CCRL  >> Vol. 8 No. 6 (November 2019)

    盤州市氣象站遷站前后風資料對比分析
    Comparative Analysis on Wind Data of Transfer of Panzhou Meteorological

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作者:  

王旭達,李貴瓊:貴州省盤州市氣象局,貴州 盤州;
張艷梅:貴州省氣象臺,貴州 貴陽;
胡 林:貴州省獨山縣氣象局,貴州 獨山

關鍵詞:
盤州市風速風向對比分析Panzhou the Wind Speed the Direction of the Wind Comparison and Analysis

摘要:

利用盤州市氣象站1987~2002 (舊站址)和2003~2018年(新站址)的逐日風速觀測資料,分析盤州市新舊站址的大風日數變化、平均風速變化及年最大風速的風向頻率等特征。結果表明:盤州市新舊站址大風日數均呈下降趨勢,但遷站前16年的大風日數僅為200天,遷站后16年大風日數明顯增加,大風日數達366天;新舊站址年、各季節平均風速也呈下降的趨勢,其中春季的平均風速減少明顯;舊站址最大風速主要為東北風(NE)、東北偏東風(ENE)、西南風(SW);新站址最大風速主要為西南風(SW)、西南偏南風(SSW)、南風(S)、西南風(SW);舊站址年平均風速在1992年和1998年發生了突變,新站址在2013年發生了一次突變。

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.

1. 引言

盤州市位于云貴交界處,全市地勢西北高,東部及南部較低,境內海拔在735~2865米之間,因特殊的地理位置而形成明顯的季風氣候。隨著全球氣候變暖、可再生能源缺乏、世界能源消耗巨大、環境污染等因素,使得新能源的開發進入熱點。風能由于清潔、環保作為重要的可再生氣候資源,已經也成為了世界上各類學者研究的重點 [1] [2] [3] [4] [5]。利用盤州市新舊站的逐日風資料來分析盤州市大風日數變化、年、季平均風速變化以及年最大風速的風向頻率等特征,為進一步研究風速變化規律以及充分利用風能資源提供參考依據。

2. 研究資料與方法

所用的資料為盤州市新、舊站址氣象站1987~2018年逐日風資料。分析了盤州市新舊站址大風日數年際變化,采用滑動t檢驗趨勢分析、Mann-Kendall突變檢測來分析其風速的變化特征,以及通過風向頻率來分析盤州市最大風速經常出現的風向。季節劃分標準: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突變檢測風速的突變

Mann-Kendall檢驗法最初是由H.B. Mann和M.K. Kendall提出并適用于氣象、水文等非正態分布檢驗的一種方法 [6] [7],利用Mann-Kendall檢驗法將盤州市1987~2018年的平均風速進行顯著性檢驗,具體檢驗方法如下:

對于具有n個樣本量的時間序列x,構造一秩序:

S k = i = 1 k r i , ? ? k = 2 , 3 , ? , n

其中:

r i = { + 1 , ? ? ? ? ? x i > x j 0 , ? ? ? ? ? x i x j ? ? ? ? j = 1 , 2 , ? , i

可知,秩序列sk是第i時間的數值大于j時間數值的個數的累計值。即假定x序列相對獨立,得下統計量:

U F k = [ s k ? E ( s k ) ] var ( s k ) , ? ? k = 1 , 2 , ? , n

式中 U F 1 = 0 E ( s k ) 是sk的均值, var ( s k ) 是sk的方差,在每個x相對獨立且相同連續分布下通過公式:

{ E ( s k ) = k ( k ? 1 ) 4 var ( s k ) = k ( k ? 1 ) ( 2 k + 5 ) 72 ? ? ? k = 2 , 3 , ? , n

U F i 就是標準正態分布,通過顯著性檢驗,若 | U F i | > U a ,可以說明盤州市的年平均風速存在著明顯的趨勢變化,根據上式,將時間序列x從后往前,逆序 x n , x n ? 1 , ? , x 1 ,再次計算,并且使得出 U B k = ? U F k ( k = n , n ? 1 , ? , 1 ) U B 1 = 0 ,通過兩次的運算便可得到突變的時間定格在哪一年。

2.2. 線性傾向法檢驗

對氣象要素進行連續性分析,通過時間序列來分析氣象要素隨時間序列發生的趨勢變化,再通過顯著性檢驗,得出顯著性水平,具體檢驗方法如下:

