中国风能区划[1]

朱瑞兆　薛　桁

（中央气象局气象科学研究院）

划分我国风能区划的目的，是为了了解各地风能的差异，以便充分利用风能资源。

世界气象组织曾对全世界风能资源进行了估算［1］，按风能密度和相应的平均风速将全世界风能分为10个等级。但是，世界气象组织所作的风能区划，对我国的分区有较大的偏差。如内蒙古偏小，黄河和长江中下游偏大，对青藏高原标明“不了解”，等等。美国Frank R.Eldridge将全世界风能区划为5个等级［2］。W.Baker等利用风能密度、相应的风力出现时间两个指标，对西北太平洋进行了区划［3］。美国的风能区划指标是风速。

总之，进行风能区划时，主要应考虑三个因素。①风能密度和利用小时数。风能密度愈大、利用小时数愈多，风机利用效率就愈高。②风能的季节变化。这也是设计蓄电装置和备用电源的重要参数。③风力机最大设计风速（即极限风速）。极限风速取得过大，会造成浪费；取得偏小，风机又有被损坏的危险。要使风力机安全可靠地运行，必须推算出一定重现期下的最大风速。

本文根据上述三个因素（可称为指标），对全国风能进行了区划。

一、风能区划标准的确定

风能分布具有地域的规律性，这种规律反映了大型天气系统的活动和下垫面作用的影响。

第一级区划指标是：有效风能密度和3～20m/s风速的年累积小时数。

风能密度可表示风能利用的潜力；3～20m/s风速的年累积小时数则表示一年中可利用风力的时间。风能密度计算式为［3］

式中：—平均风能密度；

V——对应t时刻的风速；

T——总时间；

ρ——空气密度。

由于ρ和V都可分别看作具有一定概率分布的随机变量，w是它们的函数，故w也是一个随机变量。

通常可以假定ρ和V无关，因此w的数学期望（均值）便可表示为

设风速的概率分布密度函数为p（V），则w的均值E（w）为

Weibull分布可以较好地描述风速的分布［4］。风速V的Weibull分布概率密度函数可表达为

式中，c为尺度参数，k为形状参数。

关于Weibull分布c、k参数的估计，我们采用累积分布函数拟合Weibull曲线的方法（即最小二乘法）。把式（4）代入式（3）得

式中，Γ为伽马函数。

在有效风力范围内（V1-V2）（本文取3～20m/s），根据有效风能密度定义［5］，它的计算式为

式中，p′（V）是有效风速范围内的条件概率分布密度函数：

积分号下为不完全分布函数，可通过数值积分求得。

风能可利用时间t由下式求得

式中，N为统计时段的总时间。本文计算的是年风能可利用小时数，N即为全年的总时数。

在给定了参数c和k的值后，由式（5）、式（8）和式（9）都可方便地求得、和t。

我们将年平均有效风能密度大于200W/m2、3～20m/s风速的年累积小时t大于5000h的划为风能丰富区，用“Ⅰ”代表；将为200～150W/m2、t为5000～4000h的划为风能较丰富区，用“Ⅱ”表示；将为150～100W/m2、t为4000～2000h的划为风能可利用区，用“Ⅲ”表示；将在50W/m2以下、t为2000h以下的划为风能贫乏区，用“Ⅳ”表示。在代表这四个区的罗马数字后面的英文字母，表示各个地理区域。

第二级区划指标是：一年四季中各季风能大小和有效风速出现的小时数。

利用1961—1970年每日四次定时观测的风速资料，先将483站风速≥3m/s的小时数（有效风速）点成年变化曲线。然后将变化趋势一致的归在一起，作为一个区。再将各季有效风速累积小时数相加，按大小次序排列。这里春季指3—5月，夏季6—8月、秋季9—11月，冬季12月、1月、2月。分别以1、2、3、4表示春、夏、秋、冬四季。如果春季有效风速（包括有效风能）出现小时数最多，冬季次多，则用“14”表示；如秋季最多，夏季次多，则用“32”表示，依此类推。

第三级区划指标是风力机最大设计风速。一般取作当地最大风速。在此风速下要求风力机能抵抗垂直于风向的平面上所受到的压强，使风机保持稳定、安全，不致产生倾斜或被破坏。但是，关于最大设计风速的取值问题，目前我国尚不统一。有的取几十年观测中的一个最大风速值，显然这种取值存在观测的抽样误差，是不合理的。只有把在一定概率下的最大风速，即一定重现期的年最大风速取作风力机的最大设计风速才是合理。由于风力机寿命一般为20～30年，为了安全我们取30年一遇的最大风速值作为最大设计风速。根据文献［6］规定，“以一般空旷平坦地面、离地10m高、30年一遇、自记10min平均最大风速”作为计算标准。30年一遇的最大风速的概率计算，可采用极值分布密度函数［7］：

