漂浮式激光雷達(dá)海上測風(fēng)可靠性及影響因素研究

王浩，易侃，杜夢(mèng)蛟，薛洋洋，顧晨，王彩霞，禹智斌，張秀芝

（1.中國三峽新能源（集團(tuán)）股份有限公司，北京 101149；2.中國長江三峽集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100038；3.上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434；4.青島華航環(huán)境科技有限責(zé)任公司，山東 青島 266041；5.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳），廣東 深圳 518055；6.國家氣候中心，北京 100081）

1 引言

風(fēng)能作為一種純凈無污染的綠色能源，是我國能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。我國地域遼闊，風(fēng)能資源豐富，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在近十幾年來迅速發(fā)展。相比于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電具有儲(chǔ)量大、利用效率高、不占用土地以及環(huán)境友好等特點(diǎn)，有望成為未來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的主力軍[1-3]。在海上風(fēng)電開發(fā)過程中，風(fēng)資源評(píng)估是風(fēng)電場選址的第一步，風(fēng)資源評(píng)估的準(zhǔn)確性對(duì)于保障風(fēng)電場開發(fā)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要[4]。目前，在風(fēng)電場開發(fā)海域內(nèi)建造固定式測風(fēng)塔是收集海上氣象要素資料和開展風(fēng)資源評(píng)估的常規(guī)手段[5-6]，但海上測風(fēng)塔的建造存在手續(xù)繁瑣、造價(jià)高和施工難度大等問題[7]，且隨著海上風(fēng)電由淺海向深海的發(fā)展，海上測風(fēng)塔的建設(shè)成本和技術(shù)難度勢必會(huì)進(jìn)一步增加[8]。

隨著氣象數(shù)值模擬及數(shù)據(jù)融合技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，利用氣象再分析資料開展風(fēng)資源評(píng)估的可靠性逐步提升[9-10]。越來越多的海上風(fēng)電項(xiàng)目開始嘗試采用氣象再分析資料來彌補(bǔ)測風(fēng)塔的不足。與此同時(shí)，以漂浮式激光雷達(dá)為代表的海上新型觀測設(shè)備也日益受到關(guān)注。漂浮式激光雷達(dá)是將測風(fēng)激光雷達(dá)置于海上漂浮式平臺(tái)上，以此進(jìn)行指定區(qū)域的風(fēng)電場風(fēng)資源觀測[11]。相較海上固定式測風(fēng)塔，漂浮式激光雷達(dá)具有測量參數(shù)豐富、探測范圍大、建造及運(yùn)營維護(hù)成本低[12]、安裝布放速度快、投運(yùn)周期短和使用靈活性高等優(yōu)勢[13]。2005 年，測風(fēng)激光雷達(dá)開始被應(yīng)用于海上風(fēng)電場的風(fēng)資源評(píng)估。2009 年，世界上第一臺(tái)漂浮式激光雷達(dá)測風(fēng)裝置完成組裝并進(jìn)行了相關(guān)測試和驗(yàn)證[11]。此后，多個(gè)歐美國家的企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)陸續(xù)推出海上測風(fēng)激光雷達(dá)漂浮式裝置的解決方案。

我國海上風(fēng)電不斷發(fā)展，尤其從近岸逐步向較深海域發(fā)展，亟需漂浮式激光雷達(dá)用于海上風(fēng)資源評(píng)估的測風(fēng)工作。值得注意的是，由于海浪和海風(fēng)引起的漂浮式平臺(tái)復(fù)雜的搖擺和運(yùn)動(dòng)，容易造成測風(fēng)激光雷達(dá)激光光束的指向發(fā)生快速變化，從而產(chǎn)生風(fēng)場測量誤差[14]。此外有研究表明，雨滴會(huì)影響測風(fēng)激光雷達(dá)的多普勒風(fēng)譜，雨滴落在激光雷達(dá)接收鏡上會(huì)引起波前畸變[15]，因此，降雨也可能會(huì)影響激光雷達(dá)的測量精度[16-17]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，有必要開展適合我國海域的漂浮式激光雷達(dá)的對(duì)比驗(yàn)證研究，評(píng)估漂浮式激光雷達(dá)在我國海域進(jìn)行風(fēng)資源評(píng)估的準(zhǔn)確性及適用性。本研究通過在廣東省陽江海域某海上風(fēng)電開發(fā)場址內(nèi)布放一臺(tái)搭載有多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)設(shè)備的漂浮式觀測平臺(tái)，與場內(nèi)一座海上固定式測風(fēng)塔進(jìn)行連續(xù)3 M的對(duì)比觀測，旨在驗(yàn)證漂浮式激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)的可靠性，為其后續(xù)在海上風(fēng)電領(lǐng)域的研究、優(yōu)化和應(yīng)用推廣提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)。

