1961—2020年宜昌市风速变化特征研究

龚玺 徐金阁

摘要利用宜昌市1961—2020年逐日2 min平均风速资料，采用气候倾向法、MannKendall检验法和小波分析法，从不同时间尺度分析平均风速的变化趋势、突变和周期特征，揭示三峡局部地区长时间序列风速变化规律。结果表明：近60年来宜昌市年平均风速有增大的趋势，递增率为0.084 m/（s·10 a）；四季平均风速均呈略增大趋势，四季气候倾向率相近。8月平均风速增大最快，6月平均风速增大最慢。MannKendall突变检验分析得出宜昌市年平均风速在1971、1996和2013年发生突变。小波分析结果表明，年平均风速变化有周期性规律，其第一主周期为32年。

关键词风速；变化特征；气候倾向；MannKendall检验；小波分析；宜昌市

中图分类号S162  文献标识码A  文章编号05176611（2024）07020504

doi：10.3969/j.issn.05176611.2024.07.048

Study on the Change Characteristics of Wind Speed in Yichang City from 1961 to 2020

GONG Xi1，XU Jin-ge2

（1.National Meteorological Information Center， Beijing 100081;2.China Energy Construction Group Hunan Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， Changsha， Hunan 410007）

AbstractUsing the daily 2-minute average wind speed data from 1961 to 2020 in Yichang City， the climate tendency method， Mann-Kendall test method and wavelet analysis method were used to analyze the change trend， mutation， and periodic characteristics of average wind speed at different time scales， revealing the long-term wind speed variation patterns in the local area of the Three Gorges area.The results showed that the annual mean wind speed in Yichang City had increased in recent 60 years with a decreasing rate of 0.084 m/（s·10 a）， and the four seasons mean wind speed had a slightly increasing trend with a similar climate tendency rate. The increase of average wind speed was the fastest in August and the slowest in June. The Mann-Kendall mutation test showed that the annual mean wind speed in Yichang City had a sudden change in 1971，1996 and 2013. Wavelet analysis showed that the annual mean wind speed changes periodically， and the first main period of the annual mean wind speed change was 32 years.

Key wordsWind speed;Change characteristic;Climate tendency;Mann-Kendall test;Wavelet analysis;Yichang City

長江三峡工程是世界上最大的水利枢纽之一，它建成后对国民经济产生巨大效益，同时也对局地的天气气候产生了影响。武慧铃等［13］通过分析三峡水库及其周边气象站的降水数据，发现三峡水库蓄水改变了下垫面，水库年均气温呈弱的下降趋势，年降水量与降水日数增加，年均相对湿度减小，年平均风速呈增加趋势，蒸发量有所下降。封瑞雪等［45］利用重庆多年气象站资料，分析了各气象要素的年际变化，尤其是蓄水前后的差异情况。陈祥义等［6］利用三峡库区及周边气象站的逐月降水数据，对三峡库区1951─2012年年均、雨季、旱季降水量与降水日数的变化趋势进行了研究，并对三峡库区内年降水量和降水日数的空间分布情况进行了分析。黄治勇等［7］研究了长江三峡库区持续12 h以上和连续3 d以上极端大雾天气气候变化特征，探讨了库区蓄水后大雾天气气候变化的原因。张天宇等［8］利用1998—2016年TRMM和CMORPH卫星降水资料和三峡库区气象观测站数据，分析了三峡库区局地降水变化。董新宁等［9］利用区域气候模式RegCM3和NCEP（NNRP1）再分析资料模拟了2006年重庆三峡区域的气候情况。

三峡库区建成后除了提供丰富的水能资源以外，也存在风能资源的应用。前人对三峡库区的降水、气温、相对湿度等要素进行了比较详尽的分析［513］，但是对风的研究还较少。笔者利用宜昌市国家基本气象站1961—2020年逐日2 min平均风速资料，采用气候倾向法、MannKendall检验法和小波分析法，分析平均风速在不同月份的变化趋势、突变和周期特征，揭示三峡地区长时间序列风速变化规律，为三峡地区气候变化提供参考。

1资料与方法

1.1数据来源

宜昌地处湖北省西南部，长江三峡起始地，三峡大坝、葛洲坝所在地。该研究使用的数据为宜昌市国家基本气象站（30°42′N，111°18′E）1961—2020年逐日2 min平均风速的观测资料，对缺测数据进行了补齐［14］。

1.2研究方法

1.2.1气候倾向法。

假設y表示气候要素，用x表示时间序列：

y=β0+β1x+ε（1）

式中：β0为回归常数；β1为回归系数。

1.2.2MannKendall检验。

对于n个样本量的时间序列x，构造一秩序列：

Sk=ki=1ri（k=2，3，…，n）（2）

其中，

ri=±1xi>xj0xi≤xj（j=1，2，…，i）（3）

定义统计量：

UFk=SkE（Sk）Var（Sk）（k=1，2，…，n）（4）

UF1=0时符合标准正态分布，E（Sk）和Var（Sk）是累计数Sk的均值和方差，在x1，x2，…，xn相互独立且连续分布时，均值和方差可由下式计算得出：

E（Sk）=n（n+1）4（5）

Var（Sk）=n（n1）（2n+5）72（6）

给定显著性水平α，查正态分布表可得Uα/2，若|UFi|>|Uα/2|，则在显著水平α下序列具有显著的趋势变化，如α=0.05，置信区间临界值uα/2=±1.96。将时间序列x逆序，重复上述计算过程，同时使