式中，α、μ为待定常数，可用耿贝尔矩阵法、利布莱因的有序统计量法和最小二乘法等来估算。

本文沿用文献［7］的方法计算了全国700多个气象台站的年最大风速，按式（10）计算得到了30年一遇最大风速。由于各种风机寿命不完全相同，表1给出了各种不同重现期下风速间的比值关系。

假若在设计时需要考虑瞬时风速，只要将最大风速乘以系数1.5即可求得近似值［7］。

以风力机寿命30年为基准，按风速将全国划分为四级：风速在35～40m/s以上（瞬时风速为50～60m/s），为特强最大设计风速，称特强压型；风速30～35m/s（瞬时风速为40～50m/s）为强最大设计风速，称强压型；风速25～30m/s（瞬时风速为30～40m/s）为中等最大设计风速，称中压型；风速25m/s以下为弱最大设计风速，称弱压型。分别以字母a、b、c、d表示。

二、风能区的划分

根据上述原则，将全国风能划分为4个大区和30个小区，如图1所示。

Ⅰ区：风能丰富区

ⅠA34a——东南沿海及台湾等岛屿和南海群岛秋冬特强压型；

ⅠA21b——海南岛西部夏春强压型；

ⅠA14b——山东、辽东沿海春冬强压型；

ⅠB12b——内蒙古北部西端和锡林郭勒盟春夏强压型；

ⅠB14b——内蒙古阴山到大兴安岭以北春冬强压型；

ⅠC13b-c——松花江下游春秋强中压型。

Ⅱ区：风能较丰富区

ⅡD34b——东南沿海（离海岸20～50km）秋冬强压型；

ⅡD14a——海南岛东部春冬特强压型；

ⅡD14b——渤海沿海春冬强压型；

ⅡD34a——台湾东部秋冬特强压型；

ⅡE13b——东北平原春秋强压型；

ⅡE14b——内蒙古南部春冬强压型；

ⅡE12b——河西走廊及其邻近春夏强压型；

ⅡE21b——新疆北部夏春强压型；

ⅡF12b——青藏高原春夏强压型。

Ⅲ区：风能可利用区

ⅢG43b——福建沿岸（离海岸50～100km）和广东沿海冬秋强压型；

ⅢG14a——广西沿海及雷州半岛春冬特强压型；

ⅢH13b——大小兴安岭山地春秋强压型；

ⅢI12c——辽河流域和苏北春夏中压型；

ⅢI14c——黄河、长江中下游春冬中压型；

ⅢI31c——两湖和江西秋春中压型；

ⅢI12c——西北五省区的一部分及青藏的东部和南部春夏中压型；

ⅢI14c——川西南和云贵的北部春冬中压型。

Ⅳ区：风能欠缺区

ⅣJ12d——四川、甘南、陕西、鄂西、湘西和贵北春夏弱压型；

ⅣJ41d——南岭山地以北冬春弱压型；

ⅣJ43d——南岭山地以南冬秋弱压型；

ⅣJ14d——云贵南部春冬弱压型；

ⅣK14d——雅鲁藏布江河谷春冬弱压型；

ⅣK12c——昌都地区春夏中压型；

ⅣL12c——塔里木盆地西部春夏中压型。

三、各区及其副型的主要特征

（一）风能丰富区（Ⅰ）

本区集中分布在三个地区，即图1中的ⅠA、ⅠB和ⅠC区。

1.东南沿海、山东、辽东沿海及其海上岛屿（ⅠA）区。

这一区由于面临海洋，风力较大。愈向内陆，风速愈小，风力等值线与海岸线平行。这一区的风速是全国最大的。从表2可见，全国年平均风速≥7m/s的，除了高山站——天池、五台山和贺兰山外，所有风速≥7m/s的地方，都集中在这一区。平潭年平均风速为8.7m/s，是全国平地上最大的。该区有效风能密度在200W/m2以上，海岛上可达300W/m2以上，其中平潭最大（749.1W/m2）。风速≥3m/s的小时数全年有6000h以上，风速≥6m/s的小时数在4000h以上，而平潭分别可达7939h和6395h。也就是说，3～20m/s的风速每天平均有21h 45min。这里的风能潜力是十分可观的。台山、小陈岛、南麂岛、成山头、东山、马祖、马公、东沙岛、嵊泗等风能也都很大。

这一区风能大的原因，主要是由于海面比起伏不平的陆地表面摩擦阻力小，在气压梯度力相同的条件下，海面上风速比陆地要大。

风能季节分配，山东、辽宁半岛与东南沿海有差异。东南沿海、中国台湾及南海诸岛秋季风能最大，冬季次之，这与秋季台风活动频率有关。

由表3可见，8—11月台风出现频率占全年的54%。西北太平洋台风影响我国大致有三条路线，无论哪一条路线都可使东南沿海风力加大。这一地区由台风引起的极端瞬时最大风速在60m/s以上，例如花莲达65m/s，厦门为60m/s，汕头为52.1m/s，台北可达70～75m/s，是全国之冠。30年一遇的自记10min平均风速可达40～45m/s，这也是风能利用的一个不利条件。山东和辽东半岛沿海春季风能大，冬季次之（风力较内陆大）。但30年一遇最大风速远小于东南沿海，约为30m/s。

