巴基斯坦瓜達爾港的風(fēng)能資源評估

鄭崇偉,李崇銀,楊 艷,陳 雄(.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院,江蘇南京20;2.中國科學(xué)院大氣物理研究所,大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室,北京00029;3.海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧大連608;.國家海洋局,北京00860)

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巴基斯坦瓜達爾港的風(fēng)能資源評估

鄭崇偉1,2,3,李崇銀1,2*,楊 艷4,陳 雄1
(1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院,江蘇南京211101;2.中國科學(xué)院大氣物理研究所,大氣科學(xué)和地球流體
力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室,北京100029;3.海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧大連116018;4.國家海洋局,北京100860)

摘要:利用來自歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)的ERA-interim風(fēng)場資料,對瓜達爾港的風(fēng)能資源展開評估.結(jié)果表明:1)瓜達爾港的風(fēng)能資源常年可用,風(fēng)能密度、有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率、不同等級風(fēng)能密度出現(xiàn)的頻率都表現(xiàn)出明顯的單峰型月變化特征,峰值出現(xiàn)在4—5月,波谷出現(xiàn)在11—12月;年平均值分別為:風(fēng)能密度121 W/m2,有效風(fēng)速頻率43%,50 W/m2以上能級頻率55%.2)從風(fēng)能玫瑰圖看出,瓜達爾港的風(fēng)能常年穩(wěn)定由偏西南(SW)向的風(fēng)貢獻.2月和11月,400和500 W/m2及以上高風(fēng)能密度主要由北北東(NNE)向的風(fēng)貢獻;5月和8月,高風(fēng)能密度主要由偏西南(SW)向的風(fēng)貢獻.3)瓜達爾港的風(fēng)能主要經(jīng)歷了兩個階段:1979—2000年期間,風(fēng)能密度在120 W/m2上下波動,有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率在45%上下浮動;2001—2014年期間,風(fēng)能密度在110 W/m2上下波動,有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率在40%上下浮動.4)瓜達爾港的6級及以上大風(fēng)頻率常年在1.5%以內(nèi);出現(xiàn)頻率最高的為3級風(fēng)(34.29%),其次是4級風(fēng)(28.32%)和2級風(fēng)(23.11%).

關(guān)鍵詞:瓜達爾港;風(fēng)能資源;風(fēng)能密度;能級頻率;風(fēng)能玫瑰圖

瓜達爾港(Gwadar Port)作為21世紀(jì)海上絲綢之路的關(guān)鍵節(jié)點(同時也是陸上絲綢之路的關(guān)鍵節(jié)點),位于巴基斯坦俾路支省西南部,為深水港.目前為止,關(guān)于瓜達爾港風(fēng)能資源的評估尚處于空白狀態(tài).做好風(fēng)能、波浪能等清潔、可再生能源的開發(fā)工作,將有效提高邊遠(yuǎn)海島、深遠(yuǎn)海、重要港口的生存能力及可持續(xù)發(fā)展能力[1-4].本文利用來自歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts,ECMWF)1979—2014年的ERA-interim風(fēng)場資料,對瓜達爾港的風(fēng)能資源展開評估,期望可以促進瓜達爾港可持續(xù)發(fā)展.

1 數(shù)據(jù)及計算

ERA-interim再分析風(fēng)場資料(含海表10 m的經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng))來自ECMWF,空間范圍為90°S～90°N, 180°W～180°E;空間分辨率有0.125°×0.125°,0.25°× 0.25°,0.5°×0.5°,0.75°×0.75°,1.0°×1.0°,…,2.5°× 2.5°,本文選擇其中0.125°×0.125°的空間分辨率;時間序列為1979年1月1日00:00至今,不斷更新中,本文選擇的時間范圍為1979—2014年;空間分辨率為逐6 h(每6 h一個數(shù)據(jù)),數(shù)據(jù)網(wǎng)址為http:∥dataportal.ecmwf.int/data/d/interim_daily/.