2 設(shè)備介紹及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 觀測設(shè)備介紹

本研究所用的漂浮式激光雷達(dá)主要由浮標(biāo)平臺(tái)、系泊系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、姿態(tài)測量設(shè)備以及測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)、波浪傳感器等氣象水文觀測傳感器組成（見圖1）。各組件的具體型號(hào)見表1，測風(fēng)激光雷達(dá)的基本參數(shù)見表2。測風(fēng)激光雷達(dá)設(shè)置風(fēng)速和風(fēng)向的測量高度分別為50 m、70 m、80 m、90 m、100 m、120 m、150 m和300 m。

表2 激光雷達(dá)基本性能參數(shù)Tab.2 List of the lidar performance parameters

圖1 漂浮式激光雷達(dá)實(shí)物圖Fig.1 Pictures of the floating lidar system

固定式測風(fēng)塔的主要觀測設(shè)備有風(fēng)速計(jì)、風(fēng)向標(biāo)、溫度計(jì)、濕度計(jì)、雨量計(jì)以及固定式聲學(xué)測波設(shè)備，具體型號(hào)見表1。圖2為本研究中的測風(fēng)塔實(shí)物及設(shè)備安裝示意圖。為保證觀測質(zhì)量，避免氣流畸變?cè)斐傻挠绊懀覀兎謩e在20 m、50 m、70 m、80 m、90 m 和 100 m 高度處 155°和 335°方向上加裝支臂并對(duì)稱安裝兩套風(fēng)速計(jì)。在50 m 和100 m 高度處風(fēng)速計(jì)的安裝支臂最外側(cè)再對(duì)稱安裝兩套風(fēng)向標(biāo)（見圖2b）。在20 m高度處各安裝兩套溫度、濕度和氣壓傳感器。由于安裝在測風(fēng)塔155°方向上的部分儀器損壞，本次對(duì)比測試僅使用測風(fēng)塔335°方向各高度層支架上安裝的儀器測量結(jié)果。

圖2 測風(fēng)塔實(shí)物（a）及測風(fēng)塔設(shè)備安裝示意圖（b）Fig.2 The meteorological mast（a）and its structure diagram（b）

表1 漂浮式激光雷達(dá)及測風(fēng)塔主要搭載設(shè)備型號(hào)Tab.1 The type of equipment installed on the floating lidar system and meteorological mast

2.2 觀測設(shè)備數(shù)據(jù)要素

本次對(duì)比測試地點(diǎn)為廣東省陽江海域某海上風(fēng)電開發(fā)場址內(nèi)，漂浮式激光雷達(dá)與測風(fēng)塔直線距離為351 m。同步觀測的時(shí)間段為2021年1月24日—4月20 日。研究期間共收集到12 528 條數(shù)據(jù)，觀測要素包括漂浮式激光雷達(dá)和測風(fēng)塔的10 min 平均風(fēng)速（以下簡稱平均風(fēng)速）、10 min極大風(fēng)速（以下簡稱極大風(fēng)速）、10 min 風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差（以下簡稱風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差）、和10 min 平均風(fēng)向（以下簡稱平均風(fēng)向）等風(fēng)場要素，以及漂浮式平臺(tái)的氣溫、降雨量、平均波高、最大波高、1/10 波高和平均周期等要素，數(shù)據(jù)采集頻率為10 min。此外，本研究還收集到2021 年1月23 日—2 月21 日安裝在固定式測風(fēng)塔底部支架的座底式聲學(xué)測波設(shè)備的494 條觀測數(shù)據(jù)，包括平均波高、最大波高、1/10波高和平均周期等水文要素測量值，數(shù)據(jù)采集頻率為60 min。

