李曉明 陳玲 張閃林

摘要：風(fēng)資源評估需要一套反映風(fēng)場長期水平的測風(fēng)數(shù)據(jù)。以湖北某山區(qū)風(fēng)電場為例，分別利用當(dāng)?shù)貧庀笳緮?shù)據(jù)和MERRA數(shù)據(jù)，采用分風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)關(guān)系法和分時(shí)段同倍比放大法，對風(fēng)電場內(nèi)實(shí)測滿一年的數(shù)據(jù)進(jìn)行代表年訂正。研究表明，MERRA數(shù)據(jù)可以滿足作為參證氣象站的要求。與當(dāng)?shù)貧庀笳鞠啾?，MERRA數(shù)據(jù)格點(diǎn)的下墊面與風(fēng)電場地形地貌更為相似，時(shí)間序列相關(guān)性更高，觀測數(shù)據(jù)更為真實(shí)可靠。在對缺少氣象站資料的風(fēng)電場進(jìn)行測風(fēng)數(shù)據(jù)代表年訂正時(shí)，此方法可以作為參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)資源評估;相關(guān)性分析;同倍比放大;代表年訂正

中圖分類號：TM624 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）16-0051-04

1引言

風(fēng)能資源的準(zhǔn)確評估是風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)的先決條件。風(fēng)資源情況能決定風(fēng)場的發(fā)電量以及項(xiàng)目的收益。風(fēng)資源評估一般需要先收集風(fēng)場內(nèi)實(shí)測至少滿一年的觀測數(shù)據(jù)，對其中無效數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)后，再結(jié)合附近具有代表性的長期參證氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，最終處理得到一套能代表風(fēng)場所在區(qū)域長期平均水平的數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)資源分析。作為參證氣象站需要具備以下條件：①距離風(fēng)場較近;②有30年及以上可靠的觀測數(shù)據(jù);③同期時(shí)間序列相關(guān)性較好;④下墊面條件類似。

受場地條件限制，風(fēng)電場一般都位于距離城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)的地區(qū)，而氣象站大多位于市區(qū)或者近郊，兩者之間距離較遠(yuǎn)，下墊面環(huán)境等也有一定程度的差異，導(dǎo)致風(fēng)場實(shí)測數(shù)據(jù)與氣象站長期觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)性普遍不高，利用氣象站數(shù)據(jù)對測風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行長期訂正也存在一定的不確定性。

本文以湖北某山地風(fēng)電場為例，分別利用MERRA數(shù)據(jù)及氣象站觀測數(shù)據(jù)對測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析及代表年訂正，并對結(jié)果進(jìn)行了分析，論證采用MERRA數(shù)據(jù)作為參證氣象數(shù)據(jù)的可行性，為今后風(fēng)資源評估提供參考。

2MERRA數(shù)據(jù)介紹

MERRA（The Modern Era Retrospective-analysisfor Research and Applications）數(shù)據(jù)是由美國國家航空航天局戈達(dá)德航天飛行中心（Goddard Space FlightCenter）下屬的全球建模和同化辦公室（Global Model-ing and Assimilation Office）制作并發(fā)布的再分析氣象資料，具有參考格點(diǎn)數(shù)量多和包含氣象要素多的特點(diǎn)。MERRA數(shù)據(jù)從1979年開始記錄，覆蓋全球陸地及離岸50km內(nèi)的區(qū)域，水平方向分辨率為1/2維度×2/3經(jīng)度，時(shí)間分辨率為1h，垂直方向可分為72層，向上可延伸至0.01hPa。

3資料與計(jì)算方法

例證風(fēng)電場位于湖北省廣水市境內(nèi)野人崗山上，風(fēng)電場長8km，寬3km，海拔高度170m～480m，山脊較為連續(xù)，規(guī)劃裝機(jī)容量62MW。

3.1測風(fēng)塔概況

例證風(fēng)電場內(nèi)設(shè)有80m/90m高度測風(fēng)塔各一座，對風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓和溫度等參數(shù)進(jìn)行觀測。兩塔觀測均已滿一年，記錄數(shù)據(jù)為10min的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值及最小值等。兩測風(fēng)塔基本情況見表1。

3.2參證氣象站概況

距離例證風(fēng)電場最近的國家氣象站為廣水氣象站，可作為本風(fēng)場的常規(guī)參證氣象站。場址附近MERRA數(shù)據(jù)格點(diǎn)的地理坐標(biāo)為東經(jīng)114°，北緯32°，可將該格點(diǎn)視作一個(gè)具有長期MERRA觀測數(shù)據(jù)的“氣象站”，作為本風(fēng)場的特殊參證氣象站。兩站的基本情況及地理位置示意圖見表2、圖1。

