沈龍 羅京佳 金大超

摘要 基于ERA5的逐小時(shí)100 m風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，利用時(shí)間序列K-means聚類(lèi)方法，將中國(guó)沿海冬季風(fēng)能年際變化劃分為四個(gè)區(qū)域，分別為北中國(guó)海（North China Sea，NCS）、東海（East China Sea，ECS）、南海北部（Northern South China Sea，NSCS）及南海南部（Southern South China Sea，SSCS）。四個(gè)區(qū)域風(fēng)能的年際變化受不同氣候模態(tài)的影響，其中NCS風(fēng)能的年際變化與北極濤動(dòng)（Arctic Oscillation，AO）有關(guān);ECS風(fēng)能的年際變化與中部型ENSO及西伯利亞高壓有關(guān);SSCS和NSCS的年際變化則和東部型ENSO及大陸高壓的南北位置存在聯(lián)系。鑒于影響各區(qū)域風(fēng)能年際變化的氣候模態(tài)具有較高的可預(yù)測(cè)性，進(jìn)一步評(píng)估了多個(gè)氣候模式對(duì)中國(guó)沿海風(fēng)能年際變化的預(yù)測(cè)技巧。結(jié)果表明，氣候模式對(duì)南中國(guó)海的風(fēng)能年際變化預(yù)測(cè)技巧更高，這與氣候模式對(duì)ENSO的高預(yù)測(cè)技巧有關(guān)。氣候模式對(duì)北方海域風(fēng)能年際變化的預(yù)測(cè)技巧較差，這和氣候模式不能較好地預(yù)測(cè)AO和西伯利亞高壓有關(guān)。

關(guān)鍵詞中國(guó)沿海風(fēng)能;年際變化;北極濤動(dòng);ENSO;西伯利亞高壓;氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)評(píng)估

隨著人口的增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，化石能源的使用不僅對(duì)環(huán)境造成了影響，其有限性問(wèn)題也逐漸顯露出來(lái)。因此，尋找環(huán)保的、可持續(xù)的替代能源解決方案變得尤為迫切（Algarni et al.，2023;Xia et al.，2023）。可再生能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等，因其源源不斷的特點(diǎn)和對(duì)環(huán)境較小的影響，正成為能源領(lǐng)域的重要選項(xiàng)，并以其可持續(xù)性和環(huán)保性在全球范圍內(nèi)受到了廣泛的關(guān)注（Kung et al.，2021）。而風(fēng)能作為一種可再生能源，發(fā)電成本預(yù)計(jì)將從2015年的5.5美分／千瓦時(shí)降至2030年的4.1～4.5美分／千瓦時(shí)。預(yù)計(jì)到2030年，風(fēng)力發(fā)電可能成為最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的新能源發(fā)電方式之一，裝機(jī)容量也將迎來(lái)迅速的發(fā)展（Sahu et al.，2013;Williams et al.，2017）。

隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，區(qū)域風(fēng)能資源的時(shí)空分布對(duì)風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目產(chǎn)量的影響受到了越來(lái)越多的關(guān)注。如國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)風(fēng)能資源的氣候特性開(kāi)展了大量的研究工作（李艷等，2010;Zheng et al.，2013;Chang et al.，2015;孫玉婷等，2017;宋超輝等，2019;Soukissian et al.，2021;Tian et al.，2021），揭示了風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，為風(fēng)電機(jī)組的宏觀(guān)選址提供了科學(xué)依據(jù)和線(xiàn)索。此外，隨著近年來(lái)氣候變化問(wèn)題的加劇，氣候變化對(duì)未來(lái)風(fēng)能資源的影響也受到了越來(lái)越多的關(guān)注。研究表明，未來(lái)風(fēng)能資源的變化存在顯著的區(qū)域及季節(jié)差異（Li et al.，2020;Wu et al.，2021;Zhuo et al.，2022;張佳等，2023）。上述研究結(jié)果為風(fēng)電項(xiàng)目的前期規(guī)劃提供了重要的科學(xué)依據(jù)。但由于風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，其產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)容易受到風(fēng)能年際變化的影響。因此，深入理解風(fēng)能的年際變化對(duì)于風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)量長(zhǎng)期的季節(jié)預(yù)測(cè)、進(jìn)一步提高風(fēng)力發(fā)電量的穩(wěn)定性至關(guān)重要（Bett et al.，2017;Clark et al.，2017;Krakauer and Cohan，2017;Lockwood et al.，2019）。