本次對(duì)比測試中，用于統(tǒng)計(jì)測風(fēng)數(shù)據(jù)完整性的風(fēng)場要素主要為50 m、70 m、80 m、90 m、100 m、120 m、150 m 和300 m 高度處的平均風(fēng)速和風(fēng)向測量值，用于分析測量準(zhǔn)確性和偏差影響因素的風(fēng)場要素?cái)?shù)據(jù)主要包括漂浮式激光雷達(dá)和測風(fēng)塔50 m、70 m、80 m、90 m 和100 m 高度處的平均風(fēng)速、極大風(fēng)速、風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差測量值以及50 m 和100 m 高度處的平均風(fēng)向測量值；此外，用于分析漂浮式激光雷達(dá)測風(fēng)影響因素的數(shù)據(jù)還包括漂浮式激光雷達(dá)和座底式聲學(xué)測波設(shè)備測量的平均波高和降雨量記錄值等。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理方案

參照《海上風(fēng)電場工程風(fēng)能資源測量及海洋水文觀測規(guī)范》（NB/T 31029—2019）和《風(fēng)電場工程風(fēng)能資源測量和評(píng)估技術(shù)規(guī)定》（NB/T 31147—2018），按照以下步驟對(duì)平均風(fēng)速和平均風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

（1）范圍檢驗(yàn)。對(duì)于平均風(fēng)速在0～40 m/s內(nèi)以及平均風(fēng)向在0～360°內(nèi)的數(shù)據(jù)暫判定為合理值，超過上述范圍的直接判定為異常值。

（2）合理性檢驗(yàn)。對(duì)于暫判定為合理值的數(shù)據(jù)繼續(xù)按表3所列的合理性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定。符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)判定為合理值，不符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的相鄰高度的數(shù)據(jù)均標(biāo)記為異常值。

（3）塔影效應(yīng)檢驗(yàn)[18]。計(jì)算漂浮式激光雷達(dá)與固定式測風(fēng)塔各時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速偏差，并繪制風(fēng)速偏差隨風(fēng)向的分布圖。當(dāng)測風(fēng)設(shè)備處于塔身下風(fēng)向，即風(fēng)向可能會(huì)對(duì)塔身產(chǎn)生潛在影響時(shí)，若風(fēng)速偏差顯著大于其他風(fēng)向段，則認(rèn)為該風(fēng)向段內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)受塔影效應(yīng)影響明顯，在分析時(shí)予以剔除。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）湍流強(qiáng)度。湍流強(qiáng)度用來表示瞬時(shí)風(fēng)速偏離平均風(fēng)速的程度，是評(píng)價(jià)氣流穩(wěn)定程度的重要指標(biāo)[19]，計(jì)算公式為：

式中：v為平均風(fēng)速，單位：m/s；S為風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差。

（2）線性回歸。利用線性回歸算法來擬合漂浮

式激光雷達(dá)與測風(fēng)塔測量值，回歸方程為：

式中：xl,i和fi分別為漂浮式激光雷達(dá)測量值及對(duì)應(yīng)回歸方程預(yù)測值。選用系數(shù)（coefficient，a）、截距（intercept，b）和決定系數(shù)（coefficient of determination，R2）來評(píng)價(jià)回歸方程擬合效果，計(jì)算公式如下：

式中：xt,i和分別為測風(fēng)塔測量值及其均值；N為總樣本量。

（3）選用平均絕對(duì)誤差（Mean Absolute Error，MAE）和平均相對(duì)誤差（Mean Relative Error，MRE）來評(píng)價(jià)漂浮式激光雷達(dá)的測量精度，計(jì)算公式分別為：

