CC BY
161
УДК 551.58
Ю.П. Переведенцев, Т.Р. Аухадеев
ОСОБЕННОСТИ ВЕТРОВОГО РЕЖИМА В ПРИВОЛЖСКОМ ФЕДЕРАЛЬНОМ ОКРУГЕ В ПОСЛЕДНИЕ ДЕСЯТИЛЕТИЯ*
Рассматривается ветровой режим на территории Приволжского федерального округа (ПФО) с использованием временных рядов средних месячных значений скорости ветра на 183 метеорологических станциях в период с 1966 г. по 2009 г. Анализируются средние величины, характеристики изменчивости, аномалии скоростей ветра, линейные тренды, корреляционные связи между пунктами и др. Показано, что средние многолетние скорости ветра возрастают на территории ПФО с севера (от 2 м/с) на юг (до 4 м/с), максимальные значения отмечаются в центральной полосе. Тренд-анализ выявил временную тенденцию ослабления скорости ветра на всей территории округа со скоростью в широтном диапазоне значений в зависимости от местоположения станции и месяца года -0,2-0,5 (( м/с) / 10 лет). Дана оценка ветроэнергетического потенциала ПФО в слое 10-150 м, который варьируется согласно величине удельной мощности на уровне 10 м в пределах 10-130 Вт/м2 и полностью определяется картиной ветров. ВЭП значительно возрастает с высотой.
Ключевые слова: скорость ветра, изменчивость скорости ветра, линейный тренд, коэффициент вариации, асимметрия, аномалия, ветроэнергетический потенциал.
По определению, ветер - это движение воздуха относительно земной поверхности, зависящее от циркуляции атмосферы и рельефа местности. Характер потоков во многом определяется барическим полем и его градиентами. Направление и скорость ветра, его порывы необходимо знать при прогнозе погоды, оценке переноса примесей, обеспечении полетов авиации, при строительстве и для нужд ветроэнергетики. Характеристики ветра рассчитывают как для небольших высот, начиная с 10-12 м - высоты установки флюгера в пределах приземного и пограничного слоев атмосферы, так и для свободной атмосферы. Теория подобия и размерности, созданная А.С. Мониным и А.М. Обуховым, позволяет рассчитывать скорости ветра в пределах приземного слоя. Современные гидродинамические модели, построенные для пограничного слоя атмосферы (ПСА) с учетом свойств подстилающей поверхности, термической стратификации, атмосферной турбулентности и барического поля, позволяют производить комплекс расчетов как составляющих ветра, так и характеристик турбулентности для решения задач о рассеянии примесей и т. п. [1].
В статье дается описание ветрового режима обширной территории ПФО в период с 1966 г. по 2009 г. с использованием однородного измерительного материала, а также приводится оценка ветроэнергетического потенциала ПФО.
Материалы и методы исследований
В качестве исходного материала использовались данные метеонаблюдений из фонда ВНИИГ-МИ-МЦД за скоростью ветра в период с 1966 г. по 2009 г. на 183 станциях ПФО, расположенных достаточно равномерно по территории.
Рассчитывались многолетние средние месячные значения скорости ветра (СМСВ), средние квадратические отклонения о, коэффициенты вариации Cv, коэффициенты наклона линейного тренда (КНЛТ), коэффициенты корреляции в поле ветра между центральной станцией (Чистополь) и всеми остальными станциями. Оценка аномалий скорости ветра позволила оценить степень устойчивости ветрового режима во времени.
Величина аномалии СМСВ оценивалась по формуле A V = Vi — V, где Vi - средняя месячная
скорость ветра в конкретном месяце, V - климатическая норма.
Для расчета ветроэнергетического потенциала использовалась известная формула [2; 3]:
где Л\.л - удельная мощность ветрового потока, р - плотность воздуха, ¡' - средняя скорость, СV - коэффициент вариации, А - коэффициент асимметрии.
2 P(v )3(1 + 3Q2 + AQ3),
(1)
* Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (проект «12-05-97014-р Поволжье а»).
Расчет скорости ветра для различных высот г, превышающих высоту установки флюгера ^ производился по степенной формуле [4]:
где vz и vh - средние скорости ветра на высотах г и к соответственно, т - безразмерный параметр, зависящий от состояния турбулентности, термической стратификации и местных физико-географических условий.
В расчетах значения т, согласно [4; 5], принимаются равными: т = 0,864ехр(-0,31 Ук ) для среднегодовых скоростей ветра, для периода сентябрь-май - т = 0,798ехр(-0,28 vк), и для периода июль-август, когда наиболее развита конвекция в ПСА - т = 0.911ехр(-0,35 vк ).
Выполненные в данной работе расчеты представлены в виде многочисленных карт и таблиц. Естественно, что ограничительные рамки статьи не позволяют приводить весь этот материал.
Распределение средних скоростей ветра по территории ПФО
Рассмотрим климатическое распределение скоростей ветра на территории ПФО. Результаты расчетов представлены в виде карт и таблиц. Следует отметить, что территория ПФО достаточно неоднородна в физико-географическом отношении, ее занимает ряд возвышенностей с долинами крупных рек, восток региона занят Уральским предгорьем. Три растительные зоны располагаются на территории региона - лесная, лесостепная и степная.
