風(fēng)能資源開發(fā)利用的氣象技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展

宋麗莉，周榮衛(wèi)，楊振斌，朱 蓉

(中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽能資源中心，北京 100081)

1 前言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要足夠的能源供應(yīng)作為支撐，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及提高人類福祉和健康需要能源和相關(guān)服務(wù)的不斷增長(zhǎng)。提供能源服務(wù)，特別是各類化石燃料的消耗引起的溫室氣體排放是歷史上大氣溫室氣體濃度增加的主要因素?？稍偕茉淳哂泻艽蟮臏p緩氣候變化的潛力，因此可再生能源的使用可為社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源獲取、安全的能源供應(yīng)以及減少對(duì)環(huán)境和人類健康的負(fù)面影響做出貢獻(xiàn)[1]。

中國(guó)能源消費(fèi)總量在未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍將保持一定的增長(zhǎng)速度。預(yù)計(jì)到2020、2030和2050年，中國(guó)能源消費(fèi)需求將分別達(dá)到45億～50億t標(biāo)準(zhǔn)煤、55億 ～60億 t標(biāo)準(zhǔn)煤、65億 t標(biāo)準(zhǔn)煤。2009年9月，中國(guó)政府向世界承諾“爭(zhēng)取到2020年非化石能源占一次能源消費(fèi)的比重達(dá)到15%左右”。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能減排和減緩氣候變化等因素，以較低的化石能源增長(zhǎng)率和大規(guī)模開發(fā)清潔能源來支撐較高的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度應(yīng)該成為國(guó)家能源戰(zhàn)略的必須選擇[2]。國(guó)際上，我國(guó)人均能源資源擁有量處于較低水平，煤炭、石油、天然氣等化石能源資源量有限，且分布不均衡。為了切實(shí)推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)形式的轉(zhuǎn)變，我國(guó)政府正在大力倡導(dǎo)低碳能源戰(zhàn)略，而風(fēng)能資源開發(fā)利用已經(jīng)開始并將繼續(xù)成為實(shí)現(xiàn)低碳能源戰(zhàn)略的主力之一。

在綜合分析我國(guó)近期以及未來一段時(shí)間風(fēng)能資源開發(fā)利用技術(shù)實(shí)際和可預(yù)期的發(fā)展趨勢(shì)前提下，以70 m高度層年平均風(fēng)功率密度大于300 W/m2為基本指標(biāo)，中國(guó)氣象局2011年完成并發(fā)布了全國(guó)風(fēng)能資源詳查和評(píng)估成果。成果顯示，我國(guó)陸地(不包括青藏高原)的風(fēng)能資源技術(shù)開發(fā)量約為26億kW，近海水深5～50 m的水深線以內(nèi)的風(fēng)能資源技術(shù)開發(fā)量為5億kW。從我國(guó)可開發(fā)的風(fēng)能資源規(guī)模和資源總量、開發(fā)技術(shù)成熟程度和經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)來看，各項(xiàng)指標(biāo)均符合我國(guó)可再生能源發(fā)展領(lǐng)域的基本原則[3]，從而使得風(fēng)能資源成為我國(guó)可再生能源發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。根據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的國(guó)家可再生能源發(fā)展目標(biāo)，至2050年左右，風(fēng)電總裝機(jī)將達(dá)到4億～5億kW，屆時(shí)風(fēng)電在國(guó)家總體電源結(jié)構(gòu)中所占的比例將達(dá)到1/5左右，風(fēng)電將成為我國(guó)電力供應(yīng)中的主力電源之一[3]。氣象技術(shù)作為支撐風(fēng)電開發(fā)利用的主要專業(yè)技術(shù)之一，其發(fā)展水平及其在風(fēng)能資源開發(fā)利用領(lǐng)域的應(yīng)用水平將是我國(guó)從風(fēng)能大國(guó)向風(fēng)能強(qiáng)國(guó)提升發(fā)展的重要指標(biāo)。

2 影響風(fēng)能資源開發(fā)利用的主要?dú)庀蠹夹g(shù)

氣象技術(shù)的應(yīng)用貫穿了風(fēng)能資源開發(fā)利用的整個(gè)過程，從風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃、風(fēng)電場(chǎng)選址、項(xiàng)目可行性研究，到項(xiàng)目建成后的運(yùn)行管理、風(fēng)電并網(wǎng)等，無不涉及到氣象技術(shù)的應(yīng)用。