式中：xl,i和xt,i分別為漂浮式激光雷達(dá)和測風(fēng)塔測量值；N為總樣本量。

3 漂浮式激光雷達(dá)測風(fēng)可靠性分析

為保證分析結(jié)果的可靠性，本研究利用上述數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，對(duì)測風(fēng)塔的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)于不合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，結(jié)果見表3。在此基礎(chǔ)上，我們對(duì)測風(fēng)塔測量結(jié)果進(jìn)行塔影效應(yīng)分析。從圖3 可以看出，漂浮式激光雷達(dá)與固定式測風(fēng)塔的風(fēng)速偏差（雷達(dá)測值-測風(fēng)塔測值）在140°～190°風(fēng)向范圍內(nèi)異常顯著?？紤]到本研究所用的測風(fēng)塔風(fēng)速計(jì)布置在335°方向上（見圖2b），來自相對(duì)方向的自由來流受塔架的干擾，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。因此，可判定140°～190°為受塔影效應(yīng)影響顯著的風(fēng)向范圍，因此我們?cè)诤罄m(xù)分析中對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)予以剔除。經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)總量為11 319條。

表3 測風(fēng)塔數(shù)據(jù)合理性檢驗(yàn)Tab.3 Rationality test of the meteorological mast results

圖3 漂浮式激光雷達(dá)與固定式測風(fēng)塔風(fēng)速測量偏差隨不同風(fēng)向的分布情況圖Fig.3 Distributions of wind speed deviations with different wind direction between the floating lidar system and meteorological mast

3.1 漂浮式激光雷達(dá)測風(fēng)數(shù)據(jù)完整性

表4為漂浮式激光雷達(dá)從各觀測高度獲取的測風(fēng)數(shù)據(jù)完整率。在整個(gè)對(duì)比測試周期內(nèi)，漂浮式激光雷達(dá)獲取的150 m 以內(nèi)各個(gè)觀測高度的測風(fēng)數(shù)據(jù)的完整率均在98%以上，數(shù)據(jù)完整率隨觀測高度增加而降低，300 m 測量高度處的數(shù)據(jù)完整率下降顯著。考慮到當(dāng)前海上風(fēng)機(jī)的輪轂高度普遍在150 m以內(nèi)，因此漂浮式激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的完整率總體滿足當(dāng)前風(fēng)資源評(píng)估的應(yīng)用需求。

表4 漂浮式激光雷達(dá)測風(fēng)數(shù)據(jù)完整率Tab.4 The integrality of the floating lidar system results

3.2 漂浮式激光雷達(dá)測風(fēng)準(zhǔn)確性

本研究對(duì)比了各觀測高度下漂浮式激光雷達(dá)與固定式測風(fēng)塔測量結(jié)果的差異。結(jié)果表明，激光雷達(dá)觀測的平均風(fēng)向、平均風(fēng)速和極大風(fēng)速的測量值相對(duì)于測風(fēng)塔觀測值的MRE 均在7%以內(nèi)，平均風(fēng)速和風(fēng)向的MAE分別在0.5 m/s和5°以內(nèi)，表明漂浮式激光雷達(dá)與固定式測風(fēng)塔的測風(fēng)精度基本一致。圖4 為100 m 高度的漂浮式激光雷達(dá)與測風(fēng)塔平均風(fēng)向（見圖4a）、平均風(fēng)速（見圖4b）、極大風(fēng)速（見圖4c）和湍流強(qiáng)度（見圖4d）的同步觀測時(shí)序圖。從圖中可以看到，漂浮式激光雷達(dá)風(fēng)速和風(fēng)向的測量值與測風(fēng)塔測量值具有較高的一致性，即使在風(fēng)速為極值或風(fēng)速和風(fēng)向發(fā)生快速轉(zhuǎn)變時(shí)，漂浮式激光雷達(dá)也具有很好的觀測能力。漂浮式激光雷達(dá)測量的湍流強(qiáng)度與測風(fēng)塔結(jié)果的整體趨勢基本一致，但在湍流強(qiáng)度較大時(shí)部分測量結(jié)果存在一定的偏差（見圖4d）。

圖4 100 m高度處漂浮式激光雷達(dá)與測風(fēng)塔測量結(jié)果對(duì)比的時(shí)間序列圖Fig.4 The comparative analysis of measurement results between the floating lidar system and meteorological mast at 100 m height