ERA-interim再分析資料是繼其早期產(chǎn)品ERA-40之后的新產(chǎn)品,該數(shù)據(jù)使用了分辨率更高的氣象模式,在觀測資料的應(yīng)用及同化方法方面也有很大改進[5]:使用最新的12 h窗口的四維變分同化技術(shù)(4DVar),同化的資料包括衛(wèi)星資料(ERS-1、ERS-2和QuikSCAT)、常規(guī)觀測資料以及模式數(shù)據(jù),作用在于提供ECMWF早期產(chǎn)品和新一代產(chǎn)品之間的銜接,目的是對ERA-40和更早的數(shù)據(jù)進行完善.ERA-interim作為ECMWF最新開發(fā)的同化數(shù)據(jù)集,理論上應(yīng)該比之前的ERA-15和ERA-40更加精確.Dee等[6]、Song等[7]、Bao等[8]曾將NCEP—CFSR(National Centers for Environmental Pre-diction—Climate Forecast System Reanalysis)、NCEP—NCAR(National Centers for Environmental Prediction—National Center for Atmospheric Research)、ERA-interim和ERA-40再分析幾種數(shù)據(jù)與觀測資料進行比較,發(fā)現(xiàn)ERA-interim在均方根誤差和偏差方面更優(yōu).

本文利用ERA-interim再分析風(fēng)場資料,分析了瓜達爾港的風(fēng)能資源特征,主要包括:風(fēng)能密度的月變化特征、風(fēng)能資源開發(fā)的有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率、能級頻率、風(fēng)能玫瑰圖、風(fēng)能密度的長期變化趨勢、風(fēng)力等級頻率.風(fēng)能密度定義為垂直于氣流的單位截面上風(fēng)的功率[9-10],計算方法為:

式中:W為風(fēng)能密度,W/m2;V為風(fēng)速,m/s;ρ為空氣密度,kg/m3.利用1979年1月1日00:00時—2014 年12月31日18:00時逐6 h的ERA-interim風(fēng)場資料,計算得到瓜達爾港1979—2014年逐6 h的風(fēng)能密度.

2 瓜達爾港的風(fēng)能特征

2.1風(fēng)能的月變化特征

瓜達爾港的風(fēng)能在1979—2014年期間的月變化特征見圖1.該區(qū)域的風(fēng)能密度呈明顯的單峰型月變化特征,峰值出現(xiàn)在4—5月,達到190 W/m2;波谷出現(xiàn)在11—12月,70 W/m2左右;全年有一半月份在100 W/m2以上,年均風(fēng)能密度為121 W/m2.通常認(rèn)為風(fēng)能密度在50 W/m2以上為可用,200 W/m2以上為豐富[11-13].顯然,瓜達爾港的風(fēng)能常年處于可用范圍,在4—5月更是接近豐富范圍;且本文計算的是海表10 m高度的風(fēng)能,在實際的風(fēng)機安裝過程中,塔架通常會高于本文的計算高度,因而有更大的利用潛能.

圖1　瓜達爾港風(fēng)能密度的月變化特征Fig.1 Monthly characteristics of wind power density in the Gwadar Port

2.2有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率

在風(fēng)能開發(fā)利用過程中,通常認(rèn)為風(fēng)速在5～25 m/s之間有利于風(fēng)能資源的采集與轉(zhuǎn)換,并將這個區(qū)間的風(fēng)速定義為有效風(fēng)速[14-15].統(tǒng)計瓜達爾港各月的有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率見圖2.該區(qū)域的有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率表現(xiàn)出明顯的單峰型月變化特征,與風(fēng)能密度的月變化特征相近.峰值出現(xiàn)在4—5月,出現(xiàn)頻率高達60%以上;波谷出現(xiàn)在11—12月,出現(xiàn)頻率在25%左右.太陽能由于受到白晝的限制,可用時間基本在50%以內(nèi)[16-17],而瓜達爾港有效風(fēng)速的年均頻率為43%,這是該區(qū)域風(fēng)能資源的明顯優(yōu)勢.