風(fēng)能資源開發(fā)利用涉及的主要?dú)庀蠹夹g(shù)包括:氣象觀測(cè)(測(cè)量)技術(shù)、氣象統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)、大氣數(shù)值模擬評(píng)估技術(shù)和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)。目前，我國(guó)風(fēng)能資源開發(fā)利用領(lǐng)域的氣象技術(shù)應(yīng)用還沒有得到充分重視，還處于比較初步和粗略的水平，主要表現(xiàn)在氣象觀測(cè)設(shè)置、操作以及觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制不夠規(guī)范和嚴(yán)謹(jǐn)，氣象統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值模擬和數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的專業(yè)化應(yīng)用程度較低。

3 風(fēng)能資源測(cè)量

3.1 風(fēng)能資源測(cè)量技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和存在問題

3.1.1 風(fēng)能資源測(cè)量技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

在風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃、風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建設(shè)和風(fēng)電功率預(yù)報(bào)中均需要相應(yīng)的、有針對(duì)性的現(xiàn)場(chǎng)氣象觀測(cè)。

20世紀(jì)90年代后期，我國(guó)逐漸步入風(fēng)能大規(guī)模開發(fā)時(shí)期，風(fēng)電開發(fā)企業(yè)先后自發(fā)建立了4 000多座風(fēng)能觀測(cè)塔(但大部分塔在項(xiàng)目建設(shè)后被拆除)，測(cè)風(fēng)儀主要采用進(jìn)口的杯式風(fēng)速計(jì)。2008年啟動(dòng)的全國(guó)(陸地)風(fēng)能資源詳查和評(píng)估項(xiàng)目采用規(guī)范、統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)建立的400座測(cè)風(fēng)塔，安裝了國(guó)產(chǎn)風(fēng)速計(jì)，形成了全國(guó)(陸地)風(fēng)能資源專業(yè)觀測(cè)網(wǎng)(見圖1)，綜合考慮了我國(guó)(陸地)風(fēng)能資源開發(fā)利用區(qū)域規(guī)劃和大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)選址需求。已獲取的近3年的測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)數(shù)據(jù)為全國(guó)(陸地)風(fēng)能資源詳查和評(píng)估成果提供了較為可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)，風(fēng)能觀測(cè)數(shù)據(jù)已用于全國(guó)風(fēng)能數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)、訂正和模式資料同化，效果良好。若該專業(yè)觀測(cè)網(wǎng)能夠長(zhǎng)期持續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，可為我國(guó)風(fēng)能數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的公共服務(wù)提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

3.1.2 影響風(fēng)能資源測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素

目前我國(guó)應(yīng)用最廣泛的風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目前期工程場(chǎng)地氣象觀測(cè)技術(shù)的應(yīng)用水平已有了一定程度的提高，但仍存在操作不夠規(guī)范、嚴(yán)謹(jǐn)，專業(yè)化程度較低等問題。風(fēng)電項(xiàng)目工程場(chǎng)地氣象觀測(cè)主要為了獲取科學(xué)、準(zhǔn)確、有代表性的資源總量、資源等級(jí)、風(fēng)機(jī)選型、工程安全設(shè)計(jì)等參數(shù)，這是風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)投資決策的關(guān)鍵影響因素。影響氣象測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的因素主要包括:觀測(cè)儀器的性能、儀器是否進(jìn)行了嚴(yán)格的標(biāo)校、是否根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的地形地貌和風(fēng)氣候特征合理布設(shè)測(cè)風(fēng)塔、測(cè)風(fēng)塔和觀測(cè)儀器的安裝質(zhì)量以及有效的觀測(cè)運(yùn)行管理等。以風(fēng)速計(jì)準(zhǔn)確性影響為例，目前風(fēng)電開發(fā)企業(yè)普遍采用的進(jìn)口風(fēng)速計(jì)的儀器原始偏差大多在1.6% ～5%，若不進(jìn)行風(fēng)洞檢驗(yàn)校準(zhǔn)，則即使2%的風(fēng)速儀器誤差，也可導(dǎo)致風(fēng)功率密度8%的偏差[4];此外，測(cè)風(fēng)塔對(duì)風(fēng)電場(chǎng)(尤其是復(fù)雜地形)風(fēng)況的代表性、測(cè)風(fēng)儀安裝的方位誤差(主導(dǎo)風(fēng)向參考)、觀測(cè)數(shù)據(jù)有效完整率低和觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制不當(dāng)?shù)葐栴}，均可導(dǎo)致風(fēng)能資源測(cè)量評(píng)估產(chǎn)生較大誤差。我國(guó)早期建成的部分風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行效益與項(xiàng)目的預(yù)期效益相比誤差達(dá)20% ～30%，工程場(chǎng)地風(fēng)測(cè)量誤差是重要因素之一。