Основная часть территории ПФО располагается севернее ветрораздельной оси Воейкова, являющейся осью западного отрога азиатского антициклона, располагающейся на широте 50° с. ш., севернее этой оси преобладают циклонические, а южнее антициклонические процессы. Структура барического поля определяет годовой характер ветровых потоков. В январе к северу от ветрораздельной линии преобладают южные и юго-западные ветры, южнее преобладающими становятся восточные румбы. В июле распределение изобар обратно зимнему, что приводит к перестройке поля скоростей [6].
Согласно данным табл. 1 и рис. 1 средние месячные скорости ветра на высоте 10-12 м от поверхности земли характеризуются наименьшими значениями в летний период (1,3-4,1 м/с) и большими - чаще в зимний (до 5,1-5,6 м/с), что обусловлено увеличением градиентов давления от лета к зиме. Пространственное распределение скоростей ветра неоднородно: наибольшие значения отмечаются в центральной части региона (Саранск, Чебоксары, Казань, Бугульма, Ижевск), а также на юго-востоке Оренбургской области. Максимум среднеянварской скорости (« 7 м/с) отмечен на ст. Арзамас (Нижегородская обл.), на севере ПФО в лесной зоне средние скорости порядка 3 м/с, на востоке в пределах Башкортостана (Предуралье) скорости понижаются до 2 м/с и заметно усиливаются к границе с Казахстаном (до 4,5 м/с).
Пространственная картина распределения средних скоростей достаточно пестра (мозаична), что определяется характером циркуляции атмосферы и рельефом местности. В июле на большинстве станций скорости на 0,9-1,3 м/с ниже, чем в январе, что обусловливает годовой ход. Следует отметить, что в летний период в южной части округа в послеполуденные часы развивается интенсивная конвекция, способствующая усилению ветра у земли.
В течение года местоположение очагов повышенных и пониженных значений скоростей сохраняется. На многолетней карте средней годовой скорости ветра выделяются ст. Бугульма (4,4 м/с) с максимальным значением и ст. Тукан с минимальным значением (1,3 м/с). Отметим, что ст. Бугульма расположена на Бугульминско-Белебеевской возвышенности.
Средние месячные максимальные скорости ветра примерно на 2-3 м/с больше средних скоростей. Так, на ст. Бугульма среднеянварское значение максимальной скорости достигает 8,5 м/с, в июле происходит ее понижение до 6,4 м/с. Годовой ход 2,1 м/с. В отдельные годы наибольшие средние месячные максимальные скорости ветра зимой могут достигать 13-15 м/с.
При этом наибольшие скорости обычно характерны для преобладающих направлений: зимой они отмечаются при южных и юго-западных ветрах, а летом - при северо-западных и северных.
Полученное климатическое распределение ветра формируется под влиянием структуры барического поля (его градиентов), циркуляции атмосферы, рельефа и местных особенностей. В целом проявляется широтная зональность, за исключением восточных районов, где обнаруживается существенное влияние рельефа местности.
(2)
2014. Вып. 2 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Таблица 1
Средние месячные скорости ветра на высоте флюгера (м/с)
Станция Месяцы Среднее за год
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Лальск 2,0 2,0 2,1 2,1 2,3 2,1 1,8 1,8 1,9 2,3 2,2 2,1 4,1
Ныроб 4,0 3,7 3,9 3,8 3,7 3,4 3,0 3,0 3,4 3,9 4,0 3,9 3,6
Киров АМСГ 3,2 3,1 3,0 3,0 2,9 2,5 2,3 2,4 2,5 3,1 3,1 3,2 2,9
Пермь 2,8 2,7 2,8 2,8 2,7 2,3 1,9 2,1 2,4 2,9 2,9 2,8 2,6
Ижевск 4,0 3,8 3,8 3,7 3,8 3,2 2,8 2,9 3,3 3,9 4,0 3,9 3,6
Н.Новгород, Мыза 2,9 2,9 2,8 2,9 2,6 2,3 2,2 2,2 2,3 2,8 2,9 2,9 2,6
Чебоксары 5,3 5,1 5,0 4,7 4,6 4,0 3,5 3,8 4,4 5,2 5,2 5,3 4,7
Казань ЦГМС 4,8 4,6 4,4 4,3 4,3 3,8 3,3 3,5 4,0 4,6 4,6 4,6 4,2