圖2　瓜達爾港各月的有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率Fig.2 Monthly occurrences of effective wind speed in the development of wind energy in the Gwadar Port

2.3能級頻率

在風(fēng)能開發(fā)過程中,通常認(rèn)為風(fēng)能密度在50 W/m2以上為可用(有的標(biāo)準(zhǔn)為100 W/m2以上),200 W/m2以上為豐富[11-13].統(tǒng)計瓜達爾港各月50 W/m2以上,100 W/m2以上,200 W/m2以上的能級頻率見圖3.各等級的能級頻率都表現(xiàn)出單峰型月變化特征,與有效風(fēng)速頻率的月變化特征相近.50 W/m2以上能級頻率:峰值為4—5月,出現(xiàn)頻率都在70%以上,其余大部分月份也都在40%以上,年均出現(xiàn)頻率為55%,表明瓜達爾港的風(fēng)能可利用率很高.100 W/m2以上、200 W/m2以上的能級頻率與50 W/m2以上的能級頻率的月變化特征相近,只是數(shù)值上有所偏低.

2.4風(fēng)能玫瑰圖

在風(fēng)能開發(fā)過程中,對風(fēng)向頻率是極為關(guān)注的,如果常年的風(fēng)向穩(wěn)定,主要由1或2個風(fēng)向主導(dǎo),這就極有利于風(fēng)機對風(fēng)能的捕獲,有效提高采集、轉(zhuǎn)換效率,同時還有利于延長風(fēng)機壽命.傳統(tǒng)利用Excel軟件、風(fēng)能軟件制作的雷達圖,可以描述不同方向風(fēng)速出現(xiàn)的頻率,但是不能體現(xiàn)不同等級風(fēng)速出現(xiàn)的頻率.本文繪制了一種風(fēng)能玫瑰圖,將風(fēng)向分為16方位,即北(N)、南(S)、東(E)、西(W)、東北(NE)、東南(SE)、西北(NW)、西南(SW)、北北東(NNE)、東北東(ENE)、南南東(SSE)、東南東(ESE)、北北西(NNW)、西北西(WNW)、南南西(SSW)、西南西(WSW),統(tǒng)計每個方位不同等級風(fēng)能密度出現(xiàn)的頻率.采用該方法,分別以2,5,8,11月作為四季的代表月,繪制了瓜達爾港的風(fēng)能玫瑰圖,見圖4.

圖3　瓜達爾港各月的風(fēng)能能級頻率Fig.3 Occurrence of energy scale of wind power density in the Gwadar Port

圖4　瓜達爾港的風(fēng)能玫瑰圖Fig.4 Wind energy rose diagram in the Gwadar Port

整體來看,瓜達爾港的風(fēng)能常年穩(wěn)定由偏SW向的風(fēng)貢獻,這對于風(fēng)能開發(fā)是很有利的.2月,出現(xiàn)頻率最高的風(fēng)是WSW向,占15.9%,其中0～50和100 ～200 W/m2的風(fēng)貢獻率最高,分別為5.5%和4.6%;W向、SW向出現(xiàn)的頻率僅次于WSW向;500 W/m2及以上的高風(fēng)能主要由NNE向貢獻(1.5%),其次是W向、WSW向、WNW向.5月,風(fēng)能主要由SW向貢獻,占35.8%,其中,100～200,200～300, 300～400 W/m2的風(fēng)貢獻率最高,分別為10.0%, 6.0%,4.0%;其次是WSW向,100～200 W/m2的風(fēng)貢獻率最高(8.0%);500 W/m2及以上的高風(fēng)能主要由SW向貢獻(2.6%),其次是WSW向.8月,對風(fēng)能貢獻率最大的風(fēng)是SSW向,占34.8%,其次是SW向、S向;高風(fēng)能密度主要源自SW、SSW向.11月,貢獻率最高的風(fēng)是WSW向,占17.8%,其次是SW向、W向;400 W/m2及以上高風(fēng)能密度主要源自NNE 向,占2.5%.

2.5風(fēng)能的長期變化趨勢

將1979年1月1日—1979年12月31日逐6 h的風(fēng)能密度取平均值,得到1979年的風(fēng)能密度,同樣的方法得到瓜達爾港1980—2014年逐年的風(fēng)能密度,并分析其線性趨勢,見圖5(a).參考文獻[18],還計算了瓜達爾港1979—2014年期間有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率的長期變化趨勢,見圖5(b).

