朱良山，劉士名

（國華能源投資有限公司，北京 100007）

0 前言

風(fēng)資源評(píng)估通常根據(jù)測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)，采用CFD 流場模擬結(jié)果進(jìn)行外推的技術(shù)手段以獲得項(xiàng)目區(qū)域范圍內(nèi)的風(fēng)資源分布情況。但是測風(fēng)塔數(shù)據(jù)在外推過程中的不確定性會(huì)隨著與目標(biāo)位置的距離增加而提高。即便在復(fù)雜度較低的平坦地形環(huán)境，當(dāng)距離超過十公里后，外推帶來的不確定度也會(huì)顯著增加。近年來，風(fēng)電行業(yè)逐步采用中微尺度耦合計(jì)算方法，降低測風(fēng)塔不確定性影響，提高風(fēng)資源評(píng)估精度[1-3]。

與測風(fēng)塔數(shù)據(jù)或激光雷達(dá)數(shù)據(jù)此類單點(diǎn)數(shù)據(jù)不同，中尺度數(shù)據(jù)代表的是一個(gè)區(qū)域內(nèi)風(fēng)流數(shù)據(jù)的平均水平，因此在使用其外推前需要首先對(duì)其進(jìn)行降尺度計(jì)算，也就是把大尺度、公里級(jí)別分辨率的數(shù)據(jù)基于CFD 流場模擬結(jié)果轉(zhuǎn)化為符合微觀選址階段的更細(xì)致分辨率數(shù)據(jù)的過程[4-6]。中尺度降尺度計(jì)算可以采用不同的參數(shù)化方案配置，例如使用不同的中尺度數(shù)據(jù)源、不同的中尺度數(shù)據(jù)高度或不同的CFD 模擬的大氣穩(wěn)定度。工程中為了使最終外推得到的風(fēng)資源分布盡量準(zhǔn)確，就需要在中尺度降尺度階段基于項(xiàng)目現(xiàn)場有限的實(shí)測數(shù)據(jù)選擇出最優(yōu)的參數(shù)化方案配置。

本文中將介紹針對(duì)山東冠縣區(qū)域，基于該縣核心區(qū)域外五座測風(fēng)塔確定該區(qū)域最優(yōu)中尺度降尺度方案的過程。同時(shí)本文還將應(yīng)用獲得的方案將中尺度數(shù)據(jù)降尺度后進(jìn)一步外推至該縣核心區(qū)域內(nèi)的兩座測風(fēng)塔位置，通過與實(shí)測數(shù)據(jù)的核對(duì)，驗(yàn)證所獲得方案的有效性。

1 中尺度數(shù)據(jù)獲取及CFD流場模擬

1.1 中尺度數(shù)據(jù)獲取

中尺度大氣模式是小于天氣尺度，大于單個(gè)積云尺度的天氣系統(tǒng)研究，水平尺度一般約2～2000 km。通常根據(jù)研究需要的不同而采取不同的尺度[7]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了相對(duì)獨(dú)立的氣象模式，如NCAR、NCEP、FSL、AFWA、OU 和WRF 模式。

中尺度大氣模式計(jì)算數(shù)據(jù)來源包括氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、地面氣象站觀測數(shù)據(jù)和測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)，通過中尺度大氣模式求解器對(duì)各渠道來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行同化和再分析，得到研究區(qū)域的中尺度氣象數(shù)據(jù)。目前主流的中尺度再分析結(jié)果水平分辨率在15 km 左右，對(duì)省市范圍尺度內(nèi)的風(fēng)電場宏觀選址已經(jīng)具備有一定程度的指導(dǎo)意義，而對(duì)于微觀選址階段風(fēng)資源評(píng)估，則需要降低中尺度分辨率在3 km 以下，以保證計(jì)算結(jié)果的可靠性。

中尺度大氣模式計(jì)算模型基于連續(xù)方程、熱力學(xué)方程、水汽方程、狀態(tài)方程和3 個(gè)運(yùn)動(dòng)方程所構(gòu)成的方程組，可以綜合考慮速度沿x，y，z三個(gè)方向的分量u、v、w和溫度、氣壓、空氣密度以及比濕7 個(gè)變量的影響。方程組中的粘性力，非絕熱加熱量和水汽量，作為時(shí)間、空間和這7 個(gè)變量的函數(shù)處理。

本研究中對(duì)于中尺度數(shù)據(jù)的獲取采用了法國美迪中尺度模擬技術(shù)，分別采用FNL 或ERA5 數(shù)據(jù)作為入口模式計(jì)算數(shù)據(jù)來源進(jìn)行模擬。該中尺度數(shù)據(jù)模擬中使用的物理參數(shù)化方案如表1 所示。

表1 中尺度模擬物理化參數(shù)