Саранск 5,6 5,2 5,0 4,8 4,5 3,8 3,4 3,5 4,3 5,1 5,3 5,5 4,7
Ульяновск 4,7 4,4 4,1 4,2 4,2 3,6 3,3 3,5 3,9 4,4 4,5 4,5 4,1
Бугульма 5,1 5,0 4,8 4,7 4,5 3,7 3,3 3,4 4,0 4,8 5,1 5,0 4,4
Улу-Теляк 1,8 1,9 1,8 2,0 2,0 1,7 1,5 1,3 1,6 2,0 1,9 1,8 1,8
Учалы 2,1 2,2 2,1 2,7 2,8 2,5 2,1 2,1 2,4 2,7 2,4 2,0 2,3
Пенза 4,0 4,0 3,7 3,6 3,7 3,2 2,7 2,7 3,2 4,0 4,1 3,9 3,5
Самара 3,2 3,1 3,1 3,1 2,8 2,6 2,4 2,3 2,5 3,0 3,2 3,1 2,9
Балашов 4,2 4,1 4,0 3,9 3,4 3,0 2,7 2,8 3,0 3,5 3,8 4,0 3,5
Саратов 3,2 3,2 3,3 3,1 2,9 2,7 2,7 2,4 2,5 2,9 3,1 3,1 2,9
Перелюб 3,6 3,5 3,3 3,3 3,2 2,9 2,7 2,6 2,8 3,2 3,3 3,3 3,1
Оренбург 4,4 4,3 4,2 4,4 4,3 3,8 3,6 3,5 3,8 4,1 4,2 4,2 4,1
Зерн. с/х Озерный 4,5 4,6 4,3 4,3 4,4 4,1 3,8 3,6 3,8 4,3 4,3 4,3 4,2
СРЕДНЕЕ 3,8 3,7 3,6 3,6 3,5 3,1 2,8 2,8 3,1 3,6 3,7 3,7 3,5
МАКСИМУМ 5,6 5,2 5,0 4,8 4,6 4,1 3,8 3,8 4,4 5,2 5,3 5,5 4,7
МИНИМУМ 1,8 1,9 1,8 2,0 2,0 1,7 1,5 1,3 1,6 2,0 1,9 1,8 1,8
РАЗНОСТЬ 3,7 3,3 3,2 2,8 2,6 2,4 2,4 2,5 2,8 3,2 3,4 3,7 2,9
Л/"/
'ФОБ
£
I
зерныи
а) б)
Рис. 1. Средняя многолетняя скорость ветра ( м/с) на уровне флюгера: а - январь; б - июль
Изменчивость скорости ветра
Для характеристики временной изменчивости скорости ветра рассчитывался ряд параметров. Рассмотрим их пространственно-временное распределение. Величина среднего квадратического отклонения (СКО) о характеризует межгодовую изменчивость скоростей ветра. Анализ рис. 2 и табл. 2 показывает, что величина о меняется в годовом ходе от минимальных значений летом (0,3-0,9 м/с) до максимальных зимой, достигающих 0,6-1,7 м/с. СКО средних максимальных скоростей больше на 0,3-0,8 м/с. Естественно, что карты распределения СКО по внешнему виду соответствуют картам средних месячных значений скоростей: большим значениям скорости ветра соответствуют и области повышенных значений СКО. В январе значения о возрастают с севера к центру от 0,7 до 0,9-1,2 м/с. На юге и юго-востоке региона также отмечается усиление межгодовой изменчивости скорости ветра (о достигает 1,2 м/с). В июле значения СКО средней месячной скорости ветра возрастают от 0,4 м/с (северо-восток) до 0,6 м/с в центре и на юге ПФО. СКО испытывает годовой ход.
Таблица 2
Средние квадратические отклонения (о) среднемесячной скорости ветра
на высоте флюгера (м/с)
Станция Месяцы год
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Лальск 0,6 0,6 0,7 0,6 0,5 0,5 0,4 0,4 0,4 0,6 0,6 0,6 0,4
Ныроб 0,6 0,8 0,9 0,7 0,5 0,6 0,5 0,5 0,6 0,8 0,9 0,9 0,5
Киров АМСГ 0,6 0,8 0,7 0,7 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,8 0,8 0,7 0,5
Пермь 0,7 0,7 0,7 0,6 0,5 0,5 0,5 0,5 0,6 0,7 0,8 0,7 0,5
Ижевск 0,8 0,8 0,7 0,6 0,5 0,5 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,3
Н.Новгород, Мыза 0,6 0,6 0,5 0,6 0,6 0,5 0,5 0,5 0,5 0,7 0,7 0,7 0,5
Чебоксары 0,9 1,0 0,8 0,8 0,6 0,6 0,7 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,4
Казань ЦГМС 1,1 1,1 1,1 0,9 0,8 0,7 0,9 0,7 0,9 1,1 1,1 1,0 0,6
Саранск 1,2 1,3 1,1 0,8 0,7 0,7 0,7 0,6 0,9 1,1 1,0 1,2 0,5
Ульяновск 1,1 1,1 1,0 1,0 0,8 0,7 0,9 0,8 0,8 1,1 1,0 1,1 0,7
Бугульма 1,3 1,1 1,0 0,9 0,7 0,7 0,7 0,6 0,9 1,0 1,2 1,4 0,6
Улу-Теляк 0,7 0,6 0,7 0,5 0,4 0,3 0,3 0,3 0,4 0,6 0,6 0,7 0,3
Учалы 0,7 0,6 0,6 0,7 0,6 0,6 0,5 0,5 0,6 0,7 0,7 0,6 0,4
Пенза 1,3 1,0 1,2 0,9 0,8 0,7 0,7 0,6 0,8 1,1 1,3 1,1 0,7
Самара 0,9 0,9 0,9 0,8 0,7 0,7 0,7 0,6 0,8 1,0 0,9 1,0 0,7
Балашов 1,1 1,1 1,0 0,9 0,7 0,5 0,5 0,5 0,6 0,9 1,0 1,1 0,6
Саратов 0,7 0,7 0,7 0,5 0,5 0,4 0,5 0,4 0,6 0,8 0,6 0,7 0,4
Перелюб 0,8 0,7 0,8 0,6 0,6 0,5 0,6 0,5 0,6 0,7 0,7 0,9 0,4
Оренбург 1,0 0,9 0,8 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,8 0,9 0,9 1,0 0,5
Зерн. с/х Озерный 1,2 1,1 1,0 0,8 0,7 0,6 0,6 0,5 0,7 1,1 0,9 1,0 0,5
