復(fù)雜山地下測(cè)風(fēng)塔缺失測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)插補(bǔ)訂正方法的比較分析

文 | 張雪婷，陳正洪，許楊，孫朋杰

依據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》，測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)滿一年才能進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估，所以當(dāng)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)缺測(cè)時(shí)，必須經(jīng)過插補(bǔ)訂正才能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因此在風(fēng)能資源評(píng)估過程中，測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)插補(bǔ)訂正問題受到越來越多的關(guān)注。

在插補(bǔ)訂正過程中，應(yīng)優(yōu)先考慮同塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，其次考慮附近測(cè)風(fēng)塔或自動(dòng)站、氣象站的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)等。同時(shí)，由于環(huán)境背景不同（例如，北方地形差距小，南方地形差距大），參證站的選擇也不同，北方可選擇距離被訂正測(cè)風(fēng)塔較遠(yuǎn)的風(fēng)塔或站點(diǎn)，而南方則需要進(jìn)一步討論。關(guān)于測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)插補(bǔ)訂正方法的研究已有很多，如謝軍認(rèn)為對(duì)缺測(cè)、不合理的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的相關(guān)性修補(bǔ)，應(yīng)盡量選取同一座測(cè)風(fēng)塔不同高度的測(cè)量記錄進(jìn)行相關(guān)性比較。薛敏、袁春紅等認(rèn)為，用短期風(fēng)記錄估計(jì)長(zhǎng)期風(fēng)速采用16個(gè)方位的風(fēng)向相關(guān)效果最好。彭懷午等通過多種插補(bǔ)訂正方法來預(yù)測(cè)月平均風(fēng)速，認(rèn)為16個(gè)方位的風(fēng)向線性回歸法建立在2個(gè)測(cè)風(fēng)塔存在較好的空間相關(guān)基礎(chǔ)上，如果相關(guān)關(guān)系較差，則誤差較大。而徐力衛(wèi)認(rèn)為即便是同一測(cè)風(fēng)塔且兩層風(fēng)向基本一致，由于選取的計(jì)算風(fēng)向不同，則其16個(gè)風(fēng)向的相關(guān)性都存在一定差異。除了對(duì)16個(gè)方位的風(fēng)向線性回歸法討論外，王遠(yuǎn)等將線性回歸法分為全年及季節(jié)來分別討論，認(rèn)為分季節(jié)線性回歸法更加合理。杜艷軍、李鵬等都對(duì)風(fēng)切變指數(shù)對(duì)風(fēng)速推算的影響進(jìn)行了研究。以上研究主要討論了線性回歸法，物理法等插補(bǔ)訂正方法的比較分析，但未對(duì)比值法的效果進(jìn)行分析。同時(shí)，在對(duì)參證站的選取方法上也缺乏較為細(xì)致的選取標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)上述問題，本文對(duì)缺測(cè)2天－3天且測(cè)風(fēng)不滿一年（近10個(gè)月）的測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行插補(bǔ)訂正，并將比值法、線性回歸法分別分為4類，共8類，來比較其訂正誤差大小，并對(duì)處于復(fù)雜山地的測(cè)風(fēng)塔參考站的選擇方案進(jìn)行了探討。

資料與方法

一、測(cè)風(fēng)資料概況

本文選取湖北紅安地區(qū)一測(cè)風(fēng)塔（后文統(tǒng)稱1#塔）近10個(gè)月的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)資源分析。此塔高80m、海拔242m，風(fēng)速觀測(cè)有5層，風(fēng)向觀測(cè)設(shè)有2層（表1）。其所在區(qū)域地表植被主要為雜草，有少量樹木，但其高度均不高。由于該區(qū)域位于兩山之間（圖1），北來氣流無阻擋，其南邊也較空曠，因此風(fēng)速較大。

對(duì)1#塔2011年07月04日－2012年04月30日的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，統(tǒng)計(jì)觀測(cè)期間各測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)完整率。發(fā)現(xiàn)其觀測(cè)時(shí)段內(nèi)10m－80m高度風(fēng)速、風(fēng)向有效數(shù)據(jù)完整均在99%以上。其中，2月22日－23日、3月24日部分?jǐn)?shù)據(jù)缺測(cè)。11月30日儀器出現(xiàn)故障導(dǎo)致無效數(shù)據(jù)生成。依據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》（GB/T18710－2002），對(duì)測(cè)風(fēng)塔的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性檢驗(yàn)。平均風(fēng)速及溫度共出現(xiàn)37次不符合指標(biāo)的情況，但其時(shí)次前后各高度同步變化，應(yīng)屬于合理數(shù)據(jù)，予以保留。

