再分析數(shù)據(jù)在風(fēng)能資源評估中的優(yōu)勢和局限性*

文 | 劉漢武，王文本，江瀅，董旭光

再分析數(shù)據(jù)在風(fēng)能資源評估中的優(yōu)勢和局限性*

文 | 劉漢武，王文本，江瀅，董旭光

國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估辦法》規(guī)定，利用風(fēng)電場附近氣象站、海洋站等長期測站的測風(fēng)數(shù)據(jù)，將風(fēng)電場測風(fēng)塔短期測風(fēng)數(shù)據(jù)訂正為代表年風(fēng)況數(shù)據(jù)，以達(dá)到評估風(fēng)電場風(fēng)能資源氣候平均態(tài)的目的。長期測站的選取應(yīng)有：30年以上規(guī)范的測風(fēng)記錄；距離風(fēng)電場較近；與風(fēng)電場區(qū)域具有相似的地形、地貌和天氣氣候特征。但是，部分氣象站，由于近幾十年來城市（城鎮(zhèn)）的快速發(fā)展，氣象臺站周邊樓房等人為建筑物逐漸聳立，氣象臺站離地10m的測風(fēng)數(shù)據(jù)或多或少都受到臺站周邊人為建筑物的影響，已不足以代表中國的風(fēng)況。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，再分析數(shù)據(jù)和衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)等代用數(shù)據(jù)也逐漸為應(yīng)用工程服務(wù)。部分學(xué)者開始探究將再分析或衛(wèi)星數(shù)據(jù)代替氣象站長期測風(fēng)數(shù)據(jù)用于風(fēng)能資源評估的可能性。風(fēng)能資源評估從評估區(qū)域的空間尺度可分為全國和區(qū)域的較大尺度的資源評估和擬建風(fēng)電場區(qū)域較小尺度的資源評估兩類。陳勝東等和趙彥廠等以NCEP/ NCAR再分析資料為基礎(chǔ)分別對浙江和江蘇省區(qū)域的風(fēng)能進(jìn)行數(shù)值模擬，并與實測風(fēng)速進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明 NCEP/ NCAR 再分析資料能較好地反映研究區(qū)域風(fēng)能空間分布。馮雙磊等利用 NCEP/NCAR 數(shù)據(jù)，采用MCP分析方法評估了某規(guī)劃風(fēng)電場的風(fēng)能資源。施曉暉等從氣候變化角度分析了NCEP/NCAR再分析風(fēng)速和表面溫度的可信度。這些研究都局限于某個風(fēng)電場或局地風(fēng)能資源的分析研究。本文系統(tǒng)地分析研究了再分析資料在模擬中國近地層風(fēng)速的平均分布、數(shù)值大小、變化趨勢、年變化特征以及大小風(fēng)速年景等方面的能力；并選取安徽省蕭縣和泗縣氣象站為典型個例，探討再分析資料在風(fēng)電場風(fēng)能資源評估中應(yīng)用的特點；最后從工程應(yīng)用的角度，著重分析再分析資料在風(fēng)能資源評估方面，尤其在風(fēng)能資源分布和長年代訂正方面的優(yōu)勢和局限性。

資料和方法

一、實測資料

本文從中國基準(zhǔn)、基本氣象臺站和一般氣象臺站中挑選出1961年－2005年時段內(nèi)無缺測，且周邊人為建筑影響較小的535個氣象站，這些氣象站都符合WMO全球觀測系統(tǒng)規(guī)范和中國氣象局觀測技術(shù)規(guī)范，由國家氣象信息中心提供。

二、再分析數(shù)據(jù)

美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）分別與美國國家大氣研究中心（NCAR）和美國能源部（DOE）合作研制的NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集。歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）再分析中心研發(fā)的ERA-40和ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)集。

三、對比檢驗法

風(fēng)速偏大（?。┠辏菏侵冈撃昴昶骄L(fēng)速比多年平均風(fēng)速大（?。?。

大（?。╋L(fēng)年景：是指該年年平均風(fēng)速比多年平均風(fēng)速大（?。┏^多年平均風(fēng)速的4%。

風(fēng)速偏大小年一致率（大小風(fēng)年景一致率）：是指對比的兩組風(fēng)速偏大年（大風(fēng)年景）與實測一致的年數(shù)與偏小年（小風(fēng)年景）與實測一致的年數(shù)的和，與總年數(shù)的比率。

