Climate drivers and long-term trends of 100 m winds in Northeast Brazil: implications for wind-energy planning and climate resilience 中文标题：巴西东北部100米高度风的气候驱动因子与长期趋势：对风能规划与气候韧性的启示

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Climate drivers and long-term trends of 100 m winds in Northeast Brazil: implications for wind-energy planning and climate resilience

　　

摘要翻译：
基于ERA5再分析资料，研究人员对巴西东北部（Northeast Brazil, NEB）100米高度风的年际变率与长期趋势进行了研究，并探讨了其对风能规划与气候韧性的意义。研究表明，ERA5 100米风场揭示了巴西东北部地区的年际变率与年代际趋势。通过复经验正交函数（Complex Empirical Orthogonal Function, CEOF）分析，研究人员识别出四个具有物理一致性的区域风变率模态。其中，大西洋经向模（Atlantic Meridional Mode, AMM）是东北部地区信风强度与方向的主要驱动因子。风功率密度（Wind Power Density, WPD）趋势表明风能潜力发生变化，而Weibull形状参数k则刻画了风况的规律性。研究结果支持气候信息化的风资源评估与韧性风能规划。

论文解读文章

一、研究背景与问题

风能的长期可预测性与稳定性是风电场规划与运营的核心问题。风电场典型运营寿命为20至25年，在此时间尺度上，风速的年际、年代际乃至多年代际变率可显著影响风电项目的发电性能、收益确定性及投资风险。然而，以往研究多集中于短期变率和平均气候态，对低频变率的关注相对不足。尽管大气再分析资料（如ERA5）已被广泛用于风资源评估，但在巴西东北部这一风电战略要地，针对涡轮机轮毂高度（100米）风场的联合速度—方向变率结构及其与大规模气候信号关系的研究仍然有限。已有研究或局限于特定事件年份，或仅使用标量风速统计，或未采用向量型本征模态分解。因此，本研究旨在利用复经验正交函数（CEOF）方法，结合气候指数相关分析、长期趋势检验及风能诊断指标，系统揭示巴西东北部100米风场年际变率的主导模态及其气候驱动机制，为气候韧性风能规划提供物理基础。

二、研究方法概述

本研究使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）哥白尼气候变化服务提供的ERA5逐月100米纬向与经向风分量再分析资料，时段为1980年1月至2025年12月，空间范围覆盖巴西东北部及相邻热带南大西洋（75°W–10°E，30°S–20°N）。研究将风异常表示为复向量场V = u′ + i v′，其中u′和v′分别为纬向和经向风异常，并通过对协方差矩阵进行奇异值分解实现CEOF分解。同时，研究计算了CEOF主成分与AMM、AMO、TNA、TSA、ATL3、Ni?o3.4等气候指数的Pearson相关系数，采用Mann–Kendall检验评估风速及风功率密度趋势的显著性，并基于大陆巴西东北部区域计算了平均风功率密度（WPD）、WPD年代际趋势、相对WPD变化率以及Weibull形状参数k等风能诊断指标。

三、主要研究结果

3.1 风气候态

基于1980–2025年ERA5数据的季节平均风场显示，巴西东北部全年主要受东南信风控制，东部沿海信风稳定而强劲；北部区域则受东北信风与东南信风交替影响，反映热带辐合带（ITCZ）的季节迁移。6–8月（JJA）南大西洋副热带高压增强，东南信风最强且最稳定，为风能资源最丰富时段；12–2月（DJF）ITCZ南移，北部东北风增强；3–5月（MAM）赤道大西洋风场组织化增强；9–11月（SON）为过渡季节。这一气候态表明，区域风场受热带大西洋信风系统和ITCZ迁移的强烈控制，与中纬度风暴轴驱动的风能区截然不同。

3.2 年际变率模态

CEOF分析揭示了四个主导年际变率模态，分别解释总平方协方差的23.70%、11.24%、8.96%和5.79%，累计49.69%。第一模态表现为东部巴西东北部离岸风异常，指示气候态东风信风减弱，与海岸调整过程相关，具有显著低频波动。第二模态呈现横跨东北部的大尺度经向风异常结构，反映信风系统在强度与方向上的重组，具有持续多年变率，为大尺度大西洋强迫所致。第三模态空间结构复杂且相干性较弱，视为对经向梯度和远程强迫的次级响应。第四模态主要联系赤道大西洋变率，异常较弱且区域化，表明赤道过程对区域风场存在非次要贡献。

3.3 气候遥相关

气候指数相关分析显示，第一模态与AMM（r = ?0.46）、TSA（r = 0.39）、AMO（r = ?0.38）显著相关，负AMM相位（南大西洋异常偏暖）有利于离岸风构型。第二模态与AMM（r = 0.80）、AMO（r = 0.68）、TNA（r = 0.53）高度相关，是主导模态，反映大西洋经向海温梯度对信风强度和方向的盆地尺度调制。第三模态与AMM（r = ?0.42）、TNA（r = ?0.29）及ENSO、ATL3存在较弱但显著相关，表现为混合模态。第四模态以ATL3（r = 0.45）为主，联系ENSO（r = ?0.34）和AMO（r = 0.33），反映赤道大西洋Ni?o型强迫。总体而言，大西洋经向海温梯度（AMM）是巴西东北部风变率的主导气候因子，AMO、ATL3和ENSO为次级贡献。

3.4 风趋势

1980–2025年线性趋势分析显示，热带大西洋存在显著半球对比：南大西洋（约15°S–30°S）风速呈正趋势，指示东南信风分支长期增强；热带北大西洋（10°N–20°N）呈负趋势，指示北侧信风减弱。趋势向量表明，增强的东南气流更有效地向巴西东北部海岸渗透，登陆后向内陆减弱并部分分叉。该趋势与大尺度气压梯度变化及AMM对平均态的调制一致，指示背景环流已向更强的南大西洋影响演化。

3.5 风能规划与气候韧性意义

针对大陆巴西东北部计算的风能诊断指标显示：平均WPD空间分布反映风能资源的本底结构；WPD年代际趋势在东部至北部区域呈负倾向（约?1至?5 W m?2 decade?1），而南部和中部呈正倾向（局部达5 W m?2 decade?1）；相对WPD变化率在东部—北部为0至?5% decade?1，而西北部局部可达10% decade?1。Weibull形状参数k高值区集中于东部（部分区域超过6），指示更规则和持续的风况；内陆k值较低但WPD趋势为正，表明能量潜力增加但风况变率更大。这些结果揭示，风况规律性最强的区域与WPD正趋势最强的区域并不重合，规划中应区分并综合考量资源量、变化趋势和规律性。

四、讨论与结论

讨论部分强调，AMM主导的经向海温梯度变化可显著改变区域风强度和环流型，风资源评估不能仅依赖短期观测或平均气候态。年代际WPD趋势表明背景环流已发生变化，可能与南大西洋副热带高压增强及热带大西洋气候变率有关。这些发现支持将气候指数、环流趋势和风能诊断指标纳入长期风资源评估框架。结论指出：CEOF识别出四个物理一致的风变率模态；AMM是主导气候驱动因子；1980–2025年东南信风流场向巴西东北部增强；风能诊断揭示规律性与趋势性之间的空间差异；研究结果支持气候信息化风资源评估与韧性风能规划。未来工作应结合实测风电场数据、激光雷达及高分辨率中尺度模拟，并评估CMIP6情景下相关模态的演变，以发展面向风能行业的气候服务。