風(fēng)能資源存在顯著的年際變化，這種年際變化和大氣環(huán)流異常存在密切聯(lián)系（Sun and Yan，2012;Berg et al.，2013;Hamlington et al.，2015;Yu et al.，2015，2020;Sherman et al.，2017）。東亞地區(qū)位于歐亞大陸東部，其大氣環(huán)流異常亦存在顯著的區(qū)域性特征（李麗平等，2015）。而這種局地大氣環(huán)流異常受多種因素的影響，包括人為因素（如氣溶膠排放）和自然變率的影響。如，東亞氣溶膠的增加會(huì)引起局地大氣異常環(huán)流，導(dǎo)致不同地區(qū)的降水及氣溫變化（Chen et al.，2018;Dong et al.，2019;鄭彬等，2021）。此外，西北太平洋對(duì)流層低層的環(huán)流系統(tǒng)和ENSO（El Nio-Southern Oscillation）存在密切聯(lián)系。在El Nio年，西北太平洋存在反氣旋式環(huán)流異常，而在La Nia年，西北太平洋存在氣旋式環(huán)流異常（Wang et al.，2000）。AO（Arctic Oscillation）和西伯利亞高壓（SH，Siberian High）是影響東亞中高緯度地區(qū)大氣環(huán)流的重要因子。AO可通過(guò)影響東亞大槽，影響冬季風(fēng)強(qiáng)弱，SH則直接地影響東亞沿岸北風(fēng)以及海平面氣壓（Wu and Wang，2002）

既然東亞地區(qū)環(huán)流異常的年際變化存在顯著的區(qū)域特征，而風(fēng)能資源又與大氣環(huán)流異常存在密切的聯(lián)系。那么中國(guó)近海風(fēng)能的年際變化是否存在區(qū)域性特征？如果存在，那么影響各區(qū)域風(fēng)能資源的因子有哪些呢？這些影響因子又是如何調(diào)控中國(guó)近海不同區(qū)域風(fēng)能年際變化的呢？氣候模態(tài)具有較高的可預(yù)測(cè)性，目前主流氣候模式對(duì)中國(guó)沿海風(fēng)能的年際變化的預(yù)測(cè)技巧又是如何？本文將圍繞上述問(wèn)題展開(kāi)討論。

1 資料與方法

1.1 資料描述

采用了水平分辨率為0.25°的ERA5逐小時(shí)再分析資料（Hersbach et al.，2020）。與ERA-Interim及其他再分析資料相比較，ERA5與地表風(fēng)觀(guān)測(cè)之間的均方根誤差最低、相關(guān)系數(shù)最高（Olauson，2018;Belmonte Rivas and Stoffelen，2019）。而ERA5的地表風(fēng)場(chǎng)年際變率與觀(guān)測(cè)的年際變率最為接近（Ramon et al.，2019）。因此，使用了ERA5的100 m高度風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)以計(jì)算風(fēng)能密度。選用了ERA5的海平面氣壓、位勢(shì)高度及風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)等用于診斷風(fēng)能的年際變化。

為了揭示中國(guó)沿海風(fēng)能各區(qū)域的影響因子，選用了美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）冬季平均（12月—次年2月的平均值）的AO指數(shù)、Nio3指數(shù)和Nio4指數(shù)。由于本研究關(guān)注的是中國(guó)沿海風(fēng)能的年際變化，因此提取了風(fēng)能的年際變化分量。此外，還選用了英國(guó)氣象局的HadISST海表溫度資料，水平分辨率為1°×1°（Rayner et al.，2003）（表1）。