由以上圖表可見，廣水氣象站位于城區(qū)附近，與測風(fēng)塔周邊環(huán)境差異較大，城鎮(zhèn)建筑物可能會對觀測環(huán)境造成一定影響，給測量結(jié)果帶來誤差;MERRA格點(diǎn)的地理位置雖然距離測風(fēng)塔相對較遠(yuǎn)，但與測風(fēng)塔的海拔高差較小，地表下墊面也與風(fēng)場區(qū)域較為相似。

廣水氣象站和MERRA數(shù)據(jù)長年代統(tǒng)計(jì)直方圖見圖2。

由圖2可知，廣水氣象站數(shù)據(jù)近23年（1993～2015年）來，2000年平均風(fēng)速最大，為2.45m/s，2015年平均風(fēng)速最小，為1.35m/s。近23年的多年平均風(fēng)速為2.02m/s，測風(fēng)塔測風(fēng)年（2014.1l～2015.10）的平均風(fēng)速為1.35m/s，測風(fēng)年為小風(fēng)年。

MERRA數(shù)據(jù)近30年（1986～2015年）來，2013年平均風(fēng)速最大，為4.953m/s，2014年平均風(fēng)速最小，為4.332m/s。近30年的多年平均風(fēng)速為4.571m/s，測風(fēng)塔測風(fēng)年（2014.11～2015.10）的平均風(fēng)速為4.350m/s，測風(fēng)年為小風(fēng)年。

3.3訂正方法介紹

3.3.1分風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)關(guān)系法

將測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)訂正為代表年參數(shù)的方法如下。

（1）相關(guān)性分析。每22.5°為一個(gè)風(fēng)向扇區(qū)，分扇區(qū)對測風(fēng)塔和參證氣象站風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析，共得到16個(gè)分扇區(qū)一階線性相關(guān)方程。

（2）求出訂正量。按各風(fēng)向扇區(qū)，將參證氣象站多年的年平均風(fēng)速與測風(fēng)塔同期觀測的年平均風(fēng)速分別帶入線性方程，然后在縱坐標(biāo)軸上找到對應(yīng)的實(shí)測數(shù)據(jù)的兩個(gè)風(fēng)速值，并求這兩個(gè)值的差值，即各個(gè)扇區(qū)的風(fēng)速訂正量。

（3）訂正實(shí)測數(shù)據(jù)。將各個(gè)扇區(qū)測風(fēng)數(shù)據(jù)均加上對應(yīng)的風(fēng)速訂正量，即可獲得訂正后的代表年參數(shù)。

也有不分風(fēng)向扇區(qū)直接進(jìn)行相關(guān)性分析及代表年訂正的方法，一般稱之為全扇區(qū)法。

3.3.2分時(shí)段同倍比放大法

該方法借鑒了水文學(xué)中設(shè)計(jì)洪水過程線的計(jì)算方法。將其應(yīng)用于風(fēng)速代表年訂正中，步驟如下。

（1）求平均風(fēng)速。求參證氣象站多年月平均風(fēng)速，及與測風(fēng)塔同期月平均風(fēng)速。

（2）確定放大倍比。計(jì)算①所得月平均風(fēng)速的比值，確定觀測年各月風(fēng)速所需放大倍比（共12個(gè)）。

（3）訂正測風(fēng)數(shù)據(jù)。對測風(fēng)數(shù)據(jù)按每月分時(shí)段同倍比放大（縮小），即可計(jì)算得訂正后的代表年測風(fēng)數(shù)據(jù)。

4訂正計(jì)算

4.1相關(guān)性分析

對廣水氣象站和MERRA數(shù)據(jù)與測風(fēng)塔最高高度的逐時(shí)刻測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分扇區(qū)相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。各參證氣象站與測風(fēng)塔風(fēng)速序列的相關(guān)性均一般，各扇區(qū)的相關(guān)系數(shù)均低于0.8，全扇區(qū)的相關(guān)系數(shù)也均低于0.7。這是由于山地風(fēng)場的地形較為復(fù)雜，海拔高差較大，下墊面影響因素較多，造成風(fēng)能資源分布極為不均，不同地點(diǎn)間的風(fēng)速相關(guān)性也普遍較弱。

從分扇區(qū)和全扇區(qū)相關(guān)性結(jié)果來看，MERRA數(shù)據(jù)與測風(fēng)塔風(fēng)速序列的相關(guān)性較好（0.63～0.67），廣水氣象站的相關(guān)性較差（0.46～0.48）。這是由于MERRA數(shù)據(jù)格點(diǎn)與測風(fēng)塔處的地表下墊面較為相近，海拔高差相對較小，二者均位于山區(qū)，局地小氣候相似，風(fēng)速逐時(shí)刻相關(guān)性也較好。

