典型風(fēng)電場(chǎng)地形大氣穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)機(jī)出力的影響

王彬?yàn)I ，余江 ，張榮 ，孫朋杰

（1.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610041；2.西昌學(xué)院,四川 西昌 615000；3.中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖北分院,湖北 武漢 430074；4.湖北省氣象服務(wù)中心,湖北 武漢 430074）

0 引言

我國(guó)提出力爭(zhēng)在2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。“3060 雙碳”目標(biāo)的提出必將加快推動(dòng)風(fēng)電、太陽(yáng)能等新能源的跨越式發(fā)展?！笆奈濉逼陂g，我國(guó)新能源將進(jìn)入快速發(fā)展期，據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，按照目前進(jìn)度，到2030 年風(fēng)電光伏總裝機(jī)容量超過(guò)1.2 TW 的可能非常大。風(fēng)能作為一種綠色可再生能源，對(duì)于人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[1-3]。準(zhǔn)確的風(fēng)能資源和發(fā)電量評(píng)估可以減小風(fēng)電場(chǎng)投資建設(shè)決策風(fēng)險(xiǎn)，提升風(fēng)能資源、土地資源等利用效率，是風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)建設(shè)至關(guān)重要的一環(huán)[4-6]。

在國(guó)內(nèi)外風(fēng)能資源相關(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)際工程應(yīng)用中，以氣象研究與預(yù)報(bào)模式（Weather Research and Forecasting model，WRF）、CFD 為核心的技術(shù)方法已經(jīng)廣泛使用。惠小英等[1]應(yīng)用WRF 模式對(duì)酒泉地區(qū)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明模擬的風(fēng)能密度與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果較為一致；張鴻雁等[7]利用WRF 模式對(duì)湖北省風(fēng)能資源進(jìn)行模擬，結(jié)果表明模擬結(jié)果能反映出風(fēng)能資源分布的趨勢(shì)；郁永靜等[8]應(yīng)用WRF 氣象模式進(jìn)行高海拔無(wú)測(cè)風(fēng)復(fù)雜地形區(qū)域風(fēng)能資源分布模擬,并將模擬結(jié)果、美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)布的全球再分析氣象數(shù)據(jù)集產(chǎn)品（以下稱MERRA）數(shù)據(jù)分別與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。研究表明，WRF 模擬具有較高的模擬精度,且效果明顯優(yōu)于MERRA 數(shù)據(jù)；謝今范等[9]利用中尺度模式WRF進(jìn)行東北地區(qū)風(fēng)能資源空間模擬,研究觀測(cè)站點(diǎn)稀少地區(qū)的風(fēng)能資源分布特征，研究結(jié)果表明：中尺度模式WRF 能夠較好地模擬東北區(qū)域風(fēng)速分布的氣候特征；魏慧榮等[10]在早些年前為把CFD 技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)場(chǎng)中實(shí)際地形的風(fēng)流動(dòng)模擬，選擇典型地形進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比了不同網(wǎng)格和不同湍流模型對(duì)風(fēng)流場(chǎng)模擬分布結(jié)果的影響；李軍等[11]將中尺度天氣模式輸出當(dāng)作邊界條件輸入給CFD，初步顯示中尺度天氣模式結(jié)合CFD 的方法可更好地模擬復(fù)雜地形的大氣邊界層運(yùn)動(dòng)；方艷瑩等[12]運(yùn)用中尺度數(shù)值模式WRF 與法國(guó)CFD 軟件相結(jié)合的方法，進(jìn)行了廣東省海陵島地區(qū)的風(fēng)能資源數(shù)值模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明：中尺度模式與CFD 軟件結(jié)合的數(shù)值模擬方法對(duì)區(qū)域風(fēng)能資源分布趨勢(shì)的模擬比單純應(yīng)用CFD 軟件更準(zhǔn)確。