目前世界上主流氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)包括南京信息工程大學(xué)第一代氣候預(yù)測(cè)模式（NUIST-CFS1.0）、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的SEAS5、德國(guó)氣象局（Deutscher Wetter Dienst，DWD）的GCFS2.1、歐洲-地中海氣候變化中心（Centro Euro-Mediterraneo sui Cambiamenti Climatici，CMCC）的CMCC-SPS3.5和日本氣象廳（Japan Meteorological Agency，JMA）的MRI-CPS3等。上述氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)熱帶地區(qū)海表溫度和大氣環(huán)流具有較高的預(yù)測(cè)技巧，對(duì)中高緯度大氣環(huán)流亦具有一定的預(yù)測(cè)能力，被廣泛應(yīng)用于氣候預(yù)測(cè)和氣候變化研究中。然而，目前氣候模式對(duì)風(fēng)能的預(yù)測(cè)能力尚不清楚，急需將這些模式應(yīng)用在實(shí)際的場(chǎng)景中，特別是在風(fēng)能資源預(yù)測(cè)的實(shí)際場(chǎng)景中。因此選用了五個(gè)氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)（表2）1993—2016年冬季風(fēng)場(chǎng)的歷史回報(bào)數(shù)據(jù)以評(píng)估它們對(duì)中國(guó)海上風(fēng)能年際變化的預(yù)測(cè)技巧。

1.2 分析方法

1.2.1 風(fēng)能密度的計(jì)算

風(fēng)能密度為氣流在單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積的風(fēng)能，它是描述一個(gè)地方風(fēng)能潛力最方便、最有價(jià)值的量。風(fēng)速每時(shí)每刻都在變化，瞬時(shí)風(fēng)速值不適合計(jì)算風(fēng)能密度，需用長(zhǎng)期風(fēng)速觀(guān)測(cè)資料才能反映其規(guī)律，故采用了平均風(fēng)能密度的評(píng)估方法。平均風(fēng)能密度與風(fēng)速的三次方和空氣密度成正比，單位為w·m-2，其中空氣密度為1.225 kg·m-3。平均風(fēng)能密度的公式如下：

其中：n為時(shí)次數(shù)量;ρ為空氣密度;V為風(fēng)速大小;Wpd為平均風(fēng)能密度。

基于風(fēng)能密度公式，計(jì)算了1979—2020年逐小時(shí)風(fēng)能密度，求取逐年冬季平均，進(jìn)一步采用Butterworth高通濾波方法，將風(fēng)能密度時(shí)間序列中超過(guò)5 a的低頻分量濾除，僅保留高頻部分以得到風(fēng)能密度的年際分量。

1.2.2 時(shí)間序列K-means聚類(lèi)方法

傳統(tǒng)的K-means聚類(lèi)方法在捕捉時(shí)間序列的平滑子空間特征方面表現(xiàn)較弱，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的時(shí)間序列K-means（Time Series K-means，TSK-means）聚類(lèi)方法能夠有效地提取時(shí)間序列內(nèi)部的次空間尺度信息，更適合處理具有較高復(fù)雜性的時(shí)間序列數(shù)據(jù)（Huang et al.，2016）。使用TSK-means方法將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后的風(fēng)能密度年際變化時(shí)間序列進(jìn)行聚類(lèi)，聚類(lèi)具體步驟為：

1）選擇要分成的聚類(lèi)簇（K值）。從風(fēng)能密度數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選擇k個(gè)格點(diǎn)作為初始聚類(lèi)中心。這些格點(diǎn)將成為每個(gè)簇的風(fēng)能年際變化的代表。

