海上風(fēng)能資源和風(fēng)電機組安全氣候區(qū)劃

文 | 張秀芝，齊浩

根據(jù)各省發(fā)展改革委制定的“十三五”海上風(fēng)電開發(fā)規(guī)劃，到2020年全國海上并網(wǎng)發(fā)電550萬千瓦，開工建設(shè)1000萬千瓦，海上風(fēng)電開發(fā)進入了快速發(fā)展期，并且趨向遠海和風(fēng)電機組超大型化，海上風(fēng)能資源和設(shè)計風(fēng)速分布也就成為大家關(guān)注的重點。我國從渤海到南海南北橫跨44個緯度，由于影響各海域的天氣系統(tǒng)差別很大，使得各海域平均風(fēng)況和極端風(fēng)況分布差異明顯。

海上風(fēng)能資源氣候區(qū)劃

以往海面風(fēng)的分析一般依賴于長年代的船舶氣象觀測和島嶼站觀測資料，自20世紀80年代末有衛(wèi)星觀測以來，由于具有空間覆蓋面廣、時間連續(xù)等優(yōu)勢，在過去的10年里衛(wèi)星遙感資料被廣泛應(yīng)用于海面風(fēng)的研究中。

一、衛(wèi)星遙感資料分析風(fēng)速分布

使用歐空局（ESA）GlobWave項目下法國海洋開發(fā)所對ERS1&2、TOPEX-Poseidon、GEOSAT Follow-ON（GFO）、 Jason-1、 Jason-2、ENVISAT、Cryosat和SARAL等9個衛(wèi)星高度計觀測獲得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和校準、修正，形成了1991—2015年23年均勻一致的數(shù)據(jù)集。由于高度計數(shù)據(jù)校準的浮標數(shù)據(jù)分別來自歐洲浮標網(wǎng)絡(luò)、美國資料浮標中心和加拿大海洋環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，因此在中國近海使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)之前必須經(jīng)過與浮標觀測資料的對比分析。使用2008—2015年中國近海28個浮標實測風(fēng)速與衛(wèi)星同步觀測風(fēng)速對比分析結(jié)果表明，聯(lián)合校準的衛(wèi)星海面風(fēng)速與浮標風(fēng)速相關(guān)性很好，風(fēng)速標準差在0.5～0.9m/s之間，具有很好的適應(yīng)性。將多元衛(wèi)星高度計聯(lián)合校準的沿軌海面風(fēng)數(shù)據(jù)處理為0.5°×0.5°網(wǎng)格點日平均風(fēng)速（海面10米高度），在此基礎(chǔ)上計算年平均風(fēng)速。

二、船舶氣象觀測分析風(fēng)速分布

船舶氣象觀測是海上很重要的資料來源?？紤]到船舶在航行中定時觀測，非航線海域觀測樣本較少，為保證其分析的可靠性，使用美國國家海洋和大氣管理局整理的1961—2015年船舶觀測數(shù)據(jù)集，分析中國近海網(wǎng)格點年平均風(fēng)速（海面20米高度）。

三、衛(wèi)星與船舶觀測年平均風(fēng)速融合

衛(wèi)星觀測時空分布連續(xù)、水平分辨率高，但時間短；船舶觀測時間長，但空間分布不均。為了最大限度地利用各種觀測結(jié)果，分析衛(wèi)星與船舶觀測的年平均風(fēng)速差百分率，建立修正公式，在此基礎(chǔ)上得到中國近海綜合年平均風(fēng)速（海面10米高度）分布圖。

四、中國近海風(fēng)能資源區(qū)劃

依據(jù)IEC 61400-03 Design requirements for offshore wind turbines、IEC 61400-1Wind Turbines定義的風(fēng)能資源等級，繪制中國近海10米高度6個等級的風(fēng)能資源區(qū)劃圖（見圖1），由圖1可見臺灣海峽風(fēng)能資源最好，向南和北延伸略差，北部灣風(fēng)能資源最差。

圖1 海上風(fēng)能資源區(qū)劃圖

風(fēng)電機組安全等級區(qū)劃

在中國近海，引發(fā)大風(fēng)的天氣系統(tǒng)，杭州灣以南以臺風(fēng)為主，以北主要為強寒潮、強對流天氣和臺風(fēng)。由于海上大風(fēng)觀測資料匱乏，因此采取了多種手段計算建立50年一遇的大風(fēng)樣本序列。

