基于國家站和平原風電場的風能參數變化分析
——以河南省商丘市為例

楊君建

（商丘市氣象局，河南商丘 476000）

風能參數分析是風能資源開發中一項極其重要的基礎性工作，是確定風電場選址和裝機容量以及布置的依據［1］. 由于風能受地理位置、地形條件以及氣候狀況的影響，因此分析各種風能參數必須科學、準確［2］.風速是風能資源開發的重要指標，近年來已有大量研究發現風速下降現象普遍存在于全球各地［3］. Mcvicar等［4］總結了近年有關風速變化的研究發現，中緯度及熱帶地區風速降幅均為-0.014 m/（s·a）；Azorin-Molina［5］、Minola［6］等研究發現，西班牙和葡萄牙、瑞典等地的風速具有顯著下降趨勢；Xu等［7］研究發現，我國年均風速在1969—2000年下降了28%，且強風區風速降幅大于弱風區；Guo等［8］研究發現，我國1969—2005年風速降幅為-0.018 m/（s·a）；Lin 等［9］研究發現，我國1969—2000 年風速降幅較大，2000 年以后降幅減小. 我國的東北［10］、華北［11］、西北［12］、西南地區［13］的風速分別以0.23、0.16、0.12、0.24（m·s-1）/10 a的速率呈現遞減趨勢；青藏高原、華中、東南等地區的風速也呈不同程度的減少趨勢［14］. 河南省東部平原地區風速風向變化，是否與全國和其他地區變化一致，需要進一步深入研究. 目前，針對河南省東部平原地區風能資源狀況的研究尚不多見. 本文以河南省商丘市為例，利用商丘市8個國家氣象站近61年氣象資料和民權風電場10～150 m 8個高度層（150、140、120、100、70、50、30、10 m）的實測數據，研究各氣象要素的變化特征及相關性分析，對商丘地區的風能資源狀況進行分析，以期為該地區合理有效開發利用風能資源提供科學依據.

1 資料和方法

1.1 資料及來源

1961—2021年的風速、風向、氣溫、日照、降水、濕度、蒸發、氣壓、大風、輕霧、霧、霾、浮塵、揚沙、沙塵暴15類氣象資料來源于商丘市所轄的睢縣、民權、商丘、虞城、柘城、寧陵、夏邑、永城8個國家氣象觀測站，使用資料具有代表性、一致性和連續性.

平均風速和最多風向指距地面10.5 m高度的平均風速和最多風向；每日平均風速指02時、08時、14時、20時觀測的風速平均值；風向主要統計年、季、月內各風向頻率，年內各風向頻率指年內各風向出現次數占全年各風向（包括靜風）記錄總次數的百分比，頻率最高的風向即為最多風向；氣象要素常年平均值使用國家規定最新標準1991—2020年氣候平均值［15］. 商丘市氣象要素平均值是指8個站點的平均值. 四季劃分：冬季（當年12月至翌年2月），春季（3—5月），夏季（6—8月），秋季（9—11月）.

本文風電場資料來源于河南省商丘市民權縣風電場項目區域內一座測風塔. 該風電場位于民權縣北部，屬平原風電場. 場址呈不規則四邊形，南北向長約6 km，東西向長約12 km，面積約72 km2，海拔高度66～72 m. 該風電場安裝有20臺單機容量為2.5 MW的風電機組. 測風塔位于風電場西南部，海拔高度59 m，塔高150 m，觀測有風速、風向、氣溫、氣壓等項目，觀測記錄每10 min一個，每個觀測儀器占用一個記錄通道.每個記錄通道記錄有10 min之內風速的平均值、方差、最大值、最小值. 風速參數采樣時間間隔1 s，并自動計算和記錄每10 min的平均風速和每10 min的風速標準偏差值. 極大風速值為每3 s采樣一次的風速的最大值，每10 min自動記錄；風向參數采樣間隔時間為1 s，并自動計算和記錄每10 min的風向值、風向標準偏差. 溫度參數和大氣壓力參數每10 min 采樣并記錄. 計算機系統自動處理各層風觀測資料，有150、140、120、100、70、50、30、10 m 共8個高度的資料，保存有完整的2018—2020年連續觀測數據. 根據數據合理性、有效性、完整性分析，參考中尺度及附近地形，在相關性分析基礎上，插補完整測風數據，對風資源分析具有一定代表性.

選取風電場周邊的4 個區域站（程莊站、王橋站、莊子站、孫六站）日平均風速資料，資料年代為2018—2021年，與民權國家氣象站進行相關性分析. 民權國家氣象站與風電場距離較近，所在區域地形條件與場址地形基本一致，氣象站觀測數據對風電場氣象情況有較好的參證作用.

1.2 研究方法

1.2.1 年、季、月平均風速變化趨勢

風速變化趨勢采用風速傾向率方法，通過顯著性統計檢驗進行判斷.

