ABSTRACT

By using the daily wind speed observation data from 1987 to 2018 in the old and new Panzhou meteorological station, gale days, average wind speed and wind direction frequency of annual maximum wind speed in new and old Panzhou stations were analyzed. The results show that the number of gale days in the old and new Panzhou stations is decreasing, the number of gale days in the 16 years before relocation is only 200 days, the number of gale days in the 16 years after relocation is increasing obviously, and the number of gale days reaches 366 days; the average wind speed of the old and new Panzhou stations in every year and season is also decreasing, especially in spring. The main wind speed is NE, ENE and SW; the maximum wind speed is SW, SSW, S and SW. The annual average wind speed of the new station changed abruptly in 1992 and 1998, and a sudden break occurred in the old station in 2013.

Keywords:Panzhou, the Wind Speed, the Direction of the Wind, Comparison and Analysis

盘州市气象站迁站前后风资料对比分析

王旭达¹，张艳梅²，李贵琼¹，胡林³

¹贵州省盘州市气象局，贵州 盘州

²贵州省气象台，贵州 贵阳

³贵州省独山县气象局，贵州 独山

收稿日期：2019年10月15日；录用日期：2019年10月30日；发布日期：2019年11月6日

摘 要

利用盘州市气象站1987~2002 (旧站址)和2003~2018年(新站址)的逐日风速观测资料，分析盘州市新旧站址的大风日数变化、平均风速变化及年最大风速的风向频率等特征。结果表明：盘州市新旧站址大风日数均呈下降趋势，但迁站前16年的大风日数仅为200天，迁站后16年大风日数明显增加，大风日数达366天；新旧站址年、各季节平均风速也呈下降的趋势，其中春季的平均风速减少明显；旧站址最大风速主要为东北风(NE)、东北偏东风(ENE)、西南风(SW)；新站址最大风速主要为西南风(SW)、西南偏南风(SSW)、南风(S)、西南风(SW)；旧站址年平均风速在1992年和1998年发生了突变，新站址在2013年发生了一次突变。

关键词 :盘州市，风速，风向，对比分析

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1. 引言

盘州市位于云贵交界处，全市地势西北高，东部及南部较低，境内海拔在735~2865米之间，因特殊的地理位置而形成明显的季风气候。随着全球气候变暖、可再生能源缺乏、世界能源消耗巨大、环境污染等因素，使得新能源的开发进入热点。风能由于清洁、环保作为重要的可再生气候资源，已经也成为了世界上各类学者研究的重点 [1] [2] [3] [4] [5]。利用盘州市新旧站的逐日风资料来分析盘州市大风日数变化、年、季平均风速变化以及年最大风速的风向频率等特征，为进一步研究风速变化规律以及充分利用风能资源提供参考依据。

2. 研究资料与方法

所用的资料为盘州市新、旧站址气象站1987~2018年逐日风资料。分析了盘州市新旧站址大风日数年际变化，采用滑动t检验趋势分析、Mann-Kendall突变检测来分析其风速的变化特征，以及通过风向频率来分析盘州市最大风速经常出现的风向。季节划分标准：春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12~次年2月)。

2.1. Mann-Kendall突变检测风速的突变

Mann-Kendall检验法最初是由H.B. Mann和M.K. Kendall提出并适用于气象、水文等非正态分布检验的一种方法 [6] [7]，利用Mann-Kendall检验法将盘州市1987~2018年的平均风速进行显著性检验，具体检验方法如下：

对于具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序：

$S_k={\displaystyle {\sum }_{i=1}^k{r}_i},k=2,3,\cdots ,n$

其中：

$r_i=\{\begin{array}{l}+1,当x_i>x_j\\ 0,当x_i\le x_j\end{array}j=1,2,\cdots ,i$

可知，秩序列s_k是第i时间的数值大于j时间数值的个数的累计值。即假定x序列相对独立，得下统计量：

$U{F}_k=\frac{\left[s_k-E\left(s_k\right)\right]}{\sqrt{\mathrm{var}\left(s_k\right)}},k=1,2,\cdots ,n$

式中 $U{F}_1=0$，$E\left(s_k\right)$ 是s_k的均值， $\mathrm{var}\left(s_k\right)$ 是s_k的方差，在每个x相对独立且相同连续分布下通过公式：

$\{\begin{array}{l}E\left(s_k\right)=\frac{k\left(k-1\right)}{4}\\ \mathrm{var}\left(s_k\right)=\frac{k\left(k-1\right)\left(2k+5\right)}{72}\end{array}k=2,3,\cdots ,n$

