ERA5再分析資料在風(fēng)能資源方面的應(yīng)用

賀莉微，孫朋杰，曾 琦

（1.湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430074；2.湖北省氣象能源技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，武漢 430074）

中國(guó)是世界上最大的能源消費(fèi)國(guó)，同樣也是全球最大的風(fēng)能生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)能居于世界第一。能源問(wèn)題關(guān)乎國(guó)家安全和社會(huì)穩(wěn)定，然而傳統(tǒng)能源易帶來(lái)水資源污染和環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)造成地表生態(tài)破壞，不易修復(fù)，給人們的生活環(huán)境帶來(lái)危害，因此綠色可再生能源是未來(lái)發(fā)展的戰(zhàn)略方向［1］。近年來(lái)中國(guó)可再生能源發(fā)展迅猛，能源市場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，風(fēng)電行業(yè)的主要矛盾從發(fā)電設(shè)備的研制生產(chǎn)轉(zhuǎn)向風(fēng)電場(chǎng)選址和風(fēng)資源評(píng)估［2］。中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)主要集中在西北、華北、東北地區(qū)，但由于其裝機(jī)容量超過(guò)電網(wǎng)輸送能力，因此“棄風(fēng)”現(xiàn)象很普遍［3-5］，為了緩解“棄風(fēng)限電”問(wèn)題，降低風(fēng)電輸送成本，提高就地利用率，中國(guó)中東部和南方山區(qū)風(fēng)電開(kāi)發(fā)逐漸增多［6］。有分析指出湖北省風(fēng)能資源較為豐富，風(fēng)能資源儲(chǔ)量近1 300萬(wàn)kW［7］，因此，客觀合理地開(kāi)展對(duì)風(fēng)資源的評(píng)估工作，能夠?yàn)轱L(fēng)資源高效合理的利用和風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址選取及建設(shè)提供科學(xué)的依據(jù)。

當(dāng)前對(duì)于再分析資料的適用性問(wèn)題已經(jīng)有許多學(xué)者進(jìn)行了研究，并得出了相關(guān)結(jié)論，胡毅鴻等［8］和黃穎等［9］利用ERA-Interim再分析資料，分別對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶春季近地面風(fēng)速變化和祁連山周邊降水量時(shí)空變化進(jìn)行了相關(guān)分析。孟憲貴等［10］利用ERA5再分析資料對(duì)山東省地面和高空資料的適用性進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明風(fēng)場(chǎng)在中高層適用性較好，且ERA5總體優(yōu)于ERA-Interim。此外還有其他再分析資料的應(yīng)用，趙彥廠等［11］利用NCEP/NCAR再分析資料對(duì)江蘇省區(qū)域的風(fēng)能進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)場(chǎng)較為一致。魏瑩等［12］采用JRA-55、ERA5-Interim和MERRA 3種再分析資料分析2 m溫度在高原東部的適用性，結(jié)果顯示三者均能很好地呈現(xiàn)其顯著增溫趨勢(shì)。

目前對(duì)ERA5再分析資料在風(fēng)能方面的應(yīng)用還較為鮮見(jiàn)，因此，本研究借助ERA5再分析資料對(duì)湖北省70 m高度風(fēng)速進(jìn)行推算，利用省內(nèi)110座測(cè)風(fēng)塔70 m高度實(shí)測(cè)風(fēng)速對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，從而對(duì)ERA5再分析資料在湖北省風(fēng)能方面的應(yīng)用進(jìn)行初步的評(píng)估，以期為企業(yè)提供“找風(fēng)”服務(wù)。

1 資料與方法

1.1 資料

本研究選取的氣象資料由湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心提供，資料內(nèi)容為湖北省境內(nèi)76個(gè)國(guó)家氣象站2000—2019年地面10 m高度的平均風(fēng)速，資料均經(jīng)過(guò)氣象部門質(zhì)控。選取的再分析資料為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）制作發(fā)布的ERA5單月平均水平數(shù)據(jù)格點(diǎn)資料，時(shí)間分辨率為1 h，水平空間分辨率為0.25°×0.25°，可提供離地10 m高度的數(shù)據(jù)資料，選取的時(shí)間、空間跨度為2000—2019年湖北省范圍內(nèi)10 m高度月平均風(fēng)速。同時(shí)還選取湖北省范圍內(nèi)110座測(cè)風(fēng)塔70 m高度月平均風(fēng)速資料，氣象站和測(cè)風(fēng)塔具體分布情況如圖1所示。