風(fēng)速偏大小年相反率（大小風(fēng)年景相反率）：是指模擬風(fēng)速偏大年（大風(fēng)年景）時，實測風(fēng)速為偏小年（小風(fēng)年景）的年數(shù)；與模擬風(fēng)速偏小年（小風(fēng)年景）時，實測風(fēng)速為偏大年（大風(fēng)年景）的年數(shù)和，與總年數(shù)的比率。

四、剔除線性趨勢法

風(fēng)速序列與線性回歸序列的殘差序列即為剔除變化趨勢的風(fēng)速序列。

五、區(qū)域劃分

根據(jù)中國近地層風(fēng)速分布和變化特征，結(jié)合地形地貌特點，將中國地區(qū)分為北-西北、東北、西南、中南和東南5個區(qū)域。

分布特征比較

表1 各區(qū)年平均風(fēng)速值（m/s）和風(fēng)速歷年變化趨勢（m/s·10a）表（1961年-2005年）

中國1961年－2005年年平均風(fēng)速呈“北大南小，沿海大內(nèi)陸小”的基本分布特征，其中新疆大部、河套至四川華南為兩個較小風(fēng)速中心；青藏高原、華北至東北南部、東南沿海三個較大風(fēng)速中心（圖1）。再分析數(shù)據(jù)都能較好地模擬出中國“北大南小，沿海大內(nèi)陸小”的基本分布特征，并也在一定程度上模擬出中國平均風(fēng)速兩個較小風(fēng)速中心和三個較大風(fēng)速中心，但大（或?。╋L(fēng)速中心的位置和范圍有所差異，其中ERA-interim模擬較?。ɑ虼螅╋L(fēng)速中心的位置和范圍最接近實測。

從再分析平均風(fēng)速與實測的差值分布來看（圖略），ERA-40和ERA-interim模擬全國絕大部分地區(qū)平均風(fēng)速均偏小。NCEP模擬新疆大部、東北東部和華北至江南的部分地區(qū)平均風(fēng)速偏小，模擬寧夏南部至四川和云南等部分地區(qū)平均風(fēng)速偏大。

變化特征比較

一、 變化趨勢

1961年－2005年中國各區(qū)實測年平均風(fēng)速呈明顯的減小趨勢變化（圖2），與許多學(xué)者的研究結(jié)論一致。NCEP能模擬出各區(qū)域和全國風(fēng)速呈顯著減小的變化趨勢，且模擬北-西北、西南、東南和全國平均風(fēng)速減小趨勢值與實測相當(dāng)，但未能模擬出東北區(qū)和中南區(qū)平均風(fēng)速變化趨勢特征。ERA-interim和ERA-40模擬出各區(qū)域風(fēng)速變化趨勢與實測差約1個量級。

表2 風(fēng)資源區(qū)和全國大小風(fēng)年景表（1985年-2005年）

二、 大小風(fēng)年景的一致性

為了避免再分析數(shù)據(jù)模擬風(fēng)速變化趨勢的能力影響大小風(fēng)年景的判別，首先剔除年平均風(fēng)速的變化趨勢。從表2中可以看出，除了ERA-40模擬東北區(qū)平均風(fēng)速偏大和偏小年與實測一致率超過70%外，三套再分析數(shù)據(jù)模擬全國平均和風(fēng)能資源豐富的北-西北、東北和東南區(qū)平均風(fēng)速偏大和偏小風(fēng)年與實測一致率一般在50%-70%。

再分析數(shù)據(jù)模擬中國和區(qū)域風(fēng)速的大小風(fēng)年景與實測的一致率非常不穩(wěn)定，其中ERA-40和NCEP模擬的東北區(qū)風(fēng)速大小風(fēng)年景非常好，與實測一致率達(dá)80%，但ERA-40模擬的北-西北區(qū)、東南區(qū)和全國大小風(fēng)年景與實測的一致率為0%。除了NCEP模擬東北區(qū)外，沒有再分析數(shù)據(jù)模擬大小風(fēng)年景與實測相反（表2）。也就是說，再分析數(shù)據(jù)難以模擬區(qū)域平均風(fēng)速的年際變化特征。