$U{F}_i$ 就是标准正态分布，通过显著性检验，若 $\left|U{F}_i\right|>U_a$，可以说明盘州市的年平均风速存在着明显的趋势变化，根据上式，将时间序列x从后往前，逆序 $x_n,x_{n-1},\cdots ,x_1$，再次计算，并且使得出 $U{B}_k=-U{F}_k\left(k=n,n-1,\cdots ,1\right)$，$U{B}_1=0$，通过两次的运算便可得到突变的时间定格在哪一年。

2.2. 线性倾向法检验

对气象要素进行连续性分析，通过时间序列来分析气象要素随时间序列发生的趋势变化，再通过显著性检验，得出显著性水平，具体检验方法如下：

$X_i=a+b{t}_i,i=1,2,\cdots ,n$

回归系数b的符号表示风速的变量x的倾向趋势。当b > 0，可说明风速的变化随时间t的增加呈上升趋势；反之，风速的变化呈下降趋势。

3. 结果与分析

3.1. 盘州市新旧站址大风日数年际变化对比分析

从图1盘州市新旧站址大风日数的年际变化对比分析可以看出，盘州市新旧站址出现大风的频率均有下降的趋势，旧站址大风出现频率的气候倾向率为−1.038次/a，新站址大风日数的气候倾向率为−1.9次/a。旧站址的16年内出现的大风日数仅为200天，年平均出现大风日数为12.5天，新站址的16年里出现的大风日数达366天，年平均出现大风日数为22.8天，表明盘州市新站址出现大风日数明显增加。

图1. 盘州市新站址1987年~2002年(a)及旧迁站2003~2018年址(b)大风日数对比分析

3.2. 盘州市新旧站址平均风速变化对比分析

利用线性倾向法分别对盘州市新旧站址风速的年平均变化和风速随季节变化进行分析(图2)，可以看出，盘州市旧站址的年平均风速的气候倾向率为0.331 s/10a，表明盘州市的年平均风速有减小的趋势。当显著性水平 $a=0.05$ 时， $r_a=0.468$，盘州市年平均风速 $R^2=0.3414$，即 $r=0.5842$，可知 $r>r_a$，说明盘州市旧站址年平均风速随时间变化的相关系数达到了0.05水平，相关系数显著。新站址的年平均风速的气候倾向率为−0.546 s/10a，年平均风速也有减小的趋势；旧站址的年平均风速 $R^2=0.7037$，$r=0.8389$，可知 $r>r_a$，说明盘州市新站址年平均风速随时间变化的相关系数也达到了0.05水平，相关系数显著。分析表明盘州市迁站前后年平均风速32a来均呈下降的趋势，盘州市新站平均风速大于旧站平均风速。

图2. 盘州市旧站址1987年~2002年(a)及新迁站2003~2018年(b)大风日数对比分析

3.3. 盘州市新旧站址平均风速的季节变化对比分析

图3(a)为盘州市旧站址的季平均风速线性变化趋势图，从图中可以看出，新站址的各季平均风速均呈减少趋势，春季、夏季、冬季和秋季平均风速的气候倾向率分别为−0.0067 s/a、−0.034 s/a、−0.008 s/a和−0.025 s/a，其中春季的平均风速减少最为明显，冬季、夏季和秋季减小的趋势不明显。从图3(b)可以看出，新站址的各季平均风速也呈减少趋势，气候倾向率分别为−0.079 s/a、-0.048 s/a、−0.023 s/a和−0.063 s/a，可知迁站后16a春季减少最为明显，冬季的平均风速减少趋势次之，秋季的平均风速相对于其他季节较小。由图3还可以看出新旧站址春季的平均风速最大，冬季的平均风速次之，夏季和秋季的平均风速较为平稳，减小的趋势也不明显，通过迁站前后的季平均风速对比分析，可知盘州市近32a的季平均风速也呈减少的趋势。

图3. 盘州市1987年~2002年旧站址(a)和2003~2018年新站址(b)季平均风速线性趋势变化

3.4. 最大风速的风向频率特征对比分析

统计盘州市1987~2018年盘州市新旧站址的最大风速所在风向的分布规律 [8]，根据图4新旧站址的最大风速风向玫瑰图可以看出，旧站址最大风速主要常出现在东北风(NE)、东北偏东风(ENE)、西南风(SW)这三个方位上，其中出现次数最多的方向为东南方向(NE)。而新站址的16年里盘州市最大风速主要为西南风(SW)、西南偏南风(SSW)、偏南风(S)，其中出现次数最多的西南风(SW)，说明盘州市最大风速出现的风向因地理位置的不同而发生了一定的变化。

