哈密三塘湖风区风特征分析

Analysis of Wind Characteristics in the Santanghu Wind Zone of Hami

摘要: 基于三塘湖气象站的风速数据，对两分钟平均风速、风向、大风日数进行分析，得出三塘湖风区的风速特征。结果表明：1) 三塘湖年平均风速7.0 m/s，呈微弱下降趋势；2) 月平均风速呈单峰型变化，峰值出现在5月，呈现出明显的季节特点，春夏季风速大，秋冬季风速小；3) 日平均风速为6.7 m/s，最大值出现在下午16时和17时；4) 三塘湖大风多出现在下午时段，月变化规律和平均风速的月变化曲线高度一致；5) 计算得出50年一遇最大风速为30.5 m/s，基本风压为0.45 kN/m²；6) 三塘湖主导风向为SSW，季节变化不大，70%的大风风向出现在SSW-W之间，N和NE方向极少出现大风。

Abstract: Based on the wind speed data from the Santanghu meteorological station, the two-minute average wind speed, wind direction, and number of strong wind days were analyzed to obtain the wind speed characteristics of the Santanghu wind area. The results show that: 1) The annual average wind speed of Santang Lake is 7.0 m/s, showing a slight downward trend; 2) The monthly average wind speed shows a unimodal variation, with a peak appearing in May and showing obvious seasonal characteristics. The wind speed is higher in spring and summer, and lower in autumn and winter; 3) The daily average wind speed is 6.7 m/s, with the maximum values occurring at 16:00 and 17:00 in the afternoon; 4) The strong winds in Santang Lake often occur in the afternoon, and the monthly variation pattern is highly consistent with the monthly variation curve of the average wind speed; 5) The maximum wind speed with a 50-year return period is calculated to be 30.5 m/s, and the basic wind pressure is 0.45 kN/m²; 6) The dominant wind direction in Santang Lake is SSW, with little seasonal variation. 70% of the strong winds occur between SSW-W, and there are very few strong winds in the N and NE directions.

1. 引言

哈密市位于新疆维吾尔自治区最东端，地跨天山南北，地形中间高南北低，地势差异大，中部是天山主脉–巴里坤山、喀尔里克山和支脉莫钦乌拉山等高大山地，呈东北–西南走向延展，受复杂地形的影响，哈密市有百里风区、东南风区和三塘湖风区，国内专家学者对风区的研究多集中在大风的特征的描述 [1] - [7] ，孙淑芳 [8] 分析了百里风区风切变指数的季节变化规律，得出了风切变指数呈现出冬季大，夏季小的季节特征的结论；王秀琴 [9] 基于百里风区气象观测站的风速数据，认为百里风区风速变化规律与大气环流紧密相关。而针对三塘湖风区的论述不多。三塘湖风区属新疆九大风区之一，位于天山东段北侧梅钦乌拉山脉的北面，为小型山间盆地，属平原型丘陵地形。作为综合能源基地，三塘湖风区有丰富的风能、煤炭等资源，因此，研究三塘湖风区的风特征规律，为能源开发建设提供科学依据和技术支撑是很有必要的。

2. 资料和方法

本文选取2011~2020年三塘湖自动气象站风速、风向资料，运用统计学方法，分析了三塘湖区域风的年变化、月变化和日变化的特征，并对三塘湖区域主导风向进行分析；利用最大风速的概率分布函数，推算出50年一遇的最大风速，再按照伯努利公式计算出基本风压 [10] ，计算公式为：，式中ω为风压，单位为kN/m²；ρ为空气密度，单位为t/m³，利用公式ρ = 0.00125e^−0.0001z计算，z为海拔高度；v是风速，单位m/s。

3. 分析与结果

3.1. 平均风速变化特征

3.1.1. 平均风速的年变化

分析三塘湖站近10a 2分钟平均风速可知，三塘湖年平均风速7.0 m/s，呈微弱下降趋势，如图1所示，年平均风速在6.6~7.3 m/s区间变化，2013年、2014年平均风速最大，为7.3 m/s。

3.1.2. 平均风速的月际变化

统计分析近10a三塘湖月平均风速可知，月平均风速最大值为8.8 m/s，出现在5月；月平均风速

Figure 1. Annual average wind speed variation in Santang Lake

图1. 三塘湖年平均风速变化

最小值为4.6 m/s，出现在1月；4~7月平均风速均超过8.0 m/s。由图2可以看出，三塘湖的月平均风速呈单峰型变化，呈现出明显的季节特点，春夏季风速大，秋冬季风速小，这与新疆的大气环流有关，春夏季环流相互转换，地面低压活动频繁，致使天气多变，易出现大风天气，因此，春夏季大风日数明显高于秋冬季，同时风速也较大。