圖1 全國(guó)(陸地)風(fēng)能資源專業(yè)觀測(cè)網(wǎng)分布Fig.1 Wind energy resources professional observation network in Chinese mainland area

標(biāo)準(zhǔn)的氣象測(cè)風(fēng)塔要求塔體形狀、結(jié)構(gòu)和安裝等盡量減少對(duì)環(huán)境風(fēng)的影響，因此，測(cè)風(fēng)塔多采用桁架結(jié)構(gòu)的桅桿式設(shè)置。由于海洋施工安裝條件的限制，用于海上風(fēng)能資源測(cè)量的多為自立式測(cè)風(fēng)塔。與桅桿式拉線塔相比，自立塔塔體龐大，安裝觀測(cè)儀器的伸臂長(zhǎng)度難以按規(guī)范要求(塔體直徑的3倍以上長(zhǎng)度)[5]設(shè)置，從而影響測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的代表性?？紤]到我國(guó)處于季風(fēng)氣候區(qū)的特點(diǎn)，自立塔測(cè)風(fēng)儀設(shè)置應(yīng)考慮不同季候風(fēng)主風(fēng)向影響，應(yīng)參考冬、夏季風(fēng)不同的主導(dǎo)風(fēng)向來設(shè)置測(cè)風(fēng)儀;由于自立塔擺動(dòng)幅度較大(尤其在臺(tái)風(fēng)等強(qiáng)風(fēng)條件下)，需考慮塔擺動(dòng)對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的影響，建議加設(shè)塔體擺動(dòng)測(cè)量，并依此對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的修正，這對(duì)觀測(cè)三維方向的脈動(dòng)風(fēng)尤為重要。

3.2 風(fēng)能資源測(cè)量技術(shù)的發(fā)展

3.2.1 測(cè)量?jī)x器的發(fā)展

隨著風(fēng)電機(jī)組向大型化發(fā)展，復(fù)雜地形的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)更精細(xì)化和項(xiàng)目后評(píng)估以及海上風(fēng)能資源開發(fā)的新需要，使氣象測(cè)量技術(shù)應(yīng)用呈現(xiàn)向多元化和高端化發(fā)展的趨勢(shì)。如，為了探測(cè)更高層的風(fēng)況，研究風(fēng)機(jī)尾流影響和復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)分布等需求，遙感式測(cè)風(fēng)設(shè)備(包括以超聲波、聲波和激光等為介質(zhì)的多種測(cè)風(fēng)雷達(dá))應(yīng)用越來越受到重視;為探測(cè)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)疲勞、致?lián)p以及影響其發(fā)電效率的三維風(fēng)況及其脈動(dòng)風(fēng)譜特征等，超聲測(cè)風(fēng)儀以其能精確測(cè)量自然界三維風(fēng)況數(shù)據(jù)而被廣泛應(yīng)用。

3.2.2 新型探測(cè)數(shù)據(jù)的處理

遙感和超聲波等測(cè)風(fēng)儀器設(shè)備在提高風(fēng)能資源探測(cè)高度、擴(kuò)大探測(cè)范圍、獲取更精細(xì)的三維風(fēng)況數(shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)測(cè)量操作和數(shù)據(jù)分析提出了更高的技術(shù)要求。如:遙感式測(cè)風(fēng)設(shè)備(測(cè)風(fēng)雷達(dá))的數(shù)據(jù)采樣方式與常規(guī)的軸式(杯式)測(cè)風(fēng)儀不同，遙感儀器測(cè)量的風(fēng)況數(shù)據(jù)通常是某一定厚度層(幾米或幾十米)內(nèi)的整體平均值，而不是儀器傳感器接觸點(diǎn)上的測(cè)量數(shù)據(jù);遙感式測(cè)風(fēng)儀往往在近地面層存在一定高度的“盲區(qū)”(即無數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)不可靠)。此外，遙感式測(cè)風(fēng)儀往往在晴好天氣和清潔大氣中使用效果比較好，但在降水、多霧、沙塵等條件下的測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性會(huì)不同程度地降低，聲波式遙感設(shè)備還受環(huán)境噪聲影響，因此，遙感測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)應(yīng)用必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)和必要的修正。超聲測(cè)風(fēng)儀是最準(zhǔn)確的測(cè)風(fēng)設(shè)備之一，它能精準(zhǔn)地捕捉三維空間上氣流的細(xì)微波動(dòng)，但由于超聲測(cè)風(fēng)儀是利用超聲波傳播路徑上的時(shí)間差來確定氣流速度，其數(shù)據(jù)采樣頻率越高，對(duì)環(huán)境的敏感度也越高，氣流中的雨滴、塵埃、飛蟲等都會(huì)干擾聲波對(duì)風(fēng)速的響應(yīng)，同時(shí)，儀器部件在響應(yīng)和傳輸過程中的短暫故障也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)錯(cuò)誤而產(chǎn)生野點(diǎn)數(shù)據(jù)。研究表明，即使風(fēng)速樣本數(shù)據(jù)中只有2% ～5%的野點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)譜參數(shù)計(jì)算精度的影響也很顯著[6]。以風(fēng)工程脈動(dòng)風(fēng)參數(shù)分析為目的的氣象測(cè)量推薦采用具備有效數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別功能的超聲測(cè)風(fēng)儀，以協(xié)助判別由于降水、塵埃等影響而產(chǎn)生的無效數(shù)據(jù)，但這還不夠，仍需采取進(jìn)一步的野點(diǎn)數(shù)據(jù)判別、剔除措施以確保樣本數(shù)據(jù)的可靠性，工程計(jì)算操作一般采取多倍截?cái)喾讲罘▽?duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行更細(xì)致的處理[7]。

