貴州山區(qū)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法

李 霄，龍 俐，帥士章

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽(yáng) 550002;2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 引言

隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，貴州風(fēng)電開發(fā)得到大力發(fā)展。如何準(zhǔn)確把握貴州山區(qū)的風(fēng)能資源狀況，就需要在風(fēng)能資源可利用區(qū)域設(shè)立測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)風(fēng)，收集第一手資源對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，貴州風(fēng)能資源主要集中在1 600 m以上高山臺(tái)地及山脊，氣候復(fù)雜多變，嚴(yán)重影響觀測(cè)資料的完整性和真實(shí)性，尤以冬季的凝凍天氣影響最大。凝凍是貴州冬季出現(xiàn)的氣溫低于0℃、有過冷卻降水或固體降水而發(fā)生結(jié)冰的一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。它的發(fā)生與貴州特定的地理位置、地形地貌和氣候條件等密切有關(guān)。相關(guān)研究表明，貴州是我國(guó)凝凍災(zāi)害出現(xiàn)最多的地區(qū)之一。凝凍天氣出現(xiàn)時(shí)會(huì)造成測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)儀器出現(xiàn)故障，觀測(cè)數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映區(qū)域風(fēng)況特征，處理不當(dāng)可能導(dǎo)致區(qū)域資源狀況錯(cuò)誤評(píng)估和決策，因此對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，剔除無效數(shù)據(jù)，是開展風(fēng)能資源評(píng)估的第一步，也是最重要的環(huán)節(jié)。

2 資料及來源

根據(jù)貴州省山區(qū)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的氣象特征，結(jié)合貴州多年風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估工作實(shí)踐與相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，氣象部門制定了較完善的貴州風(fēng)能資源評(píng)估測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法。本文以凝凍最為嚴(yán)重的貴州西部?jī)蓚€(gè)擬建風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，對(duì)貴州風(fēng)能資源評(píng)估過程中測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法進(jìn)行介紹。

3 質(zhì)量控制方法

風(fēng)電場(chǎng)評(píng)估過程中所使用的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法有著規(guī)范的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這些方法是全國(guó)范圍使用的通用方法，帶有一致性和普遍性。貴州由于其特殊的地理位置、地形地貌和氣候條件，在冬季凝凍期間會(huì)對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)中有著特殊的影響，采用常規(guī)的質(zhì)量控制方法無法將無效數(shù)據(jù)全部檢測(cè)出來?！敖┲怠睌?shù)據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)是目前貴州風(fēng)能資源評(píng)估工作中采用的特有的質(zhì)量控制方法，它能對(duì)凝凍期間的無效測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的檢測(cè)和判斷，保證測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。

3.1 常規(guī)質(zhì)量控制方法

3.1.1 趨勢(shì)檢驗(yàn) 趨勢(shì)檢驗(yàn)是根據(jù)原始測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)各測(cè)量參數(shù)連續(xù)變化情況，判斷其變化趨勢(shì)是否合理。趨勢(shì)檢驗(yàn)的判別標(biāo)準(zhǔn)見表1。

以貴州某風(fēng)電開發(fā)企業(yè)測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)為例說明數(shù)據(jù)趨勢(shì)檢驗(yàn)判別標(biāo)準(zhǔn)。從圖1可以看出該測(cè)風(fēng)塔在2010年2月4日14時(shí)30分—21時(shí)20分間的10 min觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)300 min以上＜0.5 m/s，根據(jù)貴州山區(qū)風(fēng)的變化特征，可以判定這個(gè)時(shí)段的風(fēng)速測(cè)量?jī)x器沒有正常工作，造成了長(zhǎng)時(shí)段測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)不變。該時(shí)段數(shù)據(jù)應(yīng)視為不合理數(shù)據(jù)，需將這段時(shí)間的數(shù)據(jù)作為無效數(shù)據(jù)處理。

表1 風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)趨勢(shì)檢驗(yàn)判別標(biāo)準(zhǔn)

圖1 貴州某風(fēng)電開發(fā)企業(yè)測(cè)風(fēng)塔逐10 min測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)

圖2 貴州某風(fēng)電開發(fā)企業(yè)測(cè)風(fēng)塔逐小時(shí)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)

從圖2可以看出該測(cè)風(fēng)塔在2010年12月15日—17日、12月25日—27日、12月30日—1月1日風(fēng)速、風(fēng)向的逐時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)超過6 h沒有出現(xiàn)變化。根據(jù)貴州山區(qū)風(fēng)的變化特征，可以判定這個(gè)時(shí)段的風(fēng)速測(cè)量?jī)x器沒有正常工作，造成了長(zhǎng)時(shí)段測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)結(jié)果不變。該時(shí)段數(shù)據(jù)應(yīng)視為不合理數(shù)據(jù)，需將這段時(shí)間的數(shù)據(jù)作為無效數(shù)據(jù)處理。

圖3 貴州某風(fēng)電開發(fā)企業(yè)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)逐10 min濕度氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)

