基于不同時間尺度風(fēng)切變指數(shù)推算風(fēng)資源的對比分析

徐紅 龔強(qiáng) 朱玲 沈歷都 顧正強(qiáng) 晁華 王乙舒 陳軍慶

（1.沈陽區(qū)域氣候中心，遼寧沈陽 110166；2.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧沈陽 110016；3.空軍 93161部隊，遼寧沈陽 110015）

引言

在常規(guī)能源短缺和環(huán)境污染的雙重壓力下，風(fēng)能資源因其自身獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，在很短時間內(nèi)便獲得巨大發(fā)展。近年來，隨著風(fēng)電事業(yè)逐步發(fā)展，中國風(fēng)電總裝機(jī)容量逐步增大，風(fēng)能可利用區(qū)域逐步縮減。隨著材料、工藝、運(yùn)輸?shù)仁侄蔚牟粩噙M(jìn)步，企業(yè)常用增加葉輪直徑、提升輪轂高度等技術(shù)提升效益。近年來，低風(fēng)速區(qū)域測風(fēng)塔高度率先向120—150 m發(fā)展。因風(fēng)切變特征不同，同種風(fēng)電機(jī)組提升相同高度所增加的發(fā)電量也不相同，一般情況下，風(fēng)切變指數(shù)越大，發(fā)電量提升越大。但是隨著高度的提升，高度對氣流速度的影響逐漸變小，導(dǎo)致風(fēng)速因高度提升造成的增幅逐漸變小，最終必然導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量增幅隨著高度的提升而減少。同時，塔筒高度的提升造成制造、施工的難度也迅速上升。發(fā)電量收益增幅的降低和工程投入增幅的變大，必然使風(fēng)電機(jī)組塔筒高度存在一個可計算的平衡值，在這個平衡值上風(fēng)電場將實(shí)現(xiàn)發(fā)電量收益的最大化。

風(fēng)切變指數(shù)受大氣穩(wěn)定度、下墊面屬性、天氣活動等因素影響，在不同時間尺度上呈一定程度的波動變化［1-5］。在建設(shè)風(fēng)電場前往往需要建立測風(fēng)塔，進(jìn)行為期一年的完整觀測，對風(fēng)電場風(fēng)資源狀況進(jìn)行前期評估?？紤]測風(fēng)塔的建設(shè)成本以及主流風(fēng)機(jī)輪轂高度，一些風(fēng)電場早期設(shè)立測風(fēng)塔達(dá)不到現(xiàn)在輪轂高度要求，亟需在現(xiàn)有觀測基礎(chǔ)上對更高輪轂高度風(fēng)資源進(jìn)行合理的推算。風(fēng)資源推算方法有多種［6-9］，常用低層風(fēng)速和風(fēng)切變指數(shù)推算高層風(fēng)資源狀況，推算結(jié)果直接決定了風(fēng)機(jī)選型、發(fā)電量估算等。為評估推算精確度，本文對遼寧省風(fēng)切變特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，并采用多種風(fēng)切變指數(shù)計算方案，對無觀測的高層風(fēng)資源進(jìn)行推算，并與實(shí)測風(fēng)對比分析，旨在確定一種較好的方案，提高風(fēng)資源評估工作中風(fēng)資源推算精度。

1 資料與方法

1.1 資料來源

中國目前共有119個長期觀測的探空站，其中遼寧省在沈陽和大連各有1個。沈陽探空站位于遼寧中部，為遼中平原和遼東丘陵交界處。大連探空站位于遼東半島南端沿海地區(qū)。探空站每日08時和20時定時觀測，觀測高度從地面至高空約30 km。取2014—2018年秒級探空數(shù)據(jù)，包括溫度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、高度等。考慮對風(fēng)資源貢獻(xiàn)，剔除300 m高度以下各觀測高度（探空儀器隨時間和地點(diǎn)不同，每秒上升高度不同）平均風(fēng)速≤1.5 m·s-1、最大風(fēng)速≤3.0 m·s-1或最大風(fēng)速超過40 m·s-1的觀測數(shù)值，剩余數(shù)據(jù)約占總數(shù)據(jù)量的80%。

