符 平，秦鵬飛，張金接

（中國水利水電科學研究院 北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

海上風資源時空特性研究

符 平，秦鵬飛，張金接

（中國水利水電科學研究院 北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

海上風況優(yōu)于陸上，但海上氣象要素直接觀測較為困難，很難獲得海域內準確、長期、大范圍的完整實測資料，而在進行海上風資源評估時通常需要考慮海上風資源時空特性的影響。本文根據(jù)江蘇響水海上測風塔和灘涂測風塔的實測風資料，對海上風資源的時間分布特點、風速垂直分布規(guī)律和水平代表距離進行了分析研究，可為海上風資源評估和海上風電場建設提供參考。

海上風資源；時空特性；風切變指數(shù)；代表距離

1 研究背景

海上風況優(yōu)于陸上，對擬開發(fā)海域進行準確的風資源評估，應首先搞清楚該海域的風況情況，了解海上風的變化規(guī)律及特征。根據(jù)海上風資源的特點，在進行風資源評估時需要考慮以下因素的影響：（1）氣溫/水溫對近海風速的影響；（2）潮位變化對風速垂直分布的影響；（3）海上風的代表范圍；（4）海上風廓線的分布規(guī)律。海上氣象要素直接觀測較為困難，很難獲得海域內準確、長期、大范圍的完整實測資料，沿海陸地氣象站所測風速受地面粗糙度、地形地貌熱效應和大氣穩(wěn)定度以及潮汐、波浪和水深分布等因素影響，所測結果與海上風況存在較大差異，因此在沿海地區(qū)風特性研究方面所開展的工作較少，主要是基于單點測風數(shù)據(jù)進行的統(tǒng)計特征分析和沿海地區(qū)風資源宏觀分析［1-2］。隨著海上風電的發(fā)展，近年來海上測風塔的建設數(shù)量逐漸增多，海上風資源特性也逐漸得到了詳細的研究，如海陸風速衰減規(guī)律，周期性海風的形成機理、規(guī)律及范圍，海面粗糙長度與海浪之間的關系，潮汐對海上風速變化的影響，海面熱效應對海上風流穩(wěn)定性的影響等［3-8］，這些研究在宏觀上揭示了沿海地區(qū)風資源的部分特性，但受測點分散且測點布置無規(guī)律的限制，且影響大氣運動的因素很多，不同海域風的特性差別明顯，這些研究得到的結論多數(shù)是以定性為主。海上風資源的空間特性和分布規(guī)律是影響海上風資源評估的重要因素，在目前研究工作中很少涉及，本文根據(jù)響水海域2座海上測風塔和2座灘涂測風塔的實測數(shù)據(jù)，對海上風資源的時間分布特點和空間分布規(guī)律包括垂直分布規(guī)律和水平代表范圍進行了詳細的分析研究，以期為海上風資源評估和海上風電開發(fā)提供有益參考。

2 海上測風數(shù)據(jù)

2.1 測風塔信息為開發(fā)江蘇響水海上風電場，2008年在江蘇響水近海海域建設了2座海上測風塔、水深5～10 m，距離海岸距離3～5 km，塔高70 m，兩座測風塔相距27.6 km，每座測風塔均安裝了兩套測風儀器，并在濱海04測風塔上安裝了海洋觀測設備，同時沿海灘涂上建有5座測風塔，各測風塔的分布位置如圖1所示。

在進行海上風資源時空特性分析時主要參考了2座海上測風塔、2座陸上灘涂測風塔（分別是灘涂01測風塔和5002測風塔）的整一年現(xiàn)場測風數(shù)據(jù)，選取時間段為：2008年7月—2009年6月。

2.2 實測數(shù)據(jù)檢驗按照規(guī)范要求［9］，對開山島02測風塔、濱海04測風塔、灘涂01測風塔和5002測風塔的一年實測數(shù)據(jù)進行驗證，對不合理和缺測的數(shù)據(jù)進行相應的處理。

（1）完整性。對2008年7月—2009年6月一年的數(shù)據(jù)進行完整驗證，完整率如表1所示。

表1 各測風塔測風數(shù)據(jù)完整性

測風塔的測風數(shù)據(jù)經(jīng)補充、修訂后有效完整率達到90%以上。

（2）合理性。結合測風塔實際安裝儀器高度、數(shù)量等，對測風數(shù)據(jù)進行合理性驗證。測風塔的測風數(shù)據(jù)不合理比例基本在10%以內。

