遼寧省典型地形測風塔缺測數(shù)據(jù)線性計算適用性分析

顧正強 龔強 沈歷都 徐紅 馬東雷 朱玲 晁華 馮冬蕾

(1.沈陽區(qū)域氣候中心，遼寧 沈陽，110166；2.遼寧省氣象服務(wù)中心，遼寧 沈陽，110166；3.沈陽中心氣象臺，遼寧 沈陽，110166)

引言

風能資源是一種清潔的可再生能源，是可再生能源中最具開發(fā)前景的一種能源。風能是指由太陽輻射導(dǎo)致地球表面受熱不均，引起大氣層中受熱不均勻，從而使空氣沿著水平方向運動，空氣流動所形成的動能[1]。豐富而穩(wěn)定的風能資源是風能利用的基礎(chǔ)。風電場場址內(nèi)測風塔的實測數(shù)據(jù)可以真實客觀地反映該區(qū)域的風能資源情況。風電場測風塔測風數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響風能資源評估的結(jié)果，進而影響整個風電場的發(fā)電效益[2]。

在實際觀測中，測風塔數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證，尤其是地處寒冷地區(qū)和沿海地帶的風電場，受冷空氣、海邊空氣的腐蝕及其他因素影響，測風設(shè)備會出現(xiàn)故障或停測現(xiàn)象，導(dǎo)致測風數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，如存在不合理數(shù)據(jù)或缺測數(shù)據(jù)。在進行風能資源評估時，根據(jù)《風電場風能資源評估方法》(GBT18709—2002)的要求，測風塔實測數(shù)據(jù)有效完整率應(yīng)達到90%以上，因此須對測風塔不合理數(shù)據(jù)及缺測數(shù)據(jù)進行替換插補[3]。如果插補完整后的測風數(shù)據(jù)與實際情況存在較大誤差，會嚴重影響風能資源評估的結(jié)果，并且導(dǎo)致風電場投產(chǎn)運行后的經(jīng)濟效益與預(yù)期存在較大偏差，因此對測風塔測風數(shù)據(jù)的插補應(yīng)給予足夠的重視。所以，近些年國內(nèi)學者關(guān)于測風塔數(shù)據(jù)插補的方法等做了較多的研究。其中，劉志遠等[4]基于直接相關(guān)法和統(tǒng)計相關(guān)法對插補測風塔缺測數(shù)據(jù)進行了討論；王遠和鐘華[5]基于整體構(gòu)建相關(guān)關(guān)系、不同風向扇區(qū)構(gòu)建相關(guān)關(guān)系和不同季節(jié)構(gòu)建相關(guān)關(guān)系來插補缺失測風數(shù)據(jù)進行了對比分析；也有學者對風切變指數(shù)在風電場資源評估中的應(yīng)用進行了研究[6-8]，還有學者對分析資料和數(shù)值模擬在風速數(shù)據(jù)插補中的應(yīng)用、不同地形下測風塔數(shù)據(jù)插補以及風速變化預(yù)估等方面均開展了一系列的研究[9-15]。

上述研究成果就研究區(qū)域而言多基于風電場，測風塔數(shù)量較少，且范圍較小，數(shù)據(jù)檢驗時段也較短，為解決上述不足，本文基于第四次全國風能資源詳查和評價工作中遼寧省氣象局建立的風能資源專業(yè)觀測網(wǎng)所布設(shè)的26座測風塔多年實測逐時數(shù)據(jù)[16]，結(jié)合同期氣象站逐時數(shù)據(jù)，并采用不同時間尺度下較成熟的線性分析和風切變指數(shù)相結(jié)合的插補方法對測風塔缺失數(shù)據(jù)進行插補，通過對比不同插補方案的結(jié)果，總結(jié)出適用遼寧省測風塔數(shù)據(jù)的插補方法。本研究結(jié)果對遼寧省風資源評估具有一定的參考意義。

1 資料與方法

1.1 氣象站資料

本文所使用的氣象站數(shù)據(jù)為遼寧省61個氣象站2009—2019年逐時風速資料，資料來源于遼寧省氣象檔案館。

測風塔上所有觀測儀器在進入現(xiàn)場安裝之前，均由航天新氣象科技有限公司(原為江蘇省無線電科學研究所有限公司)進行了出廠測試和檢定。風速數(shù)據(jù)精確到0.1 m·s-1，風向數(shù)據(jù)精確到1°。