參照《全國風(fēng)能資源詳查和評價報告》（全國400座測風(fēng)塔，其中遼寧省26座測風(fēng)塔分布比較均勻）可知遼寧省風(fēng)能資源比較豐富［10］。龔強(qiáng)等［11］對遼寧省26座測風(fēng)塔風(fēng)切變以及企業(yè)測風(fēng)塔觀測結(jié)果研究表明，遼寧省風(fēng)切變有較為一致的日變化特征，故綜合考慮地理位置、地形及測風(fēng)高度等，選用2座代表性測風(fēng)塔，分別為1＃和2＃。測風(fēng)塔1＃位于遼東半島，屬于東部沿海風(fēng)能資源豐富帶，適合風(fēng)能資源開發(fā)。測風(fēng)塔2＃位于遼中北部平原到丘陵過渡地帶，為我國“三北”風(fēng)帶，是我國風(fēng)能資源豐富地區(qū)之一，測風(fēng)塔2＃代表風(fēng)資源較好的丘陵地區(qū)。雖然遼寧省地表有山地、平原、海岸線等不同地形地貌，地面粗糙度不同，但是在測風(fēng)塔數(shù)據(jù)有限的情況下，本文選用的兩測風(fēng)塔對遼寧省還是相對具有一定的代表性。

2座測風(fēng)塔均有5層風(fēng)速觀測。測風(fēng)塔1＃（觀測時段為2010年6月至2011年5月）觀測高度分別為10 m（第1層）、30 m（第2層）、50 m（第3層）、60 m（第4層）、70 m（第5層），測風(fēng)塔2＃（觀測時段為2016年2月至2017年1月）觀測高度分別為30 m（第1層）、70 m（第2層）、80 m（第3層）、90 m（第4層）、100 m（第5層）。觀測數(shù)據(jù)完整率高、真實(shí)可靠。原始數(shù)據(jù)為10 min觀測，經(jīng)處理變?yōu)橥暾晷r數(shù)據(jù)，并參照就近氣象觀測站歷史風(fēng)序列［12］進(jìn)行測風(fēng)年度代表性分析與訂正，能較好地反映常年平均風(fēng)資源狀況。探空站和測風(fēng)塔位置見圖1。

圖1 探空站和測風(fēng)塔位置Fig.1 Location of the tower station and sounding balloon

1.2 研究方法

雖然探空站每天僅有08時和20時觀測，但也可以作為垂直背景風(fēng)參考。

在中性大氣層結(jié)下，對數(shù)和冪指數(shù)方程都可以較好地描述風(fēng)速垂直廓線，為綜合反映近地層風(fēng)切變狀況，選用冪指數(shù)擬合方法確定風(fēng)切變指數(shù)［13-18］，風(fēng)隨高度變化公式如下

風(fēng)切變指數(shù)α計算公式如下

式（1）～式（2）中，α為風(fēng)切變指數(shù)；Z為觀測高度；VZ為對應(yīng)高度的風(fēng)速；Zr為計算綜合切變指數(shù)的參考高度；Vr為參考高度的風(fēng)速。

2 結(jié)果分析

2.1 背景風(fēng)分析

風(fēng)受多種因素影響，比如海陸屬性差異、地形、天氣過程等。選取2014—2018年共5 a的探空風(fēng)數(shù)據(jù)，從個例分析到年、月尺度進(jìn)行統(tǒng)計分析?？傮w來看，2014—2018年平均風(fēng)廓線比較平滑。從全國119個探空站平均垂直風(fēng)廓線統(tǒng)計結(jié)果來看（圖略），各探空站風(fēng)速隨高度增加的快慢不同，風(fēng)速平穩(wěn)不再增加的高度也不相同，有些站還會出現(xiàn)超低空急流，即風(fēng)速先增大再減小。圖2a為沈陽和大連探空站平均風(fēng)廓線?？紤]地面50 m高度以下受下墊面影響較大，不再繪制對應(yīng)高度風(fēng)廓線，探空站風(fēng)廓線分析高度上至300 m。通過年平均風(fēng)廓線可以看出，沈陽站風(fēng)速隨高度增加較快，大約至180 m高度風(fēng)速基本保持平穩(wěn)不變。大連站風(fēng)廓線比較平直，風(fēng)速隨高度增加較慢，高低層風(fēng)速差異小，風(fēng)速無明顯的轉(zhuǎn)折高度。150 m高度以下大連站風(fēng)速大于沈陽站，150～300 m高度風(fēng)速小于沈陽地區(qū)。即遼寧省180 m高度以下基本可以采用同一種風(fēng)廓線擬合方式。各季節(jié)代表月的風(fēng)廓線顯示（圖2b和圖2c），沈陽站冬季和夏季風(fēng)廓線差異較小，春秋季風(fēng)速明顯增大。與沈陽站相比，大連站緯度偏低且受海洋性氣候影響，四季風(fēng)廓線差異偏小，除夏季外，其他季節(jié)差異相對更小。