СРЕДНЕЕ 0,9 0,9 0,8 0,7 0,6 0,6 0,6 0,5 0,7 0,9 0,9 0,9 0,5
МАКСИМУМ 1,3 1,3 1,2 1,0 0,8 0,7 0,9 0,8 0,9 1,1 1,3 1,4 0,7
МИНИМУМ 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,3 0,3 0,3 0,4 0,6 0,6 0,6 0,3
РАЗНОСТЬ 0,7 0,7 0,6 0,5 0,4 0,4 0,7 0,6 0,5 0,5 0,7 0,8 0,5
Для оценки максимальных контрастов межгодовой изменчивости скорости ветра рассчитывался размах вариации А = Утах - Утт, где Утах - максимальное среднемесячное значение скорости во временном ряду конкретной станции, состоящем из 44 членов, а Ут1П - соответственно, минимальное значение. Среднее значение величины А по округу составило 3,3 м/с, максимальное значение отмечено в феврале на ст. Баймак в Башкортостане (7,4 м/с), минимальное значение (0,8 м/с) в августе на ст. Вая (Пермский край).
а) б)
Рис. 2. СКО среднемесячных скоростей ветра на уровне флюгера: а - январь; б - июль
Сравнение январских и июльских карт величин А показывает, что зимой эти перепады возрастают от 3 м/с на севере до 4-5 м/с в центре и на юго-востоке. По своей структуре карты для величины А и СКО сходны. В июле разности между наибольшими и наименьшими значениями скоростей на 2-3 м/с меньше, чем зимой, и картина менее устойчива. Если сравнивать годовой ход величин А, СКО и средних месячных скоростей ветра, то выявляется заметный годовой ход этих характеристик. Следует отметить, что в холодный период более выражена циклоническая активность, приводящая к усилению ветров.
Для удобства производства ветроэнергетических расчетов и оценки характеристик относительной устойчивости ветрового режима по территории ПФО рассчитывалась величина коэффициента вариации С9 = ^ (%) для каждой из станций и всех месяцев года. В январе С,, меняется в пределах
20-35 %, наиболее устойчивая ситуация на севере и северо-востоке (20 %), на юго-востоке С достигает 40 %, в апреле значения С несколько снижаются и становятся менее однородными по территории (от 15 до 30 %), в июле С„ меняется в пределах 15-30 % (карта мозаичная), в октябре происходит рост С„ (диапазон изменений 20-40 %). Неоднородное поле величины С„ показывает, что при небольших значениях скорости ветра возникает заметная неустойчивость ветрового режима (с увеличением средней скорости устойчивость растет, величина С„ уменьшается).
Для выявления тенденции изменения скорости ветра во времени для каждой станции рассчитывались коэффициенты наклона линейного тренда ((м/с) / 10лет). Результаты расчетов картированы, анализ карт показывает, что для всей территории ПФО знак КНЛТ отрицательный, что свидетельствует о повсеместном ослаблении скорости ветра. В январе значения КНЛТ меняются в пределах от -0,2((м/с) / 10лет) на севере округа до -0,6(( м/с) /10лет) на юге. Аналогичная картина складывается и в другие месяцы года, картина в пространстве также неоднородная. На факт ослабления скоростей ветра на европейской территории России в последние десятилетия указывалось также в работах [6; 7].
Как известно, интенсивность ветровых потоков определяет динамику переноса примесей в нижнем слое атмосферы, влияет на испарение влаги с подстилающей поверхности, особенно с водной, что отражается на гидрологическом режиме территории и на других природных процессах. Возможно, что одной из причин ослабления ветрового режима в регионе является глобальное потепление, при котором меридиональные термические контрасты ослабевают, что сказывается на поле давления (ослабление градиентов давления) и, следовательно, приводит к уменьшению скорости ветра. Кроме того, в летний период всё чаще стали возникать блокинги [7], что также способствует ослаблению ветра и созданию штилевых ситуаций.
