風(fēng)電場(chǎng)代表年數(shù)據(jù)訂正方法的不確定性分析

■ 謝今范 雷楊娜 孫嫻

(1.吉林省氣候中心；2.陜西省氣候中心)

0 引言

運(yùn)用合理的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估是整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)、運(yùn)行取得良好經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵[1，2]。有的風(fēng)電場(chǎng)因風(fēng)能資源評(píng)價(jià)失誤而達(dá)不到預(yù)期的發(fā)電量，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。

風(fēng)電場(chǎng)往往只有一整年的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)風(fēng)資料所計(jì)算出的風(fēng)能參數(shù)只能反映當(dāng)年風(fēng)能狀況。由于中國(guó)是典型季風(fēng)氣候，冷暖季節(jié)較明顯，加之地形條件復(fù)雜，風(fēng)資源的波動(dòng)性較大，年際變化明顯，要評(píng)價(jià)風(fēng)場(chǎng)的長(zhǎng)期風(fēng)能資源狀況，必須根據(jù)能反映風(fēng)場(chǎng)長(zhǎng)期風(fēng)資源狀況的測(cè)風(fēng)資料進(jìn)行分析計(jì)算，因此場(chǎng)址附近長(zhǎng)期測(cè)站的多年平均測(cè)風(fēng)資料是必不可少的[4]。結(jié)合附近有代表性的長(zhǎng)期測(cè)站的觀(guān)測(cè)資料，將驗(yàn)證后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)訂正為一套反映風(fēng)場(chǎng)長(zhǎng)期平均水平的代表性數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)資源分析[5]。GB/T 18710-2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》[6]中明確規(guī)定風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)16方位代表年訂正方法，目前大多數(shù)工程設(shè)計(jì)中也是用該方法進(jìn)行代表年數(shù)據(jù)訂正處理。但按照規(guī)范要求，風(fēng)電場(chǎng)附近長(zhǎng)期測(cè)站的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)與風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)應(yīng)達(dá)到0.80以上，方能用于數(shù)據(jù)訂正。然而，對(duì)于地形起伏較大、氣象站點(diǎn)分布相對(duì)稀少的地區(qū)而言，這一要求往往難以達(dá)到。

這種情況下，現(xiàn)行的訂正方法是否仍適用，是否有替代或改進(jìn)的訂正方法，近年來(lái)也有學(xué)者在這方面展開(kāi)了一些研究，但研究相對(duì)較少，研究成果也缺少一定的普遍意義。林蕓[7]采用日平均風(fēng)速作相關(guān)分析對(duì)云南某風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)訂正，并對(duì)訂正結(jié)果進(jìn)行了合理性分析，指出在資料缺少的情況下利用該方法進(jìn)行代表年訂正是合適的。杜燕軍等[4]以?xún)?nèi)蒙古地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源分析為例，探討采用常規(guī)方法和改進(jìn)方法對(duì)代表年風(fēng)速的訂正所產(chǎn)生的誤差情況，改進(jìn)了代表年訂正方法，彌補(bǔ)了常規(guī)方法中的一些不確定因素對(duì)代表年修正結(jié)果的影響，減小了誤差范圍。王有祿等[8]分別利用國(guó)標(biāo)GB/T 18710-2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》規(guī)定的風(fēng)向相關(guān)法和另一種風(fēng)速相關(guān)法對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行代表年訂正，指出氣象站與風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速相關(guān)性很差時(shí)，應(yīng)通過(guò)多種方法計(jì)算分析后確定代表年結(jié)果。于興杰等[5]采用風(fēng)速年景劃分法對(duì)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)資源代表年進(jìn)行訂正，彌補(bǔ)了常規(guī)方法的不足，計(jì)算簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。但該方法只能得到年風(fēng)能資源，無(wú)法進(jìn)行代表年風(fēng)能資源的詳細(xì)分析，且忽略了風(fēng)場(chǎng)地形、地貌及氣候等因素，對(duì)水平年在各方向上風(fēng)速影響程度存在差異。路屹雄等[9]以江蘇省為例，利用站點(diǎn)最大頻數(shù)法和區(qū)域平均法對(duì)區(qū)域多站點(diǎn)的風(fēng)能資源代表年進(jìn)行選取，表明兩種方法選取的江蘇省風(fēng)能代表年一致。但該方法僅是對(duì)具有較長(zhǎng)時(shí)段觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的氣象站點(diǎn)的代表性年份進(jìn)行選取，對(duì)于僅有一年觀(guān)測(cè)的風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)意義較小。