1979—2014年期間,風(fēng)能密度的線性相關(guān)度|R|= 0.57,通過了95%的信度檢驗,回歸系數(shù)為-0.59,表明瓜達爾港的風(fēng)能密度在近1979—2014年期間以-0.59 W/(m2·a)的速度顯著性逐年線性遞減.有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率的|R|=0.60,通過了95%的信度檢驗,回歸系數(shù)為-0.17,表明瓜達爾港的有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率在1979—2014年期間以-0.17%·a-1(這里的%是指有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率,并非變率)的速度顯著性逐年線性遞減.分析發(fā)現(xiàn),瓜達爾港的風(fēng)能變化主要經(jīng)歷了兩個階段:1979—2000年期間,變化趨勢相對平緩,風(fēng)能密度在120 W/m2上下波動,有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率在45%上下浮動;2001—2014年期間,變化趨勢相對平緩,風(fēng)能密度在110 W/m2上下波動,有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率在40%上下浮動.在此只分析了瓜達爾港的風(fēng)能在過去的變化趨勢,在未來的工作中,可以利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[19]、希爾伯特-黃等方法[20-21],對風(fēng)能的中長期變化趨勢進行預(yù)估,為資源開發(fā)的中長期規(guī)劃提供參考.

2.6風(fēng)力等級頻率

大風(fēng)大浪等惡劣海況對海上施工、海洋能開發(fā)利用有著嚴(yán)重威脅[22-23].風(fēng)能資源開發(fā)對風(fēng)力等級頻率尤其是大風(fēng)頻率都極為關(guān)注,以蒲氏風(fēng)力等級表為標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計了瓜達爾港各代表月及年均風(fēng)力等級頻率,見表1.

2月,出現(xiàn)頻率最高的是3級風(fēng),其次是4級、2級風(fēng);6級及以上大風(fēng)頻率較低,為1.32%,但明顯高于其他季節(jié).5月,出現(xiàn)頻率最高的是4級風(fēng),其次是3級、5級風(fēng);6級及以上大風(fēng)頻率較低.8月,出現(xiàn)頻率最高的是3級風(fēng),其次是4級、2級風(fēng);6級及以上大風(fēng)頻率較低.11月,出現(xiàn)頻率最高的是3級、2級風(fēng),其次是4級風(fēng);6級及以上大風(fēng)頻率較低.從全年來看,出現(xiàn)頻率最高的是3級風(fēng),為34.29%,其次是4級風(fēng) (28.32%)和2級風(fēng)(23.11%);6級及以上大風(fēng)頻率在1.5%以內(nèi)(0.71%).

圖5 瓜達爾港風(fēng)能密度(a)和有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率(b)的長期變化趨勢Fig.5 Long-term trend of wind power density(a)and occurrence of effective wind speed(b)in the Gwadar Port

表1　瓜達爾港的風(fēng)力等級頻率Tab.1 Occurrence of different scale wind speed in the Gwadar Port

3 結(jié) 論

本文利用ERA-interim風(fēng)場資料,分析了瓜達爾港的風(fēng)能資源特征,主要包括風(fēng)能密度的月變化特征、風(fēng)能資源開發(fā)的有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率、能級頻率、風(fēng)能玫瑰圖、風(fēng)能密度的長期變化趨勢、風(fēng)力等級頻率,得到如下主要結(jié)論:

1)瓜達爾港的風(fēng)能資源常年可用,風(fēng)能密度、有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率、不同等級風(fēng)能密度出現(xiàn)的頻率都表現(xiàn)出明顯的單峰型月變化特征,峰值出現(xiàn)在4—5月(風(fēng)能密度190 W/m2,有效風(fēng)速頻率25%左右,50 W/m2以上能級頻率70%以上),波谷出現(xiàn)在11—12 月(風(fēng)能密度70 W/m2,有效風(fēng)速頻率60%以上,50 W/m2以上能級頻率35%左右).年平均值分別為:風(fēng)能密度121 W/m2,有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率43%,50 W/m2以上能級頻率55%.