Для оценки тесноты связей между отдельными станциями в поле ветра рассчитывались коэффициенты корреляции г между центральной станцией округа (Чистополь) и всеми остальными станциями. Результаты картированы. Здесь в качестве примера приведена табл. 3, из которой следует, что наиболее сильные связи возникают преимущественно в холодный период. При этом в январе связь лучше проявляется с более северными станциями, в апреле - с западными, летом корреляционные связи заметно ослаблены, в октябре поле изокоррелят более изотропное. Во всех случаях связи за-
метно ослабевают с расстоянием. Следует отметить, что радиус корреляции (расстояние, на котором г = 0,5) в поле температуры и давления значительно больше. Так, в январе величина г в поле давления между станцией Чистополь и станциями, взятыми на расстоянии 650 км в различных направлениях (Усть-Черная (север), Емаши (восток), Павлово (запад), Перелюб (юг)) не менее 0,96, в июле г порядка 0,9. В поле ветра же в январе г ~ 0,4-0,6, а в июле 0,1-0,3. Таким образом, в июле связи в поле ветра ослаблены, что свидетельствует об отсутствии единого управляющего механизма и размытости барического поля. Усиливается роль местных факторов.
Таблица 3
Коэффициенты линейной корреляции рядов среднемесячной скорости ветра ст. Чистополь
с другими станциями ПФО
Станция Месяцы
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Лальск 0,40 0,14 0,56 0,40 0,41 0,24 0,28 0,13 0,27 0,39 0,46 0,44
Ныроб 0,41 0,52 0,65 0,52 0,46 0,03 0,29 0,19 0,45 0,59 0,53 0,52
Киров АМСГ 0,21 0,29 0,37 0,21 0,25 0,26 0,23 0,19 0,29 0,34 0,49 0,53
Пермь 0,65 0,49 0,58 0,41 0,40 0,30 0,30 0,19 0,36 0,58 0,64 0,59
Ижевск 0,55 0,52 0,51 0,13 0,28 0,40 0,40 0,24 0,42 0,45 0,51 0,57
Н.Новгород, Мыза 0,30 0,31 0,33 0,14 0,28 0,18 0,22 0,15 0,08 0,36 0,50 0,54
Чебоксары 0,45 0,47 0,58 0,45 0,41 0,33 0,30 0,15 0,36 0,48 0,60 0,63
Казань ЦГМС 0,47 0,61 0,49 0,31 0,48 0,45 0,50 0,26 0,54 0,53 0,57 0,57
Саранск 0,50 0,61 0,58 0,38 0,57 0,40 0,35 0,24 0,50 0,54 0,62 0,73
Ульяновск 0,66 0,64 0,44 0,34 0,33 0,14 0,25 0,13 0,34 0,48 0,53 0,68
Бугульма 0,73 0,81 0,56 0,41 0,45 0,18 0,32 0,29 0,43 0,58 0,69 0,74
Улу-Теляк 0,56 0,46 0,47 0,24 0,22 0,30 0,28 0,19 0,34 0,59 0,54 0,30
Учалы 0,54 0,21 0,44 0,24 0,00 0,25 0,19 -0,14 0,27 0,40 0,39 0,32
Пенза 0,66 0,50 0,42 0,37 0,34 0,30 0,45 0,16 0,36 0,49 0,56 0,58
Самара 0,34 0,41 0,33 0,21 0,36 0,21 0,13 0,27 0,40 0,35 0,56 0,56
Балашов 0,39 0,35 0,43 0,36 0,45 0,30 0,27 0,29 0,31 0,39 0,64 0,52
Саратов 0,27 0,19 0,32 0,23 0,55 0,38 0,35 0,32 0,48 0,35 0,32 0,35
Перелюб 0,55 0,50 0,47 0,26 0,39 0,38 0,31 0,35 0,53 0,36 0,40 0,58
Оренбург 0,43 0,52 0,26 0,07 0,08 0,11 0,14 0,07 0,27 0,25 0,42 0,41
Зерн. с/х Озерный 0,31 0,11 0,17 0,04 -0,05 0,21 0,28 -0,15 0,13 0,08 0,17 0,08
СРЕДНЕЕ 0,47 0,43 0,45 0,29 0,33 0,27 0,29 0,18 0,36 0,43 0,51 0,51
МАКСИМУМ 0,73 0,81 0,65 0,52 0,57 0,45 0,50 0,35 0,54 0,59 0,69 0,74
МИНИМУМ 0,21 0,11 0,17 0,04 -0,05 0,03 0,13 -0,15 0,08 0,08 0,17 0,08
РАЗНОСТЬ 0,52 0,70 0,48 0,49 0,62 0,43 0,37 0,50 0,46 0,51 0,52 0,66
В целях оценки соответствия распределения скоростей ветра нормальному закону для всех станций и месяцев года рассчитывались асимметрия (А) и эксцесс (Е). Оказалось, что величина А меняется в пределах от -0,60 до 1,66, при этом А чаще имеет положительный знак, чем отрицательный. Величина Е чаще отрицательная и меняется в пределах от -1,0 до 4,1. Таким образом, величины А и Е, согласно правилам статистики, меняются от малых значений до больших в широком диапазоне - это не дает основания считать, что распределение СМСВ соответствует нормальному закону распределения.