本文通過(guò)對(duì)某典型風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)和其周邊氣象站資料(風(fēng)速、風(fēng)向)的相關(guān)性分析，選定參證氣象站對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行代表年訂正，并對(duì)訂正結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，系統(tǒng)全面地分析風(fēng)電場(chǎng)代表年數(shù)據(jù)訂正中的不確定性，研究在風(fēng)電場(chǎng)代表年數(shù)據(jù)訂正過(guò)程中產(chǎn)生誤差的原因，以便將來(lái)對(duì)現(xiàn)有訂正方法進(jìn)行改進(jìn)和完善。

1 資料與方法

本文數(shù)據(jù)選用某測(cè)風(fēng)塔2009～2011年逐時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向和距風(fēng)電場(chǎng)最近的氣象站同期及近30年的風(fēng)速進(jìn)行分析。風(fēng)電場(chǎng)以淺溝壑地貌為主，北低南高，東西方向較為平坦。測(cè)風(fēng)塔海拔高度約為1636 m，塔高70 m。氣象站距風(fēng)電場(chǎng)直線(xiàn)距離約為16 km，觀(guān)測(cè)場(chǎng)海拔高度為1336 m，比風(fēng)電場(chǎng)平均海拔高度低約300 m。本文主要采用回歸分析、相關(guān)分析等統(tǒng)計(jì)分析方法。鑒于該風(fēng)電場(chǎng)有兩年以上(2009～2011年)的測(cè)風(fēng)資料，為了分析不同時(shí)段代表年計(jì)算成果的差異，分別選擇近20年、近10年兩個(gè)時(shí)段及2009～2011年3個(gè)實(shí)測(cè)年數(shù)據(jù)進(jìn)行代表年分析計(jì)算。

2 結(jié)果分析

2.1 氣象站代表性分析

根據(jù)有關(guān)規(guī)定[8]，該氣象站具有各氣象要素的長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)(30年以上)資料，近30年站址未遷移。觀(guān)測(cè)場(chǎng)周?chē)h(huán)境也未發(fā)生較大變化，觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性、一致性、完整性較高，滿(mǎn)足作為風(fēng)場(chǎng)序列延長(zhǎng)的參照站。如近30年(1982～2011年)平均風(fēng)速為2.2 m/s，近20年(1992～2011年)平均風(fēng)速為2.2 m/s，近10年(2002～2011年)平均風(fēng)速為2.2 m/s。氣象站多年平均風(fēng)速見(jiàn)表1。

表1 氣象站歷年平均風(fēng)速 (單位：m/s)

計(jì)算該氣象站與測(cè)風(fēng)塔同期相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表2。由表2可知，不論是逐時(shí)風(fēng)速、日平均風(fēng)速、日最大風(fēng)速，還是有效風(fēng)速區(qū)間風(fēng)速，氣象站與測(cè)風(fēng)塔相關(guān)系數(shù)均在0.45以上，相關(guān)性較好。另外，由于該站主要?dú)夂蛱卣鞣矫媾c風(fēng)電場(chǎng)基本一致，故本文選擇該縣氣象站資料進(jìn)行區(qū)域性和代表性評(píng)價(jià)。

表2 氣象站10 m與測(cè)風(fēng)塔70 m同期相關(guān)系數(shù)

