大型浅水湖泊高时空分辨率风场特征数值模拟研究:以巢湖为例

【目的】大型浅水湖泊的风场是影响湖泊流场、水体富营养化和藻华运移聚集规律的关键因素之一,仅依托气象站点的观测数据难以有效捕捉湖面风场在空间和时间上的快速变化。为精细刻画湖泊高频变化风场,辨识其时空变化特征,【方法】以巢湖为研究对象,综合利用气象观测数据、全球再分析数据集和地理静态数据,通过中尺度天气预报模式和地理空间分析技术,模拟分析巢湖地区2019年高时空分辨率的风场变化过程。【结果】结果显示:巢湖区域风速由东向西、由南向北、由湖面向陆面逐渐减弱;湖面主导风向为东风和偏东风,主导风速为二级至四级,湖面平均风速在11月最大,12月次之,5月最小,不同季节湖面平均风速由大到小依次为冬季、秋季、夏季和春季。【结论】结果表明:巢湖在白天(夜晚)出现冷(暖)湖效应,其风场在早上6时和夜晚23时出现陆风和湖风转换;西半湖受湖陆风和城市热岛影响显著,在夏季会出现明显的环湖湖风锋,其湖风锋穿透内陆距离约4.7~9 km;东半湖受山谷风影响显著,在东南部山脉以东湖区易形成低风速区,在湖口附近受狭管效应易形成高风速区。通过研究成果可进一步认知巢湖区域风场特征,为巢湖水生态环境治理提供技术支撑。

中国近地层风能资源的时空变化特征

近地层风能蕴量是随着大气背景的变化而变化的特殊物理量,研究在全球变暖的背景下近地层风能资源的气候变化与分布特征,对我国风能产业的发展规划具有重要的理论意义和实际价值.选取全国186个地面站在1960-1999年共40年的常规风速观测资料,采用了分段线性拟合、变化速率计算等方法,对研究区域内年平均风速进行了趋势分析,又通过对逐年的平均风能密度做REOF分解,提取了具有不同风能变化型态的7个显著区域,探讨了风能资源的时空气候变化特征.研究结果发现:中国逐年平均风速呈现“冬春大、夏秋小”型,40年来各季和全年的年平均风速、风能密度均是显著减弱的,在70年代中前期之后出现显著的持续下降趋势;北方区、东北区、东部沿海区的风能资源相对最为丰富,变化幅度也最大,中部区风能资源最为贫乏,变化幅度最小.风能资源的分布特点和变化趋势与影响我国的冬、夏季风系统的气候变化关系密切.

西北地区气候变化与风速响应特征

依据西北地区105个气象站点近51a逐年气温、降水及风速资料,利用趋势线法、Mann—Kendall突变检验法及ArcGIS空间差值法分析了该地气候变化特征及其对风速的影响。结果表明:(1)近51a来,西北地区增温趋势明显,气温经历了相对低温期—大幅上升期—上升趋势减缓期的转变;增温趋势空间差异明显。(2)该区降水呈下降趋势,呈现出由显著变化—趋于稳定—波动加快的转变;降水变化东西差异明显。(3)综合气温和降水来看,西北地区东部呈暖干化趋势,西、中部地区呈相对暖湿趋势。(4)近51a平均风速整体以每10a降低0.11m/s的速率变化,1974年之前呈增强趋势,之后减弱趋势明显,1993—2011年趋于稳定;风速变化空间上呈现出东南部、西部与中部的差异。(5)气温和风速呈极显著负相关关系。

中国风光资源气候风险时空变化特征分析

为实现“双碳”目标,须大幅提升以风能、太阳能为代表的可再生能源在中国未来能源结构中的比重。然而,风能和太阳能发电受局地气候条件的影响,具有间歇性、波动性和不稳定性。加之近年来,极端天气气候事件呈现“多发、频发、强发、并发”的态势,严重制约了风光资源的有效利用。因此,开展风光资源的气候风险研究,对提高风光资源利用率、降低风光发电能源安全风险具有重要的理论和实践意义。基于中国2007—2014年高分辨率风能、太阳能资源数据库,从风光低出力的程度、范围、持续时间、发生频次等多个维度,定量分析全国“无风无光”事件的时空变化特征。结果表明:中国目前“无风无光”事件分布具有明显的季节和地域差异。其中,风光资源气候风险主要出现在秋冬两季;而高频次“无风无光”事件的发生区域主要位于新疆、四川和长江中游等地区。研究结果可为未来中国风光电场选址与地区可再生能源规划提供科学依据。

近40年南澳县大风特征分析

利用1970—2009年南澳县气象站风向、风速记录资料进行统计分析。结果表明:近40 a南澳县年平均风速为3.7 m/s,秋季最大,冬季次之,夏季最小;年平均最大风速为13.8 m/s,春季最大,冬季次之,夏季最小;年平均大风日数为68 d,冬季最多,春季次之,夏季最少;近40 a来的年平均风速、平均最大风速和年大风日数均呈减少趋势。大风日数年内变化呈一峰一谷型;最多风向为ENE风向,NNE和NE风向位居第二,偏西风最少。