圖1 湖北省范圍內(nèi)氣象站和測(cè)風(fēng)塔分布

1.2 方法

1.2.1 依據(jù)地理?xiàng)l件進(jìn)行分區(qū) 湖北省處于中國(guó)第二級(jí)階梯向第三級(jí)階梯的過(guò)渡地帶，三面環(huán)山，中部低平且略呈向南展開(kāi)的不完整盆地。地貌復(fù)雜多樣，包括山地、丘陵、崗地以及平原。省內(nèi)海拔500 m以上的山地占全省面積的56%，海拔500 m以下的丘陵地區(qū)占全省面積的24%，平原湖區(qū)占20%。因此，本研究主要依據(jù)省內(nèi)地理?xiàng)l件，將全省劃分為8個(gè)區(qū)［13］（表1、圖2）。

表1 湖北省各分區(qū)范圍內(nèi)地貌特點(diǎn)

圖2 湖北省地貌特征及分區(qū)

1.2.2 反距離加權(quán)插值 反距離加權(quán)插值（Inverse distance weight），也可以稱為距離倒數(shù)乘方法。距離倒數(shù)乘方格網(wǎng)化方法是一個(gè)加權(quán)平均插值法，可以進(jìn)行確切的或者圓滑的方式插值。方次參數(shù)控制著權(quán)系數(shù)如何隨著離開(kāi)一個(gè)格網(wǎng)結(jié)點(diǎn)距離的增加而下降。對(duì)于一個(gè)較大的方次，較近的數(shù)據(jù)點(diǎn)被給定一個(gè)較高的權(quán)重份額，對(duì)于一個(gè)較小的方次，權(quán)重比較均勻地分配給各數(shù)據(jù)點(diǎn)。目前這種方法在對(duì)氣候要素的插值應(yīng)用中十分普遍。

1.2.3 相關(guān)分析 相關(guān)分析是研究?jī)蓚€(gè)或兩個(gè)以上處于同等地位的隨機(jī)變量間相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析方法，在氣象、水文、社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都有所應(yīng)用。本研究利用ArcGIS中的提取工具，提取指定經(jīng)緯度的屬性值，進(jìn)而分析氣象站與再分析資料之間的相關(guān)關(guān)系。

1.2.4 70 m風(fēng)速推算 本研究利用多元回歸方法，選擇測(cè)風(fēng)塔70 m高度月平均風(fēng)速、再分析資料10 m高度月平均風(fēng)速、經(jīng)度、緯度和海拔高度進(jìn)行建模。

式中，a1為常數(shù)項(xiàng)，a2、a3、a4、a5分別為方程中各自變量的獨(dú)立系數(shù)，S70m為測(cè)風(fēng)塔70 m高度月平均風(fēng)速（m/s），S10m為再分析資料10 m高度月平均風(fēng)速（m/s），X和Y分別為經(jīng)度（°）和緯度（°），H為海拔高度（m）。

通過(guò)式（1）得到各區(qū)70 m高度實(shí)測(cè)風(fēng)速和再分析資料10 m高度風(fēng)速、經(jīng)緯度和海拔高度之間的關(guān)系，利用ArcGIS中的提取工具，提取各區(qū)范圍內(nèi)的再分析資料10 m高度風(fēng)速、經(jīng)緯度和海拔高度，利用式（1）推算得到70 m高度風(fēng)速，最后插值到各區(qū)范圍內(nèi)，得到湖北省70 m高度年平均風(fēng)速。

2 ERA5再分析資料與氣象站之間的關(guān)系

歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECWMF）是較早開(kāi)展數(shù)據(jù)再分析研究的機(jī)構(gòu)，其再分析資料已前后歷經(jīng)了4代，2017年7月發(fā)布了第五代ERA5數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)滯后約3個(gè)月的實(shí)時(shí)更新。ERA5是在第四代ERA-Interim的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)［10］。