本研究對(duì)各高度處漂浮式激光雷達(dá)與測風(fēng)塔的測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。表5為各高度處測風(fēng)數(shù)據(jù)的線性回歸計(jì)算結(jié)果，圖5a—c為100 m高度處測風(fēng)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析圖。

表5 漂浮式激光雷達(dá)與測風(fēng)塔測風(fēng)相關(guān)性分析Tab.5 Correlation analysis between the floating lidar system and meteorological mast

（1）平均風(fēng)速相關(guān)性

各觀測高度處漂浮式激光雷達(dá)與測風(fēng)塔平均風(fēng)速測量值的相關(guān)性強(qiáng)，且偏移量很小，均在0.05 m/s以下?；貧w方程擬合效果好，R2均超過了0.98。圖5a 為100 m 高度處平均風(fēng)速相關(guān)性圖，從圖中可以看到，大部分?jǐn)?shù)據(jù)均在回歸方程預(yù)測結(jié)果一定的偏差范圍內(nèi)。圖5d為利用100 m內(nèi)各觀測高度平均風(fēng)速均值繪制的風(fēng)廓線對(duì)比圖。從圖中可以看出，50 m高度處測風(fēng)塔的風(fēng)速測量值略高于激光雷達(dá)，60 m以上高度處測風(fēng)塔的風(fēng)速測量值略低于激光雷達(dá)。

圖5 100 m高度處漂浮式激光雷達(dá)與測風(fēng)塔相關(guān)性分析圖Fig.5 Correlations of the measurement results between the floating lidar system and meteorological mast at 100m height

（2）平均風(fēng)向相關(guān)性

漂浮式激光雷達(dá)與測風(fēng)塔的平均風(fēng)向在50 m和100 m 高度處同樣表現(xiàn)出很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均接近1，偏移量在4°左右。回歸方程擬合效果好，R2均超過了 0.99。圖 5b 為 100 m 高度處平均風(fēng)向相關(guān)性圖，從圖中可以看出，回歸方程的預(yù)測偏差基本在±10°內(nèi)。

（3）湍流強(qiáng)度相關(guān)性

漂浮式激光雷達(dá)湍流強(qiáng)度測量的擬合效果相對(duì)較差，各對(duì)比高度上的R2均在0.6～0.65 之間，MAE 均在0.012～0.014 內(nèi)。通過分析發(fā)現(xiàn)，低風(fēng)速區(qū)（3 m/s 以下）漂浮式激光雷達(dá)測得的湍流強(qiáng)度平均值高于測風(fēng)塔，而在中高風(fēng)速區(qū)兩者測得的湍流強(qiáng)度差別不明顯（見圖5c）。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，各觀測高度下低風(fēng)速區(qū)湍流強(qiáng)度測量值的MAE 均在0.035～0.039 之間，中高風(fēng)速區(qū)湍流強(qiáng)度測量值的MAE均在0.011～0.012之間。

綜合上述分析結(jié)果可知，漂浮式激光雷達(dá)在平均風(fēng)速、平均風(fēng)向和極大風(fēng)速的測量方面準(zhǔn)確性高，但對(duì)于湍流強(qiáng)度的測量還有進(jìn)一步提升的空間。值得注意的是，低風(fēng)速區(qū)漂浮式激光雷達(dá)的湍流強(qiáng)度測量值比測風(fēng)塔大，而在中高風(fēng)速區(qū)二者的測量差異并不明顯。

4 漂浮式激光雷達(dá)測風(fēng)偏差影響因素及特性

4.1 環(huán)境要素對(duì)漂浮式激光雷達(dá)測風(fēng)的影響

4.1.1 降雨

降雨會(huì)影響多普勒激光雷達(dá)的測量精度[15]。我國海域特別是東南沿海多降雨天氣，因此有必要評(píng)估降雨條件下漂浮式激光雷達(dá)的測量精度。在對(duì)比測試周期內(nèi)共有251 條降雨記錄數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析，結(jié)果見表6。從表中可以看出，除湍流強(qiáng)度外，降雨條件下漂浮式激光雷達(dá)在各觀測高度的平均風(fēng)速、平均風(fēng)向以及極大風(fēng)速測量偏差均有不同程度的增大，表明降雨在一定程度上會(huì)影響漂浮式激光雷達(dá)的測量精度。由于有降雨時(shí)的測風(fēng)數(shù)據(jù)樣本量較小，因此還需要收集更多的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行更全面的分析。

