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        青海共和盆地風(fēng)能資源形成機(jī)理研究

        2022-02-16 06:38:40劉軍濤
        西北水電 2022年6期
        關(guān)鍵詞:共和青海湖氣象站

        劉軍濤,陳 彬,徐 棟

        (中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710000)

        0 前 言

        青海省位于青藏高原東北部,高海拔、高原氣候以及特殊的局部地形,使得青海省具備豐富的風(fēng)能資源。截止2021年底,青海省電力裝機(jī)達(dá)4 286萬kW,其中,水電裝機(jī)1 263萬kW、光伏裝機(jī)1 656萬kW、太陽能熱發(fā)電裝機(jī)21萬kW、風(fēng)電裝機(jī)953萬kW,清潔能源裝機(jī)占比90.83%,新能源裝機(jī)占比61.36%,持續(xù)保持全國最高。青海省東北部的共和盆地中上部地區(qū)已建、在建風(fēng)電項(xiàng)目總裝機(jī)容量約461.4萬kW,占全省風(fēng)電裝機(jī)的48%。隨著《青海打造國家清潔能源產(chǎn)業(yè)高地行動方案(2021-2030年)》《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》以及國務(wù)院關(guān)于同意《海南藏族自治州建設(shè)國家可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新示范區(qū)的批復(fù)》,海南州這片熱土將再次成為青海省新能源建設(shè)主戰(zhàn)場。

        在開發(fā)海南州共和盆地風(fēng)能資源的過程中,對其風(fēng)的成因的剖析至關(guān)重要,其形成機(jī)理也很復(fù)雜,部分學(xué)者及從業(yè)者開展了相關(guān)研究。方韻等[1]通過研究高原地區(qū)的緯向環(huán)流,發(fā)現(xiàn)由于高原熱力作用,青藏高原上空的緯向環(huán)流有明顯的季節(jié)突變現(xiàn)象。陳宗顏等[2]利用共和盆地茶卡、共和、貴南三站2012—2015年的測風(fēng)資料,分析了盆地風(fēng)向、風(fēng)速的變化特征,研究得出盆地冬春季在蒙古高壓和羌塘高壓的影響下形成西北風(fēng)系,年平均、季節(jié)平均和月平均風(fēng)速都有自盆地西北部向東南部變小的趨勢。針對青藏高原或其東北邊緣的共和盆地,各類研究以氣候氣象變化等方面研究居多,區(qū)域及典型區(qū)域的風(fēng)能資源形成機(jī)制和變化規(guī)律研究較少,特別是大型水體(如青海湖、茶卡鹽湖、龍羊峽水庫等)、特殊地形(昆侖山脈、祁連山脈、狹管地形等)因素對局部風(fēng)能資源的影響的研究還未見到報道。

        為了高質(zhì)量地推進(jìn)青海共和盆地風(fēng)能資源開發(fā),本文主要從風(fēng)能特征、風(fēng)能成因、影響因素等方面,利用共和盆地多座氣象站、測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù),運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算、分析了該地區(qū)年內(nèi)風(fēng)向、風(fēng)速及風(fēng)切變變化規(guī)律,并結(jié)合大氣環(huán)流、海陸熱力差、狹管效應(yīng)及坡度影響,分析該地區(qū)風(fēng)能形成機(jī)理,為共和風(fēng)電基地開發(fā)提供支撐。

        1 共和盆地風(fēng)能特性

        共和盆地位于青海省東北側(cè),青海湖南側(cè),是以共和縣為中心的盆地,西北部為烏蘭縣,南部為貴南縣和興海縣,面積為1.38萬km2。共和盆地地形呈喇叭狀,主要受北側(cè)青海南山和南側(cè)鄂拉山"兩山夾一谷"加速效應(yīng)影響,使得盆地上部風(fēng)速增大;中、下部由于地勢逐漸開闊,氣流膨脹,使得風(fēng)速總體減弱,盛行風(fēng)向也發(fā)生明顯的變化。

        1.1 氣象站資料分析

        從青海共和盆地上中下部3個區(qū)域氣象站數(shù)據(jù)分析來看,茶卡氣象站風(fēng)速最大、共和氣象站次之、貴南氣象站最小。該地區(qū)3—5月風(fēng)速較大,8—10月風(fēng)速較小,即春季風(fēng)大,秋季風(fēng)小。從茶卡至貴南,冬春季盛行風(fēng)向自西(W)向西北(NW)逐漸偏轉(zhuǎn);夏秋季自東東南(ESE)向南東南(SSE)逐漸偏轉(zhuǎn)。各氣象站地理位置示意見圖1,氣象站風(fēng)速、風(fēng)向變化分別見圖2~5。

