基于国家站和平原风电场的风能参数变化分析——以河南省商丘市为例

杨君建

（商丘市气象局，河南商丘 476000）

风能参数分析是风能资源开发中一项极其重要的基础性工作，是确定风电场选址和装机容量以及布置的依据［1］. 由于风能受地理位置、地形条件以及气候状况的影响，因此分析各种风能参数必须科学、准确［2］.风速是风能资源开发的重要指标，近年来已有大量研究发现风速下降现象普遍存在于全球各地［3］. Mcvicar等［4］总结了近年有关风速变化的研究发现，中纬度及热带地区风速降幅均为-0.014 m/（s·a）；Azorin-Molina［5］、Minola［6］等研究发现，西班牙和葡萄牙、瑞典等地的风速具有显著下降趋势；Xu等［7］研究发现，我国年均风速在1969—2000年下降了28%，且强风区风速降幅大于弱风区；Guo等［8］研究发现，我国1969—2005年风速降幅为-0.018 m/（s·a）；Lin 等［9］研究发现，我国1969—2000 年风速降幅较大，2000 年以后降幅减小. 我国的东北［10］、华北［11］、西北［12］、西南地区［13］的风速分别以0.23、0.16、0.12、0.24（m·s-1）/10 a的速率呈现递减趋势；青藏高原、华中、东南等地区的风速也呈不同程度的减少趋势［14］. 河南省东部平原地区风速风向变化，是否与全国和其他地区变化一致，需要进一步深入研究. 目前，针对河南省东部平原地区风能资源状况的研究尚不多见. 本文以河南省商丘市为例，利用商丘市8个国家气象站近61年气象资料和民权风电场10～150 m 8个高度层（150、140、120、100、70、50、30、10 m）的实测数据，研究各气象要素的变化特征及相关性分析，对商丘地区的风能资源状况进行分析，以期为该地区合理有效开发利用风能资源提供科学依据.

1 资料和方法

1.1 资料及来源

1961—2021年的风速、风向、气温、日照、降水、湿度、蒸发、气压、大风、轻雾、雾、霾、浮尘、扬沙、沙尘暴15类气象资料来源于商丘市所辖的睢县、民权、商丘、虞城、柘城、宁陵、夏邑、永城8个国家气象观测站，使用资料具有代表性、一致性和连续性.

平均风速和最多风向指距地面10.5 m高度的平均风速和最多风向；每日平均风速指02时、08时、14时、20时观测的风速平均值；风向主要统计年、季、月内各风向频率，年内各风向频率指年内各风向出现次数占全年各风向（包括静风）记录总次数的百分比，频率最高的风向即为最多风向；气象要素常年平均值使用国家规定最新标准1991—2020年气候平均值［15］. 商丘市气象要素平均值是指8个站点的平均值. 四季划分：冬季（当年12月至翌年2月），春季（3—5月），夏季（6—8月），秋季（9—11月）.

本文风电场资料来源于河南省商丘市民权县风电场项目区域内一座测风塔. 该风电场位于民权县北部，属平原风电场. 场址呈不规则四边形，南北向长约6 km，东西向长约12 km，面积约72 km2，海拔高度66～72 m. 该风电场安装有20台单机容量为2.5 MW的风电机组. 测风塔位于风电场西南部，海拔高度59 m，塔高150 m，观测有风速、风向、气温、气压等项目，观测记录每10 min一个，每个观测仪器占用一个记录通道.每个记录通道记录有10 min之内风速的平均值、方差、最大值、最小值. 风速参数采样时间间隔1 s，并自动计算和记录每10 min的平均风速和每10 min的风速标准偏差值. 极大风速值为每3 s采样一次的风速的最大值，每10 min自动记录；风向参数采样间隔时间为1 s，并自动计算和记录每10 min的风向值、风向标准偏差. 温度参数和大气压力参数每10 min 采样并记录. 计算机系统自动处理各层风观测资料，有150、140、120、100、70、50、30、10 m 共8个高度的资料，保存有完整的2018—2020年连续观测数据. 根据数据合理性、有效性、完整性分析，参考中尺度及附近地形，在相关性分析基础上，插补完整测风数据，对风资源分析具有一定代表性.

选取风电场周边的4 个区域站（程庄站、王桥站、庄子站、孙六站）日平均风速资料，资料年代为2018—2021年，与民权国家气象站进行相关性分析. 民权国家气象站与风电场距离较近，所在区域地形条件与场址地形基本一致，气象站观测数据对风电场气象情况有较好的参证作用.