1.2 CFD流場模擬

CFD 技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)根據(jù)流體力學(xué)的規(guī)律進(jìn)行模擬求解，將風(fēng)電場的流場分解為小的立方體空間（即網(wǎng)格），并在其中求解復(fù)雜的偏微分方程組。風(fēng)場內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)可以通過Navier-Stokes 流體運(yùn)動(dòng)方程與連續(xù)方程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。目前風(fēng)電行業(yè)內(nèi)工程應(yīng)用領(lǐng)域由于計(jì)算時(shí)間以及計(jì)算資源的限制，通常求解的是Navier-Stokes 流體運(yùn)動(dòng)方程雷諾平均形式，即RANS 方程，其認(rèn)為在平均運(yùn)動(dòng)中湍流脈動(dòng)量的影響即雷諾應(yīng)力是未知的也并不會(huì)對(duì)其進(jìn)行直接求解，而是通過建立湍流模型替代。

當(dāng)前對(duì)于CFD 流場模擬已經(jīng)有較為成熟的工業(yè)化軟件，本研究中對(duì)于山東冠縣區(qū)域的CFD 模擬則使用了法國美迪Meteodyn WT 軟件6.5.0 版本實(shí)現(xiàn)了不同來風(fēng)方向下的流場模擬計(jì)算，獲取了模擬區(qū)域各位置的風(fēng)加速因數(shù)、湍流強(qiáng)度、入流角、風(fēng)切變等風(fēng)流信息。

本次研究中的最優(yōu)中尺度降尺度方案選取所使用的5 座核心區(qū)域外測風(fēng)塔位于山東冠縣周邊。另外兩座用于驗(yàn)證所選擇方案有效性的測風(fēng)塔則位于山東冠縣核心區(qū)域內(nèi)。7 座測風(fēng)塔詳細(xì)信息如表2 所示。

表2 冠縣區(qū)域測風(fēng)塔信息

山東冠縣處于魯西北黃泛平原，區(qū)域地形較為平坦，地貌特征也較為單一。由于冠縣周邊用于中尺度降尺度方案選擇的五座測風(fēng)塔分布較為分散，本研究中將分別以每個(gè)測風(fēng)塔為模擬計(jì)算區(qū)域中心點(diǎn)進(jìn)行建模并進(jìn)行16 個(gè)來風(fēng)方向下的CFD 計(jì)算。

采用Meteodyn WT 軟件進(jìn)行CFD 計(jì)算的基本信息如下。

1）來風(fēng)方向間隔22.5°。

2）網(wǎng)格分辨率：水平方向25 m，垂直方向4 m。

3）一個(gè)方向模擬的網(wǎng)格數(shù)量：360 萬至700 萬。

4）大氣穩(wěn)定度等級(jí)：每個(gè)來風(fēng)方向共10個(gè)不同的大氣穩(wěn)定度等級(jí)，編號(hào)為0～9，數(shù)值越大越穩(wěn)定，數(shù)值越小越不穩(wěn)定，2 對(duì)應(yīng)中性大氣穩(wěn)定度，各等級(jí)大氣穩(wěn)定度劃分對(duì)應(yīng)的Monin-Obukhov 長度如表3 所示[8]。

表3 大氣穩(wěn)定度分類與Monin-Obukhov長度對(duì)應(yīng)情況

2 中尺度數(shù)據(jù)降尺度最優(yōu)方案選取

針對(duì)不同的中尺度降尺度方案，在中尺度數(shù)據(jù)模擬已經(jīng)確定的情況下（即各個(gè)物理參數(shù)化方案）。本文中調(diào)整的參數(shù)包括了中尺度數(shù)據(jù)源、中尺度數(shù)據(jù)高度以及CFD 模擬中不同來風(fēng)方向下的大氣穩(wěn)定度等級(jí)，這三個(gè)參數(shù)也是實(shí)際工程應(yīng)用中調(diào)整起來較為便利的參數(shù)，因此本研究中的中尺度降尺度方案的選擇也是針對(duì)這三個(gè)參數(shù)來進(jìn)行討論。

對(duì)于上述三個(gè)參數(shù)的選擇采用以下流程：

1）分別用200 m、300 m、400 m 的中尺度數(shù)據(jù)（FNL、ERA5）基于CFD 模擬流場結(jié)果進(jìn)行降尺度計(jì)算，各個(gè)來風(fēng)方向下的大氣穩(wěn)定度等級(jí)設(shè)定為2（中性）。

2）分別用200 m、300 m、400 m 的中尺度數(shù)據(jù)（FNL、ERA5）在WT 中進(jìn)行降尺度計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果的風(fēng)廓線與實(shí)測數(shù)據(jù)風(fēng)廓線進(jìn)行分扇區(qū)對(duì)比，并調(diào)整CFD 模擬中各個(gè)來風(fēng)方向的大氣穩(wěn)定度后重新進(jìn)行計(jì)算。