選取位于孝昌、麻城地區(qū)的測(cè)風(fēng)塔（后文統(tǒng)稱2#、3#塔）、華河寨崗自動(dòng)站、紅安氣象站作為參考站。2#（孝昌）、3#（麻城）測(cè)風(fēng)塔海拔分別為611m、700m，距離1#塔分別為31km、63km左右。2#塔所處區(qū)域山脊地勢(shì)較為平坦，植被稀疏，主要以季節(jié)性野生雜草為主，平均高度在20cm左右，兩邊山坡上的松樹較茂密；3#塔位于蔡家寨眾多山體中靠西北部的山頂上，場(chǎng)區(qū)屬于低山地貌。華河寨崗自動(dòng)站（后文統(tǒng)稱1#自動(dòng)站）高10m，海拔高度為224m，風(fēng)速及風(fēng)向觀測(cè)均設(shè)在10m高度，距離1#塔約370m。紅安氣象站（站號(hào)57398）為國(guó)家一般氣象站，始建于1956年12月，建站時(shí)位于紅安縣城關(guān)南門河，觀測(cè)場(chǎng)現(xiàn)位于北緯31°17’，東經(jīng)114°37’，拔海高度74.3m，距1#塔直線距離約30km（表1、圖1）。

二、參證站選擇方法介紹

計(jì)算1#塔各高度風(fēng)速與各參考站同期風(fēng)速（每10min一次）之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，采用相關(guān)系數(shù)最高的參考站為最終參證站。

三、插補(bǔ)訂正方法介紹

（一）比值法

利用1#塔與所選參證站已有的同期風(fēng)速資料確立比值K，即求出一線性方程（如（1）式），然后將1#測(cè)風(fēng)塔缺測(cè)數(shù)據(jù)同期的1#自動(dòng)站數(shù)據(jù)代入方程，就可求出1#測(cè)風(fēng)塔缺測(cè)數(shù)據(jù)。

式中，V2——插補(bǔ)訂正后風(fēng)速，V1——插補(bǔ)訂正前風(fēng)速。

（二）線性回歸法

與比值法類似，利用1#測(cè)風(fēng)塔與所選參證站已有的同期風(fēng)速資料確立相關(guān)系數(shù)R及a、b的值（式（3）、（4）），代入（2）式可求得插補(bǔ)訂正后的缺測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 缺失測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)風(fēng)塔及各參考站相對(duì)位置

式中，V——1#塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，Vm——參證站測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。

四、誤差分析方法介紹

本文采用平均絕對(duì)誤差MAE、平均相對(duì)誤差MBE、均方根誤差RMSE、相對(duì)均方根誤差ERMSR、絕對(duì)誤差的平方和∑7248以及插補(bǔ)訂正前與插補(bǔ)訂正后的相關(guān)系數(shù)R（式（3）－（9））對(duì)2011年07月04日－2012年05月10日70m高度來進(jìn)行比較。

表1 測(cè)風(fēng)塔、自動(dòng)站、氣象站設(shè)置一覽表

數(shù)據(jù)分析

一、參證站的選擇

由于1#塔各層風(fēng)速、風(fēng)向觀測(cè)均不足一年，所以無法采用同塔數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)訂正。按照風(fēng)電場(chǎng)氣象觀測(cè)及資料審核、訂正技術(shù)規(guī)范（QX/T18710－2002）中參照觀測(cè)點(diǎn)的選取標(biāo)準(zhǔn)，參證站應(yīng)選用1#塔附近地區(qū)的觀測(cè)塔。但1#測(cè)風(fēng)塔附近僅有兩個(gè)2012年剛建成的測(cè)風(fēng)塔，所以本文將對(duì)2#塔、3#塔、紅安氣象站、1#自動(dòng)站進(jìn)行分析。

如表2所示，自動(dòng)站與1#測(cè)風(fēng)塔各層風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系最好，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.89以上，其次為測(cè)風(fēng)塔，氣象站距離1#塔約30km，相對(duì)比2#塔、3#塔與1#塔的距離近，但是其相關(guān)最差，僅達(dá)0.01。這是由于在南方山區(qū)，氣象站測(cè)風(fēng)普遍偏小，且地形差距大導(dǎo)致的。所以，本文最終采用1#自動(dòng)站10m風(fēng)速來對(duì)1#塔各層風(fēng)速進(jìn)行插補(bǔ)訂正。

二、插補(bǔ)訂正方法的應(yīng)用

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法，需將1#測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)資料插補(bǔ)訂正為完整一年，即2011年5月1日－2012年4月30日。本文將比值法及線性回歸法分別分為4類，即共8種方法來進(jìn)行討論。其中比值法及線性回歸法均分為全年法、季節(jié)法、風(fēng)向分扇區(qū)法、分風(fēng)速段法。利用1#測(cè)風(fēng)塔和1#自動(dòng)站已有的7248組同期逐時(shí)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)確立比值法的K值，或線性回歸的R、a、b值。由于篇幅有限，本文僅給出風(fēng)向分扇區(qū)線性回歸法的線性相關(guān)方程及相關(guān)系數(shù)，具體如表3所示。數(shù)據(jù)經(jīng)過插補(bǔ)訂正之后各層完整率均達(dá)到100%。

表2 測(cè)風(fēng)塔各層小時(shí)平均風(fēng)速相關(guān)系數(shù)一覽表

表3 70m高度風(fēng)向分扇區(qū)線性回歸法的線性相關(guān)方程及相關(guān)系數(shù)