1.2 研究方法

1.2.1 年、季、月平均风速变化趋势

风速变化趋势采用风速倾向率方法，通过显著性统计检验进行判断.

式中：y为要素的拟合值；t为时间（1961—2021年）；a0为常数项；a1为线性趋势项，a1乘以10为每10年的变化趋势.

1.2.2 平均风功率密度

根据《风电场风能资源评估方法》［16］和《风电场气象观测及资料审核、订正技术规范》［17］中的平均风功率密度计算公式：

式中：Dˉwp为设定时段内的平均风功率密度（W/m2）；n为设定时段内的风速记录次数；i为第i个记录数；vi为第i个记录风速（m/s）值；ρ为空气密度（kg/m3）.

如果没有风场大气压力和温度的实测值，也可根据海拔高度(z)近似估算空气密度，公式如下：

根据《风电场风能资源评估方法》［16］，风功率密度蕴含风速、风速分布和空气密度的影响，是风电场风能资源的综合指标. 利用公式（2）计算得出测风塔的风功率密度，利用公式（4）计算得出测风塔各高度的空气密度.

1.2.3 要素分析

利用Excel和SPSS对商丘市8个站点1961—2021年的平均风速和各气象要素进行气候统计、回归分析、趋势分析、相关分析等［18-19］.

2 分析结果

2.1 风速变化

2.1.1 年平均风速变化

商丘市1961—2021年年平均风速为2.4 m/s，年际变化较大，最大值3.7 m/s，最小值1.5 m/s. 年平均风速呈线性减小趋势，减小速率为-0.36（m·s-1）/10 a(|r|=0.916 2＞r0.001=0.443 3，通过0.001 的显著性检验). 年平均风速变化大致可分为3 个阶段：1961—1987 年为偏大阶段，1988—2014 年为持续偏小阶段，2015 年以后为增大阶段. 年平均风速20 世纪60 年代最大，70—80 年代年平均风速下降幅度最大，2000—2009 年年平均风速下降幅度最小（图1）. 该结果与徐艳琴的研究结果一致［20］.

图1 1961—2021年商丘市年均风速及线性趋势变化Fig.1 Annual average wind speed and linear trend change in Shangqiu City from 1961 to 2021

2.1.2 季平均风速变化

1961—2021 年商丘市季平均风速，春季（2.8 m/s）＞冬季（2.4 m/s）＞夏季（2.3 m/s）＞秋季（2.1 m/s）. 各季平均风速变化均呈显著减小趋势（图2），减小速率春季（-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）. 四季平均风速年代最大值均出现在20世纪60年代，最小值出现在2011—2020年，与年均风速年代最大值和最小值出现时间相同.

图2 1961—2021年商丘市季平均风速变化Fig.2 Variation of seasonal mean wind speed in Shangqiu from 1961 to 2021

2.1.3 月平均风速变化

1961—2021 年商丘市年内各月平均风速分布呈单峰型（图3），4 月平均风速最大（3.0 m/s），9 月平均风速最小（2.0 m/s）. 月平均风速倾向率显示，各月平均风速都在减少，且减少趋势极其显著(|r|=0.864 1～0.944 0＞r0.001=0.407 8），通过0.001水平的显著性检验；4月减少幅度最大（-0.46（m·s-1）/10 a），8月减少幅度最小（-0.3（m·s-1）/10 a）. 由于各月平均风速呈极显著减少趋势，导致各季平均风速也均呈极显著减少趋势.

图3 1961—2021年商丘市各月平均风速及倾向率Fig.3 Monthly average wind speed and tendency rate in Shangqiu from 1961 to 2021

2.2 风向变化

2.2.1 年最多风向及频率

统计商丘市1961—2021年风向频率，绘制1961—2021年商丘市年风向频率玫瑰图（图4）. 从图4可以看出，商丘市全年以北（N）风和南东南（SSE）风最多，风向频率均为8%；其次是东东南（ESE）、东南（SE）、南（S）和南西南（SSW）风，风向频率均为7%；东东南（ESE）、东南（SE）、南东南（SSE）、南（S）和南西南（SSW）风向频率合计为36%，西北（NW）和西西南（WSW）风向频率均为3%；西（W）和西西北（WNW）风最少，风向频率均为2%.

图4 1961—2021年商丘市年风向频率玫瑰图Fig.4 Rose chart of annual wind direction frequency in Shangqiu from 1961 to 2021

2.2.2 季最多风向及频率

商丘市是典型的季风性气候，风向随季节不同有明显的变化. 分析商丘市最多风向随季节变化的情况，绘制1961—2021年商丘市四季风向频率玫瑰图（图5）.