1.2 測風塔資料

本文使用測風塔資料為遼寧省26座測風塔4個觀測層(10 m、30 m、50 m、70 m)逐時實測風速資料，26座測風塔的地理位置、地形特征如圖1。

圖1 遼寧省26座測風塔空間分布

1.3 資料處理

1.3.1 參證站選取

本文除了依據(jù)《風電場風能資源評估方法》(GB/T 18710—2002)[17]、《風電場工程風能資源測量與評估技術(shù)規(guī)范》(NB/T31147—2018)[18]和《風電場氣象觀測資料審核、插補與訂正技術(shù)規(guī)范(QX/T 37523—2019)》[19]等對參證站選取要求外，還考慮了如下因素：(1)與測風塔距離近；(2)風速相關(guān)性好，具有一定的區(qū)域代表性；(3)測風塔測風同期無遷站，并且風觀測變更相對較少和較小。因此，共選取了西豐、喀左、蓋州、丹東、錦州、桓仁6個氣象站作為參證氣象站(見圖1)。

1.3.2 測風塔數(shù)據(jù)的檢驗和處理

依據(jù)《風電場工程風能資源測量與評估技術(shù)規(guī)范》(NB/T31147—2018)[18]和《風電場氣象觀測資料審核、插補與訂正技術(shù)規(guī)范(QX/T 37523—2019)》[19]對測風塔數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)審核、完整性檢驗、合理性檢驗(包括范圍檢驗、相關(guān)性檢驗和趨勢檢驗)，并對通過合理性檢驗的數(shù)據(jù)進行整體性檢驗(包括相關(guān)檢驗、分布檢驗和風切變檢驗)，對檢驗出的不合理數(shù)據(jù)再次進行判別，判別出的合理數(shù)據(jù)仍作為有效數(shù)據(jù)。

1.4 研究方法

1.4.1 一元線性回歸方程

利用完整的氣象站(測風塔)與同期擬重構(gòu)測風塔的數(shù)據(jù)進行線性分析，得到線性回歸方程[20]。

y=ax+b

(1)

式(1)中，x序列為氣象站(測風塔)風速；y序列為擬重構(gòu)測風塔實測風速，a，b為回歸系數(shù)。

1.4.2 風切變指數(shù)

(2)

式(2)中，α為H0與H高度之間的風切變指數(shù)；V0、V分別為H0與H高度對應(yīng)的風速。

1.4.3 相關(guān)系數(shù)

(3)

1.5 測風塔數(shù)據(jù)重構(gòu)方案

本文利用氣象站或鄰近已重構(gòu)數(shù)據(jù)的測風塔與同期擬重構(gòu)數(shù)據(jù)測風塔的不同時間尺度(年、季、月)逐時風速數(shù)據(jù)以及觀測高度的重構(gòu)順序分別進行線性擬合，并結(jié)合風切變指數(shù)確定7個重構(gòu)方案。其中，方案1、方案3和方案5為氣象站(已重構(gòu)數(shù)據(jù)的測風塔70 m)與測風塔10 m(70 m)同期數(shù)據(jù)分別采用年、季、月時間尺度(3月滑動)進行線性擬合，得到年、四季、12個月的線性擬合方程，然后取相同時間尺度由10 m(70 m)至70 m(10 m)重構(gòu)同塔相鄰高度數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 測風塔數(shù)據(jù)重構(gòu)方案流程圖

方案2、方案4和方案6與方案1、方案3和方案5所采用擬合方式一致，但擬合重構(gòu)順序略有不同，方案1、方案3和方案5為氣象站(已數(shù)據(jù)重構(gòu)的測風塔70 m)逐時測風數(shù)據(jù)分別與同期測風塔4個觀測高度(10 m、30 m、50 m、70 m)進行線性擬合，進而重構(gòu)出測風塔各觀測高度(10 m、30 m、50 m、70 m)實測時段內(nèi)逐時風速數(shù)據(jù)。

方案7為利用方案1至方案6中重構(gòu)測風塔10 m高度逐時風速，結(jié)合各方案所擬合時間尺度(按年擬合、季節(jié)擬合、3個月滑動擬合)的測風塔相鄰高度的風切變指數(shù)(根據(jù)年、季節(jié)、3個月滑動平均風速所得)，進而重構(gòu)出其余各高度實測時段內(nèi)逐時風速數(shù)據(jù)。