圖2 2014—2018年沈陽站和大連站年平均風(fēng)廓線（a）及沈陽站（b）和大連站（c）代表月平均風(fēng)廓線Fig.2 Annual wind profiles（a）and typically month wind profiles at Shenyang（b）and Dalian（c）during 2014-2018

2.2 不同高度組合月風(fēng)切變指數(shù)擬合分析

表1為測風(fēng)塔逐月平均風(fēng)速，各測風(fēng)塔不同高度風(fēng)速逐月變化趨勢較為一致，2座測風(fēng)塔相同高度風(fēng)速大小有一定的差異?？傮w來看，2座測風(fēng)塔風(fēng)速逐月變化特征符合遼寧省風(fēng)分布特征。圖3為采用表1中測風(fēng)塔不同高度組合的月平均風(fēng)速擬合的風(fēng)切變指數(shù)圖。從風(fēng)切變指數(shù)月變化趨勢可以看出，月風(fēng)切變指數(shù)與下墊面屬性、風(fēng)速等變化有關(guān)，雖然兩測風(fēng)塔風(fēng)切變大小有較大的差異，但存在較為一致的月變化特征，春季風(fēng)切變最小，夏季風(fēng)切變最大。測風(fēng)塔1＃去掉最低層10 m觀測擬合風(fēng)切變指數(shù)范圍為0.00～0.12，其余方案風(fēng)切變指數(shù)范圍為0.02～0.08。測風(fēng)塔2＃去掉最低層30 m高度的風(fēng)速擬合風(fēng)切變指數(shù)范圍為0.18～0.33，其余方案風(fēng)切變指數(shù)范圍為0.18～0.35，相比于測風(fēng)塔1＃各方案差異偏小。

表1 測風(fēng)塔1＃、2＃月平均風(fēng)速Table 1 Monthly wind speed at Tower 1 and Tower 2 m·s-1

圖3 測風(fēng)塔1＃（a）和2＃（b）不同高度組合月平均風(fēng)切變指數(shù)Fig.3 Monthly wind shear indices of different height combinations at Tower 1＃（a）and Tower 2＃（b）

2.3 不同高度組合日風(fēng)切變指數(shù)擬合分析

由于風(fēng)有晝夜、月變化特征，對比風(fēng)切變指數(shù)日、月變化特征差異，一是為了分析不同時間尺度的風(fēng)切變變化特征；二是為采用不同風(fēng)切變指數(shù)擬合高層風(fēng)速和風(fēng)功率密度做鋪墊和解釋。表2為測風(fēng)塔逐時平均風(fēng)速，各測風(fēng)塔不同高度風(fēng)速逐時變化趨勢較為一致。從測風(fēng)塔各層風(fēng)速對比來看，底層風(fēng)速日變化最為顯著，隨著高度的增加，風(fēng)速日變化趨于減小。圖4為采用不同高度組合的小時平均風(fēng)速擬合風(fēng)切變指數(shù)圖。由圖4可以看出，風(fēng)切變指數(shù)日變化特征比月變化顯著。測風(fēng)塔1＃去掉10 m高度的風(fēng)速擬合風(fēng)切變指數(shù)與其他方案有明顯差異，去掉最低層10 m觀測擬合風(fēng)切變指數(shù)范圍為-0.04～0.17，其余方案風(fēng)切變指數(shù)范圍為-0.01～0.11。測風(fēng)塔2＃去掉最低層30 m高度的風(fēng)速擬合風(fēng)切變指數(shù)與其他方案有一定的差異，去掉最低層30 m觀測擬合風(fēng)切變指數(shù)范圍為0.04～0.40，其余方案風(fēng)切變指數(shù)范圍為0.08～0.39，相比于測風(fēng)塔1＃差異偏小。

表2 測風(fēng)塔1＃、2＃逐時平均風(fēng)速Table 2 Mean hourly wind speed at Tower 1＃（a）and Tower 2＃（b） m·s-1

圖4 測風(fēng)塔1＃（a）、2＃（b）不同高度組合小時平均風(fēng)切變指數(shù)Fig.4 Hourly wind shear indices of different height combinations at Tower 1＃（a）and Tower 2＃（b）

從2座測風(fēng)塔月和日變化對比可以看出，測風(fēng)塔1＃去掉10 m高度擬合方案與其他方案有明顯差異，因?yàn)?0 m高度風(fēng)受下墊面影響較大，對擬合風(fēng)切變指數(shù)有顯著的影響。測風(fēng)塔2＃最低層30 m高度風(fēng)速受下墊面影響明顯減小，對擬合風(fēng)切變指數(shù)影響也減小。