由图5可知，商丘市冬季以北风和北东北风最多，风向频率均为10%；其次是北西北风，风向频率8%，若将北西北风和北东北风都称为偏北风，其风向频率可达28%；再次为西北风，风向频率4%；西西北风、西风和南西南风最少，风向频率均为3%. 春季以南东南风最多，风向频率10%；其次是南风和南西南风，风向频率均为9%，若将南东南风和南西南风都称为偏南风，其风向频率可达28%；再次是西北风和南西南风，风向频率均为3%；西西北风和西风最少，风向频率均为2%. 夏季以南东南风和东东南风最多，风向频率均为9%；其次是东风、东南风、南风和南西南风，风向频率均为8%；再次是南西南风，风向频率为3%；西北风和西风最少，风向频率均为2%.

图5 1961—2021年商丘市四季风向频率玫瑰图Fig.5 Rose chart of wind direction frequency in winter，spring，summer and autumn in Shangqiu from 1961 to 2021

秋季以北风和北东北风最多，风向频率均为9%；其次是南东南风，风向频率7%；再次是西南风、南西南风和西北风，风向频率均为3%；西风和西西北风最少，风向频率均为2%.

总的来看，商丘市春季和夏季以南东南风最多，秋季和冬季以北风和北东北风最多，西风在四季都很少.

2.2.3 月最多风向及频率

统计1961—2021年商丘市各月最多风向及频率（表1），可以看出，每年8月到翌年2月，以偏北风最多，其中2月、8月和9月以北东北风最多，1月、10月、11月、12月以北风最多；每年3月至7月，以偏南风最多，其中3月、4月、6月以南东南风最多.

表1 1961—2021年商丘市各月最多风向及频率Tab.1 Maximum wind direction and frequency of each month in Shangqiu from 1961 to 2021

2.3 平均风速与各气象要素相关性分析

统计商丘市1961—2021年平均风速与各气象要素进行相关性分析得出，年平均风速与年平均气温、轻雾日数、雾日数呈显著负相关，相关系数-0.448～-0.785；与年日照时数、蒸发量、扬沙日数、沙尘暴日数、大风日数、无天气现象的日数呈显著正相关，相关系数0.752～0.862，均通过0.001的显著检验；与年霾日数呈明显的负相关，相关系数-0.251；与年降水量、相对湿度、浮尘日数相关不明显（表2）.

表2 1961—2021年商丘市气象要素与年平均风速的相关性Tab.2 Correlation between annual mean wind speed and meteorological elements in Shangqiu from 1961 to 2021

2.4 各站点平均风速相关性分析

1961—2021年商丘市年平均风速分布呈东南部大，中部较小. 年平均风速最大值（2.6 m/s）出现在永城，最小值（2.2 m/s）出现在柘城（表3）. 商丘市8个国家级气象站年、季平均风速倾向率均为负值，且呈显著减少趋势. 各站年平均风速差异不大，民权站年平均风速与其余7个气象站建站以来的10.5 m高度年平均风速的相关系数为0.844～0.947，存在较高的正相关性，说明各站年平均风速的变化趋势具有较好的一致性，民权站可作为分析商丘市风能参数的代表站点.

表3 1961—2021年商丘市各站点风速倾向率统计Tab.3 Statistics of climate tendency rate of each station in Shangqiu City from 1961 to 2021

选取民权风电场周边的4个区域气象站（程庄站、王桥站、庄子站、孙六站）的气象数据，利用相关分析法研究民权站与其余7个站之间平均风速的相关性. 分析可知，民权站日平均风速与程庄站、王桥站、庄子站、孙六站日平均风速之间的相关系数分别为0.877、0.870、0.881、0.806，并且均呈现出0.001水平的显著性，说明民权站日平均风速和程庄站、王桥站、庄子站、孙六站日平均风速之间有着显著的正相关关系. 因此选民权风电场2018—2020年10～150 m的8个高度层的平均风速资料进行分析研究.

2.5 风电场风能参数分析

2.5.1 风电场不同高度的平均风速变化

2018年3月—2020年2月民权风电场测风塔10～150 m 的8个高度层（10、30、50、70、100、120、140、150 m）年平均风速4.11 m/s，且风速随高度升高呈对数增加，年平均风速分别为1.59、2.65、3.56、4.18、4.75、5.13、5.45、5.51 m/s. 由图6（a）可以看出，年平均风速增大幅度随高度增加逐渐减小，10～100 m增大幅度3.2 m/s，120～150 m增大幅度0.4 m/s.