        圖1 共和盆地各氣象站地理位置分布

        圖2 氣象站近30 a平均風(fēng)速變化

        圖3 氣象站近30 a各月平均風(fēng)速變化

        圖4 各氣象站近30 a風(fēng)向玫瑰圖

        1.2 測風(fēng)塔數(shù)據(jù)分析

        1.2.1風(fēng) 速

        本次基于10座測風(fēng)塔90 m高度風(fēng)速數(shù)據(jù)對共和盆地風(fēng)能變化特征進(jìn)行分析,各塔均訂正至同一水平年,可以視為平風(fēng)年。各測風(fēng)塔位置關(guān)系示意見圖5,年平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)見表1。

        圖5 共和盆地各測風(fēng)塔地理位置

        表1 共和盆地各測風(fēng)塔90 m高度平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表

        通過分析可以看出,盆地內(nèi)部風(fēng)速變化特征表現(xiàn)為:自西北至東南,上部、中部風(fēng)速高于下部,且分別自中部至上部、中部至下部風(fēng)速有減小的變化趨勢;自中部至下部風(fēng)速快速下降,特別是龍羊峽水庫北側(cè)共和縣城區(qū)域風(fēng)速較??;盆地中部、上部區(qū)域的東側(cè)風(fēng)速最大,中間風(fēng)速次之,西側(cè)風(fēng)速最小。

        1.2.2風(fēng) 向

        根據(jù)各測風(fēng)塔數(shù)據(jù)分析,盆地上部主風(fēng)向?yàn)槲魑鞅?WNW);中部受山脊走勢及通道變窄影響,主風(fēng)向略有偏轉(zhuǎn),為西西北(WNW)~西北(NW);下部通道突然拓寬后,風(fēng)向變化復(fù)雜,由北向南風(fēng)向從西西北(WNW)向西北(NW)偏轉(zhuǎn),而龍羊峽水庫東岸區(qū)域主風(fēng)向則為東東北(ENE),共和盆地主風(fēng)向變化見圖6。

        圖6 盆地主風(fēng)向變化

        1.2.3切 變

        風(fēng)切變是指風(fēng)速在垂直于風(fēng)向平面內(nèi)的變化。根據(jù)GB/T 18710-2002《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》[3],通常用于描述風(fēng)速剖面線形狀的冪定律指數(shù)即為風(fēng)切變指數(shù)。各測風(fēng)塔不同高度風(fēng)速隨高度變化的擬合曲線見圖7,可以看出,盆地中部、至下部龍羊峽水庫西岸區(qū)域風(fēng)切變指數(shù)大于盆地上部風(fēng)切變,下部龍羊峽水庫東岸區(qū)域風(fēng)切變指數(shù)最小。

        圖7 各測風(fēng)塔不同高度風(fēng)速隨高度變化的擬合曲線

        2 共和盆地風(fēng)能機(jī)理研究

        2.1 大氣環(huán)流

        大氣環(huán)流形成的原因:一是太陽輻射不均勻;二是大氣受地轉(zhuǎn)偏向力影響發(fā)生偏轉(zhuǎn);三是地球表面海陸分布不均勻;四是大氣內(nèi)部南北之間熱量、動量的相互交換。以上各種因素構(gòu)成了地球大氣環(huán)流的平均狀態(tài)和復(fù)雜多變的形態(tài)。使得大氣在赤道低氣壓區(qū)、副熱帶高氣壓區(qū)、副極地低氣壓區(qū)和極地高氣壓區(qū)之間形成了3個環(huán)流,共和盆地位于北半球副熱帶高氣壓帶與副極地低氣壓帶間的西風(fēng)帶,冬季盛行偏西風(fēng)、夏季盛行偏南風(fēng)。

        2.2.1冬季環(huán)流

        青藏高原對西風(fēng)氣流產(chǎn)生明顯的阻擋作用。冬季,50 kPa等壓面上,中緯度西風(fēng)氣流經(jīng)過青藏高原發(fā)生分支,北支繞過天山以后折向南下,形成強(qiáng)大的新疆高壓脊[4];南支經(jīng)過印巴大陸、過孟加拉灣后折向北,形成寬廣的孟加拉灣低壓槽[5]。