根據(jù)氣象站2011年逐時(shí)風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與某風(fēng)電場(chǎng)同期實(shí)測(cè)逐時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)，及QX/T 74-2007《風(fēng)電場(chǎng)氣象觀(guān)測(cè)及資料審核、訂正技術(shù)規(guī)范》[10]，將風(fēng)電場(chǎng)短期測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)訂正為代表年風(fēng)況數(shù)據(jù)，回歸計(jì)算成果詳見(jiàn)表3。測(cè)風(fēng)塔70 m高風(fēng)速與縣氣象站10 m高風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)，在16個(gè)方位中，除E、ESE和WSW 3個(gè)方位外，其他方位二者相關(guān)系數(shù)均大于0.7，16方位的相關(guān)系數(shù)均通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。相關(guān)系數(shù)較小的幾個(gè)方位，可看出樣本數(shù)也相對(duì)較少，對(duì)代表年數(shù)據(jù)的影響相對(duì)較小，因此認(rèn)為用該氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行代表年數(shù)據(jù)訂正基本可行。

表3 測(cè)風(fēng)塔70 m高度與氣象站10 m高度風(fēng)速16方位相關(guān)方程參數(shù)

2.2 測(cè)風(fēng)塔觀(guān)測(cè)年份不同導(dǎo)致的不確定性

2.2.1 測(cè)風(fēng)塔不同時(shí)段代表年結(jié)果分析

分別利用測(cè)風(fēng)塔2009～2011年實(shí)測(cè)逐時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)、氣象站同期及近10年(2002～2011年)逐時(shí)風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》，將風(fēng)電場(chǎng)短期測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)訂正為代表年風(fēng)況數(shù)據(jù)，相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。綜合來(lái)看，測(cè)風(fēng)塔70 m高風(fēng)速與氣象站10 m高風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)在2010、2011年相對(duì)較高，2009年則相對(duì)偏低。16個(gè)方位中，2009年在NNE～NE區(qū)間和E～SE區(qū)間相關(guān)系數(shù)均較小，在0.5以下，相關(guān)系數(shù)大于0.7的方位為9個(gè)；2010年僅ESE方位小于0.5，相關(guān)系數(shù)大于0.7的方位為10個(gè)；2011年僅E方位小于0.5，相關(guān)系數(shù)大于0.7的方位為13個(gè)?？梢?jiàn)對(duì)于同一測(cè)風(fēng)塔和同一氣象站，選擇不同年份作為觀(guān)測(cè)年進(jìn)行代表年數(shù)據(jù)訂正時(shí)，各方位的相關(guān)系數(shù)存在一定差異，在測(cè)風(fēng)塔觀(guān)測(cè)時(shí)段較長(zhǎng)時(shí)，可選擇相關(guān)系數(shù)較高年份進(jìn)行代表年數(shù)據(jù)訂正，以期得到較準(zhǔn)確的代表年數(shù)據(jù)結(jié)果。

表4 測(cè)風(fēng)塔2009～2011年70 m與氣象站10 m風(fēng)速16方位相關(guān)系數(shù)

利用測(cè)風(fēng)塔2009年數(shù)據(jù)計(jì)算得到代表年平均風(fēng)速為6.6 m/s，利用2010年數(shù)據(jù)計(jì)算得到測(cè)風(fēng)塔代表年平均風(fēng)速為6.2 m/s，而用2011年數(shù)據(jù)計(jì)算得到測(cè)風(fēng)塔代表年平均風(fēng)速為6.0 m/s。2010年與2011年計(jì)算得到的代表年數(shù)據(jù)相差較小，二者相差0.2 m/s，不到4%；而用2009年數(shù)據(jù)計(jì)算得到的代表年數(shù)據(jù)則與其他兩個(gè)年份差距較大，相差7%～10%。從上述相關(guān)分析可知，2009年測(cè)風(fēng)塔與氣象站16方位相關(guān)系數(shù)較低，因此認(rèn)為以2009年作為觀(guān)測(cè)年計(jì)算測(cè)風(fēng)塔代表年數(shù)據(jù)誤差較大，在實(shí)際工作中不予采用。這也說(shuō)明在利用氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)風(fēng)塔代表年數(shù)據(jù)訂正時(shí)，要詳細(xì)分析二者在16方位的相關(guān)性，以確定是否可采用《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》中規(guī)定的方法進(jìn)行代表年數(shù)據(jù)訂正。同時(shí)發(fā)現(xiàn)2010、2011年測(cè)風(fēng)塔和氣象站相關(guān)均較好，但在計(jì)算測(cè)風(fēng)塔代表年數(shù)據(jù)時(shí)，得到的代表年風(fēng)速仍存在差異。