從圖3可以看出該測(cè)風(fēng)塔2010年2月4日14—15時(shí)氣壓小時(shí)平均值變化大于1 kPa，氣溫小時(shí)平均值變化大于5℃。根據(jù)貴州氣候的變化規(guī)律，可以判定這個(gè)時(shí)段的溫度、氣壓測(cè)量?jī)x器沒有正常工作，造成了測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。該時(shí)段數(shù)據(jù)應(yīng)視為不合理數(shù)據(jù)，需將這段時(shí)間的數(shù)據(jù)作為無效數(shù)據(jù)處理。

3.1.2 范圍檢驗(yàn) 范圍檢驗(yàn)是即判斷觀測(cè)數(shù)據(jù)取值是否在合理范圍之內(nèi)。風(fēng)速、風(fēng)向合理取值范圍采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。范圍檢驗(yàn)的判別標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)范圍檢驗(yàn)判別標(biāo)準(zhǔn)

以貴州某風(fēng)電開發(fā)企業(yè)測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)為例說明數(shù)據(jù)范圍檢驗(yàn)判別標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 貴州某風(fēng)電開發(fā)企業(yè)測(cè)風(fēng)塔溫度、氣壓、觀測(cè)數(shù)據(jù)

從圖4可以看出該測(cè)風(fēng)塔的氣溫、氣壓觀測(cè)數(shù)據(jù)超出了正常的溫度、氣壓的觀測(cè)范圍。根據(jù)貴州氣候的變化規(guī)律，可以判定這個(gè)時(shí)段的溫度、氣壓測(cè)量?jī)x器沒有正常工作，造成了測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。該時(shí)段數(shù)據(jù)應(yīng)視為不合理數(shù)據(jù)，需將這段時(shí)間的數(shù)據(jù)作為無效數(shù)據(jù)處理。

3.1.3 關(guān)系檢驗(yàn) 關(guān)系檢驗(yàn)是針對(duì)不同高度之間風(fēng)速或風(fēng)向關(guān)系的合理性而設(shè)定的，是指檢驗(yàn)各高度風(fēng)速值或風(fēng)向值的差值是否在給定的合理范圍之內(nèi)?？紤]到貴州風(fēng)電場(chǎng)均為山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)速風(fēng)向變化特征明顯不同于荒漠、平原、海岸線等平緩地形中的風(fēng)電場(chǎng)。風(fēng)速常出現(xiàn)負(fù)切變，風(fēng)向變化跳動(dòng)特征明顯，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合山地風(fēng)速風(fēng)向特征制定關(guān)系檢驗(yàn)判別標(biāo)準(zhǔn)。見表3。

表3 風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)關(guān)系檢驗(yàn)判別標(biāo)準(zhǔn)

以貴州某風(fēng)電開發(fā)企業(yè)測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)為例說明數(shù)據(jù)關(guān)系檢驗(yàn)判別標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 貴州某風(fēng)電開發(fā)企業(yè)測(cè)風(fēng)塔10 m、80 m高度逐小時(shí)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)

從圖5可以看出該測(cè)風(fēng)塔2010年2月5日—18日10 m與80 m高度間的小時(shí)平均風(fēng)速差大于8 m/s、小時(shí)平均風(fēng)向差大于45°，根據(jù)貴州山區(qū)風(fēng)的變化特征以及風(fēng)速隨高度的變化規(guī)律，可以判定該測(cè)風(fēng)塔80 m高度該時(shí)段的風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量?jī)x器沒有正常工作，造成了測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。該時(shí)段數(shù)據(jù)應(yīng)視為不合理數(shù)據(jù)，需將這段時(shí)間的數(shù)據(jù)作為無效數(shù)據(jù)處理。

上述3種常規(guī)質(zhì)量控制方法在實(shí)際使用中能夠較好的檢出無效數(shù)據(jù)，但由于貴州冬季凝凍天氣對(duì)測(cè)風(fēng)儀器的特殊影響，常規(guī)質(zhì)量控制方法無法將無效數(shù)據(jù)全部檢測(cè)出來，因此在貴州風(fēng)能資源評(píng)估中不能僅僅采用常規(guī)質(zhì)量控制方法來進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，需根據(jù)貴州冬季凝凍天氣的特點(diǎn)采用“僵值”數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。

3.2 “僵值”數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法

凝凍是貴州是初冬或冬末春初時(shí)節(jié)見到的一種災(zāi)害性天氣，由于貴州相對(duì)濕度較高，當(dāng)環(huán)境溫度≤1.0℃，相對(duì)濕度≥80%時(shí)極易出現(xiàn)凝凍。當(dāng)凝凍出現(xiàn)時(shí)會(huì)將測(cè)風(fēng)儀器逐漸冰凍，直至測(cè)風(fēng)儀器無法正常觀測(cè)，并出現(xiàn)“僵值”測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。