Ряд работ посвящен аппроксимации распределений скоростей ветра с помощью теоретических законов. Наиболее часто используют распределения Максвелла, Релея, Вейбулла-Гудрича, которые упрощают производство практических расчетов.
Рассмотрим структурные особенности временных аномалий (отклонений среднемесячных значений от многолетней нормы) скорости ветра на территории ПФО за период с 1966 г. по 2009 г. Аномалии скорости ветра ДV1 классифицировались по интенсивности и продолжительности. При этом аномалии величиной ДV1 < оу считались небольшими, аномалии ДV1 > ау - крупными, аномалии ДV1 > 1,5оу - очень крупными, а отклонения ДV1 >2оу отмечались как экстремалии. Величины аномалий рассчитывались для отдельных станций: Усть-Черная, Емаши, Перелюб, Павлово, Вятские Поляны, - характеризующих все части округа.
118 Ю.П. Переведенцев, Т.Р. Аухадеев
2014. Вып. 2 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
В табл. 4 приводятся среднемесячные значения скоростей и данные о СКО для указанных станций.
Таблица 4
Характеристики ветрового режима (5 станций ПФО)
Средняя многолетняя скорость ветра у земли, м/с
Станция Месяц Ср.год
I II III IV У VI VII VIII IX X XI XII
Усть-Черная 2,4 2,5 2,7 2,6 2,7 2,5 2,1 2,1 2,3 2,5 2,4 2,4 2,4
Емаши 2,8 2,7 2,4 2,6 2,7 2,2 1,7 1,8 2,3 2,8 2,8 2,8 2,5
Перелюб 3,6 3,5 3,3 3,3 3,2 2,9 2,7 2,6 2,8 3,2 3,3 3,3 3,1
Павлово 3,0 2,9 2,8 2,9 2,7 2,2 2,1 2,1 2,4 3,0 3,0 3,0 2,7
В. Поляны 4,6 4,4 4,3 4,2 4,4 3,6 3,1 3,3 3,7 4,5 4,5 4,5 4,1
СКО среднемесячных скоростей ветра, м/с
Усть-Черная 0,59 0,54 0,54 0,63 0,64 0,64 0,55 0,63 0,58 0,77 0,83 0,72 0,51
Емаши 0,94 0,86 0,80 0,59 0,54 0,48 0,43 0,45 0,58 0,78 0,91 0,91 0,35
Перелюб 0,76 0,70 0,81 0,59 0,56 0,52 0,56 0,46 0,63 0,75 0,69 0,85 0,41
Павлово 0,86 0,89 0,91 1,01 0,85 0,63 0,73 0,64 0,78 1,10 1,05 0,98 0,76
В. Поляны 1,64 1,74 1,34 1,23 1,07 0,76 0,91 0,92 1,09 1,30 1,34 1,49 0,97
С использованием полученных значений СКО скорости ветра проводилась классификация аномалий ДУ; различной интенсивности. В таблице аномалий (размером 12x44, где 12 - количество месяцев в году (по горизонтали), 44 - число лет выборки (по вертикали)) выделялись аномалии различной интенсивности и продолжительности жизни (ПЖА). Таким образом, для каждой из 5 станций строилась матрица из 528 клеток.
Анализ полученных таблиц показал, что примерно 70 % случаев аномалий СМСВ относится к диапазону от -о до о, на остальные случаи (крупные, очень крупные и экстремалии) приходится примерно 30 %, что соответствует нормальному закону распределения. Экстремальные ситуации встречаются редко - 3-5 случаев.
Оценка продолжительности жизни аномалий СМСВ показывает, что наиболее вероятна величина ПЖА в 1 месяц (~ 60 % случаев), около 20 % аномалий имеют ПЖА ~ 2месяца и 10 % - 3 месяца. Причем положительные аномалии (периоды с повышенными скоростями ветра) имеют продолжительность жизни несколько большую, чем отрицательные (периоды с пониженными скоростями). Вероятность ПЖА в 1 месяц у положительных аномалий меньше, чем у отрицательных.
Аналогичная работа проводилась и с данными по атмосферному давлению. Принципиальных различий по структуре аномалий не обнаружено.
Оценка ветроэнергетического потенциала ПФО
Вопросам оценки климатических ветроэнергоресурсов в различных странах мира уделяется достаточно большое внимание, особенно в странах Западной Европы, США, Японии. В России разработана энергетическая стратегия развития страны до 2030 г., где также уделено внимание развитию ветроэнергетики.
Преимуществами ветровых электростанций (ВЭС) над традиционными источниками энергии являются быстрый ввод мощностей, возможность наращивания ВЭС по модульной схеме, значительная экономическая эффективность. Установленная мощность ВЭС в мире возросла с 6,2 МВт в 1996 г. до 94,3 МВт в 2007 г. За последние 25 лет основные стоимостные показатели ВЭС существенно снизились и составляют в настоящее время 4,5 евроцента за 1кВт [8].
Согласно [3], энергетические ветровые зоны, то есть области, где рационально использование ВЭС, располагаются в районах арктического побережья и Дальнего Востока, Нижней и Средней Волги, Каспийского моря и др.
