李 霄，龍 俐，帥士章

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002;2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

1 引言

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和風電技術(shù)的發(fā)展，貴州風電開發(fā)得到大力發(fā)展。如何準確把握貴州山區(qū)的風能資源狀況，就需要在風能資源可利用區(qū)域設(shè)立測風塔進行現(xiàn)場測風，收集第一手資源對風能資源進行準確評估，貴州風能資源主要集中在1 600 m以上高山臺地及山脊，氣候復雜多變，嚴重影響觀測資料的完整性和真實性，尤以冬季的凝凍天氣影響最大。凝凍是貴州冬季出現(xiàn)的氣溫低于0℃、有過冷卻降水或固體降水而發(fā)生結(jié)冰的一種災害性天氣現(xiàn)象。它的發(fā)生與貴州特定的地理位置、地形地貌和氣候條件等密切有關(guān)。相關(guān)研究表明，貴州是我國凝凍災害出現(xiàn)最多的地區(qū)之一。凝凍天氣出現(xiàn)時會造成測風塔測風儀器出現(xiàn)故障，觀測數(shù)據(jù)不能真實反映區(qū)域風況特征，處理不當可能導致區(qū)域資源狀況錯誤評估和決策，因此對測風數(shù)據(jù)進行嚴格的質(zhì)量控制，剔除無效數(shù)據(jù)，是開展風能資源評估的第一步，也是最重要的環(huán)節(jié)。

2 資料及來源

根據(jù)貴州省山區(qū)測風數(shù)據(jù)的氣象特征，結(jié)合貴州多年風電場風能資源評估工作實踐與相關(guān)國家標準、行業(yè)標準，氣象部門制定了較完善的貴州風能資源評估測風數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法。本文以凝凍最為嚴重的貴州西部兩個擬建風電場實測數(shù)據(jù)為例，對貴州風能資源評估過程中測風數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法進行介紹。

3 質(zhì)量控制方法

風電場評估過程中所使用的測風數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法有著規(guī)范的國家標準和行業(yè)標準，這些方法是全國范圍使用的通用方法，帶有一致性和普遍性。貴州由于其特殊的地理位置、地形地貌和氣候條件，在冬季凝凍期間會對測風數(shù)據(jù)中有著特殊的影響，采用常規(guī)的質(zhì)量控制方法無法將無效數(shù)據(jù)全部檢測出來?！敖┲怠睌?shù)據(jù)判別標準是目前貴州風能資源評估工作中采用的特有的質(zhì)量控制方法，它能對凝凍期間的無效測風數(shù)據(jù)進行較為準確的檢測和判斷，保證測風數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。

3.1 常規(guī)質(zhì)量控制方法

3.1.1 趨勢檢驗 趨勢檢驗是根據(jù)原始測風數(shù)據(jù)各測量參數(shù)連續(xù)變化情況，判斷其變化趨勢是否合理。趨勢檢驗的判別標準見表1。

以貴州某風電開發(fā)企業(yè)測風塔的測風數(shù)據(jù)為例說明數(shù)據(jù)趨勢檢驗判別標準。從圖1可以看出該測風塔在2010年2月4日14時30分—21時20分間的10 min觀測數(shù)據(jù)連續(xù)300 min以上＜0.5 m/s，根據(jù)貴州山區(qū)風的變化特征，可以判定這個時段的風速測量儀器沒有正常工作，造成了長時段測風數(shù)據(jù)不變。該時段數(shù)據(jù)應(yīng)視為不合理數(shù)據(jù)，需將這段時間的數(shù)據(jù)作為無效數(shù)據(jù)處理。

表1 風電場測風數(shù)據(jù)趨勢檢驗判別標準

圖1 貴州某風電開發(fā)企業(yè)測風塔逐10 min測風數(shù)據(jù)

圖2 貴州某風電開發(fā)企業(yè)測風塔逐小時測風數(shù)據(jù)

從圖2可以看出該測風塔在2010年12月15日—17日、12月25日—27日、12月30日—1月1日風速、風向的逐時觀測數(shù)據(jù)連續(xù)超過6 h沒有出現(xiàn)變化。根據(jù)貴州山區(qū)風的變化特征，可以判定這個時段的風速測量儀器沒有正常工作，造成了長時段測風數(shù)據(jù)結(jié)果不變。該時段數(shù)據(jù)應(yīng)視為不合理數(shù)據(jù)，需將這段時間的數(shù)據(jù)作為無效數(shù)據(jù)處理。

圖3 貴州某風電開發(fā)企業(yè)測風塔測風逐10 min濕度氣象觀測數(shù)據(jù)