4 風(fēng)能資源評(píng)估

4.1 風(fēng)能資源點(diǎn)評(píng)估技術(shù)應(yīng)用

風(fēng)能資源點(diǎn)評(píng)估是指利用測(cè)風(fēng)塔(站)觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)風(fēng)能資源各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行直接計(jì)算評(píng)估，包括:工程場(chǎng)地風(fēng)機(jī)輪轂各高度附近的空氣密度、風(fēng)功率密度、風(fēng)速頻率分布、湍流強(qiáng)度、風(fēng)向頻率和風(fēng)能方位分布、風(fēng)速垂直切變等參數(shù)。按照國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求，風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目可行性研究的關(guān)鍵依據(jù)是工程場(chǎng)地連續(xù)1年以上的風(fēng)能資源觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及據(jù)此計(jì)算分析得到的各項(xiàng)風(fēng)能資源參數(shù)評(píng)估成果。因而，風(fēng)能資源的點(diǎn)評(píng)估技術(shù)水平可直接影響風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源利用效率和項(xiàng)目運(yùn)行效益。

相關(guān)規(guī)范[8]對(duì)風(fēng)能資源各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算給出了明確的方法和公式，在工程實(shí)踐中，產(chǎn)生不確定因素的主要原因是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，包括觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。由于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的儀器總是會(huì)因雷擊、故障等原因?qū)е掠^測(cè)數(shù)據(jù)缺失，缺失的數(shù)據(jù)就需要進(jìn)行科學(xué)的插補(bǔ)訂正。需要指出的是，即使在滿足規(guī)范要求的觀測(cè)數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)完整率前提下，對(duì)用于插補(bǔ)訂正的“參照數(shù)據(jù)”選擇不當(dāng)時(shí)，仍會(huì)對(duì)評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大的影響。試驗(yàn)研究表明，若以夏季(或冬季)的“參照數(shù)據(jù)”建立的訂正關(guān)系去訂正冬季(夏季)一個(gè)月的缺漏數(shù)據(jù)，可導(dǎo)致被訂正時(shí)段的平均風(fēng)功率密度誤差達(dá)20%以上，在季風(fēng)氣候明顯區(qū)域的復(fù)雜地形上，這一誤差可達(dá)50%以上[4]。因此2007年發(fā)布的《風(fēng)電場(chǎng)氣象觀測(cè)及資料審核、訂正技術(shù)規(guī)范》QX/T 74—2007中規(guī)定“選取與缺測(cè)時(shí)段內(nèi)主導(dǎo)風(fēng)向相同的相關(guān)顯著的測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，作為插補(bǔ)訂正的參照數(shù)據(jù)”[9]，但實(shí)際操作中這一技術(shù)要點(diǎn)往往被忽略了。

4.2 風(fēng)能資源區(qū)域評(píng)估技術(shù)應(yīng)用

風(fēng)電項(xiàng)目工程場(chǎng)地測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)只能代表與測(cè)風(fēng)塔所在位置的地形、地貌類似的區(qū)域的風(fēng)況，而風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)需要掌握每臺(tái)風(fēng)機(jī)位置的風(fēng)況特性，因此，區(qū)域風(fēng)場(chǎng)評(píng)估技術(shù)被廣泛應(yīng)用于風(fēng)能資源規(guī)劃和風(fēng)電機(jī)組微觀選址等。