图4. 盘州市1987年~2002年旧站址(a)和2003~2018年新站址(b)盘州市最大风速频率玫瑰图

3.5. 盘州市新旧站址的平均风速的突变分析

通过Mann-Kendall法对1987~2018年盘州市新旧站址年平均风速序列进行分析(图5)，给出显著性水平a = 0.05，可以看出UF < 0，可以得出盘州市旧站址16年的平均风速呈减少趋势(图5(a))，1992年~1996年下降趋势明显，并且在1992年和1998年也发生了突变。当曲线UF = UB时，出现三个交点，交点前后均位于信度线之内，所以旧站址的年平均风速突变明显。而新站址的M-K曲线图(图5(b))可以看出UF < 0并呈下降的趋势，得出盘州市近16年的平均风速也呈减少趋势，在2010年以后，UF曲线超出了下临值，可知盘州市年平均风速从2010年以后下降趋势明显，当曲线UF = UB时，可知盘州市年平均风速在2013年发生了一次突变，因交点前后位于信度线之外，所以盘州年平均风速突变的并不明显。新旧站址两次突变分析进一步说明了盘州市的年平均风速迁站前后均呈下降的趋势。

图5. 盘州市1987年~2002年旧站址(a)和2003~2018年新站址(b)的Mann-Kendall曲线

4. 环境对气象要素的影响讨论及主要结论

4.1. 环境对风资料的影响讨论

盘州市气象站始建于1937年，属于国家基准气象站，位于东经104˚39'，北纬25˚47'N，海拔高度1490.0米；由于城市发展需要，2003年1月随县城整体搬迁至盘州市红果镇环湖路，东经104˚28'，北纬25˚43'，海拔高度1800.0米。随着探测环境发生了变化，台站的搬迁对风资料有较大的影响。通常随着海拔高度的增加风速逐渐增大，新站址的海拔高度高于旧站址310米，且新站周边障碍物较少，因此迁站后平均风速增大和大风日增多。迁站前1987年到2002年年平均风速为1.49 m/s，迁站后2003年到2018年年平均分速为2.1 m/s，迁站后平均风速明显增大。大风日数也明显增多，旧站址的16年出现的大风日数仅为200天，新站址盘州市出现大风日数明显增加，16年出现的大风日数达366天。迁站后新站址的最大风速的方位也发生了改变，主要以偏南风为主，出现最多的风为西南风。由于西南大风主要是由于热低压发展影响。杨静 [9] 指出西南热低压的主要初生源地在云南，是一个局地性很强的天气系统，午后发展加强，热低压的南侧午后经常出现瞬时偏南大风。新站位置的经度(104˚39'E)和旧站(104˚28')来看，新站的地理位置更偏西，接近云南，是否就是出现西南大风的主要原因，还需要待进一步研究。

4.2. 主要结论

1) 盘州市新旧站址的各季平均风速均呈减少趋势，旧站址春季的平均风速减少最为明显，冬季、夏季和秋季减小的趋势不明显；新站址16a春季的平均风速最大，其次是冬季，夏季和秋季的平均风速相对于春冬两季较小。盘州市新旧站址春季的平均风速最大，冬季的平均风速次之，夏季和秋季的平均风速较为平稳，减小的趋势也不明显。

2) 盘州市旧站址最大风速主要常出现在东北风(NE)、东北偏东风(ENE )、西南风(SW)这三个方向上，其中出现次数最多的方向为东南(NE)方向。而新站址的16年里盘州市最大风速主要出现在西南风(SW)、西南偏南风(SSW)、偏南风(S)这三个方向上，其中出现次数最多的方向为西南(SW)方向，说明盘州市最大风速出现的风向因地理位置的不同而发生了一定的变化。

3) 盘州市1987~2018年，盘州市年平均风速有下降的趋势，从2010年以后下降趋势明显，并分别在1992年、1998年和2013年发生过一次风速突变，在1998年风速突变明显。

基金项目

贵州省气象局气象科技开放研究基金“贵州省大风特征及其天气学概念模型研究”[黔气科合KF(2016)15号]项目资助。

文章引用

王旭达,张艳梅,李贵琼,胡 林. 盘州市气象站迁站前后风资料对比分析
Comparative Analysis on Wind Data of Transfer of Panzhou Meteorological[J]. 气候变化研究快报, 2019, 08(06): 762-768. https://doi.org/10.12677/CCRL.2019.86083

参考文献