風(fēng)是由太陽(yáng)輻射熱引起的空氣流動(dòng)現(xiàn)象，大尺度風(fēng)的兩個(gè)主要驅(qū)動(dòng)因子是赤道和極地之間的加熱差異和地球自轉(zhuǎn)，而影響大氣邊界層風(fēng)流特征主要包括地形、粗糙度以及大氣穩(wěn)定度。大氣穩(wěn)定度的定義主要有4 類，都是表征大氣穩(wěn)定的程度。傳統(tǒng)的風(fēng)能資源研究和工程應(yīng)用中，大氣穩(wěn)定度幾乎都被假定為中性，隨著國(guó)內(nèi)外風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)和后評(píng)估研究工作的完善，大氣穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)能資源影響的顯著性開(kāi)始得到風(fēng)能資源相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者和工程人員的重視，特別是低風(fēng)速選址區(qū)域，熱效應(yīng)對(duì)風(fēng)流特征的影響變得顯著，其顯著性可能超過(guò)地形和粗糙度。張雙益等[13]通過(guò)對(duì)大型海上風(fēng)電場(chǎng)的尾流數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比，探討了海上大氣穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源的影響；TEXIER 等[14]考慮了在進(jìn)行CFD 技術(shù)風(fēng)能資源評(píng)估時(shí)引入大氣穩(wěn)定度的影響。目前對(duì)典型風(fēng)場(chǎng)地形大氣穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)能資源和風(fēng)電場(chǎng)出力影響機(jī)理的比較研究仍較少，可用于研究大氣穩(wěn)定度熱效應(yīng)的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)也不易收集。本文選取了平坦和復(fù)雜山地兩種典型風(fēng)電場(chǎng)地形，使用上述地形兩座測(cè)風(fēng)塔不同高度觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括多層高度的風(fēng)速、氣溫、氣壓等資料，通過(guò)大氣穩(wěn)定度的比較計(jì)算，定量地探討大氣穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)能資源和風(fēng)機(jī)出力的影響，以期給風(fēng)能資源研究和風(fēng)電場(chǎng)工程應(yīng)用提供一定的技術(shù)支撐。

1 資料簡(jiǎn)介

本文使用兩座觀測(cè)塔（圖1 和圖2）采集的觀測(cè)資料。觀測(cè)塔1 高100 m，安裝點(diǎn)海拔高度12 m，位于中國(guó)東部長(zhǎng)江中下游地區(qū)，臨靠長(zhǎng)江，所在區(qū)域地勢(shì)由西北向東南緩斜且總體平坦，海拔范圍為10～100 m，地貌主要呈現(xiàn)為小丘陵和平原階梯狀分布，氣候態(tài)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。觀測(cè)塔2 高80 m，安裝點(diǎn)海拔高度2.55 km，位于中國(guó)中部地區(qū)秦巴山區(qū)腹地，所在區(qū)域地勢(shì)由南、西向東北傾斜，高差大，坡度陡，是典型的中部復(fù)雜山區(qū)地貌，海拔范圍為1.5～2.5 km，為副亞熱帶季風(fēng)大陸性氣候。

圖1 觀測(cè)塔1 海拔地形示意圖（區(qū)域海拔范圍10～100 m）Fig.1 Elevation topography of observation tower 1(regional elevation range: 10～ 100 m)

圖2 觀測(cè)塔2 海拔地形示意圖（區(qū)域海拔范圍1.5～2.5 km）Fig.2 Elevation topography of observation tower 2(regional elevation range: 1.5～ 2.5 km)

兩座觀測(cè)塔均使用的是美國(guó)NRG 公司Symphonie 型儀器，數(shù)據(jù)采集間隔10 min，觀測(cè)不同高度的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、濕度等氣象要素，如表1 所示，觀測(cè)塔1 記錄了9 m、10 m、30 m、70 m、100 m 的風(fēng)速、風(fēng)向和極大風(fēng)速、極大風(fēng)向，10 m、30 m、70 m、100 m 的氣溫，10 m 的氣壓以及100 m濕度，選取的觀測(cè)時(shí)間段為2017 年1 月1 日至2017 年12 月31 日；觀測(cè)塔2 記錄了10 m、50 m、70 m、80 m 的風(fēng)速、最大風(fēng)速、最小風(fēng)速和風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差，10 m、80 m 的風(fēng)向、最大風(fēng)向、最小風(fēng)向和風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差，8 m、80 m 的氣溫以及8 m 氣壓，選取的觀測(cè)時(shí)間段為2017 年1 月1 日至2017 年12 月31 日。