式中：y為要素的擬合值；t為時間（1961—2021年）；a0為常數項；a1為線性趨勢項，a1乘以10為每10年的變化趨勢.

1.2.2 平均風功率密度

根據《風電場風能資源評估方法》［16］和《風電場氣象觀測及資料審核、訂正技術規范》［17］中的平均風功率密度計算公式：

式中：Dˉwp為設定時段內的平均風功率密度（W/m2）；n為設定時段內的風速記錄次數；i為第i個記錄數；vi為第i個記錄風速（m/s）值；ρ為空氣密度（kg/m3）.

如果沒有風場大氣壓力和溫度的實測值，也可根據海拔高度(z)近似估算空氣密度，公式如下：

根據《風電場風能資源評估方法》［16］，風功率密度蘊含風速、風速分布和空氣密度的影響，是風電場風能資源的綜合指標. 利用公式（2）計算得出測風塔的風功率密度，利用公式（4）計算得出測風塔各高度的空氣密度.

1.2.3 要素分析

利用Excel和SPSS對商丘市8個站點1961—2021年的平均風速和各氣象要素進行氣候統計、回歸分析、趨勢分析、相關分析等［18-19］.

2 分析結果

2.1 風速變化

2.1.1 年平均風速變化

商丘市1961—2021年年平均風速為2.4 m/s，年際變化較大，最大值3.7 m/s，最小值1.5 m/s. 年平均風速呈線性減小趨勢，減小速率為-0.36（m·s-1）/10 a(|r|=0.916 2＞r0.001=0.443 3，通過0.001 的顯著性檢驗). 年平均風速變化大致可分為3 個階段：1961—1987 年為偏大階段，1988—2014 年為持續偏小階段，2015 年以后為增大階段. 年平均風速20 世紀60 年代最大，70—80 年代年平均風速下降幅度最大，2000—2009 年年平均風速下降幅度最?。▓D1）. 該結果與徐艷琴的研究結果一致［20］.

圖1 1961—2021年商丘市年均風速及線性趨勢變化Fig.1 Annual average wind speed and linear trend change in Shangqiu City from 1961 to 2021

2.1.2 季平均風速變化

1961—2021 年商丘市季平均風速，春季（2.8 m/s）＞冬季（2.4 m/s）＞夏季（2.3 m/s）＞秋季（2.1 m/s）. 各季平均風速變化均呈顯著減小趨勢（圖2），減小速率春季（-0.43（m·s-1）/10 a）＞冬季（-0.40（m·s-1）/10 a）＞夏季（-0.37（m·s-1）/10 a）＞秋季（-0.36（m·s-1）/10 a）. 四季平均風速年代最大值均出現在20世紀60年代，最小值出現在2011—2020年，與年均風速年代最大值和最小值出現時間相同.

圖2 1961—2021年商丘市季平均風速變化Fig.2 Variation of seasonal mean wind speed in Shangqiu from 1961 to 2021

2.1.3 月平均風速變化

1961—2021 年商丘市年內各月平均風速分布呈單峰型（圖3），4 月平均風速最大（3.0 m/s），9 月平均風速最?。?.0 m/s）. 月平均風速傾向率顯示，各月平均風速都在減少，且減少趨勢極其顯著(|r|=0.864 1～0.944 0＞r0.001=0.407 8），通過0.001水平的顯著性檢驗；4月減少幅度最大（-0.46（m·s-1）/10 a），8月減少幅度最?。?0.3（m·s-1）/10 a）. 由于各月平均風速呈極顯著減少趨勢，導致各季平均風速也均呈極顯著減少趨勢.

圖3 1961—2021年商丘市各月平均風速及傾向率Fig.3 Monthly average wind speed and tendency rate in Shangqiu from 1961 to 2021

2.2 風向變化

2.2.1 年最多風向及頻率

統計商丘市1961—2021年風向頻率，繪制1961—2021年商丘市年風向頻率玫瑰圖（圖4）. 從圖4可以看出，商丘市全年以北（N）風和南東南（SSE）風最多，風向頻率均為8%；其次是東東南（ESE）、東南（SE）、南（S）和南西南（SSW）風，風向頻率均為7%；東東南（ESE）、東南（SE）、南東南（SSE）、南（S）和南西南（SSW）風向頻率合計為36%，西北（NW）和西西南（WSW）風向頻率均為3%；西（W）和西西北（WNW）風最少，風向頻率均為2%.

圖4 1961—2021年商丘市年風向頻率玫瑰圖Fig.4 Rose chart of annual wind direction frequency in Shangqiu from 1961 to 2021

2.2.2 季最多風向及頻率

商丘市是典型的季風性氣候，風向隨季節不同有明顯的變化. 分析商丘市最多風向隨季節變化的情況，繪制1961—2021年商丘市四季風向頻率玫瑰圖（圖5）.

