文 | 張秀芝，齊浩

根據(jù)各省發(fā)展改革委制定的“十三五”海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)規(guī)劃，到2020年全國(guó)海上并網(wǎng)發(fā)電550萬(wàn)千瓦，開(kāi)工建設(shè)1000萬(wàn)千瓦，海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)進(jìn)入了快速發(fā)展期，并且趨向遠(yuǎn)海和風(fēng)電機(jī)組超大型化，海上風(fēng)能資源和設(shè)計(jì)風(fēng)速分布也就成為大家關(guān)注的重點(diǎn)。我國(guó)從渤海到南海南北橫跨44個(gè)緯度，由于影響各海域的天氣系統(tǒng)差別很大，使得各海域平均風(fēng)況和極端風(fēng)況分布差異明顯。

海上風(fēng)能資源氣候區(qū)劃

以往海面風(fēng)的分析一般依賴于長(zhǎng)年代的船舶氣象觀測(cè)和島嶼站觀測(cè)資料，自20世紀(jì)80年代末有衛(wèi)星觀測(cè)以來(lái)，由于具有空間覆蓋面廣、時(shí)間連續(xù)等優(yōu)勢(shì)，在過(guò)去的10年里衛(wèi)星遙感資料被廣泛應(yīng)用于海面風(fēng)的研究中。

一、衛(wèi)星遙感資料分析風(fēng)速分布

使用歐空局（ESA）GlobWave項(xiàng)目下法國(guó)海洋開(kāi)發(fā)所對(duì)ERS1&2、TOPEX-Poseidon、GEOSAT Follow-ON（GFO）、 Jason-1、 Jason-2、ENVISAT、Cryosat和SARAL等9個(gè)衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)獲得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和校準(zhǔn)、修正，形成了1991—2015年23年均勻一致的數(shù)據(jù)集。由于高度計(jì)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的浮標(biāo)數(shù)據(jù)分別來(lái)自歐洲浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)、美國(guó)資料浮標(biāo)中心和加拿大海洋環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，因此在中國(guó)近海使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)之前必須經(jīng)過(guò)與浮標(biāo)觀測(cè)資料的對(duì)比分析。使用2008—2015年中國(guó)近海28個(gè)浮標(biāo)實(shí)測(cè)風(fēng)速與衛(wèi)星同步觀測(cè)風(fēng)速對(duì)比分析結(jié)果表明，聯(lián)合校準(zhǔn)的衛(wèi)星海面風(fēng)速與浮標(biāo)風(fēng)速相關(guān)性很好，風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差在0.5～0.9m/s之間，具有很好的適應(yīng)性。將多元衛(wèi)星高度計(jì)聯(lián)合校準(zhǔn)的沿軌海面風(fēng)數(shù)據(jù)處理為0.5°×0.5°網(wǎng)格點(diǎn)日平均風(fēng)速（海面10米高度），在此基礎(chǔ)上計(jì)算年平均風(fēng)速。

二、船舶氣象觀測(cè)分析風(fēng)速分布

船舶氣象觀測(cè)是海上很重要的資料來(lái)源?？紤]到船舶在航行中定時(shí)觀測(cè)，非航線海域觀測(cè)樣本較少，為保證其分析的可靠性，使用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局整理的1961—2015年船舶觀測(cè)數(shù)據(jù)集，分析中國(guó)近海網(wǎng)格點(diǎn)年平均風(fēng)速（海面20米高度）。

三、衛(wèi)星與船舶觀測(cè)年平均風(fēng)速融合

衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)空分布連續(xù)、水平分辨率高，但時(shí)間短；船舶觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，但空間分布不均。為了最大限度地利用各種觀測(cè)結(jié)果，分析衛(wèi)星與船舶觀測(cè)的年平均風(fēng)速差百分率，建立修正公式，在此基礎(chǔ)上得到中國(guó)近海綜合年平均風(fēng)速（海面10米高度）分布圖。

四、中國(guó)近海風(fēng)能資源區(qū)劃

依據(jù)IEC 61400-03 Design requirements for offshore wind turbines、IEC 61400-1Wind Turbines定義的風(fēng)能資源等級(jí)，繪制中國(guó)近海10米高度6個(gè)等級(jí)的風(fēng)能資源區(qū)劃圖（見(jiàn)圖1），由圖1可見(jiàn)臺(tái)灣海峽風(fēng)能資源最好，向南和北延伸略差，北部灣風(fēng)能資源最差。

圖1 海上風(fēng)能資源區(qū)劃圖

風(fēng)電機(jī)組安全等級(jí)區(qū)劃

在中國(guó)近海，引發(fā)大風(fēng)的天氣系統(tǒng)，杭州灣以南以臺(tái)風(fēng)為主，以北主要為強(qiáng)寒潮、強(qiáng)對(duì)流天氣和臺(tái)風(fēng)。由于海上大風(fēng)觀測(cè)資料匱乏，因此采取了多種手段計(jì)算建立50年一遇的大風(fēng)樣本序列。