表1 觀測(cè)塔1 和觀測(cè)塔2 觀測(cè)要素Tab.1 Observation elements of observation tower 1 and observation tower 2

2 大氣穩(wěn)定度及其計(jì)算與分類

大氣穩(wěn)定度是指大氣穩(wěn)定的程度。在大氣邊界層中，大氣的熱量主要來(lái)源于下墊面，動(dòng)量主要來(lái)源于上層空氣的流動(dòng)，動(dòng)量輸送到底層，以補(bǔ)償下墊面粗糙度引起的動(dòng)量消耗。在近地面層，大氣穩(wěn)定度更多的是用來(lái)表征大氣湍流的狀態(tài)。大氣穩(wěn)定度表征參數(shù)有很多，相比于其他方法，莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度法綜合考慮湍流的熱力作用和動(dòng)力作用，物理意義也最為明確[15-17]。

莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度法是莫寧與奧布霍夫提出來(lái)用以反映近地面層大氣湍流狀況的方法，簡(jiǎn)稱M-O 長(zhǎng)度法。M-O 長(zhǎng)度法認(rèn)為定常、水平均勻、無(wú)輻射和無(wú)相變近地面層的熱力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)僅由湍流狀況決定，其論述了切應(yīng)力和浮力對(duì)近地面層湍流輸送的影響[18]。在應(yīng)用氣象學(xué)中，通常由梯度理查森數(shù)（Ri）來(lái)計(jì)算M-O 長(zhǎng)度，即L 值。

當(dāng) Ri>0時(shí)，

當(dāng) Ri<0時(shí)，

對(duì)于梯度理查森數(shù)（Ri）的計(jì)算（近地層湍流通量計(jì)算及幾種塔層風(fēng)廓線模式的研究），一般來(lái)說(shuō)，需要有兩層高度的溫度和風(fēng)速觀測(cè)。

式中：

g ——重力加速度（m/s2）；

?T ——兩層高度溫度差（K）；

γd——是干絕熱遞減率（K/m）。

不同的 z1和 z2值可以計(jì)算出不同幾何高度的梯度理查森數(shù)。

觀測(cè)塔1 使用10 m、30 m、70 m、100 m 的氣溫和風(fēng)速代入式（3）計(jì)算出梯度理查森數(shù)，再根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算出M-O 長(zhǎng)度L；觀測(cè)塔2 的10 m 觀測(cè)高度沒(méi)有氣溫記錄，使用8 m 高度的氣溫觀測(cè)作為替代，所以觀測(cè)塔2 使用8 m 氣溫、10 m 風(fēng)速、80 m 的氣溫和風(fēng)速代入式（3）計(jì)算出梯度理查森數(shù)，再根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算出M-O 長(zhǎng)度L。

針對(duì)莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度法計(jì)算得到的M-O 長(zhǎng)度L 值，需要有相應(yīng)的穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行帕斯奎爾-特納爾穩(wěn)定度類別（以下稱“P-T”穩(wěn)定度）劃分[15]。Irwin[19]通過(guò)大量研究工作和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了地面粗糙度 z0和L 值之間的經(jīng)驗(yàn)公式，即

根據(jù)GLC30 全球30 m 分辨率的地表覆蓋數(shù)據(jù)，參考WASP 指南將其轉(zhuǎn)換為地表粗糙度數(shù)據(jù)，提取出觀測(cè)塔1 所在地表植被主要為耕地，所以取地面粗糙度 z0值0.03；提取出觀測(cè)塔2 所在地表植被主要為灌木林地，所以取地面粗糙度 z0值0.25。再根據(jù)Irwin 穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式得到L 穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)如表2、表3 所示。

表2 觀測(cè)塔1 的Irwin 穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Irwin stability classification criteria for observation tower 1

表3 觀測(cè)塔2 的Irwin 穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Irwin stability classification criteria for observation tower 2

對(duì)兩座觀測(cè)塔分別計(jì)算所得的M-O 長(zhǎng)度L 值，根據(jù)表2、表3 的分類結(jié)果進(jìn)行劃分，統(tǒng)計(jì)得到多個(gè)離地高度不同大氣穩(wěn)定度類別的占比，得到觀測(cè)塔1和觀測(cè)塔2 的大氣穩(wěn)定度分類結(jié)果如表4 和表5 所示。