2.2.2 原因分析

分別計(jì)算測(cè)風(fēng)塔和氣象站2010年與2011年各風(fēng)向風(fēng)速(圖1)，分析塔、站這兩年在風(fēng)速和風(fēng)向頻率之間的差異。從圖1可知，2010年和2011年風(fēng)速差異主要出現(xiàn)在偏西北和偏東南方向。2010年測(cè)風(fēng)塔和氣象站在偏西北和偏東南方向上風(fēng)速均大于2011年，但二者在2010年和2011年兩個(gè)風(fēng)向區(qū)間的風(fēng)速差異大小并不一致，在W～NNW區(qū)間，測(cè)風(fēng)塔2010年較2011年平均偏大18.7%，而氣象站則偏大16.6%，偏大比例略小于測(cè)風(fēng)塔；在SE～S區(qū)間，測(cè)風(fēng)塔2010年較2011年平均偏大11.7%，而氣象站則偏大10.7%。另外，可發(fā)現(xiàn)在偏西南方向，測(cè)風(fēng)塔2010年風(fēng)速仍較2011年偏大，而氣象站在這個(gè)風(fēng)向區(qū)間2010年和2011年無(wú)顯著差異。測(cè)風(fēng)塔和氣象站在不同年份各風(fēng)向風(fēng)速差異上的不一致必然會(huì)對(duì)代表年數(shù)據(jù)計(jì)算造成一定影響。

圖1 測(cè)風(fēng)塔(a)和氣象站(b)2010年及2011年各風(fēng)向風(fēng)速(m/s)

分別計(jì)算測(cè)風(fēng)塔和氣象站2010年與2011年風(fēng)向頻率(圖2)。由圖2可知，2010年和2011年風(fēng)向差異主要出現(xiàn)在偏西北方向和偏南方向。2010年測(cè)風(fēng)塔和氣象站在偏西北方向風(fēng)向頻率均大于2011年，在W～WNW區(qū)間，測(cè)風(fēng)塔2010年較2011年平均偏大3.8%，而氣象站則偏大2.8%，偏大比例略小于測(cè)風(fēng)塔；在偏南方向，測(cè)風(fēng)塔2010年與2011年差異主要在S～SSW區(qū)間，2010年較2011年平均偏小2.3%，而氣象站則主要在S方向存在差異，2010年較2011年偏小1.5%。

圖2 測(cè)風(fēng)塔(a)和氣象站(b)2010年及2011年風(fēng)向頻率

此外，測(cè)風(fēng)塔和氣象站的主導(dǎo)風(fēng)向并不完全一致。測(cè)風(fēng)塔主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾～SSW區(qū)間和W～NNW區(qū)間，在偏南方向，S方向風(fēng)頻較大，在西北方向，WNW方向風(fēng)頻較大；而氣象站風(fēng)向則主要分布在S～SSW區(qū)間和W～WNW區(qū)間，且以SSW和W方向風(fēng)頻較大。在進(jìn)行代表年數(shù)據(jù)訂正時(shí)，需對(duì)測(cè)風(fēng)塔和氣象站數(shù)據(jù)分16方位進(jìn)行樣本統(tǒng)計(jì)和回歸方程計(jì)算，測(cè)風(fēng)塔和氣象站風(fēng)向頻率上存在的差異必然會(huì)對(duì)代表年數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果造成一定誤差。