表3 典型站多年年平均風(fēng)速及其變化趨勢（1985年-2001年）

三、季節(jié)變化特征

實測風(fēng)速年變化特征表明（圖3），北-西北區(qū)平均風(fēng)速季節(jié)變化特征明顯，ERA-40和ERA-interim基本上能模擬出北-西北區(qū)平均風(fēng)速的季節(jié)變化，但NCEP不能模擬出平均風(fēng)速的季節(jié)變化；NCEP能較好地模擬出中南區(qū)的季節(jié)變化，而ERA不能；三種再分析數(shù)據(jù)都能較好地模擬出西南區(qū)風(fēng)速的季節(jié)變化，且都不能模擬出東北區(qū)和東南區(qū)風(fēng)速的季節(jié)變化。從全國平均來看，三種再分析數(shù)據(jù)難以穩(wěn)定地模擬出中國風(fēng)速的季節(jié)變化特征。

個例分析

選取安徽省典型測站進(jìn)行分析。挑選條件為：（a）地形地貌特征一致；（b）天氣氣候特征一致；（c）1985年－2001年期間無遷址、無測風(fēng)儀器變更、無測風(fēng)儀器高度改變；（d）1985年－2001年期間周邊10km無超過2層樓房建設(shè)。以符合條件的蕭縣和泗縣為典型測站，對再分析數(shù)據(jù)模擬近地層風(fēng)速能力進(jìn)行個例分析和檢驗。

從表3可知，1985年－2001年蕭縣和泗縣年平均風(fēng)速呈明顯的減小趨勢。再分析數(shù)據(jù)模擬這兩個典型測站無明顯或略呈增加趨勢變化。再分析數(shù)據(jù)模擬兩站平均風(fēng)速值比實測小50%左右，即，再分析數(shù)據(jù)不能模擬出單點的風(fēng)速的長期趨勢變化特征。

剔除變化趨勢后，蕭縣年平均風(fēng)速偏大和偏小年與泗縣的一致率達(dá)76.49%；再分析模擬風(fēng)速偏大和偏小年與實測的一致率一般在50%左右。兩測站大小風(fēng)年景一致率達(dá)84.21%；再分析數(shù)據(jù)模擬大小風(fēng)年景一致率一般不到50%。兩測站大小風(fēng)年景相反率為0%，但三套再分析數(shù)據(jù)模擬測站風(fēng)速大小風(fēng)年景與實測相反率為30－40%（表4）。

表4 典型測站大小風(fēng)年景表統(tǒng)計表（1985年-2001年）

可知按照本節(jié)條件選擇A、B兩測站，假設(shè)A測站僅有一年觀測，用另一測站B對其偏大或偏小年訂正到多年平均態(tài)時，準(zhǔn)確率達(dá)84%，個別年即使不是大風(fēng)（小風(fēng)）年景，也是偏大（偏?。╋L(fēng)年。因此，利用A、B測站進(jìn)行風(fēng)能資源評估的長年代訂正，無論使用《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的相關(guān)系數(shù)法，還是簡單直觀的大小風(fēng)年景法，都可以減小因擬建風(fēng)電場測風(fēng)塔觀測時間短，而造成的觀測誤差。如果用再分析數(shù)據(jù)對A測站一年的觀測進(jìn)行長年代訂正，由于再分析數(shù)據(jù)與實測一致率僅為50%左右，使得訂正后的風(fēng)速有50%的可能性，能減小觀測時間短造成的觀測誤差；又因再分析數(shù)據(jù)與實測存在相反率，即，存在一定的可能性，把A測站實測年風(fēng)速大于（小于）多年平均風(fēng)速時的風(fēng)速訂正得更大（更?。鴰眍~外的誤差。