2.1 10 m高度平均風(fēng)速特征

近20年氣象站和再分析資料10 m高度年平均風(fēng)速如圖3所示。從圖3a可以看到，湖北省10 m高度年平均風(fēng)速呈中部高、東西低的特點(diǎn)，在鄂西北襄陽(yáng)市、江漢平原荊門市和荊州市、鄂東北孝感市和鄂東南鄂州市為大值區(qū)，最大值為3.3 m/s（鄂州市），在鄂西地區(qū)為小值區(qū)，最小值為0.7 m/s（恩施市）。從圖3b可以看到，再分析資料也呈中部高、東西低的特點(diǎn)，能夠很好地反映出全省風(fēng)速大小趨勢(shì)的空間分布。為了能夠詳細(xì)表現(xiàn)出二者之間的差異，湖北省各地市再分析資料和氣象站平均風(fēng)速、最大風(fēng)速和最小風(fēng)速之差如圖3c所示，神農(nóng)架地區(qū)再分析資料和氣象站二者風(fēng)速相當(dāng)，而除了黃石市和鄂州市最大風(fēng)速的再分析資料比氣象站偏小0.2 m/s和0.6 m/s之外，其他地市的平均風(fēng)速、最大風(fēng)速和最小風(fēng)速的再分析資料均比氣象站偏大，其中，平均風(fēng)速偏大0.2 m/s（鄂州市、恩施市）至0.9 m/s（潛江市、仙桃市），最大風(fēng)速偏大0.1 m/s（襄陽(yáng)市）至1.0 m/s（宜昌市），最小風(fēng)速偏大0.1 m/s（宜昌市）至1.0 m/s（宜昌市、天門市、潛江市、仙桃市）。

圖3 近20年氣象站（a）和再分析資料（b）10 m高度年平均風(fēng)速及各地市二者平均風(fēng)速、最大風(fēng)速和最小風(fēng)速之差（c）

2.2 再分析資料與氣象站的相關(guān)性分析

通過(guò)分析湖北省范圍內(nèi)76個(gè)氣象站與再分析資料的相關(guān)性，可以得到，除赤壁、鄂州、五峰、長(zhǎng)江三峽、竹山5站未通過(guò)檢驗(yàn)外，其他71個(gè)站均通過(guò)了α=0.1的相關(guān)性檢驗(yàn)。33個(gè)氣象站的相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.8，最大值出現(xiàn)在襄陽(yáng)站，為0.976。各分區(qū)范圍內(nèi)站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)如圖4所示，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ區(qū)范圍內(nèi)各站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.7，Ⅰ區(qū)中鶴峰站為0.5，五峰站為-0.3，其他6個(gè)站點(diǎn)均超過(guò)0.7，Ⅱ區(qū)中興山站為0.5，三峽站為-0.1，其他9個(gè)站點(diǎn)均超過(guò)0.7，Ⅲ區(qū)中竹山站為0.2，其他4個(gè)站點(diǎn)均超過(guò)0.6，Ⅶ區(qū)中赤壁站為0.4，崇陽(yáng)站為0.5，鄂州站為-0.1，其他8個(gè)站點(diǎn)均超過(guò)0.6。

圖4 各區(qū)范圍內(nèi)再分析資料與氣象站之間的相關(guān)系數(shù)

3 再分析資料70 m高度風(fēng)速推算

3.1 分區(qū)建模

利用式（1）構(gòu)建各區(qū)多元回歸方程，將再分析資料的10 m高度風(fēng)速推算至70 m高度。由于Ⅲ區(qū)范圍內(nèi)的測(cè)風(fēng)塔數(shù)量較少，建模的結(jié)果缺乏代表性和穩(wěn)定性，而Ⅲ區(qū)和Ⅱ區(qū)同屬鄂西山地地區(qū)，位于神農(nóng)架南北坡，因此綜合考慮，將Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)納入到一起進(jìn)行建模，建模結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，各區(qū)多元回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.5以上，Ⅷ區(qū)最高，為0.828，各區(qū)相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值均控制在17%以內(nèi)，Ⅷ區(qū)相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值最小，為8.1%，除此之外，還可以看出，在地形復(fù)雜的鄂西山區(qū)（Ⅰ、Ⅱ+Ⅲ、Ⅳ區(qū)）相對(duì)誤差最大，范圍內(nèi)有大型山體的Ⅵ、Ⅶ區(qū)次之，位于地勢(shì)平坦的江漢平原（Ⅷ區(qū)）相對(duì)誤差最小。

3.2 結(jié)果分析及檢驗(yàn)

