瓜州風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中環(huán)境氣象要素對(duì)比分析

王曉 曹華 郭良才

摘 要：通過(guò)在瓜州電廠區(qū)域建立60m測(cè)風(fēng)塔與瓜州氣象站展開為期1a的同步觀測(cè)，利用兩地同步氣象資料對(duì)比分析，重建電廠廠址近10a氣象資料，揭示電廠所在地氣候特點(diǎn)。同時(shí)利用瓜州1971-2010年40a氣象資料，采用相關(guān)分析法，訂正得到電廠地面歷年氣象要素值的特征。通過(guò)對(duì)比分析，解決了空冷電廠環(huán)境氣象條件分析中氣象資料重建、典型年選取、風(fēng)溫分析等關(guān)鍵技術(shù)，滿足了電廠空冷機(jī)組氣象條件分析的需要，為該地風(fēng)電場(chǎng)的空冷系統(tǒng)的安裝、設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供更科學(xué)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：瓜州風(fēng)電場(chǎng)；高低空；氣象要素

中圖分類號(hào) X820.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2016）02-119-05

Comparison Analysis of Meteorological Parameters based on the Construction of Wind Farm in Guazhou

Wang Xiao et al.

（Meteorological Bureau of Jiuquan City，Jiuquan 735000，China）

Abstract：Through the 60 meter wind tower of Guazhou regional power plant and Guazhou meteorological station，start the simultaneous observations for one year，with the synchronous meteorological data and the meteorological data for 10 years in where the power plant will reconstruct，reveal the climate characteristics.Through meteorological data for 1971-2010，the characteristic of meteorological element was obtained in the power plant over the years. And through the comparative analysis，the key technologies including reconstruction of meteorological data，selection of typical year，and wind temperature analysis were solved，to meet the needs of meteorological condition analysis of air cooling unit in power plant，providing a more scientific basis for the installation，design and operation of the air cooling system of the wind farm.

Key words：Guazhou wind farm；High altitude；Meteorological factors

甘肅酒泉瓜州縣素有世界風(fēng)庫(kù)之稱，是甘肅省風(fēng)能儲(chǔ)量最大的地區(qū)之一。特定的地形、地貌使其自然風(fēng)速較大，風(fēng)向較為恒定，年均風(fēng)速3.0m/s，最大風(fēng)力8～10級(jí)，極大風(fēng)力可達(dá)12級(jí)。瓜州縣風(fēng)能資源可利用面積近1萬(wàn)km2，年風(fēng)能資源可開發(fā)量2 000萬(wàn)kW以上；風(fēng)力發(fā)電氣候環(huán)境好，極限低溫不低于-30℃，空氣濕度低，沒有冰凍、電線結(jié)冰、煙霧等自然災(zāi)害。瓜州縣風(fēng)能利用的前景十分廣闊，是風(fēng)能資源有效利用的良好基地。氣象參數(shù)分析研究是風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的先導(dǎo)，不僅為空冷工程提供氣象參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，而且涉及到未來(lái)的氣候變化和生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估。本文介紹了高低空氣象參數(shù)對(duì)比分析在瓜州電廠建設(shè)中的運(yùn)用。

1 氣象參數(shù)對(duì)比分析方法和目的

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)對(duì)氣象條件精確度的要求，氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響電廠空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度。限于電廠區(qū)域氣象資料貧乏，在電廠附近建一座60m風(fēng)塔，利用瓜州縣氣象站長(zhǎng)時(shí)間序列的氣象資料，與電廠項(xiàng)目建設(shè)所在地的氣象資料進(jìn)行水平、垂直結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，得出它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)項(xiàng)目所在地的資料進(jìn)行修正，確定電廠空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)氣象條件的方案。