表6 降雨對(duì)測量偏差的影響分析Tab.6 Analysis of the effect of rainfall on measurement bias

4.1.2 波浪

除降雨外，波浪引起漂浮式平臺(tái)復(fù)雜的搖擺和運(yùn)動(dòng)也可能會(huì)影響漂浮式激光雷達(dá)的性能[14]。為此，我們利用對(duì)比測試周期內(nèi)收集到的平均波高數(shù)據(jù)，分析研究波浪對(duì)漂浮式激光雷達(dá)性能的影響。由于測風(fēng)塔收集到的平均波高數(shù)據(jù)較少，因此我們?cè)诜治鰰r(shí)采用漂浮式平臺(tái)獲取的平均波高數(shù)據(jù)。圖6中藍(lán)線和黃線分別為漂浮式平臺(tái)和座底式聲學(xué)測波設(shè)備獲取的平均波高同步觀測時(shí)序圖。從圖中可以看到，漂浮式平臺(tái)測得的平均波高數(shù)據(jù)存在明顯的系統(tǒng)偏差。經(jīng)測試，以漂浮式平臺(tái)和座底式聲學(xué)測波設(shè)備獲取的平均波高數(shù)據(jù)分別作為自變量和因變量，利用線性回歸算法進(jìn)行擬合，可以較好地修正前者數(shù)據(jù)中存在的系統(tǒng)偏差。圖6中綠線為修正后的漂浮式平臺(tái)的平均波高數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算，修正后平均波高的MRE 為9.67%，而修正前的MRE 為51.45%，測量偏差有明顯改善，可用于進(jìn)一步的分析研究。

圖6 漂浮式平臺(tái)和座底式聲學(xué)測波設(shè)備獲取的平均波高同步觀測時(shí)序圖Fig.6 The time series of mean wave height measured by seabed-based acoustic wave gauge and floating lidar system

剔除有降雨記錄的數(shù)據(jù)后，進(jìn)一步計(jì)算100 m高度處漂浮式激光雷達(dá)在不同平均波高下測得的平均風(fēng)速、極大風(fēng)速和湍流強(qiáng)度的MAE 和MRE，結(jié)果見圖 7。圖 7a、7c 和 7e 分別為 100 m 高度漂浮式激光雷達(dá)測得的平均風(fēng)速、極大風(fēng)速和湍流強(qiáng)度的MAE關(guān)于平均波高和測風(fēng)塔平均風(fēng)速的散點(diǎn)圖，圖7b、7d 和7f 為對(duì)應(yīng)的MRE 關(guān)于平均波高及測風(fēng)塔平均風(fēng)速的散點(diǎn)圖，散點(diǎn)顏色代表各觀測記錄對(duì)應(yīng)的測風(fēng)塔平均風(fēng)速大小，顏色越淺代表風(fēng)速越高（最大風(fēng)速為18.29 m/s，最小風(fēng)速為0.45 m/s）。從圖中可以看到，漂浮式激光雷達(dá)的測量偏差與平均波高之間并無明顯的相關(guān)關(guān)系，相同風(fēng)速條件下不同平均波高處測量偏差的分布無明顯差異，說明波浪對(duì)漂浮式激光雷達(dá)的測量精度無明顯影響。值得注意的是，圖7b 和7d 顯示低風(fēng)速區(qū)平均風(fēng)速和極大風(fēng)速測量值的MRE 較高，圖7e 和7f 顯示低風(fēng)速區(qū)湍流強(qiáng)度測量值的MRE 和MAE 均較高，說明風(fēng)速可能對(duì)漂浮式激光雷達(dá)的測量精度（特別是湍流強(qiáng)度）存在影響，其原因還需進(jìn)一步分析。