由圖5可知，商丘市冬季以北風和北東北風最多，風向頻率均為10%；其次是北西北風，風向頻率8%，若將北西北風和北東北風都稱為偏北風，其風向頻率可達28%；再次為西北風，風向頻率4%；西西北風、西風和南西南風最少，風向頻率均為3%. 春季以南東南風最多，風向頻率10%；其次是南風和南西南風，風向頻率均為9%，若將南東南風和南西南風都稱為偏南風，其風向頻率可達28%；再次是西北風和南西南風，風向頻率均為3%；西西北風和西風最少，風向頻率均為2%. 夏季以南東南風和東東南風最多，風向頻率均為9%；其次是東風、東南風、南風和南西南風，風向頻率均為8%；再次是南西南風，風向頻率為3%；西北風和西風最少，風向頻率均為2%.

圖5 1961—2021年商丘市四季風向頻率玫瑰圖Fig.5 Rose chart of wind direction frequency in winter，spring，summer and autumn in Shangqiu from 1961 to 2021

秋季以北風和北東北風最多，風向頻率均為9%；其次是南東南風，風向頻率7%；再次是西南風、南西南風和西北風，風向頻率均為3%；西風和西西北風最少，風向頻率均為2%.

總的來看，商丘市春季和夏季以南東南風最多，秋季和冬季以北風和北東北風最多，西風在四季都很少.

2.2.3 月最多風向及頻率

統計1961—2021年商丘市各月最多風向及頻率（表1），可以看出，每年8月到翌年2月，以偏北風最多，其中2月、8月和9月以北東北風最多，1月、10月、11月、12月以北風最多；每年3月至7月，以偏南風最多，其中3月、4月、6月以南東南風最多.

表1 1961—2021年商丘市各月最多風向及頻率Tab.1 Maximum wind direction and frequency of each month in Shangqiu from 1961 to 2021

2.3 平均風速與各氣象要素相關性分析

統計商丘市1961—2021年平均風速與各氣象要素進行相關性分析得出，年平均風速與年平均氣溫、輕霧日數、霧日數呈顯著負相關，相關系數-0.448～-0.785；與年日照時數、蒸發量、揚沙日數、沙塵暴日數、大風日數、無天氣現象的日數呈顯著正相關，相關系數0.752～0.862，均通過0.001的顯著檢驗；與年霾日數呈明顯的負相關，相關系數-0.251；與年降水量、相對濕度、浮塵日數相關不明顯（表2）.

表2 1961—2021年商丘市氣象要素與年平均風速的相關性Tab.2 Correlation between annual mean wind speed and meteorological elements in Shangqiu from 1961 to 2021

2.4 各站點平均風速相關性分析

1961—2021年商丘市年平均風速分布呈東南部大，中部較小. 年平均風速最大值（2.6 m/s）出現在永城，最小值（2.2 m/s）出現在柘城（表3）. 商丘市8個國家級氣象站年、季平均風速傾向率均為負值，且呈顯著減少趨勢. 各站年平均風速差異不大，民權站年平均風速與其余7個氣象站建站以來的10.5 m高度年平均風速的相關系數為0.844～0.947，存在較高的正相關性，說明各站年平均風速的變化趨勢具有較好的一致性，民權站可作為分析商丘市風能參數的代表站點.

表3 1961—2021年商丘市各站點風速傾向率統計Tab.3 Statistics of climate tendency rate of each station in Shangqiu City from 1961 to 2021

選取民權風電場周邊的4個區域氣象站（程莊站、王橋站、莊子站、孫六站）的氣象數據，利用相關分析法研究民權站與其余7個站之間平均風速的相關性. 分析可知，民權站日平均風速與程莊站、王橋站、莊子站、孫六站日平均風速之間的相關系數分別為0.877、0.870、0.881、0.806，并且均呈現出0.001水平的顯著性，說明民權站日平均風速和程莊站、王橋站、莊子站、孫六站日平均風速之間有著顯著的正相關關系. 因此選民權風電場2018—2020年10～150 m的8個高度層的平均風速資料進行分析研究.

2.5 風電場風能參數分析

2.5.1 風電場不同高度的平均風速變化

2018年3月—2020年2月民權風電場測風塔10～150 m 的8個高度層（10、30、50、70、100、120、140、150 m）年平均風速4.11 m/s，且風速隨高度升高呈對數增加，年平均風速分別為1.59、2.65、3.56、4.18、4.75、5.13、5.45、5.51 m/s. 由圖6（a）可以看出，年平均風速增大幅度隨高度增加逐漸減小，10～100 m增大幅度3.2 m/s，120～150 m增大幅度0.4 m/s.