由图6（b）可以看出，季平均风速在10～150 m 的8个不同高度从低到高逐渐增大，增大幅度随高度的增加逐渐减小，与年平均风速变化趋势一致. 春季平均风速最大，从2.0 m/s（10 m 高度）逐渐增大到6.3 m/s（150 m高度）；冬季平均风速从1.6 m/s（10 m高度）逐渐增大到5.1 m/s（150 m高度）；秋季平均风速从1.6 m/s（10 m高度）逐渐增大到5.3 m/s（150 m高度）；夏季平均风速从5.1 m/s（10 m高度）逐渐增大到5.1 m/s（150 m高度）.

由图6（c）可以看出，10～150 m 的8 个高度层的月平均风速最大值分别为2.2、3.4、4.4、5.1、5.8、6.3、6.7、6.9 m/s，均出现在4月；最小值出现的时间不同，10 m和30 m高度月平均风速最小值均出现在9月，50 m高度月平均风速最小值分别出现在1月、7月和9月，70、100、140、150 m 4个高度层月平均风速最小值均出现在1 月. 10～140 m高度各月平均风速随着高度的增加而增大，增大幅度最大值为1.2 m/s，出现在10～30 m 高度，出现月份为4 月、8月、9月和12月；增大幅度最小值为0.2 m/s，出现在100～120 m高度，出现月份为1月和8月；150 m与140 m高度月平均风速相比，1月偏小，2月和8—12月相同，3—7月偏大.

图6 民权风电场2018—2020年不同高度层年、季、月平均风速变化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 风电场不同高度风向分布

对风电场风向资料进行统计，分别绘制其全年风向玫瑰图（图7），重点分析10、100、150 m三个高度的风向. 根据统计结果分析，风电场10 m高度年主导风向为北东北，占全年风向频率的14%；其次为南西南，占全年风向频率的11%. 风电场100 m高度年主导风向为北东北风，占全年风向频率的13%；其次为南风，占全年风向频率的12%. 风电场150 m高度年主导风向为东北风，占全年风向频率的13%；其次为南西南风，占全年风向频率的12%. 由此可见，风电场各高度主风向及次风向基本一致，10、100、150 m主导风向分布集中.

图7 民权风电场不同高度全年风向频率玫瑰图Fig.7 Rose chart of annual wind direction frequency at different heights of Minquan wind farm

从季节分布来看，10 m高度春季主导风向为南西南风，平均风速1.95 m/s；夏季主导风向为东北风，平均风速为1.33 m/s；秋季主导风向为东北东风，平均风速为1.25 m/s；冬季主导风向为东北东风，平均风速为1.66 m/s. 100 m高度春季主导风向为南风，平均风速5.27 m/s；夏季主导风向为南西南风，平均风速4.37 m/s；秋季主导风向为东北东风，平均风速4.55 m/s；冬季主导风向东北东风，平均风速4.67 m/s. 150 m高度春季主导风向为西南风，平均风速6.26 m/s；夏季主导风向为南西南风，平均风速5.09 m/s；秋季主导风向为东北风，平均风速5.17 m/s；冬季主导风向为东北风，平均风速5.28 m/s.

2.5.3 平均风功率密度分析

平均风功率密度指单位面积上的风能，是表征某地区风能资源的重要指标. 根据《风电场风能资源评估方法》［15］，利用公式（2）计算得出民权风电场的风功率密度（表4）. 由表4可知，测风塔10 m高度平均风功率密度为9.01 W/m2，150 m高度平均风功率密度为209.96 W/m2，且随着高度的增加而增大.

表4 民权风电场风功率密度表Tab.4 Wind power density talbe of Minquan wind farm

3 结论

1）商丘市1961—2021年年平均风速2.4 m/s，且以0.36（m·s-1）/10 a呈显著减小趋势；季平均风速春季＞冬季＞夏季＞秋季；月平均风速4月最大，9月最小；8个国家级气象站年平均风速差异不大.

2）商丘市年最多风向以北风和南东南风最多；春季和夏季风向以南东南风最多，秋季和冬季以北风和北东北风最多，四季均以西风最少；3—7月风向偏南风最多，8月到翌年2月偏北风最多.

3）年、季、月平均风速与各气象要素之间呈显著相关性，民权站与风电场周边4个区域站的平均风速存在显著的正相关关系，表明气象站与风电场具有较好的一致性，对风资源分析具有准确性、代表性.

4）民权风电场10～150 m 高度平均风速范围1.59～5.51 m/s，平均风功率密度范围9.01～209.96 W/m2，且随着高度的增加均增大；各高度主风向及次风向基本一致，主导风向分布集中.