一、臺(tái)風(fēng)風(fēng)電場(chǎng)計(jì)算

臺(tái)風(fēng)影響期間船舶避風(fēng)進(jìn)港，海面大風(fēng)觀測(cè)資料極其缺乏，因此需要借助臺(tái)風(fēng)風(fēng)電場(chǎng)數(shù)值模型計(jì)算。研究表明，臺(tái)風(fēng)在廣闊的大洋上大風(fēng)分布接近于圓對(duì)稱，但在靠近陸地的過(guò)程中大風(fēng)分布表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性。日本、美國(guó)、中國(guó)很多學(xué)者致力于臺(tái)風(fēng)風(fēng)電場(chǎng)非對(duì)稱模型研究，這里使用胡邦輝建立的適用于大批量臺(tái)風(fēng)個(gè)例計(jì)算的非對(duì)稱臺(tái)風(fēng)風(fēng)電場(chǎng)數(shù)值模型，計(jì)算了1961—2007年每個(gè)進(jìn)入中國(guó)近海風(fēng)電場(chǎng)的臺(tái)風(fēng)大風(fēng)，獲得每個(gè)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)海域0.5°網(wǎng)格點(diǎn)上的最大風(fēng)速。

二、杭州灣以南50年一遇最大風(fēng)速計(jì)算

研究表明，杭州灣以南年最大風(fēng)速基本由臺(tái)風(fēng)造成，所以杭州灣以南50年一遇最大風(fēng)速計(jì)算使用臺(tái)風(fēng)風(fēng)電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果。由于每年進(jìn)入中國(guó)近海的臺(tái)風(fēng)次數(shù)、強(qiáng)度和路徑都不相同，因此每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)有的年份可能會(huì)有多個(gè)臺(tái)風(fēng)造成的大風(fēng)，有的年份可能沒(méi)有，這樣的大風(fēng)序列適合使用Poisson-Gumbel 聯(lián)合極值方法。求得杭州灣以南0.5°網(wǎng)格點(diǎn)50年一遇最大風(fēng)速分布圖（見(jiàn)圖2）。

圖2 臺(tái)風(fēng)風(fēng)電場(chǎng)數(shù)值模型計(jì)算風(fēng)速得到的50年一遇最大風(fēng)速分布圖

三、杭州灣以北50年一遇最大風(fēng)速計(jì)算

影響杭州灣以北的大風(fēng)天氣系統(tǒng)主要為寒潮、強(qiáng)對(duì)流和臺(tái)風(fēng)。目前大型商船抗風(fēng)能力都比較強(qiáng)，對(duì)于寒潮、強(qiáng)對(duì)流天氣一般可以正常航行并觀測(cè)。法國(guó)多元衛(wèi)星高度計(jì)聯(lián)合校準(zhǔn)的海面風(fēng)數(shù)據(jù)集認(rèn)為大于25m/s的風(fēng)速可疑，但保留了樣本并做了標(biāo)記，這樣我們?cè)谔暨x大風(fēng)樣本時(shí)逐個(gè)進(jìn)行判斷確定取舍。分別對(duì)島嶼站觀測(cè)資料、船舶觀測(cè)資料、衛(wèi)星觀測(cè)資料和臺(tái)風(fēng)風(fēng)電場(chǎng)數(shù)值模型計(jì)算的杭州灣以北的臺(tái)風(fēng)大風(fēng)中挑取網(wǎng)格點(diǎn)大風(fēng)數(shù)據(jù)，由各種數(shù)據(jù)中選取最大值組成大風(fēng)序列，利用Poisson-Gumbel 聯(lián)合極值分布計(jì)算杭州灣以北0.5°網(wǎng)格點(diǎn)50年一遇最大風(fēng)速。

四、風(fēng)電機(jī)組安全等級(jí)區(qū)劃

將計(jì)算所得的杭州灣南北的50年一遇最大風(fēng)速合并，依據(jù)IEC 61400-1Wind Turbines定義的風(fēng)電機(jī)組安全等級(jí)，將中國(guó)近海分為5類，可以看到浙南至閩北、粵東、海南島東部近海風(fēng)速最大（見(jiàn)圖3），這是因?yàn)檫@些海域強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)較多；臺(tái)灣海峽比上述三個(gè)海域50年一遇最大風(fēng)速小，主要是影響臺(tái)灣海峽的臺(tái)風(fēng)在穿過(guò)臺(tái)灣島的過(guò)程中損失了大量的能量，比直接登陸浙閩交界處和粵東的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度弱。

圖3 風(fēng)電機(jī)組安全等級(jí)區(qū)劃圖

攝影：景秀勤

綜合近海風(fēng)能資源區(qū)劃和風(fēng)電機(jī)組安全等級(jí)區(qū)劃，可以看到臺(tái)灣海峽風(fēng)能資源最好，但50年一遇最大風(fēng)速為IECⅠ類，是最佳的海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)海域。長(zhǎng)江口以北和北部灣中西部風(fēng)能資源一般，但50年一遇最大風(fēng)速相對(duì)較低，具有開(kāi)發(fā)價(jià)值。浙南至閩北、粵東、海南島東部近海風(fēng)能資源較好，但50年一遇風(fēng)速會(huì)超IECⅠ類，主要是強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響較頻繁，目前臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組尚處于研發(fā)和試驗(yàn)階段，建議對(duì)這些海域的風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)要慎重。

根據(jù)風(fēng)能資源區(qū)劃和風(fēng)電機(jī)組安全等級(jí)區(qū)劃，各級(jí)政府和設(shè)計(jì)院可以制定不同水深、不同離岸距離海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)規(guī)劃，發(fā)電企業(yè)可制定海上風(fēng)電場(chǎng)布局，風(fēng)電機(jī)組和大部件制造企業(yè)可根據(jù)自身的優(yōu)勢(shì)確定機(jī)組研發(fā)戰(zhàn)略。