黑龍江省東部地區(qū)風(fēng)能資源數(shù)值模擬誤差分析

王慶祥　徐永清

摘要 利用MM5+CALMET模型對(duì)黑龍江省東部地區(qū)2009年6月～2010年5月進(jìn)行風(fēng)能資源數(shù)值模擬，并與3座測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速進(jìn)行誤差對(duì)比分析。結(jié)果表明，在10 m處，各測(cè)風(fēng)塔年平均風(fēng)速模擬值小于實(shí)測(cè)值，10 m以上，年平均風(fēng)速模擬值大于實(shí)測(cè)值；模擬風(fēng)速頻率在2～5 m/s小于實(shí)測(cè)風(fēng)速頻率，在6～10 m/s大于實(shí)測(cè)風(fēng)速頻率，>10 m/s與實(shí)測(cè)風(fēng)速頻率基本相當(dāng)；模型對(duì)風(fēng)向的模擬效果不如對(duì)風(fēng)速的模擬效果，雖然70 m高度模擬主導(dǎo)風(fēng)向與實(shí)測(cè)風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向基本一致，但模擬值與實(shí)測(cè)值相差較大；模型對(duì)風(fēng)能頻率的模擬效果優(yōu)于對(duì)風(fēng)速頻率與風(fēng)向頻率的模擬。

關(guān)鍵詞 MM5；Calmet；風(fēng)能資源；數(shù)值模擬；誤差分析；黑龍江省東部地區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào) S213 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）13-03996-04

Abstract MM5/Calmet model system was used to simulate wind energy in eastern region of Heilongjiang Province during June 2009 to May 2010， and the simulated results were analyzed with the determination data from 3 anemometer towers. The results showed that： the simulated value of annual average wind speed was smaller than observed value on 10m， and was higher than observed value above 10m； the simulated frequencies of wind speed was lower than observed value between 2-5 m/s， and was higher than observed value between 6-10 m/s， and was as similar as observed value above 10m/s； The performance of simulating wind direction frequency was not as better as those of simulating wind speed frequency， the model could simulate observed dominant wind direction although the simulated value was obviously smaller than observed value； the simulation capacity on wind energy density was better than capacity on wind frequency.

Key words MM5； Calmet； Wind energy； Numerical simulation； Error analysis； Eastern region of Heilongjiang Province

我國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)從2005年起連續(xù)5年以100%的速度增長(zhǎng)，到2010年底，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)4 487.1萬(wàn)kW，超越了美國(guó)，躍居世界第1位。風(fēng)電的快速發(fā)展對(duì)風(fēng)能資源評(píng)估提出了更高的要求，為了解決風(fēng)能資源評(píng)估觀測(cè)資料在空間分布密度和觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度方面的限制，中、小尺度數(shù)值模式在風(fēng)能資源評(píng)估中的應(yīng)用技術(shù)得到快速發(fā)展。近年來(lái)我國(guó)的很多科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始了風(fēng)能資源數(shù)值模擬研究[1-4]。如龔強(qiáng)等在遼寧省風(fēng)能資源普查中應(yīng)用MM5模式模擬了遼寧省的風(fēng)能資源狀況[5]。2005年中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能資源評(píng)估中心引進(jìn)了加拿大氣象局風(fēng)能資源數(shù)值模擬系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)本地化的改進(jìn)后，建立了中國(guó)氣象局風(fēng)能資源數(shù)值模式系統(tǒng)[6]。

為了滿足風(fēng)電產(chǎn)業(yè)大規(guī)模開(kāi)發(fā)的需要，必須要精細(xì)化模擬評(píng)估區(qū)域性的風(fēng)能資源，大多數(shù)中尺度模式很難達(dá)到精細(xì)化模擬的需求。即使中尺度模型能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化模擬，但對(duì)于區(qū)域性模擬需耗費(fèi)大量機(jī)時(shí)，不能滿足目前風(fēng)能資源評(píng)估工作的需求。因此，需要通過(guò)動(dòng)力降尺度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能資源精細(xì)化數(shù)值模擬，并達(dá)到可用的精度。

中尺度氣象模式MM5被廣泛應(yīng)用于中尺度及區(qū)域尺度的大氣環(huán)流，適用于對(duì)空氣質(zhì)量、水文情況和風(fēng)能資源進(jìn)行數(shù)值模擬研究[7-8]。CALMET模塊是一個(gè)風(fēng)場(chǎng)診斷模式，目前主要應(yīng)用于大氣污染擴(kuò)散的研究及應(yīng)用[9]。