測風塔與測風塔之間的重構(gòu)，利用方案1至方案7中重構(gòu)并經(jīng)檢驗得到的最優(yōu)方案下重構(gòu)的測風塔70 m高度風速數(shù)據(jù)，分別與擬重構(gòu)測風塔70 m高度同期風速數(shù)據(jù)進行線性擬合(方案1至方案6)，然后根據(jù)該方案擬合方式(按年擬合、季節(jié)擬合、季節(jié)滑動擬合)以及擬合效果最佳方案下的風切變指數(shù)向下計算出相鄰各層高度逐時風速數(shù)據(jù)，進而重構(gòu)出測風塔各觀測高度(10 m、30 m、50 m、70 m)實測時段內(nèi)逐時風速數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析

由測風塔數(shù)據(jù)的檢驗和處理得到遼寧省各測風塔2009年6月1日至2010年5月31日實測逐時風速數(shù)據(jù)有效完整率最高，數(shù)據(jù)整體有效完整率為96.4%，2011年各測風塔數(shù)據(jù)整體有效完整率為92.1%。由表1可知，12號和17號測風塔發(fā)生過遷址及新址測風塔觀測起始時間，考慮到各測風塔的數(shù)據(jù)有效完整率，12號和17號測風塔在遷址前以及其余24座測風塔進行線性擬合時所選的完整年實測數(shù)據(jù)時段均為2009年6月1日至2010年5月31日，方案5和方案6(3個月滑動)所選的14個月實測數(shù)據(jù)均為2009年5月1日至2010年6月30日。

由于滿足條件的氣象站分布較為稀疏(圖1)，因此需要將部分已重構(gòu)風速的測風塔作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對其他測風塔進行風速數(shù)據(jù)重構(gòu)，本文根據(jù)參證站和測風塔的分布、地形特征以及線性回歸擬合時的相關(guān)系數(shù)，依據(jù)參證資料的優(yōu)先級順序制定了測風塔數(shù)據(jù)重構(gòu)的參證資料及重構(gòu)的先后順序，詳見表1。

表1 遼寧省26座測風塔基本信息、風數(shù)據(jù)重構(gòu)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和先后順序

2.1 測風塔數(shù)據(jù)重構(gòu)方案檢驗

根據(jù)擬定7個方案以及26座測風塔的風速數(shù)據(jù)重構(gòu)順序，對遼寧省26座測風塔的風速數(shù)據(jù)進行了重構(gòu)，并對各重構(gòu)方案各高度風速數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行誤差檢驗(相對誤差和絕對誤差)，進一步結(jié)合兩者的相關(guān)系數(shù)最終篩選出最優(yōu)方案，流程圖見圖3。其中，誤差檢驗時著重考慮的先后順序為兩者之間月平均風速(重點關(guān)注大風月)、季節(jié)平均風速、年平均風速的誤差(相對誤差和絕對誤差)。由于篇幅關(guān)系本文僅給出頗具代表性的測風塔70 m年平均風速的誤差結(jié)果，見表2。實測與重構(gòu)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)略。

圖3 測風塔數(shù)據(jù)重構(gòu)方案檢驗流程

現(xiàn)有8座測風塔中，用于檢驗17號測風塔遷址前(17-1)、后(17-2)風速重構(gòu)數(shù)據(jù)的實測數(shù)據(jù)時段分別為2011年和2016年，用于檢驗12號測風塔遷址后(12-2)風速重構(gòu)數(shù)據(jù)的實測數(shù)據(jù)時段為2016年，因為該塔遷址(2010年8月)至現(xiàn)址開始觀測(2011年8月)無實測數(shù)據(jù)，因此，可用于檢驗12號測風塔遷址前的風速重構(gòu)數(shù)據(jù)的實測數(shù)據(jù)時段較短(僅4個月)，所以本文不對該塔遷址前的風速重構(gòu)數(shù)據(jù)進行檢驗，剩余的現(xiàn)有6座測風塔，用于檢驗測風塔風速重構(gòu)數(shù)據(jù)的實測數(shù)據(jù)時段均為2016年，該年各測風塔完整性均超過90%(圖4)。其余18座測風塔，用于檢驗測風塔風速重構(gòu)數(shù)據(jù)的實測數(shù)據(jù)時段均為2011年。

圖4 2010—2019年遼寧省現(xiàn)有8座測風塔數(shù)據(jù)完整性變化

26座測風塔重構(gòu)風速數(shù)據(jù)的檢驗具體結(jié)果見表2(僅給出具有代表性的測風塔70 m各方案重構(gòu)數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的平均風速相對誤差和絕對誤差)。