2）對(duì)于每個(gè)聚類(lèi)簇，計(jì)算樣本（時(shí)間序列）與所有聚類(lèi)中心之間的歐式距離，以衡量它們的相似程度。并將樣本分配到距離最近的聚類(lèi)中心所代表的簇。

3）對(duì)于每個(gè)聚類(lèi)簇，計(jì)算簇中所有樣本的平均值，將該平均值作為新的聚類(lèi)中心。

4）重復(fù)執(zhí)行步驟2和步驟3，直到聚類(lèi)中心不再發(fā)生顯著變化或達(dá)到預(yù)定的迭代次數(shù)，以確保聚類(lèi)過(guò)程收斂，每個(gè)樣本都被分配到適當(dāng)?shù)拇?，從而得到最終的聚類(lèi)結(jié)果。

2 結(jié)果

2.1 冬季沿海風(fēng)能年際變化的客觀(guān)分區(qū)

受東亞冬季風(fēng)影響，中國(guó)沿海區(qū)域盛行偏北風(fēng)（圖1a），30°N以北地區(qū)受西北風(fēng)控制，氣候平均風(fēng)速約為4.6m／s，而30°N以南地區(qū)，受東北風(fēng)影響，氣候平均風(fēng)速較高，約為8.0 m／s。類(lèi)似于風(fēng)速的空間分布，冬季南方海域的風(fēng)能密度普遍高于北方海域。北方海域的平均風(fēng)能密度約為503.8 W／m2，隨著距離海岸線(xiàn)的增加逐漸增大。相比之下，南方海域風(fēng)能資源更為豐富，部分地區(qū)最大風(fēng)能密度超過(guò)2 000 W／m2。南方海域有3個(gè)顯著的風(fēng)能密度高值中心，分別位于臺(tái)灣海峽、呂宋海峽以及南沙群島以東的海域。

中國(guó)沿海區(qū)域的風(fēng)能密度存在較強(qiáng)的年際變化特征，風(fēng)能密度較大的地區(qū)存在較大的年際變率（圖1b）。圖1c采用TSK-means方法對(duì)中國(guó)沿海風(fēng)能密度的年際變化進(jìn)行客觀(guān)分區(qū)。首先，通過(guò)計(jì)算在不同聚類(lèi)數(shù)下，樣本與其最近聚類(lèi)中心之間的距離總和，即聚類(lèi)誤差。我們既不希望聚類(lèi)結(jié)果過(guò)于細(xì)致，也不希望聚類(lèi)誤差過(guò)大，因此聚類(lèi)數(shù)通常選擇在聚類(lèi)誤差出現(xiàn)拐點(diǎn)處。在此例中，最佳聚類(lèi)數(shù)確定為4（圖1d）。中國(guó)沿海風(fēng)能資源年際變化分為4個(gè)顯著的聚類(lèi)區(qū)域：北中國(guó)海（North China Sea，NCS）、東海（East China Sea，ECS）、南海北部（Northern South China Sea，NSCS）以及南海南部（Southern South China Sea，SSCS）?；诜治龅慕Y(jié)果，將各區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化的區(qū)域平均冬季風(fēng)能密度年際分量定義為風(fēng)能年際變化指數(shù)。

2.2 大尺度環(huán)流異常與風(fēng)能年際變化的關(guān)系

由于風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比，而東亞冬季風(fēng)的年際變化又與大氣內(nèi)部變率（如北極濤動(dòng)、西伯利亞高壓、北大西洋濤動(dòng)）及外部強(qiáng)迫因子（如ENSO）存在關(guān)聯(lián)（Gong et al.，2001;Wu and Wang，2002;Kim et al.，2014）。因此為了找出中國(guó)沿海四個(gè)區(qū)域風(fēng)能變化指數(shù)的潛在影響因子，將風(fēng)能指數(shù)回歸到同期冬季的海溫異常場(chǎng)以及海平面氣壓異常場(chǎng)（圖2）。