黑龍江省東部低山丘陵地區(qū)風(fēng)能資源豐富，適宜建設(shè)大型風(fēng)電場(chǎng)。筆者運(yùn)用中尺度氣象模式MM5結(jié)合微尺度模式CALMET對(duì)黑龍江省東部地區(qū)2009年6月～2010年5月的風(fēng)能資源進(jìn)行模擬研究，對(duì)MM5/Calmet模式模擬結(jié)果與黑龍江省東部3座70 m高測(cè)風(fēng)塔資料進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析，評(píng)估該模式對(duì)該地區(qū)的風(fēng)能資源模擬能力。

1 資料與方法

1.1 MM5/CALMET數(shù)值模式系統(tǒng)及模擬方案介紹

中尺度氣象模式MM5是美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)的，是一個(gè)完全可壓非靜力的中尺度天氣數(shù)值模型，適合于有限區(qū)域的中度數(shù)值預(yù)報(bào)模式。該模式自20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)全球各國(guó)大氣物理科學(xué)家的共同努力，目前已發(fā)展成為全球最成熟的中尺度天氣數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)之一。

CALMET是污染氣象模式CALPUFF的氣象模塊，包括診斷風(fēng)場(chǎng)模塊和微氣象模塊。診斷風(fēng)場(chǎng)模塊對(duì)初始猜測(cè)風(fēng)場(chǎng)（MM4或MM5網(wǎng)格風(fēng)場(chǎng)、常規(guī)監(jiān)測(cè)的地面與高空氣象數(shù)據(jù)）進(jìn)行地形動(dòng)力學(xué)、坡面流、地形阻塞效應(yīng)調(diào)整，產(chǎn)生第一步風(fēng)場(chǎng)，導(dǎo)入觀測(cè)數(shù)據(jù)后，并通過(guò)插值、平滑處理、垂直速度計(jì)算、輻散最小化等產(chǎn)生最終風(fēng)場(chǎng)；微氣象模塊根據(jù)參數(shù)化方法，利用地表熱通量、邊界層高度、摩擦速度、對(duì)流速度、莫寧一奧布霍夫長(zhǎng)度等參數(shù)描述邊界層結(jié)構(gòu)。

MM5模式采用兩層嵌套，兩層區(qū)域的網(wǎng)格分辨率分別為27 km×27 km和9 km×9 km，垂直方向共分為30層，模擬計(jì)算時(shí)間為2009年6月1日～2010年5月31日，逐日進(jìn)行模擬計(jì)算；再將MM5模式9 km×9 km水平分辨率的模擬結(jié)果作為CALMET模式的初始場(chǎng)，進(jìn)行降尺度診斷計(jì)算，得到1 km×1 km水平分辨率逐時(shí)風(fēng)資源分布結(jié)果；最后將網(wǎng)格點(diǎn)上的模擬結(jié)果通過(guò)雙線性內(nèi)插的方法插到測(cè)風(fēng)塔上。

1.2 資料選取

采用全球環(huán)流模式背景場(chǎng)資料NCEP/FNL客觀分析場(chǎng)融合中國(guó)氣象局常規(guī)探空和地面觀測(cè)資料（MICAPS資料）作為中尺度模式初始場(chǎng)（邊界條件）。MM5模式地形地表資料采用30 s水平分辨率的USGS資料。

CALMET模式地形資料采用SRTM3資料（3 s分辨率，約90 m），Landuse數(shù)據(jù)采用30 s水平分辨率的USGS資料。

同時(shí)，選取黑龍江省東部地區(qū)3座測(cè)風(fēng)塔的實(shí)際測(cè)風(fēng)資料。3座測(cè)風(fēng)塔共有4層風(fēng)速觀測(cè)，分別為10、30、50、70 m，2層風(fēng)向觀測(cè)，分別為10、70 m。3座測(cè)風(fēng)塔均位于東部低山丘陵地區(qū)，具體信息如表1所示，因?yàn)槟壳帮L(fēng)電場(chǎng)的主流風(fēng)機(jī)輪轂高度為70 m，所以，在此主要針對(duì)70 m高度的資料進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)速模擬誤差分析