4.2分時(shí)段倍比關(guān)系分析

將廣水氣象站和MERRA氣象數(shù)據(jù)與測風(fēng)塔同期的月平均風(fēng)速序列進(jìn)行倍比分析，由圖2看出，各參證氣象站測風(fēng)年與長年代月風(fēng)速變化趨勢基本一致，說明長年代年內(nèi)風(fēng)速變化較為規(guī)律。廣水氣象站測風(fēng)年內(nèi)各月風(fēng)速均明顯小于長年代月平均風(fēng)速;MERRA數(shù)據(jù)測風(fēng)年除8月、12月外，其他月份也均略小于長年代風(fēng)速。各月風(fēng)速倍比關(guān)系見表4。

確定長年代與測風(fēng)年的各月倍比關(guān)系后，將測風(fēng)數(shù)據(jù)分時(shí)段進(jìn)行同倍比放大，再按時(shí)間進(jìn)行排序，即可得到訂正后的代表年測風(fēng)數(shù)據(jù)。

5訂正結(jié)果及分析

5.1分風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)關(guān)系法

綜合考慮各分扇區(qū)相關(guān)性及全扇區(qū)相關(guān)性大小，廣水氣象站采用全扇區(qū)相關(guān)方程（1個(gè)）對測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行代表年訂正，MERRA數(shù)據(jù)采用分扇區(qū)相關(guān)方程（16個(gè)）對測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行代表年訂正。

5.2分時(shí)段同倍比放大法

參考水文中由典型洪水過程線推算設(shè)計(jì)洪水過程線的方法，將測風(fēng)數(shù)據(jù)按照參證氣象站長年代風(fēng)速與測風(fēng)年的倍比進(jìn)行放大，推求測風(fēng)塔處長年代風(fēng)速水平。

訂正結(jié)果見表5。

由表5可知，采用分風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)關(guān)系法，利用廣水氣象站訂正時(shí)，兩測風(fēng)塔代表年比測風(fēng)年平均風(fēng)速分別增大0.38m/s、0.36m/s，利用MERRA數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正時(shí)，兩測風(fēng)塔分別增大0.19m/s、0.17m/s;采用分時(shí)段同倍比放大法時(shí)，利用廣水氣象站訂正的代表年風(fēng)速比測風(fēng)年增大3.01m/s、2.85m/s，利用MERRA數(shù)據(jù)訂正的風(fēng)速偏大0.30m/s·0.28m/s。

兩種方法訂正時(shí)，利用廣水氣象站作為參證站均比利用MERRA數(shù)據(jù)增幅更大。采用分風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)關(guān)系法時(shí)，利用廣水氣象站約是利用MERRA數(shù)據(jù)增幅的2倍;采用分時(shí)段同倍比放大法時(shí)，利用廣水氣象站約是利用MERRA數(shù)據(jù)增幅的10倍。兩種方法將廣水氣象站作為參證站時(shí)代表年訂正均明顯偏大，原因是隨著城鎮(zhèn)化的進(jìn)行，受周邊高樓的遮擋，以及測量儀器的變更等影響，氣象站歷年實(shí)測風(fēng)速呈不斷減小趨勢。此時(shí)若將廣水氣象站數(shù)據(jù)作為參證長年代序列，將會對代表年水平嚴(yán)重高估。采用MERRA數(shù)據(jù)作為參證氣象站時(shí)，MERRA數(shù)據(jù)和測風(fēng)塔風(fēng)速序列的相關(guān)性要顯著優(yōu)于氣象站數(shù)據(jù)，兩種方法訂正值均較為合理，偏保守起見，本文優(yōu)先推薦利用MERRA數(shù)據(jù)，采用分風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)關(guān)系法訂正結(jié)果為風(fēng)場代表年水平。

6結(jié)論

以湖北某山地風(fēng)電場為例，采用當(dāng)?shù)貧庀笳炯癕ERRA數(shù)據(jù)對測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了代表年訂正，得出主要結(jié)論如下。

（1）采用MERRA數(shù)據(jù)對測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行代表年訂正的結(jié)果合理可信，在缺少合適參證氣象站時(shí)可采用此方法。

（2）氣象站一般位于城郊附近，山區(qū)分布較為稀疏，且觀測環(huán)境受城鎮(zhèn)化影響會有所破壞，導(dǎo)致觀測結(jié)果部分失真，記錄數(shù)據(jù)與山區(qū)風(fēng)電場的測風(fēng)塔數(shù)據(jù)相關(guān)性較差;MERRA數(shù)據(jù)的覆蓋范圍廣、記錄年份長、擁有高精度的時(shí)間及空間分辨率，可選取地理位置與風(fēng)電場接近、地表下墊面與風(fēng)電場相似的參考數(shù)據(jù)格點(diǎn)，所以MERRA數(shù)據(jù)和場內(nèi)測風(fēng)塔風(fēng)速序列的相關(guān)性相對較好。