回歸結(jié)果顯示，NCS風(fēng)能與熱帶海溫并不存在顯著聯(lián)系（圖2a），和極地大部分地區(qū)的海平面氣壓呈正相關(guān)關(guān)系，與中緯度地區(qū)海平面氣壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖2b）。這種異常空間分布與AO負(fù)位相的海平面氣壓場(chǎng)空間分布相似。計(jì)算了NCS指數(shù)與AO指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.39（表3），進(jìn)一步表明NCS風(fēng)能和AO存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。AO指數(shù)回歸的環(huán)流場(chǎng)（圖3a）顯示，在AO正（負(fù)）位相時(shí)，中國(guó)東北地區(qū)反氣旋（氣旋）環(huán)流異常，其南側(cè)存在東南（西北）風(fēng)異常，減弱（增強(qiáng)）了NCS地區(qū)的氣候態(tài)風(fēng)速（圖1a），從而減弱（增強(qiáng)）了NCS地區(qū)的風(fēng)能資源。

ECS風(fēng)能指數(shù)和熱帶中太平洋海溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與熱帶西太平洋海溫呈正相關(guān)（圖2c），這和中太平洋型El Nio事件發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的海溫異常的空間分布相似，ECS風(fēng)能指數(shù)和Nio4指數(shù)的相關(guān)為-0.29（表3）。Nio4指數(shù)回歸的環(huán)流場(chǎng)（圖3d）顯示，當(dāng)中太平洋型厄爾尼諾（拉尼娜）事件發(fā)生時(shí)，西北太平洋將出現(xiàn)反氣旋（氣旋）環(huán)流異常，其西北側(cè)的西南風(fēng)（東北風(fēng)）與ECS區(qū)域氣候態(tài)風(fēng)速相反（一致），減弱（增強(qiáng)）了ECS地區(qū)的風(fēng)能。注意到，ECS還和西伯利亞地區(qū)海平面氣壓呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖2d）。將西伯利亞地區(qū)（70°～105°E，60°～75°N）的標(biāo)準(zhǔn)化海平面氣壓定義為SH（Siberian High）指數(shù)，SH指數(shù)回歸的850 hPa風(fēng)場(chǎng)以及位勢(shì)高度場(chǎng)（圖3b）顯示。強(qiáng)（弱）SH年，東亞—西北太平洋區(qū)域位勢(shì)高度負(fù)（正）異常存在兩個(gè)中心，分別位于東北亞和華南地區(qū)，其中華南氣旋（反氣旋）北側(cè)的偏東（西）風(fēng)與ECS區(qū)域氣候態(tài)風(fēng)速一致（相反），引起ECS區(qū)域風(fēng)能密度增強(qiáng)（減弱）。綜上所述，ECS區(qū)域風(fēng)能年際變化受中太平洋型ENSO和西伯利亞高壓影響。

NSCS和SSCS區(qū)域風(fēng)能年際變化均和西太平洋海溫呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，和東太平洋海溫之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖2e、g），這和東太平洋型ENSO事件存在聯(lián)系，這兩個(gè)區(qū)域的風(fēng)能指數(shù)和Nio3指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為-0.56和-0.53（表3）。NSCS和SSCS區(qū)域風(fēng)能還和菲律賓海的低壓系統(tǒng)存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。需要說(shuō)明的是，NSCS和歐亞大陸中緯度地區(qū)海平面氣壓呈正相關(guān)關(guān)系（圖2f），而SSCS則和歐亞高緯度地區(qū)的海平面氣壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖2h）。為了揭示東太平洋型ENSO影響