從圖3可以看出該測風塔2010年2月4日14—15時氣壓小時平均值變化大于1 kPa，氣溫小時平均值變化大于5℃。根據(jù)貴州氣候的變化規(guī)律，可以判定這個時段的溫度、氣壓測量儀器沒有正常工作，造成了測量數(shù)據(jù)結(jié)果出現(xiàn)錯誤。該時段數(shù)據(jù)應(yīng)視為不合理數(shù)據(jù)，需將這段時間的數(shù)據(jù)作為無效數(shù)據(jù)處理。

3.1.2 范圍檢驗 范圍檢驗是即判斷觀測數(shù)據(jù)取值是否在合理范圍之內(nèi)。風速、風向合理取值范圍采用國際標準。范圍檢驗的判別標準見表2。

表2 風電場測風數(shù)據(jù)范圍檢驗判別標準

以貴州某風電開發(fā)企業(yè)測風塔的測風數(shù)據(jù)為例說明數(shù)據(jù)范圍檢驗判別標準。

圖4 貴州某風電開發(fā)企業(yè)測風塔溫度、氣壓、觀測數(shù)據(jù)

從圖4可以看出該測風塔的氣溫、氣壓觀測數(shù)據(jù)超出了正常的溫度、氣壓的觀測范圍。根據(jù)貴州氣候的變化規(guī)律，可以判定這個時段的溫度、氣壓測量儀器沒有正常工作，造成了測量數(shù)據(jù)結(jié)果出現(xiàn)錯誤。該時段數(shù)據(jù)應(yīng)視為不合理數(shù)據(jù)，需將這段時間的數(shù)據(jù)作為無效數(shù)據(jù)處理。

3.1.3 關(guān)系檢驗 關(guān)系檢驗是針對不同高度之間風速或風向關(guān)系的合理性而設(shè)定的，是指檢驗各高度風速值或風向值的差值是否在給定的合理范圍之內(nèi)?？紤]到貴州風電場均為山區(qū)風電場，風速風向變化特征明顯不同于荒漠、平原、海岸線等平緩地形中的風電場。風速常出現(xiàn)負切變，風向變化跳動特征明顯，在國家標準、氣象行業(yè)標準的基礎(chǔ)上，結(jié)合山地風速風向特征制定關(guān)系檢驗判別標準。見表3。

表3 風電場測風數(shù)據(jù)關(guān)系檢驗判別標準

以貴州某風電開發(fā)企業(yè)測風塔的測風數(shù)據(jù)為例說明數(shù)據(jù)關(guān)系檢驗判別標準。

圖5 貴州某風電開發(fā)企業(yè)測風塔10 m、80 m高度逐小時測風數(shù)據(jù)

從圖5可以看出該測風塔2010年2月5日—18日10 m與80 m高度間的小時平均風速差大于8 m/s、小時平均風向差大于45°，根據(jù)貴州山區(qū)風的變化特征以及風速隨高度的變化規(guī)律，可以判定該測風塔80 m高度該時段的風速、風向測量儀器沒有正常工作，造成了測量數(shù)據(jù)結(jié)果出現(xiàn)錯誤。該時段數(shù)據(jù)應(yīng)視為不合理數(shù)據(jù)，需將這段時間的數(shù)據(jù)作為無效數(shù)據(jù)處理。

上述3種常規(guī)質(zhì)量控制方法在實際使用中能夠較好的檢出無效數(shù)據(jù)，但由于貴州冬季凝凍天氣對測風儀器的特殊影響，常規(guī)質(zhì)量控制方法無法將無效數(shù)據(jù)全部檢測出來，因此在貴州風能資源評估中不能僅僅采用常規(guī)質(zhì)量控制方法來進行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，需根據(jù)貴州冬季凝凍天氣的特點采用“僵值”數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法對測風數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制。

3.2 “僵值”數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法

凝凍是貴州是初冬或冬末春初時節(jié)見到的一種災害性天氣，由于貴州相對濕度較高，當環(huán)境溫度≤1.0℃，相對濕度≥80%時極易出現(xiàn)凝凍。當凝凍出現(xiàn)時會將測風儀器逐漸冰凍，直至測風儀器無法正常觀測，并出現(xiàn)“僵值”測風數(shù)據(jù)。

過去在處理“僵值”數(shù)據(jù)時僅將“僵值”數(shù)據(jù)本身進行無效處理，未考慮“僵值”數(shù)據(jù)前后的數(shù)據(jù)也應(yīng)進行相應(yīng)分析。由于凝凍過程是一個逐漸加重和逐漸減輕的過程，因此“僵值”數(shù)據(jù)不僅僅只是趨勢檢驗中判別出來的“僵值”數(shù)據(jù)本身?！敖┲怠睌?shù)據(jù)出現(xiàn)前后的觀測數(shù)據(jù)由于測風儀器受凝凍覆冰的影響，會出現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)偏小的情況，此段數(shù)據(jù)也同樣應(yīng)該作為無效數(shù)據(jù)進行剔除。

