d，大風日高值時段發(fā)生在20世紀70年代，20世紀80年代后大風日數(shù)逐漸減少，2008年后受遷站影響大風日數(shù)又急劇增加，2009年高達48d，2010年后又逐步減少。因此從總變化趨勢來看，荊門的大風日數(shù)整體呈減少趨勢，其氣候傾向率2007年之前為-4.1d/10 a，2008年之后為-3.3d/10 a。年大風日數(shù)最低值出現(xiàn)在2007年，為1d。

圖7 荊門大風日數(shù)年變化Fig.7 The annual variation of strong wind days in Jingmen

3 荊門風向特征

3.1 年平均風向頻率

從荊門平均風向頻率玫瑰圖(圖8)可以看出，荊門常年主導(dǎo)風向為N，占全年風向頻率的22.9%；次最多風向為NNE，占16.4%；NE、SSW、SW均占7%；最不常見的風向為ESE，僅占2%。

圖8 荊門平均風向頻率(%)玫瑰圖Fig.8 The average wind direction frequency(%) rose diagram in Jingmen

3.2 季風向頻率

從荊門四季風向頻率玫瑰圖(圖9)可看出，荊門的主導(dǎo)風向一年四季較為穩(wěn)定，均為N，主導(dǎo)風向N出現(xiàn)頻次秋季最高為29.4%，冬季次之為25.2%[12]；春季和夏季主導(dǎo)風向N所占比例小于秋季和冬季，SSW、SW風向明顯增多。

圖9 荊門四季風向頻率(%)玫瑰圖Fig.9 The wind direction frequency(%) rose diagram in four seasons in Jingmen

3.3 月風向頻率

荊門風向的變化除受大尺度天氣系統(tǒng)影響外，同時也受山脈、河流等地形的影響，盛行風向的變化并不明顯。下表統(tǒng)計了荊門1～12月最多風向及次多風向出現(xiàn)頻率，可以看出：荊門全年以偏北風向為主，主導(dǎo)風向為N；6、7月由于副熱帶高壓逐漸北抬，隨著暖濕氣流的增強，荊門市偏南風開始增多，從而導(dǎo)致以偏北的盛行風向所占比例有所減少；秋季和冬季，北方冷空氣南下頻繁，偏北風向明顯增多[13]。

表 荊門1～12月主導(dǎo)風向及出現(xiàn)頻率Tab. The dominant wind direction and frequency from Jan to Dec in Jingmen (%)

3.4 大風風向

荊門大風日多出現(xiàn)在春季，其次是冬季。從荊門大風風向頻率玫瑰圖(圖10)能夠看出，荊門的大風風向主要集中在N～NNE方位區(qū)間，其中N風向占45.2%、NNE風向占32.2%，偏南風向的大風發(fā)生概率均較小。

圖10 荊門大風風向頻率(%)玫瑰圖Fig.10 The strong wind direction frequency(%) rose diagram in Jingmen

4 結(jié)果與討論

荊門年平均風速為2.9m/s，與襄陽、武漢年均風速相比均偏大。荊門地形北高南低、東西高中間低，中部有漢水河谷，北出南陽盆地、南入長江，是冷空氣南侵的通道，獨特的地形和地勢是荊門風速較大的主要原因。

荊門、襄陽、武漢年均風速變化趨勢總體一致，呈減小趨勢，但三站均因遷站出現(xiàn)了風速陡升現(xiàn)象，這是新舊環(huán)境相差較大導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)有一定差別，但遷站后風速仍然呈緩慢減小趨勢，荊門1959～2007年49年間年均風速減小了2.0m/s。

荊門市風速變化與城市發(fā)展具有一定的相關(guān)性：城市快速發(fā)展時期，周圍高層建筑物增加速度快，改變了地面粗糙度的同時，對風速形成了明顯的阻擋作用，風速呈明顯減小趨勢。

荊門主導(dǎo)風向一年四季較為穩(wěn)定，均為N，N出現(xiàn)頻次以秋季最高、冬季次之，春季和夏季主導(dǎo)風向N所占比例小于秋季和冬季，SSW、SW風向明顯增多；1～12月最多風向均為N，6、7月N所占比例有所減少，各月平均風速均大于襄陽、武漢，最大3月3.6m/s，最小6月2.8m/s，波動幅度為0.8m/s；6、7月由于副熱帶高壓逐漸北抬，隨著暖濕氣流的增強，荊門市偏南風開始增多，從而導(dǎo)致以偏北的盛行風向所占比例有所減少，風速也有所減小。

荊門年均大風日數(shù)為16.5d，明顯高于襄陽、武漢；大風日數(shù)整體呈減少趨勢，氣候傾向率2007年之前為-4.1d/10 a，2008年之后為-3.3d/10 a；大風日多出現(xiàn)在春季，大風風向多集中在N～NNE方位區(qū)間。

荊門風速較大，除去6月風速最小，其他月份風速基本穩(wěn)定在3.1～3.6m/s之間，有穩(wěn)定的盛行風向，適宜在城市周邊建設(shè)風電場，目前荊門市已經(jīng)建設(shè)子陵鋪風電場、象河風電場、圣境山風電場等多個風電場。荊門中心城區(qū)常年以北風為主，城市建設(shè)過程中注重對風向的利用，在鐵路(焦柳鐵路荊門城區(qū)段)、高速公路(襄荊高速荊門段)和城市道路(207國道荊門城區(qū)段)等沿線降低城市開發(fā)強度、控制建設(shè)高度，形成南北向的城市風道，將夏季涼風引入城區(qū)，降低城市熱島效應(yīng)。

荊門、襄陽、武漢3站都存在因氣象站遷站導(dǎo)致的風速突變，風速資料的均一性受到影響，在連續(xù)使用風速數(shù)據(jù)時可參照新舊觀測站對比觀測數(shù)據(jù)，利用差值方法對風速數(shù)據(jù)進行訂正，訂正后數(shù)據(jù)應(yīng)更加合理。

5 結(jié) 語

城市風向，很大程度決定了城市的空間格局，對城市的能源構(gòu)成以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)影響深遠；而城市風速，一定程度決定了能源的利用率以及一些重大項目的選址論證，進而影響城市的基礎(chǔ)設(shè)施配套與生態(tài)廊道預(yù)留。本文僅以荊門近60年城市風向與風速的研究分析，希望對中國正面臨“退二進三”轉(zhuǎn)型時期的大多城市，尤其是資源消耗較大的城市，在能源利用、產(chǎn)業(yè)布局、重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、生態(tài)廊道建設(shè)、重大項目落戶時提供借鑒意義！