NSCS和SSCS區(qū)域風(fēng)能年際變化的機(jī)制，將Nio3指數(shù)回歸到850 hPa風(fēng)場(chǎng)以及位勢(shì)高度場(chǎng)（圖3c）上，發(fā)現(xiàn)當(dāng)東太平洋型El Nio（La Nia）事件發(fā)生時(shí)，菲律賓反氣旋（氣旋）將會(huì)偏南，其環(huán)流型北側(cè)的西南風(fēng)（東北風(fēng)）與南海區(qū)域氣候態(tài)風(fēng)速相反（一致），導(dǎo)致NSCS和SSCS風(fēng)能密度減弱（增強(qiáng)）。NSCS和SSCS區(qū)域風(fēng)能指數(shù)回歸的環(huán)流場(chǎng)（圖4a、b）也顯示這兩個(gè)區(qū)域的風(fēng)能和東太平洋型ENSO引起的西北太平洋環(huán)流異常存在聯(lián)系。

上述結(jié)果表明，東部型ENSO可通過(guò)菲律賓反氣旋（氣旋）異常調(diào)節(jié)NSCS和SSCS區(qū)域風(fēng)能的年際變化。但這兩個(gè)區(qū)域風(fēng)能年際變化仍存在差異，說(shuō)明除了共同受東部型ENSO的影響，可能還有其他因子調(diào)控兩個(gè)區(qū)域風(fēng)能的年際變化。濾除Nio3指數(shù)的NSCS和SSCS區(qū)域風(fēng)能指數(shù)回歸的環(huán)流場(chǎng)顯示，濾去東部型ENSO信號(hào)后，菲律賓周?chē)沫h(huán)流異常顯著減弱（圖4c、d），進(jìn)一步說(shuō)明了東部型ENSO可通過(guò)菲律賓氣旋（反氣旋）調(diào)節(jié)NSCS、SSCS區(qū)域的風(fēng)能年際變化。注意到，濾除ENSO信號(hào)后，NSCS區(qū)域風(fēng)能和大陸高壓異常存在聯(lián)系（圖4c），而當(dāng)該高壓異常南移至西北太平洋區(qū)域則會(huì)增強(qiáng)SSCS區(qū)域的風(fēng)能（圖4d）。這說(shuō)明除了東部型ENSO對(duì)NSCS和SSCS區(qū)域風(fēng)能的共同影響外，大陸異常高壓南北位置也是影響NSCS和SSCS區(qū)域風(fēng)能年際變化的重要影響因子。

2.3 聚類(lèi)區(qū)域風(fēng)能年際變化的多模式預(yù)測(cè)技巧評(píng)估

中國(guó)冬季沿海100 m風(fēng)能密度的氣候態(tài)空間分布（圖5）顯示，沿海風(fēng)能密度呈現(xiàn)“南多北少”的空間分布型，南海區(qū)域?yàn)槲覈?guó)冬季海上風(fēng)能資源最為豐富的地區(qū)，臺(tái)灣海峽、呂宋海峽、南沙群島以西海域等區(qū)域?yàn)轱L(fēng)能資源極大值區(qū)域（圖5a）。5種氣候模式都可以預(yù)測(cè)出我國(guó)沿海風(fēng)能資源“南多北少”的空間分布特征，但是各模式的預(yù)測(cè)能力存在差異性。對(duì)于南方海域，CMCC和JMA模式高估了南海的風(fēng)能資源（圖5b、f），而NUIST和DWD模式則低估了南海的風(fēng)能資源（圖5c、e）。相較其他模式，SEAS5模式的預(yù)測(cè)結(jié)果最接近觀(guān)測(cè)的風(fēng)能密度空間分布（圖5d）。對(duì)于北方海域，除SEAS5模式外的其他氣候模式均高估了北方海域風(fēng)能資源。各模式預(yù)測(cè)的中國(guó)冬季近海100 m風(fēng)能密度的RMSE顯示，模式對(duì)臺(tái)灣海峽、呂宋海峽以及南沙群島以西海域等區(qū)域風(fēng)能資源豐富的區(qū)域模擬結(jié)果和觀(guān)測(cè)存在較大偏差（圖6）。其中，CMCC模式對(duì)中國(guó)海域風(fēng)能資源預(yù)測(cè)誤差最大（圖6a），而SEAS5模式的預(yù)測(cè)誤差最?。▓D6c）。