2.内蒙古北部（ⅠB）区。

本区是内陆风能资源最好的区域，年平均风能密度在200W/m2以上，个别地区可达300W/m2。风速≥3m/s的时间一年有5000～6000h，虎勒盖尔可达7659h。风速≥6m/s的时间一年在3000h以上，个别地点在4000h以上（如朱日和为4181h）。

本区地面受蒙古高压控制，每次冷空气南下都可造成较强风力，而且地面平坦，风速梯度较小，春季风能较大。30年一遇最大风速可达30～35m/s，也为全国次大区。

3.松花江下游（ⅠC）区。

本区风能密度在200W/m2以上，风速≥3m/s的时间全年有5000h，每年风速≥6～20m/s的时间在3000h以上。

本区的大风多数是由东北低压造成的。东北低压春季最易发展，秋季次之，所以春季风力最大，秋季次之。30年一遇的最大风速为25～30m/s，较上述两区小。

（二）风能较丰富区（Ⅱ）

本区集中在图1中的ⅡD、ⅡE和ⅡF三个区。除青藏高原外，它是Ⅰ区由沿海向内陆的扩展，形成大风的天气系统也与Ⅰ区相同，Ⅱ区与Ⅰ区相比，风能密度较小。

1.沿岸（ⅡD）区。

从汕头沿海岸向北，沿东南沿海ⅠA区经江苏、山东、辽宁沿海到东北丹东。这一区的风能密度为150～200W/m2，风速≥3m/s的时间全年有4000～5000h。长江口以南，大致秋季风能大，冬季次之；长江口以北，大致春季风能大，冬季次之。但是这一区的风速远较Ⅰ区的最大设计风速小，约为25～30m/s。

2.三北的北部（ⅡE）区。

从东北图们江口区向西沿燕山北麓经河套穿河西走廊过天山到新疆阿拉山口南，横穿我国三北北部，这一区的风能密度为150～200W/m2，风速≥3m/s的时间全年有4000～4500h。它又分成四个副区：东北平原春秋区，内蒙古春冬区，内蒙古河西春夏区和北疆夏春区。前三个区春季风能最大，最后一个区夏季风能最大。最大设计风速约为30～32m/s。

3.青藏高原（ⅡF）区。

本区的风能密度在150W/m2以上，个别地区（如五道梁）可达180W/m2，但3～20m/s的风速出现时间却比较多，一般在5000h以上（如茫崖为6500h）。所以，若不考虑风能密度，仅以风速≥3m/s出现时间来进行区划，那么该地区应为风能丰富区。但是，由于这里海拔高度在3000～5000m以上，空气密度较小（见表4）［8］，同样大的风速，这里风能却较小，如表5所示，可以看出，风速同样是8m/s，上海的风能密度为313.3W/m2，而呼和浩特为286.0W/m2，两地高度相差1000m，风能密度则相差10%。林芝与上海高度相差约3000m，风能密度相差30%；那曲与上海高度相差4500m，风能密度则相差40%。由此可见，计算青藏高原（包括高山）的风能时，必须考虑空气密度的影响，否则计算值将偏高。

青藏高原海拔较高，离高空西风带较近。春季随着地面增热，对流加强，上下冷热空气交换，西风急流动量下传，使风力变大，故这一区的春季风能最大。夏季转为东风急流控制，西南季风爆发，雨季来临，但由于热力作用强大，对流活动频繁且旺盛，风力也较大。这一地区30年一遇的最大风速约为30m/s。虽然这里极端最大风速可达12级，但由于空气密度小，风压却只相当于平地的10级［8］。

（三）风能可利用区（Ⅲ）

本区大致集中在图1中的ⅢG、ⅢH和ⅢI三个区。

1.两广沿海（ⅢG）区。

这一区在南岭之南，包括福建海岸向内陆50～100km的地带。风能密度为50～100W/m2，每年风速≥3m/s的时间为2000～4000h，基本上从东向西逐渐减少。本区虽是我国大陆的最南端，但冬季仍有强大冷空气南下，其前面冷锋可越过本区到达南海，使本区风力增大。所以，本区的冬季风力最大；秋季受台风的影响，风力次大。