過去在處理“僵值”數(shù)據(jù)時(shí)僅將“僵值”數(shù)據(jù)本身進(jìn)行無效處理，未考慮“僵值”數(shù)據(jù)前后的數(shù)據(jù)也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)分析。由于凝凍過程是一個(gè)逐漸加重和逐漸減輕的過程，因此“僵值”數(shù)據(jù)不僅僅只是趨勢(shì)檢驗(yàn)中判別出來的“僵值”數(shù)據(jù)本身?！敖┲怠睌?shù)據(jù)出現(xiàn)前后的觀測(cè)數(shù)據(jù)由于測(cè)風(fēng)儀器受凝凍覆冰的影響，會(huì)出現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)偏小的情況，此段數(shù)據(jù)也同樣應(yīng)該作為無效數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

根據(jù)貴州冬季凝凍導(dǎo)致風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)“僵值”的實(shí)況，結(jié)合貴州多年風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能分析工作實(shí)踐，總結(jié)出來更為精細(xì)的、具有地方特色的風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制指標(biāo)和方法:引入氣溫、相對(duì)濕度、滑動(dòng)平均風(fēng)速做為“僵值”數(shù)據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)。該判別標(biāo)準(zhǔn)具有創(chuàng)新性和重要的應(yīng)用價(jià)值?！敖┲怠睌?shù)據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)。

“僵值”數(shù)據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)觀測(cè)到的氣溫小時(shí)值≤1.0℃、相對(duì)濕度小時(shí)值≥80%或出現(xiàn)微量降水時(shí)，如果出現(xiàn)風(fēng)速小時(shí)數(shù)據(jù)連續(xù)6 h無變化或小于1 m/s，需要對(duì)風(fēng)速小時(shí)數(shù)據(jù)向前(后)滑動(dòng)24 h，前(后)24 h風(fēng)速－小時(shí)風(fēng)速 ≥1 m/s的第1個(gè)小時(shí)以后(前)的數(shù)據(jù)為受凝凍影響數(shù)據(jù)，要作為無效數(shù)據(jù)處理。

以貴州某風(fēng)電開發(fā)企業(yè)測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)為例說明“僵值”數(shù)據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 貴州某風(fēng)電開發(fā)企業(yè)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速、風(fēng)向觀測(cè)數(shù)據(jù)

從圖6可以看出該測(cè)風(fēng)塔在2011年12月22日21時(shí)—12月26日21時(shí)風(fēng)速逐時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)超過6 h沒有出現(xiàn)變化，此時(shí)段經(jīng)過趨勢(shì)檢驗(yàn)為無效數(shù)據(jù)。但通過“僵值”數(shù)據(jù)檢驗(yàn)判別標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，該時(shí)段及前后部分時(shí)段溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)≤1.0℃、相對(duì)濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)≥80%，風(fēng)速觀測(cè)儀器受凝凍覆冰的影響。其觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏小的情況，前后觀測(cè)時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)也應(yīng)作為無效數(shù)據(jù)處理。根據(jù)“僵值”數(shù)據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)對(duì)22日21時(shí)前24 h數(shù)據(jù)和26日21時(shí)后24 h數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，可以看出21日09時(shí)以后和26日13時(shí)之前數(shù)據(jù)均受凝凍影響，未能正確測(cè)量真實(shí)風(fēng)況，因此該兩時(shí)段數(shù)據(jù)應(yīng)視為不合理數(shù)據(jù)，需將這兩時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為無效數(shù)據(jù)處理。

4 主要結(jié)論及討論

①貴州山區(qū)冬季凝凍是擬建風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔資料完整率主要影響因素。

②由于貴州山區(qū)冬季凝凍對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)影響的多變性，常規(guī)質(zhì)量控制方法無法剔除所有無效測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，質(zhì)量控制方法的使用，是貴州風(fēng)能資源評(píng)估工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

③經(jīng)實(shí)際工作檢驗(yàn)，“僵值”數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法在貴州山區(qū)較為實(shí)用。在“僵值”數(shù)據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)制定出來之前，對(duì)“僵值”數(shù)據(jù)的處理主要是依靠手工進(jìn)行，這就造成了“僵值”數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的不客觀。通過“僵值”數(shù)據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)的制定，將“僵值”數(shù)據(jù)處理方法標(biāo)準(zhǔn)化，避免了人為因素的影響，對(duì)風(fēng)能資源評(píng)估使用的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性提供了保證。

④對(duì)“僵值”數(shù)據(jù)的處理需結(jié)合凝凍天氣程度及測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的實(shí)際情況進(jìn)行確定，“僵值”數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法還需在更多風(fēng)電場(chǎng)資源評(píng)估，以及風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)中進(jìn)一步檢驗(yàn)和完善。

［1］GB/T 18710－2002.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法［S］.北京:國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.

［2］GB/T 18709－2002.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源測(cè)量方法［S］.北京:國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.

［3］QX/T74－2007.風(fēng)電場(chǎng)氣象觀測(cè)及資料審核、訂正技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)氣象局.

［4］中國(guó)氣象局.中國(guó)風(fēng)能資源評(píng)估報(bào)告［M］.北京:氣象出版社，2006.

［5］張家誠(chéng)，林之光.中國(guó)氣候［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985.

［6］朱勇，王學(xué)鋒，范立張.云南省風(fēng)能資源及其開發(fā)利用［M］.北京:氣象出版社，2013.