Figure 2. Changes in monthly average wind speed and number of strong wind days in Santang Lake

图2. 三塘湖月平均风速和大风日数变化

3.1.3. 平均风速的日变化特征

根据近10a三塘湖逐时2分钟平均风速可以看出(如图3所示)，三塘湖日平均风速为6.7 m/s，逐小时平均风速的日变化不大，最大值出现在下午16时和17时，均为7.5 m/s；最小平均风速为6.1 m/s，出现在22时。统计日平均风速可知(如图4所示)，全年出现2~6级风的频率较多，其中，3~5级风出现的频率占比为76.7%；未出现9级及以上风力。

一般来说，白天随着气温升高，近地层的湍流加剧，致使上下层空气交换更加剧烈，空气加速，动量下传，因此，午后湍流发展旺盛，风速也就最大；反之，夜间湍流较弱，风速也较小。

3.2. 大风的变化特征

在《地面气象观测规范》中，将瞬时风速达到或超过17.0 m/s定义为大风。三塘湖近10a来极大风速最大为35.1 m/s，风向为WNW。从图3上可以看出，大风集中出现在下午时段，大风出现最多的时次

Figure 3. Daily variation of strong wind frequency and average wind speed in Santang Lake

图3. 三塘湖大风次数和平均风速日变化

Figure 4. Frequency of occurrence of different wind power levels

图4. 不同风力等级出现频率

在下午16时，平均次数为67次，次多值出现在18时，平均次数65次；夜间大风次数明显减少，大风最少次数出现在0时，大风平均次数为14次。从图5上看，近10a来，三塘湖大风多出现在白天，但上午出现大风频率较低，仅为8.7%；12时~20时出现的频率最高，占66.7%，夜间出现大风的频率仅为24.5%。

大风日数的月变化规律也呈单峰型变化，和平均风速的月变化曲线高度一致(如图2所示)，5月是出现大风最多的月份，平均大风日数为20.3 d，次高值出现在6月，为17.3 d；冬季大风日数最少，1月仅为3.0 d。大风的季节变化规律和新疆区域大风的变化规律相同，均表现出春夏多，秋冬少的特点 [11] 。

Figure 5. Frequency distribution map of daily variation of strong winds

图5. 大风日变化频率分布图

3.3. 最大风速和基本风压

近10a来，三塘湖最大风速为27.1 m/s，出现在2018年12月1日。根据最大风速序列，通过计算，得出50年一遇最大风速为30.5 m/s，基本风压为0.45 kN/m² (如表1所见)。

Table 1. Maximum wind speed and basic wind pressure in Santang Lake

表1. 三塘湖最大风速和基本风压

3.4. 风向的变化特征

根据近10a三塘湖风向频率统计结果分析(图6(a)所示)，三塘湖主导风向为SSW，风向频率为15.9%，次多风向为W，风向频率为13.8%；从季节变化上看，主导风向频率变化不大，秋冬季主导风向和全年主导风向相同，均为SSW，春季主导风向为W，夏季主导风向为WSW。各方向上最大的平均风速方向为WSW和W，风速均为8.5；最小平均风速的出现的方向为N，N方向上的平均风速仅为2.9 m/s。

从出现大风时的风向来看(图6(b)所示)，70%的大风风向的出现在SSW-W之间，N和NE方向极少出现大风。三塘湖大风的风向受天气系统中冷空气的来向和地形的影响，表现为偏西风。

(a) 风向频率 (b) 大风风向频率

Figure 6. Wind direction frequency of Santang Lake

图6. 三塘湖风向频率

4. 结论

通过分析2011~2020年三塘湖气象站风向风速数据，得出以下风的变化特征:

1) 三塘湖年平均风速7.0 m/s，近10a平均风速呈现微弱下降趋势；春夏季风速大，秋冬季风速小；日平均风速最大值出现在下午16时和17时，白天风速大，夜晚风速小。

2) 近10a来，三塘湖大风多数出现在下午时段，夜间较少出现大风；春夏大风多，秋冬大风少，5月是出现大风最多的月份。

3) 根据近10a最大风速序列，推算出50年一遇最大风速为30.5 m/s，基本风压为0.45 kN/m²。

4) 三塘湖的主导风向为SSW，秋冬季和全年主导风向相同，春季为W，夏季为WSW，平均风速最大的风向为WSW；大风风向多出现在W-SSW之间。