表2 遼寧省具有代表性測風塔70 m風速數(shù)據(jù)重構(gòu)方案檢驗

2.2 風速數(shù)據(jù)重構(gòu)的最優(yōu)方案

根據(jù)2.1節(jié)中數(shù)據(jù)重構(gòu)方案檢驗流程篩選出各測風塔最優(yōu)方案，詳見表3。其中，最優(yōu)方案主要集中在方案3和方案7，分別對應(yīng)10座和測風塔12座，方案1為2座測風塔，方案2和方案4各1座測風塔，各最優(yōu)方案空間分布見圖5。

表3 遼寧省26座測風塔數(shù)據(jù)重構(gòu)最優(yōu)方案

由圖5可見，最優(yōu)方案分布具有區(qū)域性特征，其中，遼寧北部的平原和丘陵、遼寧東南部的沿海平原和沿海丘陵主要以方案7為最優(yōu)方案，遼寧西部的丘陵和山地主要以方案3為最優(yōu)方案，極個別地區(qū)以方案2和方案4為最優(yōu)方案。

2.3 最優(yōu)方案分布區(qū)域性特征的成因分析

通過對最優(yōu)方案分布的區(qū)域性特征可以初步判斷，地形相對平坦的丘陵和平原地區(qū)，采用線性擬合與風切變相結(jié)合的數(shù)據(jù)重構(gòu)方案較適用，而地形相對復(fù)雜的丘陵和山地地區(qū)，采用季節(jié)線性擬合效果相對較好。主要因為遼寧省地勢為自東、西、北三面向中部和南部傾斜，東西兩側(cè)為丘陵山地，中部為自東北向西南傾斜的長方形遼河平原，且遼寧省地處溫帶大陸性季風氣候區(qū)，風速變化具有明顯的季節(jié)性，東南部地區(qū)山脈和丘陵的地勢升高相對平緩、北部地區(qū)丘陵地帶相對平坦，風切變指數(shù)變化平穩(wěn)，而西部的山地、丘陵相對陡峭，地形復(fù)雜，風切變指數(shù)受影響較大。由于風切變指數(shù)差異主要受局地地形、地貌環(huán)境影響，其中，18號、16號和23號測風塔的風切變指數(shù)受下墊面影響明顯偏大[21]，分別為0.3120、0.3811和0.4050，且16號和23號均適用方案3。結(jié)合圖5和表4可知，方案7的區(qū)域分布中的風切變指數(shù)主要集中在0.1159—0.1949，平均值為0.1482，方案3的區(qū)域分布中風切變指數(shù)主要集中在0.0577—0.1005，平均值為0.1039。因此，可以初步得到遼寧省典型地形中風切變指數(shù)為0.1400左右時，采用方案7進行測風塔缺測數(shù)據(jù)重構(gòu)較為適合，而風切變指數(shù)明顯偏大或相對偏小(0.1000左右)時，測風塔缺測數(shù)據(jù)重構(gòu)較適用方案3。

表4 2009年6月至2010年5月遼寧省測風塔年風切變指數(shù)

圖5 遼寧省26座測風塔最優(yōu)方案空間分布

總體而言，遼寧省地處溫帶大陸性季風氣候區(qū)所具有的季節(jié)性風速變化和固有的地形地勢特征，是最優(yōu)方案分布區(qū)域性特征的主要原因。

3 結(jié)論

(1)遼寧省典型地形測風塔缺測數(shù)據(jù)重構(gòu)主要以季節(jié)尺度的線性擬合(方案3)及其與風切變指數(shù)相結(jié)合(方案7)的重構(gòu)方案為最優(yōu)方案。

(2)最優(yōu)方案的空間分布具有區(qū)域性特征。其中，遼寧北部的平原和丘陵、遼寧東南部的沿海平原和沿海丘陵主要以方案7為最優(yōu)方案，遼寧西部的丘陵和山地主要以方案3為最優(yōu)方案。

(3)溫帶大陸性季風氣候區(qū)所具有的季節(jié)性風速變化和固有的地形地勢特征及其對風切變指數(shù)的影響，是遼寧省典型地形測風塔缺測數(shù)據(jù)重構(gòu)最優(yōu)方案及其空間分布呈區(qū)域性特征的主要原因。