2 參證站選取

根據(jù)氣候可行性論證的要求，參證站的氣象資料必須具備代表性、準(zhǔn)確性、連續(xù)性。瓜州氣象站與廠區(qū)均屬于典型的大陸性氣候，其主要特點(diǎn)是降雨少、蒸發(fā)大、光照時(shí)間長(zhǎng)，冬春季干旱多風(fēng)沙天氣。由于兩地地形、地貌無(wú)大差異，兩地的氣候特征不存在明顯的差異。距電廠最近的氣象站是瓜州縣氣象站，距離電廠的直線距離為54.2km。而且瓜州縣氣象站于1937年建站，位于40.32°N，95.47°E，海拔高度為1 170.9m，有超過(guò)70a的連續(xù)氣象記錄，觀測(cè)年限長(zhǎng)，資料序列代表性好，因此，選擇瓜州縣氣象站作為對(duì)比氣象站。

3 電廠區(qū)域臨時(shí)氣象站的建立

在電廠廠址所在地建立了一座60m測(cè)風(fēng)塔，并進(jìn)行為期1a的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。觀測(cè)項(xiàng)目如下：地面1.5m、10m、30m和60m高度的干球溫度、風(fēng)速和相應(yīng)風(fēng)向。

4 氣象站氣象參數(shù)的變化趨勢(shì)分析

4.1 溫度變化趨勢(shì) 從瓜州縣氣象站1963-2012年年平均氣溫線性變化趨勢(shì)線來(lái)看（圖1），瓜州縣年平均氣溫在近50a在波動(dòng)中呈拋物線性趨勢(shì)升高。主要表現(xiàn)在：20世紀(jì)60～80年代氣溫變化比較平穩(wěn)，自20世紀(jì)80年代后期開始平均氣溫開始波動(dòng)升高，目前還處在上升期。

圖1 瓜州縣氣象站1963-2012年年平均氣溫變化曲線

4.2 風(fēng)速變化趨勢(shì) 從瓜州縣氣象站1963-2012年年平均風(fēng)速的線性變化趨勢(shì)來(lái)看（圖2），平均風(fēng)速呈多項(xiàng)式演變，20世紀(jì)60～70年代中期風(fēng)速偏大，之后呈緩慢下降期，21世紀(jì)初降到最低，目前處于緩慢上升階段。

4.3 風(fēng)向變化 瓜州縣氣象站多年各個(gè)風(fēng)方位的出現(xiàn)頻率結(jié)果表明，該站以偏東風(fēng)為主，偏西風(fēng)次之。在未來(lái)氣溫升高、風(fēng)速緩慢增加的大氣候背景下，風(fēng)向的變化與基準(zhǔn)時(shí)段基本一致，無(wú)大變化。

5 觀測(cè)期間廠址處和氣象站氣象要素對(duì)比分析

5.1 氣溫 從圖3可看出，常樂電廠廠址與瓜州縣氣象站1～12月平均氣溫變化趨勢(shì)一致，常樂電廠廠址比瓜州縣氣象站年平均氣溫僅偏低-0.2℃，四季平均氣溫除秋季相對(duì)偏高外，其余均偏低。這種兩地平均氣溫差別的原因主要是受地理環(huán)境的影響。

5.2 風(fēng)相關(guān)性分析

5.2.1 廠址與氣象站月平均風(fēng)速對(duì)比分析 從常樂電廠廠址與瓜州縣氣象站逐月平均風(fēng)速變化圖可以看出，2地月平均風(fēng)速變化趨勢(shì)基本一致（圖4）。常樂電廠廠址的風(fēng)速明顯大于瓜州縣氣象站，月平均風(fēng)速偏大2.4～4.0m/s，全年平均風(fēng)速常樂電廠廠址比瓜州縣氣象站大3.2m/s。

5.2.2 觀測(cè)期間廠址和氣象站風(fēng)向分析 由圖5可看出，2站點(diǎn)的主導(dǎo)風(fēng)向以偏東風(fēng)為主，廠區(qū)最多風(fēng)向較瓜州站向北偏30°左右，造成廠區(qū)最多風(fēng)向的最主要原因是地形因素影響。