        高原北支西風(fēng)急流南下,部分氣流越過阿爾金山脈到達(dá)柴達(dá)木盆地,形成冷空氣堆積,當(dāng)冷空氣足夠強(qiáng)后越過鄂拉山進(jìn)入共和盆地,受南側(cè)昆侖山脈和北側(cè)祁連山脈的走勢影響,繼續(xù)向西流動;南支西風(fēng)急流雖有部分氣流越過喜馬拉雅山脈進(jìn)入高原,但均表現(xiàn)為弱風(fēng),因此,共和盆地冬季上空盛行偏西風(fēng)。青藏高原50 kPa等壓面冬季環(huán)流示意如圖8所示。

        圖8 青藏高原50 kPa等壓面冬季環(huán)流

        2.1.2夏季環(huán)流

        夏季由于太陽直射點(diǎn)北移,西風(fēng)帶氣流也退至青藏高原以北。50 kPa等壓面上高原以東和以西分別是西太平洋副熱帶高壓西伸脊[6]和伊朗高壓東伸脊[7],高原主體位于副熱帶高壓的斷裂帶中。在高原上空是西風(fēng)氣流和季風(fēng)氣流直接匯合形成的50 kPa切變線[8],其上常有次天氣尺度的50 kPa低渦活動。高原以北低空仍是一連串的反氣旋渦旋,而高原以南為印度季風(fēng)槽和季風(fēng)低壓,在高原背風(fēng)坡的川西地區(qū)西南低渦活動頻繁。青藏高原50 kPa等壓面夏季環(huán)流示意如圖9所示,可以看出共和盆地上空夏季盛行偏南風(fēng)[9]。

        圖9 青藏高原50 kPa等壓面夏季環(huán)流

        2.1.3高原季風(fēng)

        高原季風(fēng)的成因是冬、夏季高原大氣具有相反的熱力作用。冬(夏)季高原上大氣是冷(熱)源,因此在高原近地層為反氣旋(氣旋)式環(huán)流,則高原臨近地區(qū)的大氣環(huán)流就呈現(xiàn)出冬、夏季反向的盛行風(fēng)。青藏高原近地層等壓面冬、夏季環(huán)流示意分別如圖10、11所示。

        圖10 青藏高原近地層等壓面冬季環(huán)流

        圖11 青藏高原近地層等壓面夏季環(huán)流

        2.2 海陸熱力差

        海陸熱力差異是造成季風(fēng)氣候的主要原因,共和盆地位于青海湖南側(cè),約為青海湖總面積的3倍,中間為青海南山,比共和盆地高約600 m,由于比熱容的巨大差異,青海湖和共和盆地之間會形成明顯的海陸熱力差,產(chǎn)生湖陸風(fēng)效應(yīng)。冬季,受青海湖和區(qū)域地勢影響,部分在共和盆地南部堆積的冷高壓,翻過青海南山南側(cè)山脈流向湖面,并在共和盆地南部盛行偏西風(fēng)。夏季,北上氣流經(jīng)過湖面有加速流出的效應(yīng);從黃河河谷進(jìn)入共和盆地的氣流受河谷北側(cè)拉脊山、鄂拉山南側(cè)山脈近東-西走向影響,共和盆地南部夏季盛行偏東風(fēng)。國內(nèi)學(xué)者楊偉[10]、曹漸華[11]做過類似研究,分別對洞庭湖、鄱陽湖等周邊氣象臺站的觀測資料分析,同樣發(fā)現(xiàn)了較為明顯的湖陸風(fēng)效應(yīng)。共和盆地與青海湖位置關(guān)系見圖12,共和盆地與青海湖區(qū)域近地層等壓面冬、夏季環(huán)流示意分別見圖13~14。

        圖12 共和盆地與青海湖位置

        圖13 共和盆地與青海湖區(qū)域近地層等壓面冬季環(huán)流

        3 共和盆地風(fēng)能影響因素

        風(fēng)是由水平氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力和摩擦力共同作用形成,其中摩擦力和水平氣壓梯度力影響風(fēng)力的大小,地轉(zhuǎn)偏向力僅影響風(fēng)的方向。地表下墊面條件(山體、植被、裸地、巖石、水體、建筑等)都會對熱量的分布、能量的損失造成影響,進(jìn)而影響風(fēng)力大小。