風(fēng)能資源區(qū)域評(píng)估主要依賴大氣數(shù)值模擬技術(shù)，即基于大氣動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)基本原理來描述近地層大氣的運(yùn)動(dòng)過程以及地形、地貌對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的影響作用。目前，我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目選址和風(fēng)電機(jī)組微觀選址使用的多種商業(yè)計(jì)算評(píng)估軟件，從理論框架和計(jì)算模型上可分為兩大類:一是基于線性理論模型，二是基于流體力學(xué)模型。

基于線性理論模型的軟件有WAsP、WindPro、WindFarm等，其中WindPro和WindFarm均仍采用WAsP作為風(fēng)場(chǎng)分布求解器。從WAsP軟件在國(guó)內(nèi)外大量的應(yīng)用實(shí)例來看，其對(duì)平坦、均勻地形的風(fēng)場(chǎng)計(jì)算結(jié)果較為理想，但對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的地形，其風(fēng)速計(jì)算結(jié)果往往偏大;雖然目前采用該種求解器的商業(yè)軟件已推出針對(duì)復(fù)雜地形下的應(yīng)用方法，但仍不能從根本上解決復(fù)雜地形風(fēng)速模擬誤差偏大的問題?；诹黧w力學(xué)模型的軟件有WindSim、Meteodyn/WT等，可以在一定程度上提高對(duì)復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)的模擬準(zhǔn)確度和分辨率，同時(shí)可給出湍流參量，為微觀選址提供更多風(fēng)場(chǎng)特征信息，但在應(yīng)用時(shí)需要仔細(xì)進(jìn)行模擬區(qū)域和分辨率設(shè)置，還應(yīng)考慮復(fù)雜地形的風(fēng)廓線、大氣穩(wěn)定度等參數(shù)的合理性。除了地形的動(dòng)力作用外，影響局地風(fēng)場(chǎng)分布特征的因素還來自更大區(qū)域范圍上不同下墊面的熱力效應(yīng)、隨時(shí)間變化的大氣穩(wěn)定特性和不同物理結(jié)構(gòu)的天氣類型等;上述商業(yè)軟件只針對(duì)模擬區(qū)域內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到大氣穩(wěn)定度，再通過改變風(fēng)廓線冪指數(shù)來實(shí)現(xiàn)各類大氣穩(wěn)定度的初邊界條件進(jìn)行求解計(jì)算，而熱力效應(yīng)的其他作用均沒有被考慮;此外，采用冪指數(shù)或?qū)?shù)率分布來描述風(fēng)速垂直分布的前提是平坦下墊面和中性大氣層結(jié)，而在復(fù)雜地形或其他大氣層結(jié)條件下，風(fēng)廓線并不滿足冪指數(shù)率?？梢姡髿鉄崃π?yīng)考慮不全、邊界層參數(shù)化的不當(dāng)描述等是復(fù)雜地形和復(fù)雜風(fēng)氣候地區(qū)風(fēng)能資源區(qū)域評(píng)估的主要誤差來源。

中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽能資源中心在大氣邊界層動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)基礎(chǔ)上建立的風(fēng)能資源數(shù)值模擬評(píng)估系統(tǒng)(WERAS/CMA)，綜合考慮了近地層風(fēng)速分布是天氣系統(tǒng)與局地地形作用的綜合結(jié)果，風(fēng)速分布及其變化是由天氣系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)及其演變引起，大氣邊界層存在著明顯的日變化，日最大混合層厚度與天氣系統(tǒng)的性質(zhì)有關(guān)。由此，依據(jù)不受局地地形摩擦影響高度上(850 hPa或700 hPa)的風(fēng)向、風(fēng)速和每日最大混合層高度，以及評(píng)估區(qū)歷史觀測(cè)資料，將評(píng)估區(qū)歷史上出現(xiàn)過的天氣系統(tǒng)進(jìn)行分類，并從各天氣類型中隨機(jī)抽取5%的樣本作為數(shù)值模擬的典型日，再分別對(duì)每個(gè)典型日進(jìn)行數(shù)值模擬，并輸出逐時(shí)風(fēng)場(chǎng)，最后根據(jù)各類天氣類型出現(xiàn)的頻率，統(tǒng)計(jì)分析得到風(fēng)能資源的氣候平均態(tài)。WERAS/CMA系統(tǒng)具有明顯的本地適用性特征，已實(shí)現(xiàn)了百米分辨率風(fēng)能資源精細(xì)化評(píng)估，模式應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形的能力大為提高。