圖7 100 m高度處不同風(fēng)速及波浪條件的測量偏差分布圖Fig.7 Distributions of deviations from different wind speed and wave conditions at 100 m height

4.2 漂浮式激光雷達(dá)測風(fēng)誤差特性

表7為不同測量高度處漂浮式激光雷達(dá)測量結(jié)果的偏差分析。從表中可以看到，100 m 觀測高度以內(nèi)隨著測量高度的增加，漂浮式激光雷達(dá)的平均風(fēng)速、極大風(fēng)速、平均風(fēng)向的MRE及MAE均略有降低，但基本可以忽略。此外，分析結(jié)果表明漂浮式激光雷達(dá)湍流強(qiáng)度的測量結(jié)果基本不受測量高度的影響。綜合上述分析可知，漂浮式激光雷達(dá)的測風(fēng)性能基本不受測量高度的影響。

表7 漂浮式激光雷達(dá)與固定式測風(fēng)塔在不同高度下的測風(fēng)數(shù)據(jù)偏差Tab.7 Wind speed deviations between floating lidar system and meterological mast at different height

鑒于風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際需求及4.1 節(jié)的分析結(jié)果，我們剔除有降雨記錄的數(shù)據(jù)后對(duì)測風(fēng)塔獲取的平均風(fēng)速進(jìn)行區(qū)間劃分，并進(jìn)一步分析不同風(fēng)速條件下漂浮式激光雷達(dá)的測量精度。由于16 m/s及以上風(fēng)速區(qū)間的樣本總量較少，分析結(jié)果不具有代表性，因此在本研究中只分析15 m/s 以內(nèi)風(fēng)速段的結(jié)果。

圖8a—c 分別記錄了各觀測高度處漂浮式激光雷達(dá)在不同風(fēng)速區(qū)間平均風(fēng)速、極大風(fēng)速和湍流強(qiáng)度測量值的MAE 和MRE 折線圖。從圖中可以看出，不同高度下平均風(fēng)速和極大風(fēng)速測量值的MAE均隨風(fēng)速的增加而增大，MRE均隨風(fēng)速的增加而減小，MAE 的變化范圍分別為 0.1～0.6 m/s 和 0.2～1 m/s。通過具體分析后發(fā)現(xiàn)，漂浮式激光雷達(dá)測得的平均風(fēng)速和極大風(fēng)速在12 m/s 以內(nèi)的MAE 變化均不大，但由于3 m/s以內(nèi)低風(fēng)速區(qū)的風(fēng)速測量值較低，從而導(dǎo)致其MRE偏大；同樣，雖然12 m/s以上的高風(fēng)速區(qū)的MAE 偏大，但由于風(fēng)速測量值較大，從而導(dǎo)致實(shí)際MRE較低。此外，不同高度下湍流強(qiáng)度測量值的MAE 和MRE 均隨風(fēng)速的增加而減小，特別是3 m/s以內(nèi)的低風(fēng)速區(qū)的MAE和MRE均較大。綜上分析可知，漂浮式激光雷達(dá)湍流強(qiáng)度的測量受風(fēng)速的影響較大，主要表現(xiàn)為低風(fēng)速區(qū)湍流強(qiáng)度測量偏差較大，而平均風(fēng)速和極大風(fēng)速的測量受風(fēng)速的影響較小。

圖8 各高度不同風(fēng)速區(qū)間內(nèi)平均風(fēng)速、極大風(fēng)速和湍流強(qiáng)度的偏差分布Fig.8 Distributions of mean wind speed，maximum wind speed and turbulence intensity measurement deviations in different wind speed intervals at different heights

由于風(fēng)速超過12 m/s的區(qū)間的觀測數(shù)據(jù)僅占觀測總數(shù)據(jù)量的5%左右，分析結(jié)果在一定程度上可能無法準(zhǔn)確反映測風(fēng)激光雷達(dá)在高風(fēng)速段的觀測偏差特性，后續(xù)需要收集更多的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