UBk=UFkk=n+1k（k=1，2，…，n）（7）

绘制UFk和UBk曲线图，若UFk>0，则序列在第k时刻呈上升趋势，反之，则呈下降趋势；当UFk超过临界值，表明上升或下降趋势显著。若UFk和UBk 2条曲线出现交点，且交点位于置信区间内，那么交点对应时刻即为突变开始的时刻。其中变化趋势的大小可用倾斜度β（也称为趋势系数）表示，计算式如下：

β=medianxixjijj

式中，n为样本数量，若β>0，则说明样本呈上升或增大趋势，反之，样本呈下降或减小趋势。β的绝对值即为增减率。

1.2.3小波分析。

将任意L2（R）空间中的函数f（t）在小波基函数下展开：

Wf（a，b）≤f（t）（12）

Ψa，b（t）≥1|a|∫∞t=∞f（t）Ψtbadt（13）

Wf（a，b）为小波变换系数，与频率参数a和时间参数b有关。将（13）式离散化为：

Wf（a，b）=1|a|Δtf（kΔt）ΨkΔtba（14）

将复值Morlet小波作为母函数，如下式：

Ψ（t）=eiωtet2/22eω2t2/4（15）

Morlet小波变换包含模、实部、虚部和幅值等变量，模的大小表示变量信息在不同时间尺度上的强弱，实部表示变量在不同时间尺度上的分布和位相两方面信息。小波系数反映了变量在不同时间尺度下的变化幅度，其绝对值越大，说明在对应的时间尺度下的变化越显著，小波系数峰值对应的时间尺度值即为变量变化的主要周期［15］。

2结果与分析

2.1趋势分析

2.1.1平均风速的年际变化趋势。

从1961—2020年宜昌市年平均风速变化趋势（图1）可以看出，近60年来宜昌市年平均风速为1.3 m/s，与张静等［3］对三峡库区年平均风速的研究成果一致。

1990年以前年平均风速变化起伏明显，20世纪60年代呈不明显减小趋势，70年代基本呈显著增大趋势，自1977年开始减小，持续至1989年。最大值出现在1976年，为1.8 m/s；1971年年平均风速显著增大。1990年以后年平均风速基本波动中呈上升趋势，20世纪90年代年平均风速显著增大，2000—2005年显著减小，2006年略有增大后，呈缓慢减小至2013年，2014年显著增大，后呈缓慢减小趋势。

采用气候倾向法对1961—2020年的年平均风速进行趋势分析，最小二乘法得到回归方程，由趋势图和回归方程（图1）可知，近60年来宜昌市年平均风速总体呈略增大趋势，气候倾向率为0.084 m/（s·10 a）（相关系数为0.446，通过α=0.01的显著性检验），尤其是自2006年开始年平均风速的变化总体转为上升趋势，除大气环流变化影响［16］，宜昌市年平均风速变化与三峡水库蓄水后水面粗糙度减小有关［3］。

2.1.2平均风速的季节变化趋势。

采用气候倾向法对1961—2020年宜昌市各季节平均风速的变化趋势进行回归分析，计算得各季节气候倾向率，结果见表1。由表1可知，四季平均风速均呈略增大趋势，四季气候倾向率相近，春季平均风速以0.089 m/（s·10 a）递增最快，秋季以0.081 m/（s·10 a）递增最慢。

2.1.3平均风速的月变化趋势。

分析1961—2020年宜昌市各月平均风速的变化趋势，结果发现（图2），4月平均风速最大，为1.5 m/s，10月平均风速最小，为1.1 m/s。对各月平均风速采用气候倾向法进行回归分析，结果见表2。由表2可知，近60年宜昌市各月平均风速均呈增大趋势；其中，8月平均风速增大最快，气候倾向率为0.099 m/（s·10 a），6月平均风速增大最慢，气候倾向率为0.066 m/（s·10 a）。

2.1.4平均风速的日变化趋势。

从1961—2020年宜昌市近地面风速日均值变化特征（图3）可以看出，总体而言，宜昌市日均风速先随日序增加而增加，大约在第90天达到最大值，而后逐渐平稳，之后又随着日序增加而减小，在约第300天降到最小值，最后日均风速基本稳定在1.2 m/s左右。与1991—2020年气候标准值相比，60年的日均值略小于近30年的气候标准值，说明近30年宜昌市近地面风速略有增大。

2.2突变检验分析

2.2.1年平均风速。

采用MannKendall检验法对宜昌市1961—2020年年平均风速序列进行突变检验，结果见图4。MannKendall检验法的UF和UB两变量曲线交点位于1971、1996和2013年，且以上交点位于uα=±1.96的置信区间。