1960-2017年黄土高原地区风速时空变化特征

[目的]揭示黄土高原地区风速时空变化特征,为区域防灾减灾提供参考。[方法]基于黄土高原59个气象站1960—2017年逐月风速实测数据,采用线性回归、Mann-Kendall检验和滑动t检验等方法,对黄土高原地区历年及四季风速的时空变化趋势进行了研究。[结果](1)1960—2017年黄土高原年均风速以-0.0075 m/(s·a)速率显著下降,春季降幅最大,其次为冬、秋季,夏季降幅最小;年内月平均风速先升后降,4月风速下降最快,7月下降最慢。(2)黄土高原历年及夏、秋、冬季风速均在1980s突变减少,春季平均风速未发生突变,冬季风速突变后较突变前降幅最大,秋季最小。(3)黄土高原历年均风速、历年及四季风速变率均表现出西北高、东南低的特征,站点呈下降趋势的春季最多,夏季最少。(4)AO指数的上升、气候变暖及地表植被覆盖增加等,可能不同程度地造成黄土高原风速长期下降趋势。[结论]黄土高原区应将春季作为防风御风重点时段,将西北部地区作为重点防御地区,增强防灾减灾能力建设。

中国九大流域水-光-风发电要素时空变化未来预估

为实现碳达峰、碳中和发展目标,我国正在大力推进新能源大规模高比例发展和构建以新能源为主体的新型电力系统,并在全国范围规划布局了多个水-光-风清洁能源基地.水电、光伏、风电生产与降水、径流、地表辐射、风速等4种气象水文要素直接相关,且对于气候变化极为敏感.为探究不确定环境下水电为主要调节电源的多能系统互补效能演变特征,搜集整理了第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中同时包含4种要素和4种发展情景(SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5)的14种气候模式数据,在流域尺度上评估了1971~2100年4种要素的时空变化及其对水-光-风互补发电的潜在影响.研究结果表明:远未来(2061~2100年)相比近未来(2021~2060年),降水、径流、辐射增加幅度和可能性更大,风速减少幅度和可能性更大;远未来海河、松辽河、内陆河、淮河、西南诸河等流域片降水、径流有较大幅度提升,可以推测在不考虑水电工程调节能力限制等约束下,这些流域通过水电匹配上网的光-风发电量将有明显提升.

1961年至2007年中国日照的演变及其关键气候特征

利用全国1961年—2007年的日照时数资料,依据各站日照时数长期变化线性倾向率的大小,采用聚类分析方法,将全国分为11个区,详细讨论了我国日照长期变化的特征及其成因。结果表明:我国日照总体呈下降趋势,且具有明显的季节和局地差异,夏季和冬季下降最明显,下降主要发生在我国东部及南方大部分地区,其中以华北平原降幅最大。1993年后,日照由"显著下降"转为"略有回升",但不同区域、不同季节对该逆转的贡献明显不同。初步认为,大气污染(气候湿润化)是造成我国东部(西部)日照下降的主要原因,主要表现为轻雾和霾(低云和水汽)的增加。对最近30年来我国日照的气候特征也进行了分析,为太阳能开发利用提供最新科学数据和开发建议。

京津风沙源土壤风蚀时空格局及其演化

为了控制土壤风蚀及其产生的沙尘释放对京津地区大气环境的影响,中国政府于21世纪初实施了具有重要战略意义的京津风沙源治理工程.通过植树种草、轮牧禁牧、土地利用优化等措施,丰富了区内生物多样性,提高了区内植被盖度,生态环境得到一定程度的改善.基于野外调查、室内实验、遥感影像反演以及气象数据,本文采用《全国水土流失动态监测规划(2018~2022年)》和《区域水土流失动态监测技术规定(试行)》中指定的土壤风蚀模型,计算了京津风沙源治理以来典型年份、土地利用变化和气候变化共计3种情形下土壤风蚀,揭示了京津风沙源土壤风蚀模数和强度的时空格局及其演化规律,明确了土地利用变化、气候变化对京津风沙源土壤风蚀时空格局的影响,发现气候变化导致风蚀模数和面积的变率,与当年对应的变率相当,大于土地利用变化的影响.此外,土地利用变化情形风蚀面积总体减少,尤其是2010~2015年间减小了4.10%,说明京津风沙源治理工程发挥了重要作用,为京津风沙源治理工程效益评估以及优化布局提供科学依据.

中国近地表不同重现期极大风速强度的时空差异特征研究

基于1961-2018年中国545个气象观测站点的日极大风速数据,采用韦伯分布等多种数理统计方法,诊断近58年中国近地表不同重现期极大风速强度时空差异特征。结果表明:1)1961-2018年中国近地表5、20、50和100年一遇的极大风速强度呈现东南低、西北高的空间分异特征,且呈现出区域性的低值与高值中心。东南沿海的极大风速强度明显高于毗邻内陆地区。随着重现期的增加,极大风速强度低于22 m/s和高于28 m/s的地区分别不断减少和增加。2)1990年前后中国不同重现期极大风速强度差异呈正负镶嵌格局,且以正差异为主,尤其是重现期越大,正差异面积越大,多数正差异超过了3.2 m/s,表明1991-2018年的极大风速强度高于1961-1990年。3)1961-2018年中国近地表不同重现期之间的极大风速强度绝对和相对差异均呈东南高、西北低的空间分异特征,且低年遇型之间的差异明显大于高年遇型之间的差异。