圖7展示了冬季中國(guó)沿海風(fēng)能密度年際變化的ACC預(yù)測(cè)技巧?？傮w來(lái)說(shuō)，大多數(shù)氣候模式在南方海域的預(yù)測(cè)技巧優(yōu)于北方海域。值得注意的是，在菲律賓以西洋面及臺(tái)灣地區(qū)西南方向海域，5種模式的預(yù)測(cè)技巧顯著低于周?chē)Ｓ?。這可能是由于這些區(qū)域受地形阻擋和盛行風(fēng)向的影響，處于背風(fēng)坡區(qū)域，因此風(fēng)速的年際變化受冬季風(fēng)影響小，而大尺度氣候模式往往對(duì)這種小尺度因素影響下的區(qū)域風(fēng)能年際變化預(yù)測(cè)技巧較差。對(duì)于北方海域，各模式的預(yù)測(cè)技巧存在差異性，CMCC與SEAS5模式對(duì)北方海域風(fēng)能年際變化的預(yù)測(cè)技巧較高（圖7a、c），DWD與JMA模式對(duì)黃海海域的預(yù)測(cè)技巧較高、東海海域的預(yù)測(cè)技巧較低（圖7b、e），而NUIST模式對(duì)東海海域預(yù)測(cè)的技巧較高，對(duì)渤海以及黃海海域預(yù)測(cè)技巧較低（圖7d）。

2.4 氣候模式對(duì)影響中國(guó)沿海風(fēng)能年際變化影響因子的評(píng)估

2.2節(jié)的分析指出中國(guó)沿海風(fēng)能和AO、SH及ENSO有關(guān)，那么各氣候模式對(duì)風(fēng)能年際變化的預(yù)測(cè)技巧是否來(lái)源于其對(duì)影響因子的高預(yù)測(cè)技巧呢？圖8為Nio3.4指數(shù)回歸的ERA5及模式預(yù)測(cè)的風(fēng)能密度年際變化的空間分布。結(jié)果顯示，ENSO正位相可引起南海區(qū)域風(fēng)能年際變化負(fù)異常（圖8a），這種關(guān)系與El Nio （La Nia）引起的菲律賓反氣旋（氣旋）有關(guān)（圖9a）。

5種氣候模式均可較為準(zhǔn)確地再現(xiàn)南海區(qū)域風(fēng)能與ENSO間的關(guān)系（圖8b—f），同時(shí)也可以較好地預(yù)測(cè)出ENSO對(duì)對(duì)流層低層環(huán)流異常的影響（圖9b—f），因此這5種模式均展現(xiàn)出對(duì)南海區(qū)域風(fēng)能年際變化較高的預(yù)測(cè)技巧。

ERA5和模式預(yù)測(cè)的AO指數(shù)回歸的風(fēng)能密度年際變化空間分布（圖10）顯示，AO可影響中國(guó)沿海風(fēng)能年際變化呈現(xiàn)南北反位相的空間分布型，AO正異常時(shí)，黃渤海區(qū)域風(fēng)能負(fù)異常、南海區(qū)域風(fēng)能正異常;反之亦然。盡管5種氣候模式均可再現(xiàn)AO引起南海區(qū)域風(fēng)能異常的現(xiàn)象，但不能通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（圖10b—f）。僅有DWD模式能夠捕捉到AO與黃渤海區(qū)域風(fēng)能的關(guān)系，其他模式均低估了黃海區(qū)域風(fēng)能與AO的關(guān)系。觀(guān)測(cè)資料分析結(jié)果（圖11a）顯示，AO正（負(fù)）位相時(shí)，高緯度地區(qū)呈現(xiàn)一致的位勢(shì)高度負(fù)（正）異常，歐洲、中國(guó)東北地區(qū)及東北太平洋等中緯度地區(qū)，為位勢(shì)高度正（負(fù)）異常。DWD模式可以較好地模擬出AO和北半球中高緯度地區(qū)環(huán)流異常的關(guān)系（圖11c），而SEAS5模式并不能預(yù)測(cè)出AO與中高緯度位勢(shì)高度異常的關(guān)系（圖11d），CMCC與NUIST模式對(duì)AO和中國(guó)東北區(qū)域位勢(shì)高度異常的關(guān)系有較好的預(yù)測(cè)技巧。