2.2.2季节平均风速。

采用MannKendall检验法对1961—2020年宜昌市各季节平均风速序列进行突变检验，结果发现（图5），MannKendall检验法秋季UF和UB两变量曲线位于uα=±1.96的置信区间的交点有5个，其他3个季节均为2个；春季、秋季平均风速的突变点均出现于1973和2013年，夏季出现于1971和2013年，冬季出现于1973和2011年，说明20世纪70年代夏季平均风速的突变早于其他3个季节，21世纪冬季平均风速突变早于其他3个季节。

2.3周期分析

通过小波分析法对1961—2020年宜昌市年平均风速序列进行周期性分析，由时频分布（图6a）可知，宜昌市年平均风速在10～15、30～35年的时间尺度上存在周期性。

由小波方差（图6b）可知，32年的时间尺度为年平均风速变化的第一主周期。32年的时间尺度上，年平均风速表现为显著的“增—减—增”的变化规律，小波系数在1961—1982年为正值，1983—2004年为负值，2005—2020年为正值，且后一正值中心数值大于前一正值中心数值，表明年平均风速在进入21世纪20年间增大趋势较20世纪60—70年代更显著。

3结论

该研究利用宜昌市1961—2020年的风速观测资料，采用气候倾向法、MannKendall检验法和小波分析法，分析了平均风速的变化趋势、突变和周期性特征，揭示了三峡地区风速变化规律，得到的结论如下：

（1）近60年来宜昌市年平均风速总体为增大趋势，气候倾向率为0.084 m/（s·10 a），相关系数为0.446，通过α=0.01的显著性检验。

（2）四季平均风速均呈略增大趋势，四季气候倾向率相近。8月平均风速增大最快，6月平均风速增大最慢。

（3）MannKendall突变检验分析得出宜昌市年平均风速在1971、1996和2013年发生突变，春季、秋季平均风速的突变点均出现于1973和2013年，夏季出现于1971和2013年，冬季出现于1973和2011年。

（4）小波分析结果表明，宜昌市年平均风速在10～15、30～35年的时间尺度上存在周期性变化；32年的时间尺度为年平均风速变化的第一主周期。

参考文献

［1］  武慧铃，周建中，田梦琦，等.三峡水库蓄水前后气候变化分析［J］.水力发电，2021，47（5）：30-35.

［2］ 符坤，张六一，任强.蓄水前后三峡库区气候时空变化特征［J］.环境影响评价，2018，40（3）：82-86，96.

［3］ 张静，刘增进，肖伟华，等.三峡水库蓄水后库区气候要素变化趋势分析［J］.人民长江，2019，50（3）：113-116，165.

［4］ 封瑞雪，刘军旗，姚梦辉，等.三峡水库蓄水前后重庆气候变化分析［J］.长江流域资源与环境，2019，28（4）：994-1002.

［5］ 周小英，谢世友，任伟.1955—2014年三峡库区降水特征分析：以重庆市万州区为例［J］.西南大学学报（自然科学版），2017，39（10）：102-108.

［6］ 陈祥义，肖文发，黄志霖，等.1951—2012 年三峡库区降水时空变化研究［J］.生态环境学报，2015，24（8）：1310-1315.

［7］ 黄治勇，牛奔，叶丽梅，等.长江三峡库区极端大雾天气的气候变化特征［J］.长江流域资源与环境，2012，21（5）：646-652.

［8］ 張天宇，桂术，杨若文，等.TRMM和CMORPH卫星资料对三峡库区降水的评估分析［J］.气象，2020，46（8）：1098-1112.

［9］ 董新宁，程炳岩，王勇，等.三峡区域气候变化模拟研究［J］.西南大学学报（自然科学版），2012，34（1）：111-116.

［10］  陈鲜艳，张强，叶殿秀，等.三峡库区局地气候变化［J］.长江流域资源与环境，2009，18（1）：47-51.

［11］ 陈鲜艳，张强．长江三峡局地气候监测（1961—2007年）［Ｍ］．北京：气象出版社，2009．

［12］ 陈鲜艳，廖要明，张强．长江三峡工程生态与环境监测系统：三峡气候及影响因子研究［Ｍ］．北京：气象出版社，2011．

［13］ 陈鲜艳，宋连春，郭占峰，等.长江三峡库区和上游气候变化特点及其影响［J］.长江流域资源与环境，2013，22（11）：1466-1471.

［14］ 徐金阁，龚玺，戴昌明.近60年洞庭湖南部地区风速变化特征研究［J］.气象与环境科学，2022，45（3）：83-88.

［15］ 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术［M］.2版.北京：气象出版社，2007.

［16］ 刘燕.气象站迁站前后主要气象要素的差异性分析及对预报服务工作的影响［J］.气象与环境科学，2017，40（2）：138-143.

作者简介龚玺（1990—），女，江苏泰州人，工程师，博士，从事风能资源数值模拟研究。