5 總結(jié)與討論

本文利用廣東省陽江海域某海上風(fēng)電場址內(nèi)固定式測風(fēng)塔的同期觀測數(shù)據(jù)，對(duì)漂浮式激光雷達(dá)在海上測風(fēng)的可靠性進(jìn)行了系統(tǒng)地檢驗(yàn)評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上分析了漂浮式激光雷達(dá)海上測風(fēng)的主要誤差特性。結(jié)論如下：

（1）漂浮式激光雷達(dá)測量的風(fēng)場數(shù)據(jù)完整率隨觀測高度的增加略有下降，但150m以內(nèi)均超過98%。平均風(fēng)速、平均風(fēng)向和極大風(fēng)速的測量結(jié)果與測風(fēng)塔基本一致，各測量高度平均相對(duì)偏差均在7%以內(nèi)，平均風(fēng)速和平均風(fēng)向的平均絕對(duì)偏差分別在 0.5 m/s 和 5°以內(nèi)，R2均超過 0.98；湍流強(qiáng)度測量偏差在低風(fēng)速區(qū)相對(duì)較大，各測量高度處平均絕對(duì)偏差在0.012～0.014 之間。綜合來看，漂浮式激光雷達(dá)的風(fēng)場測量結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確可靠，可滿足當(dāng)前海上風(fēng)能資源評(píng)估要求。

（2）影響漂浮式激光雷達(dá)測量精度的主要環(huán)境因素是降水，而波浪和測量高度對(duì)漂浮式激光雷達(dá)測量精度的影響較小。

（3）與固定式測風(fēng)塔相比，漂浮式激光雷達(dá)的風(fēng)測量偏差主要集中在3 m/s以下低風(fēng)速段，主要表現(xiàn)為低風(fēng)速區(qū)激光雷達(dá)測得的湍流強(qiáng)度顯著高于測風(fēng)塔測量結(jié)果，這可能與測風(fēng)塔本身在低風(fēng)速區(qū)的測量精度有關(guān)。

本文的研究結(jié)果在一定程度上證明了漂浮式激光雷達(dá)在海上風(fēng)能資源測量中的性能相對(duì)準(zhǔn)確和可靠，可滿足當(dāng)前風(fēng)資源評(píng)估的要求，但本文的分析研究還存在一些不足。例如，由于12 m/s 以上高風(fēng)速區(qū)的測量樣本量較少，后續(xù)需要針對(duì)漂浮式激光雷達(dá)在高風(fēng)速段的偏差特性開展進(jìn)一步分析；在分析降水對(duì)漂浮式激光雷達(dá)的影響時(shí)也受到降水時(shí)間段數(shù)據(jù)量較少的限制，未來需要收集更多的降水觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行更全面的測量誤差分析；需要進(jìn)一步考慮不同影響因素之間的聯(lián)合效應(yīng)對(duì)測量誤差的影響。

值得注意的是，本研究主要是針對(duì)漂浮式激光雷達(dá)與固定式測風(fēng)塔的測量結(jié)果比較，由于測風(fēng)塔的測量精度本身存在一定誤差，因此，兩種設(shè)備在3 m/s 以下低風(fēng)速段的對(duì)比結(jié)果偏差并不能完全歸因于激光雷達(dá)的測量精度偏差?？紤]到海上風(fēng)能資源評(píng)估主要關(guān)注的是能帶來發(fā)電效益的風(fēng)速段測量結(jié)果，因此3 m/s以下低風(fēng)速段的測量偏差對(duì)風(fēng)能資源評(píng)估結(jié)果的影響較小。

綜上所述，通過與海上固定式測風(fēng)塔的對(duì)比，漂浮式激光雷達(dá)對(duì)主要風(fēng)能資源測量要素的觀測精度基本滿足海上風(fēng)電的應(yīng)用需求。針對(duì)本研究存在的不足，后續(xù)將進(jìn)一步收集數(shù)據(jù)、改進(jìn)研究方法并補(bǔ)充測風(fēng)塔可靠性檢驗(yàn)，以提升研究結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，為漂浮式激光雷達(dá)的提升優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。