3 結(jié)論

利用TSK-means聚類(lèi)方法，將中國(guó)冬季沿海風(fēng)能年際變化分為四個(gè)區(qū)域，分別為NCS（北中國(guó)海）、ECS（東中國(guó)海）、NSCS（南海北部）、SSCS（南海南部），研究發(fā)現(xiàn)不同海域風(fēng)能資源年際變化與不同氣候模態(tài)和大尺度環(huán)流間存在聯(lián)系（圖12）。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步評(píng)估了5種國(guó)內(nèi)外主流氣候模式對(duì)中國(guó)沿海風(fēng)能年際變化的預(yù)測(cè)技巧，并進(jìn)一步分析了模式的預(yù)測(cè)技巧來(lái)源，得到以下結(jié)論。

1）冬季NCS區(qū)域風(fēng)能年際變化與AO有關(guān)。當(dāng)處于AO正位相時(shí)，東北亞地區(qū)會(huì)存在反氣旋環(huán)流異常，環(huán)流異常在NCS區(qū)域東南風(fēng)異常，減弱了氣候態(tài)風(fēng)速（西北風(fēng)），使得NCS區(qū)域風(fēng)能資源減少;反之，AO負(fù)位相時(shí)，東北亞地區(qū)出現(xiàn)的氣旋式環(huán)流異常引起NCS區(qū)域風(fēng)能資源增多。

2）冬季ECS區(qū)域風(fēng)能年際變化與中太平洋型ENSO有關(guān)。當(dāng)中太平洋型拉尼娜發(fā)生時(shí)，東海區(qū)域存在東北風(fēng)異常，該東北風(fēng)異常與東海氣候態(tài)風(fēng)向一致，使得東海的風(fēng)能增大;反之亦然。此外，ECS區(qū)域風(fēng)能還和西伯利亞高壓存在聯(lián)系，強(qiáng)（弱）西伯利亞高壓年，下游出現(xiàn)氣旋（反氣旋）性異常，東中國(guó)海位于西伯利亞高壓與氣旋（反氣旋）環(huán)流之間，存在偏北風(fēng)（偏南風(fēng)）異常，使得ECS區(qū)域風(fēng)能增大（減小）。

3）EP型ENSO可以通過(guò)引起菲律賓周?chē)姆礆庑庑┉h(huán)流異常，從而影響NSCS和SSCS區(qū)域風(fēng)能資源的年際變化。除了EP型ENSO的影響以外，大陸高壓的位置亦可以直接影響NSCS和SSCS區(qū)域風(fēng)能的年際變化。當(dāng)大陸高壓偏北時(shí)，NSCS區(qū)域風(fēng)能影響較大;而當(dāng)大陸高壓偏南時(shí)，SSCS區(qū)域風(fēng)能影響較大。

4）相較于北方海域，氣候模式普遍對(duì)南方海域的風(fēng)能年際變化具有更高的預(yù)測(cè)技巧。這種高預(yù)測(cè)技巧源于氣候模式對(duì)ENSO及其和東亞地區(qū)環(huán)流異常的關(guān)系具有較好的預(yù)測(cè)技巧。對(duì)于北方海域，各模式間的預(yù)測(cè)技巧存在較大差異，但是均對(duì)AO與北方海域風(fēng)能的關(guān)系存在低估，同時(shí)不能較好地模擬出AO和對(duì)流層低層大氣環(huán)流異常的關(guān)系，模式對(duì)于北方海域風(fēng)能年際變化預(yù)測(cè)技巧仍存在進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

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