2.3 測(cè)風(fēng)塔和氣象站風(fēng)速變化的不一致性分析

《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》中測(cè)風(fēng)塔代表年數(shù)據(jù)的計(jì)算方法，主要是分16方位利用線(xiàn)性回歸方程進(jìn)行計(jì)算，并未考慮二者風(fēng)速變化不一致情況。事實(shí)上，測(cè)風(fēng)塔各月風(fēng)速變化與氣象站各月風(fēng)速變化趨勢(shì)并不完全一致(見(jiàn)圖3)。測(cè)風(fēng)塔和氣象站均是冬春季節(jié)風(fēng)速較大，夏秋季節(jié)風(fēng)速相對(duì)較小，但是測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速季節(jié)變化顯著，兩氣象站季節(jié)差異則較小。計(jì)算二者各月的風(fēng)速差，發(fā)現(xiàn)6～10月測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速較氣象站偏大，均在4.0 m/s以下，而在1～5月和11～12月二者差值均大于4.0 m/s，說(shuō)明測(cè)風(fēng)塔和氣象站的風(fēng)速差異存在季節(jié)性。

測(cè)風(fēng)塔和氣象站風(fēng)速的日變化趨勢(shì)相反(圖4)，發(fā)現(xiàn)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速在一日內(nèi)呈先減后增趨勢(shì)，即夜間風(fēng)速較大，白天風(fēng)速較小；而氣象站風(fēng)速則是先增后減，即白天風(fēng)速較大，夜間風(fēng)速較小。白天10：00～20：00為測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速相對(duì)較小時(shí)段，而這個(gè)時(shí)段氣象站風(fēng)速則達(dá)到了一天中的峰值。

圖3 測(cè)風(fēng)塔與氣象站2010年各月平均風(fēng)速

由于測(cè)風(fēng)儀器本身、周?chē)獠凯h(huán)境、測(cè)風(fēng)高度及風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域與長(zhǎng)期氣象站外部環(huán)境存在的差異，導(dǎo)致氣象站風(fēng)速變化與風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域風(fēng)速變化存在上述差異。現(xiàn)有的測(cè)風(fēng)塔代表年數(shù)據(jù)計(jì)算方法并未考慮這些差異，因此得到的代表年數(shù)據(jù)結(jié)果往往存在不確定性，加之無(wú)較長(zhǎng)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，很難對(duì)其誤差進(jìn)行訂正；而且不同測(cè)風(fēng)塔和相應(yīng)的參證站風(fēng)速及風(fēng)向差異存在獨(dú)特性，很難用統(tǒng)一的統(tǒng)計(jì)方法對(duì)現(xiàn)有代表年數(shù)據(jù)訂正方法進(jìn)行修正。

2.4 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的應(yīng)用

從上述分析可知，很難用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)現(xiàn)有代表年數(shù)據(jù)訂正方法進(jìn)行修正，但在風(fēng)能資源評(píng)估中，因?yàn)椴煌瑴y(cè)風(fēng)年風(fēng)速存在較大差異，僅用觀(guān)測(cè)年數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)資源評(píng)估，不能代表風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域長(zhǎng)期的風(fēng)況。近年來(lái)，數(shù)值模擬技術(shù)在風(fēng)資源評(píng)估中逐漸被廣泛應(yīng)用，美國(guó)、丹麥、加拿大、澳大利亞和日本等都先后開(kāi)發(fā)和發(fā)展了許多較為成熟的應(yīng)用數(shù)值模擬方法的風(fēng)能資源評(píng)估系統(tǒng)軟件[10-12]。中國(guó)也開(kāi)展了相關(guān)研究，龔強(qiáng)等[13-15]、李曉燕等[16]、袁春紅等[17]分別應(yīng)用MM5模式、歷史觀(guān)測(cè)資料和中尺度大氣模式相融合等方法進(jìn)行了數(shù)值模擬方法在風(fēng)能資源評(píng)估中的應(yīng)用研究，獲得很多經(jīng)驗(yàn)。姜?jiǎng)?chuàng)業(yè)等[18]通過(guò)陜北模擬區(qū)實(shí)驗(yàn)分析，MM5/CALMET模式在復(fù)雜地形下模擬數(shù)據(jù)的可靠性，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)訂正處理的模擬數(shù)據(jù)具有更好的真實(shí)性和可靠性。那長(zhǎng)期的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)能否代表測(cè)風(fēng)塔長(zhǎng)期的風(fēng)況呢？

