2.3　风能、太阳能资源的时空分布

区域性的风能、太阳能资源分析研究通常需要基于多个气象监测系统。近年来，应用于风力发电和光伏发电的气象监测系统日益增多，监测数据不断积累，监测信息愈加丰富。

在风能、太阳能的空间特征及其时间演变规律分析中，较为常用的方法是经验正交函数（Empirical Orthogonal Function，EOF），其优势在于可将原始的多维监测数据矩阵分解为正交函数组合，从而利用为数较少、彼此独立的典型模态解释原数据矩阵的主要特征。

2.3.1　研究方法与意义

EOF早在1902年由Pearson提出，20世纪50年代中期，Lorenz将其引入气象研究中。EOF可针对有限区域内不规则分布站点的气象要素监测信息进行分解，能够将某一空间区域的气象要素变化信息集中在几个模态上，从而实现信息维度降低，达到历史演变规律抽象的目的。

在EOF中，如果分解后的特征向量表现出各分量符号一致，则这一特征向量反映了该地区的风速、太阳总辐射等要素的变化趋势基本一致；如果某一特征向量的分量呈正、负相间的分布型式，则代表了两种变化趋势相反的分布型。特征向量所对应的时间系数代表了这一区域分布型式的时间变化特征，系数绝对值越大，分布型越典型。

通过EOF能够了解某一区域一定时段内，风能、太阳能资源的变化特点，总结提炼时空一致性，规避均值分析引起的信息丢失问题，从而为人们详细掌握风能、太阳能资源变化特点或开展风力发电、光伏发电的区域功率预测研究提供依据。

2.3.2　风资源的时空分布特征

甘肃地处中国西北部，地广人稀，拥有丰富的风、光资源。在2006年结束的第3次全国风能普查工作中，甘肃省风能资源总储量为2.37亿kW，占全国总储量的7.3%，年平均风功率密度在150W/m2及以上的区域占全省总面积的4%，风能资源技术可开发量为2667万kW。根据规划，到2015年西北地区风力发电总装机容量将达到1.271×107kW，到2020年西北地区风电总装机规模将达到约5×107kW。现以甘肃为例，对其多年的风资源状况进行诊断分析，得出其时空分布特征。

根据气象观测资料，选取了包括甘肃省在内的25个地面观测站点，1981—2010年年平均风速数据。将观测资料矩阵进行标准化处理，进行EOF分解。前5个模态的方差贡献见表2－5。

经EOF分解，第一载荷向量方差贡献最大，达到35.7%，第二载荷向量次之，为20.4%。前三个载荷向量累积方差为66.6%。通过显著性检验的前几项特征向量最大限度地表征了这一区域气候变量场的变率分布结构。它们所代表的空间分布型是该变量场典型的分布结构。

第一特征向量的方差贡献为35.7%，载荷场空间分布如图2－6（a）所示。甘肃的西北部、河西走廊地区都为正值，表明这两个区域变量变化趋势基本一致，酒泉地区在0.2以上，位于变化的中心，甘肃的东南部为负值。第一特征向量呈现正、负相间的分布型式，代表了两种分布类型，甘肃西北地区和河西走廊地区与甘肃的东南部在年平均风速上呈现相反的分布型式。

第一特征向量的时间系数如图2－6（b）所示，甘肃西北部、河西走廊在1995年前年平均风速偏大的型式很显著，1995年后则变得越不典型，年平均风速呈现减小的趋势。甘肃东南部则与此相反。

第二特征向量的方差贡献为20.4%，载荷场空间分布如图2－7（a）所示。可以看出，甘肃全省都为正值，表明变量变化趋势基本一致，东南部在0.35以上，位于变化的中心。第二特征向量呈现全部正值的分布型式，代表了一种分布类型，即甘肃年平均风速的变化型一致，或一致上升，或一致下降。第二特征向量相应的时间系数如图2－7（b）所示，甘肃地区在2005年前风速偏大的型式不显著，年平均风速偏小。2005年后，年平均风速显著上升。

2.3.3　太阳能资源的时空分布特征

在我国，全年日照时数为2800～3300h，且太阳总辐射量为6000～8000MJ/m2的区域，即可称为太阳能资源丰富区。从气候角度看，中国西北部地区普遍具有全年降水稀少、空气干燥的特点，晴天多、光照充足。本节采用包括甘肃省3个气象观测站在内的我国西北部23个观测站1974—2003年总辐射年总量数据。在对观测资料矩阵标准化处理后，进行EOF分解。

由EOF分解，已得到的前两个模态的累积方差接近50%，收敛情况理想，可以认为这两个模态代表了甘肃地区总辐射年总量变化的主要特征。前5个模态的方差贡献见表2－6。

第一特征向量的方差贡献为28.8%，其相应的荷载场空间分布如图2－8（a）所示。图中甘肃的西北部、河西走廊中西部呈一致变化，西北部是荷载的高值区，而在甘肃的东南角和河西走廊的中东部，则表现出与甘肃西北部相反的变化特征，呈现两种分布型式。

第一特征向量的时间系数如图2－8（b）所示，近30年来，河西走廊中西部、甘肃西北部的总辐射年总量上升型式很显著，而甘肃的东南和河西走廊中东部总辐射年总量则呈现下降的趋势。

第二模态方差贡献为16.7%，荷载场空间分布如图2－9（a）所示。可以看出，甘肃的西北部和东南部变化趋势基本一致，而河西走廊地区则呈现与之相反的变化特征。

第二特征向量相应的时间系数及线性趋势如图2－9（b）所示，1974—2003年，河西走廊地区的总辐射年总量上升型式显著；甘肃的东南部和西北部，总辐射年总量则趋于下降。