根據(jù)表2各區(qū)方程推算出湖北省70 m高度風(fēng)速，由圖5可知，湖北省風(fēng)資源較好的地區(qū)：Ⅰ區(qū)西北部利川一帶，最大風(fēng)速為5.4 m/s；Ⅱ區(qū)西北部興山地區(qū)，最大風(fēng)速為5.6 m/s，東南部五峰-松滋一帶，最大風(fēng)速為5.2 m/s左右；Ⅲ區(qū)神農(nóng)架中部地區(qū)，最大風(fēng)速為6.0 m/s；Ⅳ區(qū)東南部南漳地區(qū)，最大風(fēng)速為6.4 m/s；Ⅴ區(qū)西部荊門市北部地區(qū)，最大風(fēng)速為7.1 m/s，北部隨州-廣水一帶，最大風(fēng)速為6.2 m/s左右；Ⅵ區(qū)西部孝感市和東南部黃梅縣，最大風(fēng)速分別為5.6 m/s和5.3 m/s；Ⅶ區(qū)中部崇陽(yáng)與通山交界處，最大風(fēng)速為6.2 m/s；Ⅷ區(qū)東部洪湖一帶，最大風(fēng)速為6.0 m/s。綜上所述，湖北省風(fēng)資源較好的地區(qū)主要有鄂東北桐柏山和大洪山一帶，中部南漳-荊門一帶，大別山和幕阜山的高海拔地區(qū)，還有西部神農(nóng)架、南部洪湖等零散分布的地區(qū)。

圖5 再分析資料70 m高度風(fēng)速推算

表2 各區(qū)多元回歸模型及相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值

利用湖北省內(nèi)110座測(cè)風(fēng)塔70 m高度經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年代訂正后的風(fēng)速，對(duì)推算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。從圖6、圖7可以看出，再分析資料70 m推算結(jié)果除各別點(diǎn)偏大之外，各區(qū)整體偏小，其中Ⅰ區(qū)利川縣內(nèi)18#和19#測(cè)風(fēng)塔處推算結(jié)果與長(zhǎng)年代訂正后的風(fēng)速值相當(dāng)，其他偏小0.7 m/s（利川縣，20#）至2.8 m/s（五峰縣，6#），平均偏小1.6 m/s；Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)中松滋縣內(nèi)25#測(cè)風(fēng)塔處推算結(jié)果與長(zhǎng)年代訂正后的風(fēng)速值相當(dāng)，遠(yuǎn)安縣內(nèi)27#測(cè)風(fēng)塔處偏大0.6 m/s，其他偏小0.9 m/s（保康縣，31#）至3.0 m/s（長(zhǎng)陽(yáng)縣，29#），平均偏小1.5 m/s；Ⅳ區(qū)南漳縣內(nèi)35#測(cè)風(fēng)塔和丹江口市內(nèi)39#測(cè)風(fēng)塔處分別偏大0.3 m/s和1.1 m/s，其他偏小0.3 m/s（襄陽(yáng)市內(nèi)34#、丹江口市內(nèi)38#）至0.7 m/s（南漳縣內(nèi)36#，鄖西縣內(nèi)40#和41#），平均偏小0.5 m/s；Ⅴ區(qū)廣水市內(nèi)60#和棗陽(yáng)市內(nèi)68#測(cè)風(fēng)塔處推算結(jié)果與長(zhǎng)年代訂正后的風(fēng)速值相當(dāng)，西南部荊門市和東北部棗陽(yáng)市平均分別偏大0.9 m/s（47#至51#）和0.3 m/s（69#），其他偏小0.1 m/s（隨州市內(nèi)44#、廣水市內(nèi)57#）至1.4 m/s（京山市內(nèi)65#），平均偏小0.6 m/s；Ⅵ區(qū)紅安縣內(nèi)76#測(cè)風(fēng)塔、麻城縣內(nèi)85#和86#測(cè)風(fēng)塔、武穴縣內(nèi)90#測(cè)風(fēng)塔處偏大0.5、0.1、0.2、0.2 m/s，其他偏小0.1 m/s（武穴市內(nèi)91#，大悟縣內(nèi)93#）至1.4 m/s（孝昌縣內(nèi)73#），平均偏小0.6 m/s；Ⅶ區(qū)通山縣內(nèi)103#測(cè)風(fēng)塔處推算結(jié)果與長(zhǎng)年代訂正后的風(fēng)速值相當(dāng)，陽(yáng)新縣內(nèi)101#測(cè)風(fēng)塔處偏大0.6 m/s，其他偏小0.3 m/s（崇陽(yáng)縣內(nèi)97#）至0.7 m/s（通城縣內(nèi)102#），平均偏小0.5 m/s；Ⅷ區(qū)天門市（105#至108#）推算結(jié)果與長(zhǎng)年代訂正后的風(fēng)速值相當(dāng)，公安縣內(nèi)109#測(cè)風(fēng)塔處偏大0.8 m/s，石首縣內(nèi)104#測(cè)風(fēng)塔和漢川市內(nèi)110#測(cè)風(fēng)塔處分別偏小1.7 m/s和0.3 m/s。