由广东沿海的阳江以西沿海，包括雷州半岛，春季风能最大。这可能是由于冷空气在春季被南岭山地阻挡，一股股冷空气沿漓江河谷南下，使这一地区的春季风力变大。秋季，台风对这里虽有影响，但台风西行路径仅占所有台风的19%［9］，台风影响不如冬季冷空气影响的次数多，故本区的冬季风能次大。然而，本区的极端最大风速和东南沿海差不多（如1954年9月30日，湛江台风瞬时风速达60m/s）。30年一遇的自记10min平均风速可达37m/s，甚至还要大，本区也为全国最大风速区之一。

2.大小兴安岭山地（ⅢH）区。

大小兴安岭山地的风能密度在100W/m2左右，每年风速≥3m/s时间为3000～4000h。冷空气只有偏北时才能影响到这里，本区的风力主要受东北低压影响较大，故春、秋季风能大。最大设计风速为30～32m/s。

3.东从长白山开始，向西过华北平原，经西北到我国最西端，贯穿我国东西的广大地区（ⅢI）。由于本区有风能贫乏区（Ⅳ）在中间隔开，这一区的形状与希腊字母“π”很相像，它约占全国面积50%。

在“π”字形的前一半“J”，包括西北各省的一部分、川西和青藏高原的东部与南部。事实上，这区三面被ⅡF区包围，风能密度约为100～150W/m2，一年风速≥3m/s的时间有4000h左右。这一区春季风能最大，夏季次之。但雅鲁藏布江两侧（包括横断山脉河谷）的风能春季最大，冬季次大。这一区30年一遇最大设计风速为25～30m/s。

“π”字形的后一半分布在黄河和长江中下游。这一地区风力主要是冷空气南下造成的，每当冷空气过境，风速明显加大，所以这一地区的春、冬季风能大。由于在冷空气南移的过程中，地面气温较高，冷空气逐渐变性，所以风力也随着减弱。因此，华北风力较长江中下游为大。这一区南部的江西和湖南南部，夏半年的冷空气很弱，范围也小，加之地面气温较高，冷空气很快变性分裂，很少有明显的冷空气到达长江以南。但这时台风活跃，所以这里秋季风能相对较大，春季次之。这一区30年一遇的最大设计风速为25m/s左右。

（四）风能贫乏区（Ⅳ）

图1中ⅣJ、ⅣK和ⅣL为风能贫乏区。这三个区四面都有高山环绕。

1.川云贵和南岭山地（ⅣJ）区。

本区以四川为中心，西为青藏高原，北为秦岭，南为大娄山，东面为巫山和武陵山等。这一地区冬半年处于高空西风带“死水区”内，四周的高山使冷空气很难侵入。夏半年台风也很难影响到这里。所以，这一地区为全国最小风压区，风能密度在50W/m2以下，成都仅为35W/m2左右。风速≥3m/s的时间为2000h，成都仅有400h，恩施、景洪两地更小。春、秋季冷空气南下，受到南岭阻挡，往往停留在这里，冬季弱冷空气到此也形成静止锋，故风力较小。南岭北侧受冷空气影响相对比较明显，所以冬、春季风力最大。南岭南侧多受台风影响，故风力在冬、秋季最大。

这一区最大设计风速是全国最小的，30年一遇的最大风速比较小，约为20～25m/s。

2.雅鲁藏布江（ⅣK）区。

河谷两侧为高山环绕，冷、暖空气都很难侵入，所以风力很小。本区最大设计风速约为25m/s。

3.塔里木盆地西部（ⅣL）区。

本区四面亦为高山环抱，冷空气偶尔越过天山，但为数不多，所以风力较小。塔里木盆地东部由于是一马蹄形“C”的开口，冷空气可以从东灌入，风力较大，所以盆地东部属Ⅲ区，西部属Ⅳ区。本区最大设计风速为25～28m/s。

参考文献

［1］World-Wide Wind Energy Resource Distribution Estimates.WMO Technical Note，1981（75）.

［2］Eldridge F R.Wind Machines［M］.US.Government Printing Office，1975.

［3］Baker R W，Hewson E W，Butler N G，et al.Wind Power Potential in the Pacific Northwest［J］.Journal of Applied Meteorology，1978，17（12）：1814-1826.

［4］Justus C G.Methods for Estimating Wind Speed Frequency Distributions［J］.Journal of Applied Meteorology，1978，17（3）：350-353.

［5］朱瑞兆，薛桁.我国风能资源［J］.太阳能学报，1981（2）：117-124.

［6］国家基本建设委员会建筑科学研究院.工业与民用建筑结构荷载规范TJ 9—74［S］.北京：中国建筑工业出版社，1974.

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［8］朱瑞兆.高山上风的压力［J］.地理知识，1980（7）：27.

［9］中央气象局.西北太平洋台风路径图（1949—1969）［Z］.1972.

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[1]本文发表在《太阳能学报》，1983年第2期，收录在《风能、太阳能资源研究论文集》，气象出版社2008年版。