Природный ветроэнергетический потенциал - это среднее многолетнее значение ветровой энергии движения воздушных масс над данной территорией. Валовой потенциал ветроэнергетических ресурсов рассчитывается как мощность ветрового потока без учета свойств и возможностей ветродвигателей по формуле [4]:
1 3
N = - ру3s , (3)
2
где N - общая мощность суммарного (полного) ветрового потока, р - плотность воздуха, V - скорость ветра, - площадь, перпендикулярная ветровому потоку.
Из экономических соображений развивать ветроэнергетику целесообразно только в тех районах, где средняя скорость ветра составляет не менее 3-5 м/с. При скорости ветра более 7 м/с разумнее устанавливать ветроэнергетические установки (ВЭУ) большой мощности.
Благоприятными условиями для выбора площадки под строительство ВЭУ являются: высокий ветроэнергетический потенциал (средняя скорость ветра более 5 м/с, относительно большая продолжительность периода рабочих скоростей от 9 до 25 м/с, повторяемость энергетических затиший (менее 3 м/с) 20-30 %, небольшие значения коэффициентов вариации (желательно менее 0,3), отсутствие или малая повторяемость «буревых» (более 20 м/с) и «ураганных» (более 33 м/с) скоростей ветра [3]. С использованием формулы (1) для территории ПФО были произведены расчеты ветроэнергетических ресурсов на уровне флюгера (10 м) и на высотах 50, 100 и 150 м, для которых скорости ветра предварительно рассчитывались по степенному закону (формула (2)). Отдельные результаты расчетов представлены в табл. 5 и на рис. 3. Как видно, наиболее благоприятные условия для развития ветроэнергетики формируются в центральной части ПФО и на юго-востоке региона. С увеличением высоты происходит заметное усиление скорости ветра (скорость ветра на высоте 100 м в 1,5-1,7 раз превышает ее значение на высоте 10 м) и, следовательно, энергетической мощности ветрового потока, поскольку в расчетах используется куб скорости.
Таблица 5
Удельная мощность ветрового потока на высоте 100 м, Вт/м2
Станция Месяцы Среднее за год
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Лальск 17 15 21 18 16 14 11 11 10 23 18 20 16
Ныроб 49 49 63 45 39 33 23 22 34 54 61 55 44
Киров АМСГ 32 41 32 33 24 18 14 17 20 40 40 35 29
Пермь 27 25 30 26 19 16 13 14 22 29 32 30 24
Ижевск 55 51 45 41 41 27 19 23 32 51 58 59 42
Н.Новгород, Мыза 28 24 22 25 20 14 17 15 16 33 29 28 23
Чебоксары 111 105 92 81 71 48 41 43 63 104 108 118 82
Казань ЦГМС 98 92 83 73 69 46 44 39 62 92 92 84 73
Саранск 139 123 108 84 70 46 37 36 70 111 118 134 90
Ульяновск 96 75 64 72 60 41 46 43 52 82 78 90 67
Бугульма 126 110 92 85 70 45 37 35 58 97 120 131 84
Улу-Теляк 22 18 19 12 10 7 5 5 7 17 15 21 13
Учалы 23 20 19 30 24 19 13 13 18 28 24 16 21
Пенза 87 64 70 57 49 35 27 22 43 70 88 77 57
Самара 43 44 40 38 31 25 24 18 29 45 46 51 36
Балашов 81 77 66 59 39 24 20 20 28 53 62 85 51
Саратов 33 34 37 26 24 18 20 14 23 34 31 32 27
Перелюб 44 42 43 34 29 22 22 17 26 36 37 44 33
Оренбург 79 71 62 65 59 43 39 35 52 63 66 71 59
Зерн. с/х Озерный 93 94 78 69 67 52 44 36 50 84 69 78 68
СРЕДНЕЕ 64 59 54 49 41 30 26 24 36 57 60 63 80
МАКСИМУМ 139 123 108 85 71 52 46 43 70 111 120 134 90
МИНИМУМ 17 15 19 12 10 7 5 5 7 17 15 16 13
РАЗНОСТЬ 122 108 90 73 61 45 41 39 63 94 105 118 76
а) б)
Рис. 3. Удельная мощность ветрового потока (Вт/м2) на высоте 100м: а - январь; б - июль
Отметим, что результаты расчетов по Республике Татарстан согласуются с данными ранее опубликованных работ [9; 10], а общие представления о динамике ветровых потоков соответствуют работам [11; 12].
Выводы
1. Средние многолетние скорости ветра возрастают на территории ПФО с севера (от 2 м/с) на юг (до 4 м/с), максимальные значения отмечаются в центральной полосе. В южной части округа ветер сильнее, чем в северной. В западной части потоки более интенсивны, чем в восточной, где заметная роль принадлежит Уральскому предгорью.
Наблюдается хорошо выраженный годовой ход в скорости ветра, СКО, размахе Утах-Утп.
2. Тренд-анализ выявил временную тенденцию ослабления скорости ветра на всей территории округа со скоростью в широтном диапазоне значений в зависимости от местоположения станции и месяца года -0,2-0,5 ((м/с) / 10 лет).