根據(jù)貴州冬季凝凍導致風速觀測數(shù)據(jù)長時間出現(xiàn)“僵值”的實況，結(jié)合貴州多年風電場風能分析工作實踐，總結(jié)出來更為精細的、具有地方特色的風速觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制指標和方法:引入氣溫、相對濕度、滑動平均風速做為“僵值”數(shù)據(jù)判別標準。該判別標準具有創(chuàng)新性和重要的應(yīng)用價值?！敖┲怠睌?shù)據(jù)判別標準。

“僵值”數(shù)據(jù)判別標準為:當觀測到的氣溫小時值≤1.0℃、相對濕度小時值≥80%或出現(xiàn)微量降水時，如果出現(xiàn)風速小時數(shù)據(jù)連續(xù)6 h無變化或小于1 m/s，需要對風速小時數(shù)據(jù)向前(后)滑動24 h，前(后)24 h風速－小時風速 ≥1 m/s的第1個小時以后(前)的數(shù)據(jù)為受凝凍影響數(shù)據(jù)，要作為無效數(shù)據(jù)處理。

以貴州某風電開發(fā)企業(yè)測風塔的測風數(shù)據(jù)為例說明“僵值”數(shù)據(jù)判別標準。

圖6 貴州某風電開發(fā)企業(yè)測風塔風速、風向觀測數(shù)據(jù)

從圖6可以看出該測風塔在2011年12月22日21時—12月26日21時風速逐時觀測數(shù)據(jù)連續(xù)超過6 h沒有出現(xiàn)變化，此時段經(jīng)過趨勢檢驗為無效數(shù)據(jù)。但通過“僵值”數(shù)據(jù)檢驗判別標準發(fā)現(xiàn)，該時段及前后部分時段溫度觀測數(shù)據(jù)≤1.0℃、相對濕度觀測數(shù)據(jù)≥80%，風速觀測儀器受凝凍覆冰的影響。其觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏小的情況，前后觀測時段的觀測數(shù)據(jù)也應(yīng)作為無效數(shù)據(jù)處理。根據(jù)“僵值”數(shù)據(jù)判別標準對22日21時前24 h數(shù)據(jù)和26日21時后24 h數(shù)據(jù)進行判斷，可以看出21日09時以后和26日13時之前數(shù)據(jù)均受凝凍影響，未能正確測量真實風況，因此該兩時段數(shù)據(jù)應(yīng)視為不合理數(shù)據(jù)，需將這兩時段的觀測數(shù)據(jù)作為無效數(shù)據(jù)處理。

4 主要結(jié)論及討論

①貴州山區(qū)冬季凝凍是擬建風電場測風塔資料完整率主要影響因素。

②由于貴州山區(qū)冬季凝凍對測風數(shù)據(jù)影響的多變性，常規(guī)質(zhì)量控制方法無法剔除所有無效測風數(shù)據(jù)，質(zhì)量控制方法的使用，是貴州風能資源評估工作的重點和難點。

③經(jīng)實際工作檢驗，“僵值”數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法在貴州山區(qū)較為實用。在“僵值”數(shù)據(jù)判別標準制定出來之前，對“僵值”數(shù)據(jù)的處理主要是依靠手工進行，這就造成了“僵值”數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的不客觀。通過“僵值”數(shù)據(jù)判別標準的制定，將“僵值”數(shù)據(jù)處理方法標準化，避免了人為因素的影響，對風能資源評估使用的測風數(shù)據(jù)的真實性和可靠性提供了保證。

④對“僵值”數(shù)據(jù)的處理需結(jié)合凝凍天氣程度及測風數(shù)據(jù)的實際情況進行確定，“僵值”數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法還需在更多風電場資源評估，以及風電場運營中進一步檢驗和完善。

［1］GB/T 18710－2002.風電場風能資源評估方法［S］.北京:國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.

［2］GB/T 18709－2002.風電場風能資源測量方法［S］.北京:國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.

［3］QX/T74－2007.風電場氣象觀測及資料審核、訂正技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國氣象局.

［4］中國氣象局.中國風能資源評估報告［M］.北京:氣象出版社，2006.

［5］張家誠，林之光.中國氣候［M］.上海:上?？茖W技術(shù)出版社，1985.

［6］朱勇，王學鋒，范立張.云南省風能資源及其開發(fā)利用［M］.北京:氣象出版社，2013.