        圖14 共和盆地與青海湖區(qū)域近地層等壓面夏季環(huán)流

        3.1 狹管效應(yīng)與窩風(fēng)效應(yīng)

        共和盆地在北側(cè)青海南山、南側(cè)鄂拉山的地形構(gòu)造下,形成西北-東南走向的狹長山谷,且呈現(xiàn)出上窄下寬的喇叭型地形。當(dāng)柴達(dá)木盆地冬季大氣環(huán)流翻越鄂拉山后進(jìn)入盆地,在盆地最北端和鄂拉山背風(fēng)坡一側(cè),由于空氣需要克服地形阻力使得動量損失,流入盆地時風(fēng)速較小,隨著空氣連續(xù)流入,并順著山體走勢往下風(fēng)向流動,經(jīng)過喇叭型地形上端狹窄地形的狹管效應(yīng)[12]加速后(如圖15所示),風(fēng)速會逐漸增大;但是至喇叭型地形出口后,因?yàn)榭諝馀蛎?、氣壓減小,導(dǎo)致風(fēng)速逐漸減弱。

        圖15 共和盆地狹管效應(yīng)

        同樣因?yàn)榈匦螛?gòu)造作用,在共和盆地上部形成如圖16所示的窩風(fēng)區(qū),當(dāng)上游西北風(fēng)流入窩風(fēng)區(qū),受前方較長山體的阻擋,形成堆積,消耗氣流部分動能后,氣壓減小、風(fēng)向也發(fā)生變化,轉(zhuǎn)為西西北風(fēng)或者西風(fēng)流出窩風(fēng)區(qū),且風(fēng)速減小。同理,在夏季,偏南風(fēng)流入共和盆地也會產(chǎn)生類似狹管效應(yīng)或窩風(fēng)效應(yīng)。

        圖16 共和盆地窩風(fēng)效應(yīng)

        3.2 坡度影響

        共和盆地的上、中部總體地勢為中間低、兩側(cè)高的近似“U”型峽谷斷面,且盆地內(nèi)部東側(cè)坡度略大于西側(cè)坡度,其坡度空間分布見圖17。

        圖17 共和盆地坡度分布

        峽谷內(nèi)的風(fēng)速主要受相對谷深H/L(其中H表示谷深,L表示谷寬)、氣流與峽谷走向的夾角θ等因素的影響[13-14]。當(dāng)谷寬L相同,谷深H越大,H/L就會越大,從圖17可以看出,盆地中上部相對谷深大,風(fēng)速大,其中中部更大,盆地下部谷深比小,風(fēng)速小,基本與1.2.1節(jié)結(jié)果相同。

        4 結(jié) 論

        (1)共和地區(qū)地區(qū)風(fēng)能年內(nèi)分布規(guī)律為春季大、秋季小,冬春季盛行風(fēng)向自西(W)向西北(NW)逐漸偏轉(zhuǎn);夏秋季自東東南(ESE)向南東南(SSE)逐漸偏轉(zhuǎn),這一特征主要受大氣環(huán)流和海陸熱力差影響。

        (2)在青海南山、鄂拉山的地形構(gòu)造下,共和盆地形成了西北-東南走向的狹長山谷,與區(qū)域盛行風(fēng)向近似平行,產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”,加速大氣流動。另外,盆地呈現(xiàn)近似“U”型峽谷斷面,中上部相對谷深大,風(fēng)速大;下部谷深比小,風(fēng)速小。

        (3)在特殊的地形構(gòu)造作用下,盆地內(nèi)風(fēng)速變化特征表現(xiàn)為:自西北至東南,上部、中部風(fēng)速高于下部,且分別自中部至上部、中部至下部風(fēng)速有減小的變化趨勢;自中部至下部風(fēng)速快速下降,特別是龍羊峽水庫北側(cè)共和縣城區(qū)域風(fēng)速較??;盆地中部、上部區(qū)域的東側(cè)風(fēng)速最大,中間風(fēng)速次之,西側(cè)風(fēng)速最小。

        (4)由于盆地呈現(xiàn)上窄下寬的喇叭型狹長地形,當(dāng)風(fēng)速流出喇叭口后,因?yàn)榭諝馀蛎洝鈮簻p小,導(dǎo)致風(fēng)速逐漸減弱;而且臨近龍羊峽水庫西岸區(qū)域海拔較低,所以風(fēng)速較小。而東岸的東部區(qū)域地勢較高,風(fēng)能資源較好,具備一定的開發(fā)潛力。

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