按照以上流程首先執(zhí)行步驟1）并統(tǒng)計(jì)出了冠縣周邊5 座測風(fēng)塔采用不同中尺度數(shù)據(jù)源以及不同中尺度數(shù)據(jù)高度降尺度后的平均風(fēng)速誤差絕對(duì)值的平均值，其結(jié)果如圖1 所示。

圖1 5座測風(fēng)塔位置在中性大氣穩(wěn)定度下不同中尺度降尺度配置計(jì)算的平均風(fēng)速誤差絕對(duì)值的平均值

可以看出，在不調(diào)整各個(gè)來風(fēng)方向大氣穩(wěn)定度，保持默認(rèn)中性的情況下，僅調(diào)整中尺度數(shù)據(jù)源及中尺度數(shù)據(jù)高度兩項(xiàng)參數(shù)，通過與冠縣周邊5 座測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比得到最優(yōu)中尺度降尺度配置方案為采用FNL 數(shù)據(jù)300 m 數(shù)據(jù)高度。

進(jìn)一步實(shí)施步驟2），對(duì)比冠縣核心區(qū)域外5 座測風(fēng)塔的實(shí)際風(fēng)廓線與采用中性大氣穩(wěn)定度降尺度后的風(fēng)廓線，并根據(jù)兩者差異調(diào)整每個(gè)測風(fēng)塔位置不同來風(fēng)方向下的大氣穩(wěn)定度等級(jí)。由于每座測風(fēng)塔位置不同來風(fēng)方向下的大氣穩(wěn)定度的設(shè)定并不完全相同，最終各個(gè)來風(fēng)方向大氣穩(wěn)定度的選擇采用了各個(gè)測風(fēng)塔位置對(duì)應(yīng)扇區(qū)大氣穩(wěn)定度的平均結(jié)果，具體結(jié)果如表4所示。

表4 調(diào)整后的各來風(fēng)方向大氣穩(wěn)定度等級(jí)設(shè)定

基于此，采用不同中尺度數(shù)據(jù)源、不同中尺度數(shù)據(jù)高度及不同大氣穩(wěn)定度配置[9-12]，計(jì)算冠縣區(qū)域5 座測風(fēng)塔位置平均風(fēng)速誤差絕對(duì)值的平均值，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 5座測風(fēng)塔不同中尺度降尺度配置計(jì)算的平均風(fēng)速誤差絕對(duì)值的平均值

根據(jù)結(jié)果可以看出，在同時(shí)考慮中尺度數(shù)據(jù)源、中尺度數(shù)據(jù)高度以及分扇區(qū)大氣穩(wěn)定度的情況下，通過與冠縣區(qū)域周邊5 座測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比得到的中尺度降尺度方案的最優(yōu)配置為采用ERA5 數(shù)據(jù)，200 m 中尺度數(shù)據(jù)高度，大氣穩(wěn)定度按照表4 設(shè)置，最終得到的平均風(fēng)速誤差絕對(duì)值的平均值為1.62%，較直接采用ERA5 數(shù)據(jù)提高了0.3%（相對(duì)提高了15.6%），較不進(jìn)行大氣穩(wěn)定度調(diào)整，直接采用中性大氣穩(wěn)定度的最優(yōu)方案（FNL 數(shù)據(jù)300 m數(shù)據(jù)高度）提高了0.03%（相對(duì)提高了0.19%）。

同時(shí)可以注意到采用FNL 數(shù)據(jù)，200 m 中尺度數(shù)據(jù)高度，大氣穩(wěn)定度按照表4 設(shè)置，最終得到的平均風(fēng)速誤差絕對(duì)值的平均值為1.63%，與采用ERA5 數(shù)據(jù)源相同配置的結(jié)果基本相等（1.62%）。進(jìn)一步對(duì)比兩個(gè)不同數(shù)據(jù)源原始數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的相關(guān)性，結(jié)果如表5 所示。

表5 5座測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)與ERA5及FNL數(shù)據(jù)相關(guān)性比較

可以看出與測風(fēng)塔數(shù)據(jù)的相關(guān)性上FNL 原始數(shù)據(jù)要明顯優(yōu)于ERA5 原始數(shù)據(jù)（不論是風(fēng)速相關(guān)性還是風(fēng)向相關(guān)性），而兩者在采用相同數(shù)據(jù)高度，相同大氣穩(wěn)定度設(shè)置下得到的平均風(fēng)速誤差絕對(duì)值差異很小。