4.3 我國(guó)風(fēng)能資源詳查評(píng)估結(jié)果

2011年完成的全國(guó)風(fēng)能資源詳查和評(píng)估，給出了我國(guó)陸地風(fēng)能資源評(píng)估的最新成果。該成果利用中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽能資源中心建立的風(fēng)能資源數(shù)值模擬評(píng)估系統(tǒng)(WERAS/CMA)，以400個(gè)測(cè)風(fēng)塔連續(xù)兩年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)訂正，得出我國(guó)陸地上近地面層150 m高度范圍內(nèi)水平空間分辨率為1 km、垂直分辨率為10 m的各高度層上風(fēng)能資源參數(shù)和資源分布立體圖譜。

根據(jù)目前我國(guó)風(fēng)能資源開發(fā)的技術(shù)水平和主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，綜合考慮自然、地理和政策等對(duì)風(fēng)電開發(fā)的制約因素，結(jié)合大型風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)對(duì)連片風(fēng)能資源分布的要求，以年平均風(fēng)功率密度≥300 W/m2、裝機(jī)容量系數(shù)大于1.5 MW/km2為基本指標(biāo)，計(jì)算得出我國(guó)陸地離地面50 m、70 m和100 m等高度層上的風(fēng)能資源技術(shù)開發(fā)量分別為20億 kW、26億kW和34億kW。

圖2是我國(guó)陸地離地面70 m高度層風(fēng)能資源、裝機(jī)密度達(dá)到上述技術(shù)開發(fā)指標(biāo)的風(fēng)能資源豐富區(qū)分布(灰度圖例為裝機(jī)容量系數(shù)，單位:MW/km2)。圖2顯示了我國(guó)東北、華北和西北地區(qū)風(fēng)能資源豐富、資源總量大，具備規(guī)劃建設(shè)大型風(fēng)電基地的資源條件;云貴高原、東部和南部沿海為風(fēng)能資源較豐富地區(qū)，適宜建設(shè)大中型風(fēng)電場(chǎng);中部和內(nèi)陸地區(qū)的山脊、臺(tái)地、江湖河岸等特殊地形也具有較好的風(fēng)能資源，適宜建設(shè)中小型風(fēng)電場(chǎng)，或進(jìn)行分散式風(fēng)電開發(fā)。

圖2 中國(guó)陸地70 m高度可技術(shù)開發(fā)的風(fēng)能資源分布Fig.2 Technical development distribution of wind energy resource at 70 m height in Chinese mainland area

此外，利用400個(gè)測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)資料，評(píng)估得出我國(guó)陸地主要風(fēng)能資源開發(fā)區(qū)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組選型的主要參數(shù):我國(guó)風(fēng)能資源主要開發(fā)區(qū)內(nèi)，約75%的區(qū)域可采用抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅲ類的風(fēng)電機(jī)組，約10%的區(qū)域?yàn)棰蝾悾s15%的區(qū)域?yàn)镮類;我國(guó)風(fēng)能資源主要開發(fā)區(qū)內(nèi)80%的區(qū)域可采用低湍強(qiáng)的C級(jí)機(jī)型，10%的區(qū)域?qū)儆谥械韧膹?qiáng)，可采用B級(jí)風(fēng)機(jī)，只有4%左右的區(qū)域?yàn)楦咄膹?qiáng)地區(qū)，需要采用A級(jí)風(fēng)機(jī)，高湍強(qiáng)區(qū)主要分布在山地丘陵和臺(tái)風(fēng)影響地區(qū)。

4.4 風(fēng)能資源評(píng)估技術(shù)發(fā)展

最新風(fēng)能資源詳查得出我國(guó)陸地50 m高度層上年平均風(fēng)功率密度≥300 W/m2的風(fēng)能資源理論儲(chǔ)量約73億 kW，與國(guó)土面積相當(dāng)?shù)拿绹?guó)相近(1991年發(fā)布的全美50 m高度的風(fēng)能資源理論儲(chǔ)量約80億kW)。但由于我國(guó)地形遠(yuǎn)比美國(guó)復(fù)雜，美國(guó)海拔在3 000 m以上的地區(qū)僅占其國(guó)土面積不足2%，而我國(guó)海拔在3 000 m以上的高原和山地占國(guó)土面積的25.6%，再加上我國(guó)氣候類型多樣(南北縱跨9個(gè)氣候帶)，影響我國(guó)風(fēng)能資源開發(fā)的臺(tái)風(fēng)、雷電、極端低溫、覆冰等災(zāi)害性天氣頻發(fā)，導(dǎo)致我國(guó)風(fēng)能資源開發(fā)利用難度和成本要比美國(guó)、歐洲等國(guó)家大得多。因此，開展我國(guó)因風(fēng)氣候特點(diǎn)和自然條件而產(chǎn)生的風(fēng)電利用成本的定量評(píng)估，確切掌握這一因素帶來的影響，對(duì)我國(guó)制定長(zhǎng)遠(yuǎn)可再生能源發(fā)展線路圖，應(yīng)對(duì)國(guó)際氣候變化談判具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