2)瓜達爾港的風(fēng)能常年穩(wěn)定由偏SW向的風(fēng)貢獻,這對于風(fēng)能開發(fā)是很有利的.2月、11月,400和500 W/m2及以上高風(fēng)能密度主要由NNE向的風(fēng)貢獻,5月、8月,高風(fēng)能密度主要由偏SW向的風(fēng)貢獻.

3)1979—2014年期間,瓜達爾港的風(fēng)能密度以-0.59 W/(m2·a)的速度逐年遞減,有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率以-0.17%·a-1的速度逐年遞減.瓜達爾港的風(fēng)能變化主要經(jīng)歷了兩個階段:1979—2000年期間,風(fēng)能密度在120 W/m2上下波動,有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率在45%上下浮動;2001—2014年期間,風(fēng)能密度在110 W/m2上下波動,有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率在40%上下浮動.

4)瓜達爾港的6級及以上大風(fēng)頻率常年在1.5%以內(nèi);出現(xiàn)頻率最高的為3級風(fēng)(34.29%),其次是4級風(fēng)(28.32%)和2級風(fēng)(23.11%),這對風(fēng)能開發(fā)利用是有利的.

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Analysis of Wind Energy Resource in the Pakistan's Gwadar Port

ZHENG Chongwei1,2,3,LI Chongyin1,2*,YANG Yan4,CHEN Xiong1
(1.College of Meteorology and Oceanography,People's Liberation Army University of Science& Technology, Nanjing 211101,China;2.National Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics(LASG),Institute of Atmospheric Physics,the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100028,China;3.Dalian Naval Academy,Dalian 116018,China;4.State Oceanic Administration,Beijing 100860,China)

Abstract:In this study,the wind energy resource in the Gwadar Port was firstly analyzed,based on the ERA-interim wind production from European Centre for Medium-range Weather Forecasts(ECMWF).The results show as follows:1)The wind energy in the Gwadar Port is available all year round.The wind power density(WPD),occurrence of effective wind speed of wind energy resource, and occurrences of different levels of WPD all exhibit a clear single peak in the monthly variation.The peak appears in April and May,while trough appears in November and December.The annual average value is 121 W/m2for WPD,43%for the occurrence of effective wind speed,and 55%for the occurrence of WPD greater than 50 W/m2.2)From the wind energy rose diagram,the wind energy in the Gwadar Port is mainly contributed by the southwest(SW)winds.In February and November,high wind energy with WPD≥400 W/m2and WPD≥500 W/m2is mainly contributed by the north-northeast(NNE)winds,while in May and August by SW wind.3)During the period of 1979 to 2000,the WPD is about 120 W/m2,and the occurrence of effective wind speed is 45%. During the period of 2001 to 2014,the WPD is about 110 W/m2,and the occurrence of effective wind speed is 40%.4)The gale occurrence(wind speed greater than class 6)is below 1.5%all year round.The wind speed of highest occurrence is class 3(34.29%), followed by class 4(28.32%)and class 2(23.11%).

Key words:Gwadar Port;wind energy;wind power density;energy level occurrence;wind energy rose diagram

*通信作者:lcy@lasg.iap.ac.cn

基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2015CB453200,2013CB956200,2012CB957803,2010CB950400);國家自然科學(xué)基金(41275086,41475070)

收稿日期:2015-06-08 錄用日期:2015-09-10

doi:10.6043/j.issn.0438-0479.2016.02.011

中圖分類號:P 743

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:0438-0479(2016)02-0210-06

引文格式:鄭崇偉,李崇銀,楊艷,等.巴基斯坦瓜達爾港的風(fēng)能資源評估[J].廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,55(2):210-215.

Citation:ZHENG C W,LI C Y,YANG Y,et al.Analysis of wind energy resource in the Pakistan's Gwadar Port[J].Journal of Xiamen University(Natural Science),2016,55(2):210-215.(in Chinese)