2.1.1 年平均風(fēng)速分析。

分析2009年6月1日～2010年5月31日逐時(shí)模擬風(fēng)速與測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)風(fēng)速（表1）可見(jiàn)，10 m高度2#測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速等于模擬風(fēng)速，1、3#測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速均大于模擬風(fēng)速，因?yàn)轱L(fēng)功率密度較小，風(fēng)功率相對(duì)誤差較大；10 m以上，各測(cè)風(fēng)塔均是模擬風(fēng)速大于實(shí)測(cè)風(fēng)速，且風(fēng)速相對(duì)誤差隨高度增加有增大趨勢(shì)，風(fēng)速模擬垂直變化較大；70 m高度，2#測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速相對(duì)誤差最大，為14.0%，1#測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速相對(duì)誤差最小，為6.2%；70 m風(fēng)功率相對(duì)誤差較風(fēng)速相對(duì)誤差大，2#測(cè)風(fēng)塔最大，為23.7%，1#測(cè)風(fēng)塔最小，為9.8%。3座測(cè)風(fēng)塔中2#測(cè)風(fēng)塔模擬風(fēng)速和風(fēng)功率相對(duì)誤差較大，1#、3#測(cè)風(fēng)塔誤差較小。3座測(cè)風(fēng)塔在70 m高度上風(fēng)速相對(duì)誤差平均為10.0%，風(fēng)功率相對(duì)誤差平均為16.8%。

3 結(jié)論

利用MM5+CALMET模型對(duì)黑龍江省東部地區(qū)2009年6月～2010年5月的風(fēng)能資源進(jìn)行數(shù)值模擬誤差分析，結(jié)果表明，模擬年平均風(fēng)速除10 m外，均大于實(shí)測(cè)風(fēng)速，且風(fēng)速相對(duì)誤差隨高度增加有增大趨勢(shì)，風(fēng)速模擬垂直變化較大，70 m高度上風(fēng)速相對(duì)誤差平均為10%，風(fēng)功率相對(duì)誤差平均為16.8%；風(fēng)速頻率模擬中，模型對(duì)風(fēng)速>10 m/s區(qū)間具有較強(qiáng)的模擬能力；風(fēng)能頻率模擬優(yōu)于風(fēng)速頻率模擬，與實(shí)測(cè)風(fēng)能頻率分布基本一致；對(duì)風(fēng)向頻率的模擬，模型能較好地模擬出主導(dǎo)風(fēng)向的分布，但主導(dǎo)風(fēng)向的數(shù)值明顯小于實(shí)測(cè)主導(dǎo)風(fēng)向的數(shù)值，模擬風(fēng)能頻率與實(shí)測(cè)值的分布風(fēng)向比較一致。該模型對(duì)黑龍江省東部地區(qū)70 m高度（目前主流風(fēng)機(jī)的輪轂高度）的風(fēng)速、風(fēng)向具有較強(qiáng)的模擬能力，尤其是對(duì)風(fēng)電場(chǎng)最重要的>10 m/s風(fēng)速區(qū)間、主導(dǎo)風(fēng)向模擬能力更強(qiáng)。該模型可以模擬出黑龍江省東部地區(qū)風(fēng)能資源的基本特征，可以利用其進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估等工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 毛慧琴，宋麗莉，黃浩輝，等.廣東省風(fēng)能資源區(qū)劃研究[J].自然資源學(xué)報(bào)，2005，20（5）：679-683.

[2] 陳雙溪，聶秋生，曾輝，等.鄱陽(yáng)湖區(qū)風(fēng)能資源儲(chǔ)量及分布研究[J].氣象與減災(zāi)研究，2006，29（1）：1-6.

[3] 錢(qián)莉，楊永龍，楊曉玲，等.河西走廊東部風(fēng)能資源分布特征及開(kāi)發(fā)利用[J].氣象科技，2009，37（2）：198-204.

[4] 楊振斌，薛桁，袁春紅，等.用于風(fēng)電場(chǎng)選址的風(fēng)能資源評(píng)估軟件[J].氣象科技，2001，29（3）：54-57.

[5] 龔強(qiáng)，袁國(guó)恩，張?jiān)魄?，?MM5模式在風(fēng)能資源普查中的應(yīng)用試驗(yàn)[J].資源科學(xué)，2006，28（1）：145-149.

[6] 李澤椿，朱蓉，何曉鳳，等.風(fēng)能資源評(píng)估技術(shù)方法研究[J].氣象學(xué)報(bào)，2007，65（5）：708-707.

[7] 周榮衛(wèi)，何曉鳳，朱蓉.MM5/CALMET模式系統(tǒng)在風(fēng)能資源評(píng)估中的應(yīng)用[J].自然資源學(xué)報(bào)，2010，25（12）：2101-2113.

[8] 成馳，楊宏青，袁業(yè)暢，等.基于數(shù)值模擬的湖北省風(fēng)能資源儲(chǔ)量估算[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（12）：7374-7377.

[9] 馬明亮，張加昆，魏鴻業(yè)，等.基于CALMET對(duì)復(fù)雜地形下風(fēng)場(chǎng)的模擬研究[J].環(huán)境科技，2011，20（4）：181-184.