我國(guó)風(fēng)能資源開發(fā)利用趨勢(shì)是向更高層空間、風(fēng)能密度較低、地形更為復(fù)雜以及海上等區(qū)域發(fā)展，風(fēng)電開發(fā)難度和成本逐步加大，因此，應(yīng)發(fā)展更科學(xué)、可靠和精細(xì)的風(fēng)能資源數(shù)值模擬技術(shù)，重視開展臺(tái)風(fēng)、雷電、極端低溫、覆冰等極端天氣對(duì)風(fēng)能資源開發(fā)利用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及風(fēng)能資源的質(zhì)量[10]評(píng)估技術(shù)研究，為全面、準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)能資源開發(fā)利用的效益，降低利用成本提供更可靠的技術(shù)支持。

5 風(fēng)能數(shù)值天氣預(yù)報(bào)

5.1 風(fēng)能數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的現(xiàn)狀

由于風(fēng)速存在很強(qiáng)的間歇性、波動(dòng)性，導(dǎo)致風(fēng)電的不穩(wěn)定性。風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)會(huì)增加電力系統(tǒng)運(yùn)行的不確定性風(fēng)險(xiǎn)，給電網(wǎng)調(diào)度帶來壓力和挑戰(zhàn)，風(fēng)能預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用是解決這一問題的有效措施之一。歐美等風(fēng)電技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，很早就利用先進(jìn)的風(fēng)能數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行持續(xù)、穩(wěn)定、多元化的風(fēng)電功率預(yù)報(bào)服務(wù)，有效地提高了風(fēng)電并網(wǎng)能力，從而成為風(fēng)電參與電力交易的重要環(huán)節(jié)。

用于提高風(fēng)電在電網(wǎng)中可調(diào)度性的風(fēng)能預(yù)報(bào)主要包括兩個(gè)部分，一是風(fēng)能數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，二是風(fēng)電場(chǎng)電功率預(yù)報(bào)。后者利用前者提供的背景風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，為電網(wǎng)調(diào)度做出未來24 h或72 h逐15 min的風(fēng)電功率預(yù)報(bào)。目前，風(fēng)電功率預(yù)報(bào)服務(wù)商大多采用國(guó)外網(wǎng)站免費(fèi)下載或付費(fèi)購(gòu)買國(guó)外數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)來制作風(fēng)電功率預(yù)報(bào)，常會(huì)因網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或因國(guó)際形勢(shì)和突發(fā)事件等不確定因素影響而難以滿足“不可間斷”的電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務(wù)運(yùn)行需要;此外，國(guó)外的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)很少同化我國(guó)的實(shí)時(shí)氣象觀測(cè)資料，尤其影響其對(duì)轉(zhuǎn)折天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，也在很大程度上限制了我國(guó)在該領(lǐng)域的自主技術(shù)創(chuàng)新和業(yè)務(wù)服務(wù)水平的提高。

為滿足國(guó)家可再生能源發(fā)展新的需求，中國(guó)氣象局已在北京奧運(yùn)精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)(BJRUC)基礎(chǔ)上，建立我國(guó)的風(fēng)能(太陽能)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，可根據(jù)不同需求，提供涵蓋全國(guó)的水平分辨率9 km(或3 km)、時(shí)效72 h逐15 min的氣象要素預(yù)報(bào)場(chǎng)。該系統(tǒng)(技術(shù)框架見圖3)是基于天氣預(yù)報(bào)(weather research and forecasting，WRF)模式三維變分同化和高分辨率快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)，以全球預(yù)報(bào)背景場(chǎng)AVN/NCEP資料作為模式邊界條件，同化了全球及我國(guó)國(guó)家和區(qū)域氣象站、衛(wèi)星、雷達(dá)等觀測(cè)資料[11]，可使全國(guó)背景風(fēng)場(chǎng)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性得到基本保障;同時(shí)還建立了風(fēng)電功率預(yù)報(bào)專業(yè)服務(wù)業(yè)務(wù)流程(見圖4)。

圖3 BJ-RUC系統(tǒng)技術(shù)框架Fig.3 BJ-RUC systems technology framework

圖4 風(fēng)電功率預(yù)測(cè)專業(yè)服務(wù)流程Fig.4 Professional services process of wind power forecasting

5.2 風(fēng)電場(chǎng)電功率預(yù)報(bào)