6 觀測(cè)期間廠址各層氣象要素對(duì)比分析

6.1 氣溫 從表1可看出，廠址地面、10m、30m、60m處年平均氣溫分別為9.3℃、10.0℃、10.1℃、10.1℃。除夏季外，60m平均氣溫均高于其它高度的氣溫，即氣溫的垂直分布特點(diǎn)為溫度由低向高處遞增。

6.2 風(fēng)速

6.2.1 觀測(cè)期間廠址10m、30m、60m高度月平均風(fēng)速對(duì)比分析 由圖6可以看出：10～60m，各月風(fēng)速隨高度增加，30m較10m高度偏大0.4～0.7m/s，60m較30m高度亦偏大0.4～0.7m/s；各高度月平均風(fēng)速曲線變化趨勢(shì)基本一致，9月風(fēng)速最小，10m、30m、60m風(fēng)速分別為5.8m/s、6.4m/s、7.0m/s。

6.2.2 觀測(cè)期間廠址10m、30m、60m高度日平均風(fēng)速對(duì)比分析 圖7為觀測(cè)期間，10m、30m、60m高度日平均風(fēng)速圖。由圖7可見，觀測(cè)期間絕大部分時(shí)間日平均風(fēng)速隨高度增大。30m比10m高度風(fēng)速大0.6m/s，60m高度比30m高度風(fēng)速亦偏大0.6m/s。

7 廠址處近10a歷史資料的重建

7.1 技術(shù)方法 利用瓜州縣氣象站近10a逐時(shí)氣象要素值，采用一元線性回歸訂正法，計(jì)算廠址近10a逐時(shí)氣象要素值。即：假設(shè)x代表瓜州縣氣象站、y代表廠址、2014年3月1日至2015年2月28日作為觀測(cè)期，以廠址、瓜州縣氣象站觀測(cè)期間相應(yīng)月份逐時(shí)氣象要素資料系列建立回歸方程：y=a+bx，回歸系數(shù)用最小二乘法確定，求得廠址近10a歷年各月逐時(shí)氣象要素訂正值。

7.2 氣溫反演 利用廠區(qū)、瓜州縣氣象站2014年3月至2015年2月觀測(cè)期間，瓜州站地面與廠區(qū)各高度氣溫資料計(jì)算得出各月回歸方程、相關(guān)系數(shù)，其相關(guān)系數(shù)除1月<0.90外，其它>0.90，均通過(guò)0.001的相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)。從廠址和瓜州縣氣象站氣溫的相關(guān)性分析看（表2），相關(guān)性好，相關(guān)系數(shù)顯著，表明下墊面性質(zhì)接近，下墊面熱力作用造成的溫度差異相對(duì)較小。利用瓜州縣氣象站近10a歷年各月逐時(shí)氣溫資料及相應(yīng)月份回歸方程可求得廠址30m、60m高度近10a歷年各月逐時(shí)氣溫。

7.3 風(fēng)速與風(fēng)向反演

7.3.1 風(fēng)速線性相關(guān)分析 以氣象站逐時(shí)風(fēng)速為自變量，以廠址觀測(cè)點(diǎn)的逐時(shí)風(fēng)速為因變量，建立廠址與氣象站各月逐時(shí)風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系，得出各月相關(guān)系數(shù)r、回歸方程系數(shù)（a、b）及各月回歸方程。從計(jì)算結(jié)果可以看出，以觀測(cè)期內(nèi)廠址10m、30m和60m高各月逐時(shí)風(fēng)速資料與瓜州縣氣象站同期資料計(jì)算得出的各月回歸方程相關(guān)系數(shù)除10m高度個(gè)別月份外，絕大部分在0.95以上，相關(guān)很顯著。