表4 觀測(cè)塔1 的Irwin 穩(wěn)定度分類結(jié)果Tab.4 Irwin stability classification of observation tower 1

表5 觀測(cè)塔2 的Irwin 穩(wěn)定度分類結(jié)果Tab.5 Irwin stability classification of observation tower 2

根據(jù)上述觀測(cè)塔1 和觀測(cè)塔2 穩(wěn)定度分類結(jié)果分析，在約26 m 高度，觀測(cè)塔2 的大氣不穩(wěn)定性明顯要大于觀測(cè)塔1，這很大程度上取決于觀測(cè)塔2 所在的地形條件，在近地面層，復(fù)雜山地大氣熱效應(yīng)造成的表層垂直混合作用更為明顯，造成的大氣不穩(wěn)定性較為強(qiáng)烈；中性大氣兩者相差不大，且中性大氣占比均為0.5 以上；觀測(cè)塔1 較穩(wěn)定和穩(wěn)定的比重明顯高于觀測(cè)塔2。

對(duì)觀測(cè)塔1 多層高度大氣穩(wěn)定度分類結(jié)果進(jìn)一步分析，得到圖3。穩(wěn)定大氣的比重隨著離地高度增加而減少，不穩(wěn)定大氣和中性大氣隨著離地高度的增加有著完全相反的變化趨勢(shì)，在離地約45 m 高度處不穩(wěn)定大氣和中性大氣比重出現(xiàn)拐點(diǎn)，這高度以下不穩(wěn)定大氣隨著大氣熱效應(yīng)造成的垂直混合作用逐漸發(fā)展，到離地高度45 m 處發(fā)展到最旺盛，隨著垂直混合作用發(fā)展穩(wěn)定，中性大氣在45 m 高度以上一直是增加的趨勢(shì)。

圖3 觀測(cè)塔1 大氣穩(wěn)定度隨高度的變化Fig.3 Observation tower 1 atmospheric stability changes with altitude

3 兩類下墊面大氣穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)機(jī)出力的影響

近地面層熱力和動(dòng)力的變化對(duì)風(fēng)機(jī)出力產(chǎn)生著影響，對(duì)于平均年發(fā)電量（Annual Energy Production，AEP）來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生的綜合影響主要是通過(guò)水平風(fēng)的垂直變化。圖4 和圖5 分別是觀測(cè)塔1 和觀測(cè)塔2 大氣穩(wěn)定度分類結(jié)果對(duì)應(yīng)的風(fēng)速垂直變化，從垂直變化圖看，觀測(cè)塔1 和觀測(cè)塔2 中性大氣均為大風(fēng)速值區(qū)，觀測(cè)塔1 不穩(wěn)定大氣對(duì)風(fēng)速的貢獻(xiàn)要大于觀測(cè)塔2 不穩(wěn)定大氣對(duì)風(fēng)速的貢獻(xiàn)，這個(gè)觀測(cè)事實(shí)也在一定程度上說(shuō)明以觀測(cè)塔1 為代表的平坦地形近地面的大氣熱效應(yīng)造成的垂直混合作用要比以觀測(cè)塔2 為代表的復(fù)雜山地大氣熱效應(yīng)造成的垂直混合作用要充分，在充分的大氣熱效應(yīng)造成的熱力作用和上層大氣動(dòng)力作用下傳的共同影響下，觀測(cè)塔1風(fēng)切變指數(shù)要大于觀測(cè)塔2，復(fù)雜山地由于不充分的大氣垂直混合作用往往會(huì)造成近地面風(fēng)速負(fù)切變的現(xiàn)象，但是受制于觀測(cè)數(shù)據(jù)，此類下墊面垂直混合作用的拐點(diǎn)目前也沒(méi)有更多的觀測(cè)事實(shí)去研究和證實(shí)。

圖4 觀測(cè)塔1 大氣穩(wěn)定度分類對(duì)應(yīng)的風(fēng)速垂直變化Fig.4 Vertical change of wind speed corresponding to atmospheric stability classification in observation tower 1

圖5 觀測(cè)塔2 大氣穩(wěn)定度分類對(duì)應(yīng)的風(fēng)速垂直變化Fig.5 Vertical change of wind speed corresponding to atmospheric stability classification in observation tower 2