（3）數(shù)據(jù)處理。對不合理的數(shù)據(jù)和由于儀器、傳輸?shù)仍蛞鸬臄?shù)據(jù)殘缺進行處理，其原則為：①海上測風塔在同一高度安裝了2套儀器，對比兩套儀器實測數(shù)據(jù)，若同時段數(shù)據(jù)差值在允許范圍之內且驗證有效，則采用同高層測風數(shù)據(jù)進行補充。②同一層高度2套儀器所測數(shù)據(jù)均不合理或缺失時，由相鄰高度的本測風塔測風數(shù)據(jù)根據(jù)風切變指數(shù)進行插值，補充不合理和殘缺的數(shù)據(jù)。③同期本測風塔所有數(shù)據(jù)均不合理或缺失時，建立與本測風塔最近的海上或灘涂測風塔，進行相關性分析后，選取相關性好的測風數(shù)據(jù)進行不合理和殘缺數(shù)據(jù)的補充。

3 近海風資源時空特性

3.1 時間特性

（1）日變化。風的日變化是指在大范圍氣壓梯度不大時，風速在一天內表現(xiàn)出的規(guī)律性變化。在不受大范圍氣象影響時，該海域的風速在每日午后均會出現(xiàn)一定的下降，在傍晚左右風速會逐漸加大，直至第2天的午后，表現(xiàn)為典型的單風谷變化規(guī)律。開山島02測風塔某日的實測風速變化曲線如圖2所示。

表2 各測風塔的測風數(shù)據(jù)合理性驗證

圖2 典型實測風速變化曲線

（2）月變化。對2008年7月—2009年6月一年的數(shù)據(jù)進行整理后，各測風塔70 m的逐月平均風速和風功率密度變化如圖3所示。

從風速年內變化圖可以看出，春冬兩季的平均風速、風功率密度較大，夏秋兩季風速、風功率目的相對較小，年內風速變化可達50%左右，風功率密度變化可達2倍以上。

（3）年際變化。收集了2008—2012年的海上測風塔70 m高度的平均風速，其年際變化如圖4所示。從近5年風速年際變化中可以發(fā)現(xiàn)，2011年為小風年，比正常年份最大可低15%左右。

3.2 空間特性近海風資源空間特性包括垂直分布特性和水平分布特性，在風資源評估和風電場發(fā)電量分析中，風資源的空間特性是其中最主要的影響因素。

圖3 各測風塔70 m高度的逐月平均風速和風功率密度變化

圖4 2008—2012年測風塔的70 m高度的平均風速變化

3.2.1 風切變指數(shù) 海上風速沿著垂直高度方向不同，其分布曲線即是風廓線，通常假設風廓線形式為直線，因此對應直線斜率的風切變指數(shù)直接反映了風速沿高度變化的規(guī)律，分析各測風塔的風切變指數(shù)可反映海上風與陸上風的差異。在實測風資料中，不同高度之間的風切變指數(shù)計算結果可能不一致，采用線性回歸法分析測風塔所在位置的風切變指數(shù)，結果如表3所示。

海上測風塔具有相對較小的風切變指數(shù)，說明海上風資源相對灘涂測風塔沿垂直高度方向變化較慢。根據(jù)海上垂直向風切變指數(shù)（以開山島02測風塔為例）和陸地風資源的經(jīng)驗風切變指數(shù)（1/7≈0.14），分別計算了不同高度的風速理論上與下一層高度風速的變化速率，如表4所示。

從表4中可以看出，陸地80 m高度的平均風速比70 m高度的風速高1.93%，100 m高度比90 m高度的風速高1.52%，同樣的變化比例，相應的海上高度要低得多，對應的高度位置分別為60 m（1.76%）和70 m（1.49%）。目前我國大多數(shù)測風塔所采用的測風儀器的精度為0.1 m/s，而大多數(shù)近海海域的平均風速在7.0 m/s左右，平均誤差大約為1.5%，因此在海上建設超過70 m高度的測風塔時，在不提高測風儀器精度的情況下，其數(shù)據(jù)并不能反映70 m以上的風資源垂直分布規(guī)律，而被掩蓋在儀器的測量誤差中了。

表3 各測風塔位置處的風切變指數(shù)