風(fēng)電場(chǎng)電功率預(yù)報(bào)包括超短期預(yù)報(bào)和短期預(yù)報(bào)。超短期預(yù)報(bào)為未來4 h內(nèi)逐15 min的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)，短期預(yù)報(bào)為次日0時(shí)至未來24 h、72 h逐15 min的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)。目前，超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)一般采用統(tǒng)計(jì)外推方法來實(shí)現(xiàn)，中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽能資源中心采用均生函數(shù)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)外推，比傳統(tǒng)的自回歸滑動(dòng)平均(auto-regressive and moving average，ARMA)模型的準(zhǔn)確度提高了3% ～10%。國(guó)外短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)則多采用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式和理論、統(tǒng)計(jì)風(fēng)電功率預(yù)報(bào)模型相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)，如丹麥Zephry系統(tǒng)、德國(guó) Previento系統(tǒng)，美國(guó)eWind系統(tǒng)等[12]。中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽能資源中心采用自適應(yīng)偏最小二乘回歸法的風(fēng)電功率預(yù)報(bào)模型，其均方根誤差介于2.76% ～12.89%。

5.3 風(fēng)能數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展

從風(fēng)特性和電網(wǎng)安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵需求來看，轉(zhuǎn)折性天氣引起的風(fēng)速突變可導(dǎo)致并網(wǎng)風(fēng)電對(duì)局部電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生較大的沖擊，因而對(duì)轉(zhuǎn)折性天氣的預(yù)報(bào)能力的提高將是今后風(fēng)能數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn);進(jìn)一步發(fā)展觀測(cè)資料同化、集合預(yù)報(bào)和統(tǒng)計(jì)訂正技術(shù)是提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的有效手段。此外，風(fēng)能預(yù)報(bào)專業(yè)觀測(cè)網(wǎng)的完善和數(shù)據(jù)共享機(jī)制，是逐步提升我國(guó)風(fēng)能數(shù)值預(yù)報(bào)能力和準(zhǔn)確度的重要基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

氣象技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃、風(fēng)電場(chǎng)資源勘測(cè)和評(píng)估、風(fēng)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)建設(shè)以及風(fēng)電并網(wǎng)等諸多重要環(huán)節(jié)。隨著我國(guó)風(fēng)能資源開發(fā)利用向更科學(xué)、精細(xì)化方向發(fā)展，對(duì)氣象技術(shù)提出了更高的要求。特別是對(duì)風(fēng)能氣象技術(shù)基礎(chǔ)能力提升起關(guān)鍵作用的專業(yè)探測(cè)技術(shù)和精細(xì)化數(shù)值模式技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用和發(fā)展等方面，應(yīng)給予足夠重視，為保障我國(guó)風(fēng)能資源開發(fā)利用提供更為有效和可靠的支持。

[1]OttmarE， Ramon P M，Youba S，et al.Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation[M].Cambridge:Cambridge University Press，2012.

[2]王仲穎，時(shí)璟麗，趙勇強(qiáng).中國(guó)風(fēng)電發(fā)展路線圖2050[R].北京:國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所，2011.

[3]杜祥琬，黃其勵(lì)，李俊峰，等.我國(guó)可再生能源戰(zhàn)略地位和發(fā)展路線圖研究[J].中國(guó)工程科學(xué)，2009，11(8):4-9.

[4]宋麗莉，黃浩輝，植石群，等.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源測(cè)量與計(jì)算的精度控制[J].氣象，2009，35(3):73-80.

[5]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 18709—2002風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源測(cè)量方法[S].2002.

[6]宋麗莉，陳雯超，黃浩輝.工程抗臺(tái)風(fēng)研究中風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和代表性判別[J].氣象科技進(jìn)展，2011，1(1):33-37.

[7]陳紅巖，胡 非，曾慶存.處理時(shí)間序列提高計(jì)算湍流通量的精度[J].氣候與環(huán)境研究，2000，5(3):304-311.

[8]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 18710—2002風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法[S].2002.

[9]中國(guó)氣象局.QX/T 74—2007風(fēng)電場(chǎng)氣象觀測(cè)及資料審核、訂正技術(shù)規(guī)范[S].2007.

[10]陳 欣，宋麗莉，黃浩輝，等.中國(guó)典型地區(qū)風(fēng)能資源特性研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2011，32(3):331-337.

[11]范水勇，陳 敏，仲躋芹，等.北京地區(qū)高分辨率快速循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)性能檢驗(yàn)和評(píng)估[J].暴雨災(zāi)害，2009，28(2):119-125.

[12]范高鋒.風(fēng)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].北京:中國(guó)電力科學(xué)研究院，2008.