結(jié)合表2和圖4可以看出，雖然2座測風(fēng)塔風(fēng)切變指數(shù)差異較大，但其變化趨勢表現(xiàn)出高度的一致性。大約10時開始，太陽輻射逐漸增強(qiáng)，地表溫度升高，容易形成較強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于高層大氣的動量下傳，上下層空氣動量交換造成了較小高低層風(fēng)速差異，風(fēng)切變較小。16時開始，太陽輻射減弱，大氣逐漸形成穩(wěn)定層結(jié)，加上下墊面粗糙拖曳作用，上下層風(fēng)速差異逐漸增大，風(fēng)切變指數(shù)也逐漸增大，直到晚上20時，大氣穩(wěn)定層結(jié)趨于穩(wěn)定之后，風(fēng)切變一直保持比較平穩(wěn)，直至次日06時。通常06—10時和16—20時為大氣層結(jié)穩(wěn)定與不穩(wěn)定的過渡期，風(fēng)切變指數(shù)變化比較快速。從兩測風(fēng)塔位置來看，測風(fēng)塔1＃緯度低且位于沿海地區(qū)，受海陸熱力性質(zhì)差異影響較大，風(fēng)切變指數(shù)日變化不如測風(fēng)塔2＃顯著。

整體來看，去掉最低層風(fēng)速的擬合方案與其他幾個方案結(jié)果差異較大，因而推斷認(rèn)為近地層梯度測風(fēng)并非層數(shù)越多越好，距地面10 m高度以上一定間隔的4層左右的風(fēng)觀測比較適宜。

2.4 推算方案和結(jié)果分析

根據(jù)上述風(fēng)切變指數(shù)變化特征設(shè)置3種推算方案。方案1：采用測風(fēng)塔低層月平均風(fēng)速擬合月風(fēng)切變指數(shù)，根據(jù)次高層小時風(fēng)速和對應(yīng)月風(fēng)切變指數(shù)推算最高層小時風(fēng)速。方案2：采用測風(fēng)塔低層平均小時風(fēng)速擬合小時風(fēng)切變指數(shù)，根據(jù)次高層小時風(fēng)速和對應(yīng)時次風(fēng)切變指數(shù)推算最高層小時風(fēng)速。方案3：采用測風(fēng)塔低層年平均風(fēng)速擬合年風(fēng)切變指數(shù)，根據(jù)次高層小時風(fēng)速和年風(fēng)切變指數(shù)推算最高層小時風(fēng)速。

表3為測風(fēng)塔低層年平均風(fēng)速及年風(fēng)切變指數(shù)。由表3可以看出，年平均風(fēng)切變指數(shù)接近于方案2計算的小時風(fēng)切變指數(shù)平均值。對比2座測風(fēng)塔不同時間尺度的風(fēng)切變指數(shù)來看，2座測風(fēng)塔因地理位置及地形地貌等因素的影響，使得風(fēng)切變指數(shù)有較大的差異。本文選用風(fēng)切變指數(shù)差異較大的測風(fēng)塔進(jìn)行相關(guān)分析研究，可排除因風(fēng)切變指數(shù)大小造成結(jié)果的不確定性，進(jìn)一步佐證方法的適用性。

表3 方案3測風(fēng)塔年平均風(fēng)速和風(fēng)切變指數(shù)Table 3 Annual wind speed and wind shear index in Scheme 3

采用上述3種方案推算最高層月平均風(fēng)速和風(fēng)功率密度并與實(shí)測結(jié)果對比（圖5）。由圖5可以看出，測風(fēng)塔3種推算月值風(fēng)速接近，與實(shí)測對比，測風(fēng)塔1＃各月推算與實(shí)測持平或者偏小0.0～0.2 m·s-1（0.0～3.4%），與實(shí)測風(fēng)功率密度差值為-15～1 W·m-2（-5.9%～0.7%）。測風(fēng)塔2＃各月推算與實(shí)測持平或者偏大0.0～0.2 m·s-1（0.0～4.3%），與實(shí)測風(fēng)功率密度差值為-8～30.5 W·m-2（-3.7%～6.5%）。綜合風(fēng)速和風(fēng)功率密度對比結(jié)果，方案2推算接近實(shí)測，優(yōu)于其他方案。