表4 海上、陸地風資源不同高度的風速變化速率

3.2.2 海上風資源代表距離 由于海上測風塔建設成本高、建設周期長，海上風電開發(fā)的范圍廣，通常10萬kW裝機的風電場需占海域面積50 km2（按1 km×1 km布置2 MW風機計算）。為進行更大范圍的海上風資源評估，海上風資源的代表距離是最主要的影響因素，即需要了解海上風資源的水平代表距離，對海上兩座測風塔的實測風資料進行了相關分析。

（1）風速及風功率密度相關性。兩座海上測風塔70 m高度、10 m高度的風速、風功率密度如表5所示。

表5 海上測風塔10 m高度的風資源情況

將兩座海上測風塔的平均風速和風功率密度進行比較后，各測風塔相應高度的風速、風功率密度相差比率如表6所示。

表6 兩座海上測風塔測風數(shù)據(jù)的對比分析

海上測風塔無論是70 m高度還是10 m高度，年平均風速都是一樣的，而年平均風功率密度最大相差3.33%，其差別很小。從兩座海上測風塔的逐月平均風速比較，70 m高度的最大相差約0.40 m/s，最大相差比率約為5.43%，10 m高度的最大相差約0.33 m/s，最大相差比率約為5.77%，差值絕對值和差值相對比率均比較小。從兩座海上測風塔的逐月平均風功率密度比較，最大相差比率均小于20%，相對比較小。

（2）16個方位角風速的統(tǒng)計分析。根據(jù)2008年7月—2009年6月一年實測數(shù)據(jù)，選取02海上測風塔、04海上測風塔之間70 m高度的16個方位角風速進行相關性分析。風速較大的N向、E向（選取了6個主要風向）的相關性分析結果如圖5所示，其他風向的相關性類似。

從圖5和其他相應的分析中可以看出，兩座海上測風塔之間16扇區(qū)的風速相關性均較好，相關系數(shù)R可達到0.9左右。

圖5 04與02海上測風塔70m高度16風向風速相關圖

（3）代表距離。兩座海上測風塔70 m高度和10 m高度的各月平均風速和風功率密度相差較小，16個方位角風速相關系數(shù)在0.9以上，可以近似認為兩座海上測風塔的測風數(shù)據(jù)具有良好的相關性，即海上測風塔的測風數(shù)據(jù)可較好地代表周圍27.6 km的風資源分布。

4 結論及建議

根據(jù)江蘇響水2座海上測風塔、2座灘涂測風塔一年的實測風資料，對海上風資源的時空特性進行了研究與綜合分析，可為海上風資源評估和海上風電場建設提供參考：（1）4座測風塔實測數(shù)據(jù)完整性好，數(shù)據(jù)合理性滿足規(guī)范要求，進行處理補充后的實測數(shù)據(jù)連續(xù)、合理。（2）海上風切變指數(shù)比陸地風切變指數(shù)小，沿高度方向變化較小。在不提高儀器測量精度的情況下，海上測風塔70 m高度以上的測風數(shù)據(jù)并不能有效地反映其分布規(guī)律。（3）海上風具有較小的湍流強度，一個海上測風塔在海上可代表距離約27.6 km的風資源分布情況。

參 考 文 獻：

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Research of spatio-temporal characteristics of offshore wind resources

FU Ping，QIN Peng-fei，ZHANG Jin-jie
（China Institute of water resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Offshore wind resources is better than in land.It is very difficult to obtain accurate，long-term，large range and complete wind data by measuring directly.The impact of spatio-temporal characteristics of wind resource offshore would be considered when assessing the offshore wind energe resources.In this pa?per，the temporal characteristic，the vertical distribution rule and horizontal range were studied and as?sessed by comparatively analyzing the whole wind data of two offshore anemometer towers and two anemome?ter towers in tidal flat，which can provide reference for the assessment of offshore wind resources and the construction of offshore wind farm.

offshore wind resources；spatio-temporal characteristics；wind shear index；the representative distance

TK81

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.02.007

1672-3031（2014）02-0155-07

（責任編輯：韓 昆）

2013-07-19

中國水利水電科學研究院專項（監(jiān)集1319）

符平（1975-），男，湖南永顧人，博士，高級工程師，主要從事海上風電及基礎技術研究。E-mail：fuping@iwhr.com