3. Изучен режим аномалий средних месячных скоростей ветра. Время жизни аномалии с вероятностью 60 % составляет 1 месяц, значительно реже встречаются более долговременные аномалии.
4.Пространственные корреляционные связи в поле ветра значительно уступают по величине аналогичным показателям в поле температуры и давления, что свидетельствует об их неустойчивости.
5.Построены карты распределения средних месячных скоростей ветра на уровнях 50, 100 и 150 м. Определены вертикальные градиенты СМСВ. Скорость ветра на высоте 100м в 1,5-1,7 раз выше, чем на уровне 10м.
6. Ветроэнергетический потенциал округа варьирует согласно величине удельной мощности на уровне 10 м в пределах 10-130 Вт/м2 и полностью определяется картиной ветров. ВЭП значительно возрастает с высотой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванова Л.А., Надежина Е.Д., Стернзат А.В., Шкляревич О.Б. Использование модели атмосферного пограничного слоя для расчета ветровых характеристик и оценки ветровых ресурсов // Метеорология и гидрология. 1997. № 6. С. 43-50.
2. Анапольская Л.Е., Гандин Л.С. Ветроэнергетические ресурсы и методы их оценки // Метеорология и гидрология. 1978. № 7. С. 11-17.
3. Энциклопедия климатических ресурсов Российской Федерации / под ред. Н.В. Кобышевой, К.Ш. Хайрулли-на. Спб.: Гидрометеоиздат, 2005, 319 с.
4. Руководство по специализированному климатологическому обслуживанию экономики / под ред. Н.В. Кобышевой. СПб., 2008. 336 с.
5. Рыхлов А.Б. Разработка методов климатологической оценки ветроэнергетического потенциала на различных высотах (на примере юго-востока европейской части России). Саратов: Изд-во Саратов. ун-та, 2012. 131 с.
6. Климат России / под ред. Н.В. Кобышевой. СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. 655с.
7. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Т. 1. Изменения климата. М., 2008. 227 с.
8. Иванова Е.В., Смирнов Д.В. Методы оценки потенциала ветроэнергетических ресурсов РФ // Тр. ГГО. 2009. Вып. 559. С. 113-120.
9. Абдрахманов Р.С., Переведенцев Ю.П. Об эффективности использования ветроэнергетических ресурсов для выработки электроэнергии // Метеорология и гидрология. 1994. № 12. С. 92-97.
10. Абдрахманов Р.С., Переведенцев Ю.П. О возможности использования возобновляемых источников энергии в условиях Среднего Поволжья // Метеорология и гидрология. 1993. № 5. С. 91-98.
11. Переведенцев Ю.П., Мохов И.И., Елисеев А.В. Теория общей циркуляции атмосферы. Казань: Изд-во Казан. ун-та. 2013. 223с.
12. Переведенцев Ю.П., Аухадеев Т.Р. Пространственно-временные изменения атмосферного давления на территории Приволжского федерального округа за последние десятилетия// Вестник Удм. ун-та. Сер. Биология. Науки о Земле. 2013. Вып.4. С.112-122.
Поступила в редакцию 31.07.13
Yu.P. Perevedentsev, T.R. Aukhadeev
FEATURES OF THE WIND REGIME IN THE VOLGA FEDERAL DISTRICT IN THE LAST DECADE
In this work the wind regime in the territory of the Volga Federal District (VFD) is studied with the use of temporary ranks of average monthly values of wind speed at 183 meteorological stations during the period of 1966-2009 years. Average sizes, characteristics of variability, anomaly of wind speeds, linear trends, and correlation models between the points are analyzed. It is shown that the average long-term wind speeds increase in the territory of Volga federal district in the direction from the North (from 2 m/c) to the south (to 4 m/c); the maximum values are observed in the central strip. The trend analysis revealed a temporary tend of deceasing wind speed in the whole territory of the district with a speed in the width range of values depending on location of station and month of the year of-0,2-0,5 (m/s) / 10 years. The assessment of wind power capacity of the Volga federal district in the layer 10-150 M is given, which varies according to the size of specific power at level 10 m within 10-130 W/m2 and completely is defined by a picture of winds. VEP considerably increases with height.
Keywords: wind speed, wind speed variability, the linear trend, the coefficient of variation, skewness, anomaly, wind energy potential.
Переведенцев Юрий Петрович,
доктор географических наук, профессор, зав. кафедрой метеорологии, климатологии и экологии атмосферы E-mail: Yuri.Perevedentsev@ksu.ru
Аухадеев Тимур Ринатович, аспирант E-mail: Timur-Aukhadeev@rambler.ru
ФГАОУ ВПО «Казанский федеральный университет» 420008, Россия, г. Казань, ул. Кремлевская, д. 35
Perevedentsev Yu.P.,
Doctor of Geography, Professor, head of Department of meteorology, climatology and ecology atmosphere E-mail: Yuri.Perevedentsev@ksu.ru
Aukhadeev T.R., postgraduate student E-mail: Timur-Aukhadeev@rambler.ru
Kazan Federal University
Kremlevskaya st., 35, Kazan, Russia, 420008