一、臺風(fēng)風(fēng)電場計算

臺風(fēng)影響期間船舶避風(fēng)進港，海面大風(fēng)觀測資料極其缺乏，因此需要借助臺風(fēng)風(fēng)電場數(shù)值模型計算。研究表明，臺風(fēng)在廣闊的大洋上大風(fēng)分布接近于圓對稱，但在靠近陸地的過程中大風(fēng)分布表現(xiàn)出明顯的非對稱性。日本、美國、中國很多學(xué)者致力于臺風(fēng)風(fēng)電場非對稱模型研究，這里使用胡邦輝建立的適用于大批量臺風(fēng)個例計算的非對稱臺風(fēng)風(fēng)電場數(shù)值模型，計算了1961—2007年每個進入中國近海風(fēng)電場的臺風(fēng)大風(fēng)，獲得每個臺風(fēng)經(jīng)過海域0.5°網(wǎng)格點上的最大風(fēng)速。

二、杭州灣以南50年一遇最大風(fēng)速計算

研究表明，杭州灣以南年最大風(fēng)速基本由臺風(fēng)造成，所以杭州灣以南50年一遇最大風(fēng)速計算使用臺風(fēng)風(fēng)電場數(shù)值計算結(jié)果。由于每年進入中國近海的臺風(fēng)次數(shù)、強度和路徑都不相同，因此每個網(wǎng)格點有的年份可能會有多個臺風(fēng)造成的大風(fēng)，有的年份可能沒有，這樣的大風(fēng)序列適合使用Poisson-Gumbel 聯(lián)合極值方法。求得杭州灣以南0.5°網(wǎng)格點50年一遇最大風(fēng)速分布圖（見圖2）。

圖2 臺風(fēng)風(fēng)電場數(shù)值模型計算風(fēng)速得到的50年一遇最大風(fēng)速分布圖

三、杭州灣以北50年一遇最大風(fēng)速計算

影響杭州灣以北的大風(fēng)天氣系統(tǒng)主要為寒潮、強對流和臺風(fēng)。目前大型商船抗風(fēng)能力都比較強，對于寒潮、強對流天氣一般可以正常航行并觀測。法國多元衛(wèi)星高度計聯(lián)合校準的海面風(fēng)數(shù)據(jù)集認為大于25m/s的風(fēng)速可疑，但保留了樣本并做了標記，這樣我們在挑選大風(fēng)樣本時逐個進行判斷確定取舍。分別對島嶼站觀測資料、船舶觀測資料、衛(wèi)星觀測資料和臺風(fēng)風(fēng)電場數(shù)值模型計算的杭州灣以北的臺風(fēng)大風(fēng)中挑取網(wǎng)格點大風(fēng)數(shù)據(jù)，由各種數(shù)據(jù)中選取最大值組成大風(fēng)序列，利用Poisson-Gumbel 聯(lián)合極值分布計算杭州灣以北0.5°網(wǎng)格點50年一遇最大風(fēng)速。

四、風(fēng)電機組安全等級區(qū)劃

將計算所得的杭州灣南北的50年一遇最大風(fēng)速合并，依據(jù)IEC 61400-1Wind Turbines定義的風(fēng)電機組安全等級，將中國近海分為5類，可以看到浙南至閩北、粵東、海南島東部近海風(fēng)速最大（見圖3），這是因為這些海域強臺風(fēng)和超強臺風(fēng)出現(xiàn)較多；臺灣海峽比上述三個海域50年一遇最大風(fēng)速小，主要是影響臺灣海峽的臺風(fēng)在穿過臺灣島的過程中損失了大量的能量，比直接登陸浙閩交界處和粵東的臺風(fēng)強度弱。

圖3 風(fēng)電機組安全等級區(qū)劃圖

攝影：景秀勤

綜合近海風(fēng)能資源區(qū)劃和風(fēng)電機組安全等級區(qū)劃，可以看到臺灣海峽風(fēng)能資源最好，但50年一遇最大風(fēng)速為IECⅠ類，是最佳的海上風(fēng)電開發(fā)海域。長江口以北和北部灣中西部風(fēng)能資源一般，但50年一遇最大風(fēng)速相對較低，具有開發(fā)價值。浙南至閩北、粵東、海南島東部近海風(fēng)能資源較好，但50年一遇風(fēng)速會超IECⅠ類，主要是強臺風(fēng)和超強臺風(fēng)影響較頻繁，目前臺風(fēng)型風(fēng)電機組尚處于研發(fā)和試驗階段，建議對這些海域的風(fēng)電場開發(fā)要慎重。

根據(jù)風(fēng)能資源區(qū)劃和風(fēng)電機組安全等級區(qū)劃，各級政府和設(shè)計院可以制定不同水深、不同離岸距離海上風(fēng)電開發(fā)規(guī)劃，發(fā)電企業(yè)可制定海上風(fēng)電場布局，風(fēng)電機組和大部件制造企業(yè)可根據(jù)自身的優(yōu)勢確定機組研發(fā)戰(zhàn)略。