誤差分析

對(duì)2011年07月04日－2012年04月30日70m高度各插補(bǔ)訂正方法插補(bǔ)訂正前后誤差分析的對(duì)比來看（表4），無論是比值法還是線性回歸法，分季節(jié)進(jìn)行插補(bǔ)訂正都要優(yōu)于全年插補(bǔ)訂正，但兩者相差不大。其中MAE僅相差0.003 m/s－0.004 m/s，MBE相差0.05%－0.08 %，∑7248相差88 m2/s2－160 m2/s2，而Pearson相關(guān)系數(shù)R近似。MAE、MBE、RMSE、ERMSR、∑7248、R在分風(fēng)速段線性回歸法中均為最大，在分風(fēng)向分扇區(qū)線性回歸法中均為最小，兩者各值分別相差0.606 m/s、10.81%、0.679m/s、12.1%、15674 m2/s2、0.02?？傮w來說，風(fēng)向分扇區(qū)線性回歸法優(yōu)于其它線性回歸法，而全年、季節(jié)、分風(fēng)速段線性回歸法優(yōu)于全年、季節(jié)、分風(fēng)速段比值法，其中分風(fēng)速段比值法誤差最大。另外，分風(fēng)速段線性回歸法較分風(fēng)速段比值法有明顯優(yōu)勢(shì)。如圖2所示，除分風(fēng)速段比值法外，其它幾種方法的擬合曲線與實(shí)測(cè)曲線吻合都較好，與表4的結(jié)果一致。

圖2 1#塔70m高度小時(shí)平均風(fēng)速實(shí)測(cè)值與推算值對(duì)比（2012年5月1日-10日）

表4 不同插補(bǔ)訂正方法70m高度的MAE、MBE、RMSE、ERMSR、∑7248、R值

表5 不同插補(bǔ)訂正方法不同季節(jié)70m高度的MAE值

但是在不同時(shí)段，各種插補(bǔ)訂正方法的誤差有差別，將數(shù)據(jù)分春、夏、秋、冬四季來討論平均絕對(duì)誤差的差別（表5）。可見，除風(fēng)速段比值法外， 其他各插補(bǔ)訂正方法均為冬季精度最高；除風(fēng)速段比值法、季節(jié)比值法外，其他各插補(bǔ)訂正方法均為秋季精度最低?？傮w來說，風(fēng)向分扇區(qū)線性回歸法四季的精度均為最高，但是秋冬季較其它各方法的優(yōu)勢(shì)比春夏季更明顯。這是由于風(fēng)向分扇區(qū)線性回歸法中ENE－ESE、SW－W扇區(qū)的相關(guān)較差（表3），且這些方向下春、夏季所占比例要大于秋、冬季的比例導(dǎo)致的。

結(jié)論

本文經(jīng)過對(duì)8種不同插補(bǔ)訂正方法的分析比較，得到以下結(jié)論：

（1）在南方復(fù)雜山地下，測(cè)風(fēng)塔受周邊環(huán)境影響較大，一般采用離測(cè)風(fēng)塔最近的測(cè)風(fēng)塔或自動(dòng)站進(jìn)行插補(bǔ)訂正，以便確保周邊環(huán)境的一致。在幾個(gè)參考站中，紅安氣象站距離1#塔較近，但隨著城市的發(fā)展，周邊高樓對(duì)測(cè)風(fēng)環(huán)境影響增大，使得氣象站風(fēng)速偏小。另外，南方地形差距較大，導(dǎo)致氣象站與1#塔風(fēng)速、風(fēng)向的不一致，所以兩者的相關(guān)關(guān)系最差。同理，不能采用2#、3#測(cè)風(fēng)塔對(duì)1#測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行插補(bǔ)訂正。

（2）通過分析比較，8種插補(bǔ)訂正方法中采用風(fēng)向分扇區(qū)線性回歸法進(jìn)行插補(bǔ)訂正誤差最小，分風(fēng)速段比值法誤差最大。其中，季節(jié)線性回歸法與季節(jié)比值法的精度分別高于全年線性回歸法和全年比值法。值得注意的是，比值法中分風(fēng)速段精度最低，而線性回歸法中分風(fēng)速段精度明顯提高，所以將風(fēng)速分段來進(jìn)行插補(bǔ)訂正時(shí)，建議采用線性回歸法。

（3）秋冬季采用風(fēng)向分扇區(qū)線性回歸法較其它插補(bǔ)訂正方法優(yōu)勢(shì)更明顯，而春夏季優(yōu)勢(shì)略小。這是測(cè)風(fēng)塔具體位置和所處環(huán)境所決定的，所以不同時(shí)段插補(bǔ)訂正方法的選取需考慮其具體的環(huán)境情況。

本文僅對(duì)單個(gè)測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行了討論，上述插補(bǔ)訂正方法的優(yōu)劣還要從其它測(cè)風(fēng)塔（南方復(fù)雜山地下）資料的分析中得到進(jìn)一步證實(shí)。