X i = a + b t i , ? ? i = 1 , 2 , ? , n

回歸系數b的符號表示風速的變量x的傾向趨勢。當b > 0,可說明風速的變化隨時間t的增加呈上升趨勢;反之,風速的變化呈下降趨勢。

3. 結果與分析

3.1. 盤州市新舊站址大風日數年際變化對比分析

圖1盤州市新舊站址大風日數的年際變化對比分析可以看出,盤州市新舊站址出現大風的頻率均有下降的趨勢,舊站址大風出現頻率的氣候傾向率為?1.038次/a,新站址大風日數的氣候傾向率為?1.9次/a。舊站址的16年內出現的大風日數僅為200天,年平均出現大風日數為12.5天,新站址的16年里出現的大風日數達366天,年平均出現大風日數為22.8天,表明盤州市新站址出現大風日數明顯增加。

Figure 1. Contrastive analysis of gale days in Panzhou new station from 1987 to 2002 (a) and old station from 2003 to 2018 (b)

圖1. 盤州市新站址1987年~2002年(a)及舊遷站2003~2018年址(b)大風日數對比分析

3.2. 盤州市新舊站址平均風速變化對比分析

利用線性傾向法分別對盤州市新舊站址風速的年平均變化和風速隨季節變化進行分析(圖2),可以看出,盤州市舊站址的年平均風速的氣候傾向率為0.331 s/10a,表明盤州市的年平均風速有減小的趨勢。當顯著性水平 a = 0.05 時, r a = 0.468 ,盤州市年平均風速 R 2 = 0.3414 ,即 r = 0.5842 ,可知 r > r a ,說明盤州市舊站址年平均風速隨時間變化的相關系數達到了0.05水平,相關系數顯著。新站址的年平均風速的氣候傾向率為?0.546 s/10a,年平均風速也有減小的趨勢;舊站址的年平均風速 R 2 = 0.7037 r = 0.8389 ,可知 r > r a ,說明盤州市新站址年平均風速隨時間變化的相關系數也達到了0.05水平,相關系數顯著。分析表明盤州市遷站前后年平均風速32a來均呈下降的趨勢,盤州市新站平均風速大于舊站平均風速。

Figure 2. The annual average wind speed change trend of the old station (a) in Panzhou from 1987 to 2002 and the new station (b) from 2013 to 2018

圖2. 盤州市舊站址1987年~2002年(a)及新遷站2003~2018年(b)大風日數對比分析

3.3. 盤州市新舊站址平均風速的季節變化對比分析

圖3(a)為盤州市舊站址的季平均風速線性變化趨勢圖,從圖中可以看出,新站址的各季平均風速均呈減少趨勢,春季、夏季、冬季和秋季平均風速的氣候傾向率分別為?0.0067 s/a、?0.034 s/a、?0.008 s/a和?0.025 s/a,其中春季的平均風速減少最為明顯,冬季、夏季和秋季減小的趨勢不明顯。從圖3(b)可以看出,新站址的各季平均風速也呈減少趨勢,氣候傾向率分別為?0.079 s/a、-0.048 s/a、?0.023 s/a和?0.063 s/a,可知遷站后16a春季減少最為明顯,冬季的平均風速減少趨勢次之,秋季的平均風速相對于其他季節較小。由圖3還可以看出新舊站址春季的平均風速最大,冬季的平均風速次之,夏季和秋季的平均風速較為平穩,減小的趨勢也不明顯,通過遷站前后的季平均風速對比分析,可知盤州市近32a的季平均風速也呈減少的趨勢。

Figure 3. Linear trend change of monsoon mean wind speed in Panzhou old station (a) from 1987 to 2002 and new station (b) from 2003 to 2018

圖3. 盤州市1987年~2002年舊站址(a)和2003~2018年新站址(b)季平均風速線性趨勢變化

3.4. 最大風速的風向頻率特征對比分析

統計盤州市1987~2018年盤州市新舊站址的最大風速所在風向的分布規律 [8],根據圖4新舊站址的最大風速風向玫瑰圖可以看出,舊站址最大風速主要常出現在東北風(NE)、東北偏東風(ENE)、西南風(SW)這三個方位上,其中出現次數最多的方向為東南方向(NE)。而新站址的16年里盤州市最大風速主要為西南風(SW)、西南偏南風(SSW)、偏南風(S),其中出現次數最多的西南風(SW),說明盤州市最大風速出現的風向因地理位置的不同而發生了一定的變化。

Figure 4. Rose Charts of maximum wind speed frequency in Panzhou old station (a) from 1987 to 2002 and new station (b) from 2003 to 2018