圖6 湖北省內(nèi)110座70 m高度測(cè)風(fēng)塔在各區(qū)的分布

圖7 各區(qū)再分析資料70 m高度推算風(fēng)速與測(cè)風(fēng)塔長(zhǎng)年代訂正后風(fēng)速之差

綜上分析可以看出，再分析資料在湖北省內(nèi)70 m高度的推算結(jié)果偏小，各區(qū)偏小程度不同，在鄂西山區(qū)偏小最為明顯，尤其是Ⅰ區(qū)偏小最大，平均為1.6 m/s，其次是Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，平均為1.5 m/s，Ⅰ區(qū)中西北部的利川縣北部和東部的五峰縣東部風(fēng)速偏小較明顯，這與山區(qū)地形復(fù)雜和局地小氣候有關(guān)，因此方程有待進(jìn)一步優(yōu)化。位于江漢平原的Ⅷ區(qū)推算結(jié)果較好，尤其是天門一帶。

4 小結(jié)與討論

本研究通過(guò)湖北省內(nèi)地貌特征將其分為8個(gè)區(qū)，利用近20年的ERA5再分析資料和氣象站風(fēng)速，分析了二者之間的相關(guān)關(guān)系，再結(jié)合湖北省內(nèi)110座70 m高度測(cè)風(fēng)塔資料，利用多元回歸方法分區(qū)建立70 m高度風(fēng)速推算方程，并對(duì)推算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

1）湖北省10 m高度年平均風(fēng)速呈中部高、東西低的特點(diǎn)，襄陽(yáng)-荊門-孝感-鄂州一帶為大值區(qū)，鄂西為小值區(qū)。再分析資料能夠很好地反映全省風(fēng)速大小趨勢(shì)的空間分布。

2）再分析資料整體比氣象站風(fēng)速偏大，平均風(fēng)速在江漢平原和鄂北孝感-隨州一帶偏大較明顯，平均偏大0.8 m/s；最大風(fēng)速在宜昌-潛江-天門-仙桃一帶偏大明顯，平均偏大0.8 m/s；最小風(fēng)速在江漢平原大部和鄂北襄陽(yáng)-隨州-孝感一帶偏大明顯，平均偏大0.9 m/s。

3）通過(guò)對(duì)76個(gè)氣象站風(fēng)速與再分析資料風(fēng)速之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，71個(gè)氣象站通過(guò)了α=0.1的相關(guān)性檢驗(yàn)。處于鄂北的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ區(qū)和位于江漢平原的Ⅷ區(qū)，其相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.7，而位于鄂西山區(qū)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)和平原向丘陵及山區(qū)過(guò)渡的鄂東南Ⅶ區(qū)均有未通過(guò)檢驗(yàn)的站點(diǎn)。

4）利用多元回歸方法，對(duì)各個(gè)區(qū)70 m高度風(fēng)速進(jìn)行推算，結(jié)果顯示湖北省風(fēng)資源較好的地區(qū)主要有鄂東北桐柏山和大洪山一帶，中部南漳-荊門一帶，大別山和幕阜山的高海拔地區(qū)，還有西部神農(nóng)架、南部洪湖等零散分布的地區(qū)。

5）利用湖北省內(nèi)110座測(cè)風(fēng)塔經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年代訂正之后的風(fēng)速進(jìn)行推算結(jié)果檢驗(yàn)，得出推算結(jié)果整體偏小，尤其是鄂西山區(qū)偏小最為明顯，平均偏小1.6 m/s，與山區(qū)地形復(fù)雜和局地小氣候有很大的關(guān)系，而位于江漢平原的Ⅷ區(qū)推算結(jié)果較好，尤其是天門一帶。