圖5 測風(fēng)塔1＃、2＃最高層推算和實(shí)測月風(fēng)速（a、b）和月風(fēng)功率密度（c、d）分布Fig.5 Calculation at the highest layer of Tower 1＃and Tower 2＃，and observations of monthly wind speed（a，b）and wind power（c，d）

采用上述3種方案推算最高層小時風(fēng)速和風(fēng)功率密度（圖6）并與實(shí)測結(jié)果對比可以看出，3種推算方案推算出風(fēng)速小時值存在一定差異，測風(fēng)塔1＃小時推算值與實(shí)測差值約為-0.2～0.2 m·s-1（-3.0%～3.5%），與實(shí)測風(fēng)功率密度差值約為-17.9～10.1 W·m-2（-7.3%～3.4%）。測風(fēng)塔2＃小時推算值與實(shí)測差值約-0.2～0.3 m·s-1（-3.3%～4.4%），與實(shí)測風(fēng)功率密度差值約為-1.9～38.3 W·m-2（-0.5%～7.5%）。2座測風(fēng)塔均為采用方案2推算結(jié)果與實(shí)測差異最小，明顯優(yōu)于其他方案推算結(jié)果。在風(fēng)切變較小的午間，推算風(fēng)功率密度均高于實(shí)測。測風(fēng)塔1＃推算結(jié)果低于實(shí)測。整體來看，測風(fēng)塔2＃推算結(jié)果高于實(shí)測。對比2座測風(fēng)塔還可以看出，由于風(fēng)切變指數(shù)有日、月變化特征，且日變化相較于月變化更為顯著，所以方案2即平均小時風(fēng)速擬合風(fēng)切變推算高層風(fēng)速和風(fēng)功率密度更接近實(shí)測。

圖6 測風(fēng)塔1＃（a）、2＃（b）最高層推算和實(shí)測小時風(fēng)速1＃（c）和2＃（d）和風(fēng)功率密度分布Fig.6 Calculation at the highest layer of Tower 1＃and Tower 2＃，and observations of hourly wind speed（a，b）and wind power（c，d）

表4為實(shí)測與推算年平均風(fēng)速和風(fēng)功率密度對比。各推算方案的年平均結(jié)果差異較小，其中方案2推算結(jié)果與實(shí)測最接近，風(fēng)速差異在1.6%以內(nèi)，風(fēng)功率密度差異在3.7%以內(nèi)。

表4 測風(fēng)塔1＃、2＃實(shí)測和推算年平均風(fēng)速、風(fēng)功率對比Table 4 Comparison of annual wind speed and wind power at Tower 1＃and Tower 2＃

3 結(jié)論與討論

（1）遼寧省月平均風(fēng)切變指數(shù)呈波動變化，春季風(fēng)切變指數(shù)最小，夏季風(fēng)切變指數(shù)最大，風(fēng)切變指數(shù)與風(fēng)速呈顯著的負(fù)相關(guān)。遼寧省風(fēng)切變指數(shù)存在明顯的日變化特征，小時風(fēng)切變指數(shù)比月平均風(fēng)切變指數(shù)變化更顯著。一天之內(nèi)，10—16時風(fēng)切變指數(shù)最小，夜間20時至翌日06時風(fēng)切變指數(shù)穩(wěn)定且偏大。06—10時和16—20時為風(fēng)切變指數(shù)急劇變化的過渡時段。

（2）從探空背景風(fēng)可知，遼寧省冪指數(shù)擬合規(guī)律可以延伸至180 m高度。受觀測條件限制，在非復(fù)雜地形情況下，近地層10 m高度以上間隔一定高度設(shè)立4層左右的風(fēng)觀測，基本可以滿足近地層風(fēng)資源評估需求。

（3）不同方案風(fēng)切變指數(shù)推算測風(fēng)塔風(fēng)速和風(fēng)功率密度并與實(shí)測對比，月值差異在6.5%以內(nèi)，小時差異在7.5%以內(nèi)，年值差異在3.7%以內(nèi)。整體來講，各推算方案均比較合理可靠。因?yàn)轱L(fēng)切變指數(shù)日變化比月變化顯著，在利用不同時間尺度風(fēng)切變指數(shù)推算高層風(fēng)況時，利用小時風(fēng)切變指數(shù)推算的方案優(yōu)于采用月和年風(fēng)切變指數(shù)方案。同時，風(fēng)切變?nèi)兆兓斤@著，采用小時風(fēng)切變指數(shù)推算方案越優(yōu)于其他風(fēng)切變推算方案。