7.3.2 風(fēng)向相關(guān)分析 根據(jù)觀測(cè)期內(nèi)電廠廠址10m、30m、60m高度和瓜州縣氣象站10m高度各月逐時(shí)風(fēng)向資料，首先分析兩站的風(fēng)向變化是否一致。觀測(cè)期內(nèi)，常樂電廠廠址、瓜州縣氣象站兩地風(fēng)向分布差異較小。常樂電廠廠址10m高度最多風(fēng)向以E、NE為主，瓜州站的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋和ESE，根據(jù)兩地風(fēng)速和風(fēng)向的比較分析，說(shuō)明這兩地是位于同一風(fēng)場(chǎng)中，可以采用相關(guān)分析的方法，找出其相關(guān)規(guī)律性。主導(dǎo)風(fēng)向的相關(guān)分析，通過(guò)風(fēng)向頻率玫瑰圖來(lái)表示，所依據(jù)的基礎(chǔ)資料是兩地逐風(fēng)向?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)。

8 空冷氣象參數(shù)的分析統(tǒng)計(jì)

根據(jù)代表廠址60m高度實(shí)際情況的近10a反演氣溫資料，分別按照以某年年平均氣溫與近10a平均氣溫和近5a平均氣溫進(jìn)行比較，選擇其中較不利年份，若出現(xiàn)幾個(gè)典型年年份，以最近年份作為典型年的選取原則，分別選出近10a和近5a的典型年，比較2個(gè)典型年，以對(duì)應(yīng)氣溫分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的累積小時(shí)數(shù)為200h時(shí)相應(yīng)溫度較高的年份作為最終的典型年。通過(guò)此方法，確定2011年為典型年。

9 結(jié)論

通過(guò)瓜州氣象資料和電廠區(qū)域氣象資料的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）常樂電廠廠址與瓜州縣氣象站逐月、逐日、逐時(shí)平均氣溫變化趨勢(shì)一致，但常樂電廠廠址月平均氣溫與瓜州縣氣象站除10月廠區(qū)偏高0.8℃外，其它月份偏低-0.2～-0.7℃，常樂電廠廠址氣溫年平均日較差比瓜州縣氣象站小0.2℃。9月至次年4月中旬，地面和30m間存在貼地逆溫，11～12月30m和60m間易形成低懸逆溫。

（2）常樂電廠廠址與瓜州縣氣象站逐月平均風(fēng)速變化趨勢(shì)基本一致。常樂電廠廠址年平均風(fēng)速為5.8m/s，月平均風(fēng)速最大出現(xiàn)在4月；瓜州縣氣象站年平均風(fēng)速為2.6m/s，月平均風(fēng)速最大出現(xiàn)在2月和4月。常樂電廠廠址的風(fēng)速明顯大于瓜州縣氣象站，全年平均風(fēng)速偏大3.2m/s。10m、30～60m，各月風(fēng)速隨高度升高而增加；各高度月平均風(fēng)速變化趨勢(shì)基本一致。

（3）觀測(cè)期內(nèi)，常樂電廠廠址、瓜州縣氣象站兩地風(fēng)向分布差異較小。常樂電廠廠址10m高度最多風(fēng)向以偏東東北風(fēng)為主。常樂電廠廠址、瓜州縣氣象站兩地的主導(dǎo)風(fēng)向以偏東風(fēng)為主，廠區(qū)最多風(fēng)向較瓜州站向北偏30°左右，造成廠區(qū)最多風(fēng)向的最主要原因是地形因素影響。

（4）通過(guò)瓜州氣象資料和電廠區(qū)域內(nèi)氣象資料的平行、垂直結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，解決了空冷電廠環(huán)境氣象條件分析中氣象資料重建、典型年選取、風(fēng)溫分析等關(guān)鍵技術(shù)；滿足了電廠空冷機(jī)組氣象條件分析的需要，為該地風(fēng)電場(chǎng)的空冷系統(tǒng)的安裝、設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供更科學(xué)的依據(jù)。

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（責(zé)編：張宏民）