為了研究觀測(cè)塔1 和觀測(cè)塔2 大氣穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)機(jī)出力的定量影響，采用Gamesa G114-2.0 MW 風(fēng)機(jī)功率曲線和推力系數(shù)曲線，使用風(fēng)頻法分別計(jì)算兩座塔85 m 輪轂高度的發(fā)電量，分為考慮大氣穩(wěn)定度分類和不考慮大氣穩(wěn)定度分類兩種情況，其中不考慮大氣穩(wěn)定度分類是目前工程應(yīng)用上的普遍做法，計(jì)算得到表6。兩座塔位置的發(fā)電量計(jì)算結(jié)果均是考慮穩(wěn)定度的情況要高于不考慮穩(wěn)定度的情況，觀測(cè)塔1 高1.2%，觀測(cè)塔2 高2.8%，從計(jì)算結(jié)果分析，復(fù)雜山地大氣穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)機(jī)出力的影響大于平坦地形，在工程應(yīng)用中，隨著復(fù)雜山地建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)越來(lái)越多，其風(fēng)能資源分析與風(fēng)機(jī)出力評(píng)估相較于平坦地形的不確定性要更強(qiáng)，所以在地形復(fù)雜的山地，更需要考慮大氣穩(wěn)定度的影響。

表6 考慮大氣穩(wěn)定度的風(fēng)機(jī)出力計(jì)算Tab.6 Fan output calculation considering atmospheric stability

4 結(jié)論

大氣穩(wěn)定度是近地面層風(fēng)速分布的重要影響因子之一。本文選取立于平坦和復(fù)雜山地兩類典型地形上的兩座測(cè)風(fēng)塔不同高度的風(fēng)速、氣溫、氣壓等觀測(cè)數(shù)據(jù)，使用莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度法分別計(jì)算兩座測(cè)風(fēng)塔所在區(qū)域的大氣穩(wěn)定度，參照Irwin 大氣穩(wěn)定分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)穩(wěn)定度計(jì)算結(jié)果分類，再根據(jù)分類結(jié)果進(jìn)行兩座測(cè)風(fēng)塔輪轂高度處出力分析，得到以下認(rèn)識(shí)。

1）在近地面層，復(fù)雜山地大氣熱效應(yīng)造成的表層垂直混合作用更為明顯，造成的大氣不穩(wěn)定較為強(qiáng)烈；中性大氣兩者相差不大，且中性大氣占比均為0.5 以上；觀測(cè)塔1 較穩(wěn)定和穩(wěn)定比重明顯高于觀測(cè)塔2。

2）對(duì)觀測(cè)塔1 多層高度大氣穩(wěn)定度分類結(jié)果進(jìn)一步分析可知，穩(wěn)定大氣的比重隨著離地高度增加而減少，不穩(wěn)定大氣和中性大氣隨著離地高度的增加有著完全相反的變化趨勢(shì)。

3）以觀測(cè)塔1 為代表的平坦地形近地面的大氣熱效應(yīng)造成的垂直混合作用要比以觀測(cè)塔2 為代表的復(fù)雜山地大氣熱效應(yīng)造成的垂直混合作用要充分，在充分的大氣熱效應(yīng)造成的熱力作用和上層大氣動(dòng)力作用下傳的共同影響下，觀測(cè)塔1 風(fēng)切變指數(shù)要大于觀測(cè)塔2，復(fù)雜山地由于不充分的大氣垂直混合作用往往會(huì)造成近地面風(fēng)速負(fù)切變的現(xiàn)象。

4）隨著復(fù)雜山地建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)越來(lái)越多，其風(fēng)能資源分析與風(fēng)機(jī)出力評(píng)估相較于平坦地形的不確定性要更強(qiáng)，所以在地形復(fù)雜的山地，更需要考慮大氣穩(wěn)定度的影響。

在工程應(yīng)用中，特別是在復(fù)雜山地規(guī)劃風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，建議前期立塔時(shí)設(shè)置多層高度的氣溫觀測(cè)，以便于在進(jìn)行CFD 計(jì)算時(shí)充分考慮大氣穩(wěn)定度的影響[20]，提高計(jì)算精度，從而減小風(fēng)場(chǎng)投資風(fēng)險(xiǎn)。