3 中尺度降尺度方案驗(yàn)證

通過冠縣周邊5 座測風(fēng)塔確定的最優(yōu)中尺度降尺度方案需要進(jìn)一步驗(yàn)證其是否確實(shí)適用于冠縣區(qū)域內(nèi)部，為了進(jìn)行該驗(yàn)證本研究中將多個(gè)中尺度數(shù)據(jù)（共使用了72 個(gè)中尺度數(shù)據(jù)）采用得到的最優(yōu)方案降尺度后進(jìn)行了外推計(jì)算，即采用FNL 數(shù)據(jù)源的200 m 數(shù)據(jù)高度的中尺度數(shù)據(jù)，參考表4 設(shè)定分扇區(qū)大氣穩(wěn)定度，進(jìn)行降尺度計(jì)算，并將降尺度計(jì)算結(jié)果基于CFD 模擬采用按照距離平方加權(quán)外推至冠縣區(qū)域內(nèi)部的兩座測風(fēng)塔位置，并將外推結(jié)果與測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表6 所示。

表6 多個(gè)中尺度數(shù)據(jù)采用最優(yōu)方案降尺度后外推至冠縣區(qū)域內(nèi)測風(fēng)塔位置對(duì)比情況

從結(jié)果可以看出，基于冠縣核心區(qū)域外5座測風(fēng)塔得到的最優(yōu)中尺度降尺度方案，直接應(yīng)用于冠縣核心區(qū)域內(nèi)時(shí)可以得到較為理想的結(jié)果，采用多個(gè)中尺度數(shù)據(jù)應(yīng)用該方案進(jìn)行降尺度計(jì)算并外推至核心區(qū)域內(nèi)的兩座測風(fēng)塔位置，最終得到的平局風(fēng)速誤差絕對(duì)值均未超過1.2%，已經(jīng)可以滿足工程應(yīng)用對(duì)于準(zhǔn)確度的要求。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)風(fēng)電開發(fā)的風(fēng)資源評(píng)估階段，在核心區(qū)域內(nèi)測風(fēng)塔缺少或不足的情況下，使用中尺度數(shù)據(jù)作為測風(fēng)塔數(shù)據(jù)的補(bǔ)充或替代時(shí)如何確定降尺度計(jì)算的最優(yōu)方案配置給出了一套適用于工程應(yīng)用的方法。即調(diào)整中尺度數(shù)據(jù)源、中尺度數(shù)據(jù)高度以及CFD 模擬的大氣穩(wěn)定度三個(gè)參數(shù)，并通過在核心區(qū)域周邊測風(fēng)塔位置降尺度后與實(shí)測數(shù)據(jù)的對(duì)比即可確定最優(yōu)方案。

同時(shí)本文進(jìn)一步針對(duì)采用上述方法確定的最優(yōu)中尺度降尺度方案進(jìn)行了驗(yàn)證，通過多個(gè)中尺度數(shù)據(jù)采用最優(yōu)方案降尺度，再外推至區(qū)域內(nèi)兩座測風(fēng)塔位置并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確定了基于核心區(qū)域外測風(fēng)塔找到的最優(yōu)中尺度降尺度方案可適用于核心區(qū)域內(nèi)部。針對(duì)以上研究內(nèi)容可得出以下結(jié)論。

結(jié)論一：在平坦地形，地表復(fù)雜度不高的情況下（類似冠縣區(qū)域），直接提取的中尺度數(shù)據(jù)已經(jīng)能夠達(dá)到較好的效果，在冠縣周邊五座測風(fēng)塔位置，平均風(fēng)速誤差絕對(duì)值的平均值不論是ERA5 還是FNL，直接提取數(shù)據(jù)的平均風(fēng)速誤差絕對(duì)值的平均值都在5%以內(nèi)。

結(jié)論二：在中尺度降尺度方案的選擇上，數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)高度的優(yōu)先級(jí)較高。在冠縣及周邊區(qū)域，采用中性大氣穩(wěn)定度，僅調(diào)整中尺度數(shù)據(jù)源及中尺度數(shù)據(jù)高度，已經(jīng)能夠在平均風(fēng)速誤差絕對(duì)值上獲得較大的提升；分扇區(qū)大氣穩(wěn)定度的調(diào)整可以一定程度進(jìn)一步改善平均風(fēng)速誤差絕對(duì)值。

結(jié)論三：在冠縣這類地形平坦，地表復(fù)雜度較低的區(qū)域，當(dāng)實(shí)際工程中缺少核心位置測風(fēng)數(shù)據(jù)時(shí)，可以基于區(qū)域周邊的可用測風(fēng)數(shù)據(jù)來選擇合適的中尺度降尺度方案并應(yīng)用與區(qū)域內(nèi)，來幫助完成缺少核心區(qū)域測風(fēng)數(shù)據(jù)情況下的風(fēng)資源評(píng)估工作。