圖4. 盤州市1987年~2002年舊站址(a)和2003~2018年新站址(b)盤州市最大風速頻率玫瑰圖

3.5. 盤州市新舊站址的平均風速的突變分析

通過Mann-Kendall法對1987~2018年盤州市新舊站址年平均風速序列進行分析(圖5),給出顯著性水平a = 0.05,可以看出UF < 0,可以得出盤州市舊站址16年的平均風速呈減少趨勢(圖5(a)),1992年~1996年下降趨勢明顯,并且在1992年和1998年也發生了突變。當曲線UF = UB時,出現三個交點,交點前后均位于信度線之內,所以舊站址的年平均風速突變明顯。而新站址的M-K曲線圖(圖5(b))可以看出UF < 0并呈下降的趨勢,得出盤州市近16年的平均風速也呈減少趨勢,在2010年以后,UF曲線超出了下臨值,可知盤州市年平均風速從2010年以后下降趨勢明顯,當曲線UF = UB時,可知盤州市年平均風速在2013年發生了一次突變,因交點前后位于信度線之外,所以盤州年平均風速突變的并不明顯。新舊站址兩次突變分析進一步說明了盤州市的年平均風速遷站前后均呈下降的趨勢。

Figure 5. Mann-Kendall curves of old station site (a) from 1987 to 2002 and new station site (b) from 2003 to 2018 in Panzhou

圖5. 盤州市1987年~2002年舊站址(a)和2003~2018年新站址(b)的Mann-Kendall曲線

4. 環境對氣象要素的影響討論及主要結論

4.1. 環境對風資料的影響討論

盤州市氣象站始建于1937年,屬于國家基準氣象站,位于東經104?39',北緯25?47'N,海拔高度1490.0米;由于城市發展需要,2003年1月隨縣城整體搬遷至盤州市紅果鎮環湖路,東經104?28',北緯25?43',海拔高度1800.0米。隨著探測環境發生了變化,臺站的搬遷對風資料有較大的影響。通常隨著海拔高度的增加風速逐漸增大,新站址的海拔高度高于舊站址310米,且新站周邊障礙物較少,因此遷站后平均風速增大和大風日增多。遷站前1987年到2002年年平均風速為1.49 m/s,遷站后2003年到2018年年平均分速為2.1 m/s,遷站后平均風速明顯增大。大風日數也明顯增多,舊站址的16年出現的大風日數僅為200天,新站址盤州市出現大風日數明顯增加,16年出現的大風日數達366天。遷站后新站址的最大風速的方位也發生了改變,主要以偏南風為主,出現最多的風為西南風。由于西南大風主要是由于熱低壓發展影響。楊靜 [9] 指出西南熱低壓的主要初生源地在云南,是一個局地性很強的天氣系統,午后發展加強,熱低壓的南側午后經常出現瞬時偏南大風。新站位置的經度(104?39'E)和舊站(104?28')來看,新站的地理位置更偏西,接近云南,是否就是出現西南大風的主要原因,還需要待進一步研究。

4.2. 主要結論

1) 盤州市新舊站址的各季平均風速均呈減少趨勢,舊站址春季的平均風速減少最為明顯,冬季、夏季和秋季減小的趨勢不明顯;新站址16a春季的平均風速最大,其次是冬季,夏季和秋季的平均風速相對于春冬兩季較小。盤州市新舊站址春季的平均風速最大,冬季的平均風速次之,夏季和秋季的平均風速較為平穩,減小的趨勢也不明顯。

2) 盤州市舊站址最大風速主要常出現在東北風(NE)、東北偏東風(ENE )、西南風(SW)這三個方向上,其中出現次數最多的方向為東南(NE)方向。而新站址的16年里盤州市最大風速主要出現在西南風(SW)、西南偏南風(SSW)、偏南風(S)這三個方向上,其中出現次數最多的方向為西南(SW)方向,說明盤州市最大風速出現的風向因地理位置的不同而發生了一定的變化。

3) 盤州市1987~2018年,盤州市年平均風速有下降的趨勢,從2010年以后下降趨勢明顯,并分別在1992年、1998年和2013年發生過一次風速突變,在1998年風速突變明顯。

基金項目

貴州省氣象局氣象科技開放研究基金“貴州省大風特征及其天氣學概念模型研究”[黔氣科合KF(2016)15號]項目資助。

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文章引用:
王旭達, 張艷梅, 李貴瓊, 胡林. 盤州市氣象站遷站前后風資料對比分析[J]. 氣候變化研究快報, 2019, 8(6): 762-768. https://doi.org/10.12677/CCRL.2019.86083

參考文獻

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