由圖6（b）可以看出，季平均風速在10～150 m 的8個不同高度從低到高逐漸增大，增大幅度隨高度的增加逐漸減小，與年平均風速變化趨勢一致. 春季平均風速最大，從2.0 m/s（10 m 高度）逐漸增大到6.3 m/s（150 m高度）；冬季平均風速從1.6 m/s（10 m高度）逐漸增大到5.1 m/s（150 m高度）；秋季平均風速從1.6 m/s（10 m高度）逐漸增大到5.3 m/s（150 m高度）；夏季平均風速從5.1 m/s（10 m高度）逐漸增大到5.1 m/s（150 m高度）.

由圖6（c）可以看出，10～150 m 的8 個高度層的月平均風速最大值分別為2.2、3.4、4.4、5.1、5.8、6.3、6.7、6.9 m/s，均出現在4月；最小值出現的時間不同，10 m和30 m高度月平均風速最小值均出現在9月，50 m高度月平均風速最小值分別出現在1月、7月和9月，70、100、140、150 m 4個高度層月平均風速最小值均出現在1 月. 10～140 m高度各月平均風速隨著高度的增加而增大，增大幅度最大值為1.2 m/s，出現在10～30 m 高度，出現月份為4 月、8月、9月和12月；增大幅度最小值為0.2 m/s，出現在100～120 m高度，出現月份為1月和8月；150 m與140 m高度月平均風速相比，1月偏小，2月和8—12月相同，3—7月偏大.

圖6 民權風電場2018—2020年不同高度層年、季、月平均風速變化Fig.6 Annual，seasonal and monthly changes of average wind speed at 8 height levels of Minquan wind farm from 2018 to 2020

2.5.2 風電場不同高度風向分布

對風電場風向資料進行統計，分別繪制其全年風向玫瑰圖（圖7），重點分析10、100、150 m三個高度的風向. 根據統計結果分析，風電場10 m高度年主導風向為北東北，占全年風向頻率的14%；其次為南西南，占全年風向頻率的11%. 風電場100 m高度年主導風向為北東北風，占全年風向頻率的13%；其次為南風，占全年風向頻率的12%. 風電場150 m高度年主導風向為東北風，占全年風向頻率的13%；其次為南西南風，占全年風向頻率的12%. 由此可見，風電場各高度主風向及次風向基本一致，10、100、150 m主導風向分布集中.

圖7 民權風電場不同高度全年風向頻率玫瑰圖Fig.7 Rose chart of annual wind direction frequency at different heights of Minquan wind farm

從季節分布來看，10 m高度春季主導風向為南西南風，平均風速1.95 m/s；夏季主導風向為東北風，平均風速為1.33 m/s；秋季主導風向為東北東風，平均風速為1.25 m/s；冬季主導風向為東北東風，平均風速為1.66 m/s. 100 m高度春季主導風向為南風，平均風速5.27 m/s；夏季主導風向為南西南風，平均風速4.37 m/s；秋季主導風向為東北東風，平均風速4.55 m/s；冬季主導風向東北東風，平均風速4.67 m/s. 150 m高度春季主導風向為西南風，平均風速6.26 m/s；夏季主導風向為南西南風，平均風速5.09 m/s；秋季主導風向為東北風，平均風速5.17 m/s；冬季主導風向為東北風，平均風速5.28 m/s.

2.5.3 平均風功率密度分析

平均風功率密度指單位面積上的風能，是表征某地區風能資源的重要指標. 根據《風電場風能資源評估方法》［15］，利用公式（2）計算得出民權風電場的風功率密度（表4）. 由表4可知，測風塔10 m高度平均風功率密度為9.01 W/m2，150 m高度平均風功率密度為209.96 W/m2，且隨著高度的增加而增大.

表4 民權風電場風功率密度表Tab.4 Wind power density talbe of Minquan wind farm

3 結論

1）商丘市1961—2021年年平均風速2.4 m/s，且以0.36（m·s-1）/10 a呈顯著減小趨勢；季平均風速春季＞冬季＞夏季＞秋季；月平均風速4月最大，9月最??；8個國家級氣象站年平均風速差異不大.

2）商丘市年最多風向以北風和南東南風最多；春季和夏季風向以南東南風最多，秋季和冬季以北風和北東北風最多，四季均以西風最少；3—7月風向偏南風最多，8月到翌年2月偏北風最多.

3）年、季、月平均風速與各氣象要素之間呈顯著相關性，民權站與風電場周邊4個區域站的平均風速存在顯著的正相關關系，表明氣象站與風電場具有較好的一致性，對風資源分析具有準確性、代表性.

4）民權風電場10～150 m 高度平均風速范圍1.59～5.51 m/s，平均風功率密度范圍9.01～209.96 W/m2，且隨著高度的增加均增大；各高度主風向及次風向基本一致，主導風向分布集中.