小結(jié)與討論

通過前面的對比研究可知，ERA-40、ERA-interm和NCEP再分析數(shù)據(jù)在模擬中國區(qū)域近地層風(fēng)速分布方面具有一定的能力。即，再分析數(shù)據(jù)在提供和分析較大尺度的區(qū)域風(fēng)能資源的分布特征，較粗略地了解風(fēng)速較大區(qū)域和風(fēng)速較小區(qū)域等方面具有一定的優(yōu)勢。但再分析數(shù)據(jù)都較難模擬出近50年來中國和區(qū)域風(fēng)速呈顯著減小的變化趨勢、大小風(fēng)年景以及季節(jié)變化特征。

兩個典型氣象站間具有較高的風(fēng)速偏大偏小年一致性和較高的大小風(fēng)年景的一致性，且無大小風(fēng)年景相反率為0%；再分析數(shù)據(jù)模擬氣象站位置的年平均偏大偏小風(fēng)速年與實測的一致率較小，大小風(fēng)年景一致率不穩(wěn)定，且存在一定的相反率。由此說明，在盡量排除認(rèn)為建筑影響的前提下，相同的天氣氣候條件、相似的地形地貌特征的兩個測站，具有相似的風(fēng)速變化特征，進(jìn)行風(fēng)能資源長年代訂正可以減小由于測風(fēng)塔觀測時間短而帶來的觀測誤差；而利用再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行長年代訂正，有50%的可能性能減小測風(fēng)塔觀測年短造成的觀測誤差，同時存在帶來額外誤差的可能性。

當(dāng)然，本文使用的大小風(fēng)年景或偏大偏小風(fēng)速與《標(biāo)準(zhǔn)》中附錄A推薦使用的16方位測風(fēng)塔風(fēng)速與氣象站風(fēng)速相關(guān)關(guān)系法有所不同。但是，無論什么方法，長年代訂正主要目的是判斷測風(fēng)塔實測年風(fēng)速是否與近30年平均風(fēng)速存在差異，并將這種差異對測風(fēng)塔實測數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，以減小由于測風(fēng)塔實測年較短而帶來的觀測誤差。個例分析說明，如果采用再分析數(shù)據(jù)代替長期測站進(jìn)行長年代訂正，有30%－50%的可能性會給評估帶來額外誤差。另外，再分析數(shù)據(jù)不僅僅只有這三種，還有JMA、CMA等單位再分析數(shù)據(jù)，也有3-Tier和MERRA等融入了衛(wèi)星、更多的實測數(shù)據(jù)和增加了更先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)等的代用數(shù)據(jù)集。但是無論是衛(wèi)星數(shù)據(jù)還是再分析數(shù)據(jù)（目前大多數(shù)再分析數(shù)據(jù)融合了實測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)等），或是兩者融合等數(shù)據(jù)集，都是通過數(shù)值模擬、衛(wèi)星反演等技術(shù)方法獲得的代用數(shù)據(jù)集。此類數(shù)據(jù)在分析、研究甚至應(yīng)用于較大范圍的風(fēng)能資源分布特征，將實測數(shù)據(jù)由“點”推廣到“面”等方面具有明顯的優(yōu)勢。但代用數(shù)據(jù)由于受到其研制原理和目前技術(shù)能力所限，在模擬或反演近地層風(fēng)速變化方面仍存在明顯的不足。個人認(rèn)為，就目前的代用數(shù)據(jù)來說，不宜直接用于風(fēng)電場風(fēng)能資源評估中的長年代訂正。對于風(fēng)電場風(fēng)能資源評估的長年代訂正，今后應(yīng)從實際應(yīng)用角度出發(fā)，進(jìn)一步研發(fā)實測數(shù)據(jù)的應(yīng)用技術(shù)、實測與再分析數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)集聯(lián)合應(yīng)用技術(shù)、模式和模型等的應(yīng)用技術(shù)等。

（作者單位：劉漢武，王文本：安徽省巢湖氣象局；江瀅：中國氣象局公共氣象服務(wù)中心；董旭光：山東省氣候中心）

國家自然基金“中國觀測風(fēng)速長期變化的原因和機(jī)制研究”項目（41205114）