利用MM5/CALMET模式提取測(cè)風(fēng)塔所在位置2009～2011年3年逐時(shí)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，因模式數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差，對(duì)于測(cè)風(fēng)塔模擬數(shù)據(jù)，消除地形等影響的誤差，分別以2010年和2011年為觀(guān)測(cè)年，分24時(shí)次分別建立相關(guān)關(guān)系對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行訂正處理，得到測(cè)風(fēng)塔2009～2011年的數(shù)值模擬結(jié)果(表5和表6)。實(shí)際觀(guān)測(cè)2009～2011年測(cè)風(fēng)塔平均風(fēng)速為6.30 m/s，數(shù)值模擬結(jié)果分別為6.40 m/s和6.24 m/s，而以2011年和2010年為觀(guān)測(cè)年，用國(guó)標(biāo)方法計(jì)算得到的代表年結(jié)果分別為6.00 m/s和6.18 m/s。同實(shí)測(cè)值相比，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值相差較小，僅為0.1 m/s和0.06 m/s，約1.7%和1.0%；而用氣象站計(jì)算得到的代表年結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差0.30 m/s和0.12 m/s，偏小5.0%和1.9%，相差較大。從各月風(fēng)速比較來(lái)看，數(shù)值模擬結(jié)果除8月和12月相對(duì)誤差較大外，其余月份相對(duì)誤差都在5%以?xún)?nèi)。代表年數(shù)據(jù)除4～5月、8月和10月相對(duì)誤差較小外，其余月份相對(duì)誤差均較大，絕對(duì)值在5%以上，其中12月相對(duì)誤差最大。整體來(lái)說(shuō)，大部分月份代表年數(shù)據(jù)均小于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，這也導(dǎo)致代表年數(shù)據(jù)整體偏小。

表5 數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)2009～2011年及用2011年為觀(guān)測(cè)年得到的近3年代表年風(fēng)速數(shù)據(jù)

表6 數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)2009～2011年及用2010年為觀(guān)測(cè)年得到的近3年代表年風(fēng)速數(shù)據(jù)

對(duì)比測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬和代表年風(fēng)速日變化，從圖5可看出，各時(shí)次平均風(fēng)速的變化趨勢(shì)基本一致，均呈先減后增的日變化趨勢(shì)，0：00～6：00 風(fēng)速較大，早晨 7：00 開(kāi)始減小，白天經(jīng)歷兩個(gè)最低值，19：00風(fēng)速開(kāi)始增大，至凌晨增至最大。相對(duì)來(lái)說(shuō)，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在各時(shí)次相差較小，尤其是夜間，在白天和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)風(fēng)速相差略大；而代表年結(jié)果整體來(lái)說(shuō)各時(shí)次風(fēng)速均小于實(shí)測(cè)值，且偏小較多。

圖5 測(cè)風(fēng)塔70 m高度平均風(fēng)速日變化

圖6 測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)和模擬的風(fēng)向頻率

對(duì)比測(cè)風(fēng)塔2009～2011年實(shí)測(cè)和模擬的風(fēng)向，可發(fā)現(xiàn)二者在主導(dǎo)風(fēng)向上比較一致，均是WNW～NW和SSE～SW區(qū)間風(fēng)向頻率較大，說(shuō)明數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)風(fēng)向的模擬比較準(zhǔn)確。不同的是，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)在偏西北方向風(fēng)頻大于偏南方向，而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)則是偏南方向大于偏西北方向。

另外，挑選了本地區(qū)6座測(cè)風(fēng)塔，提取測(cè)風(fēng)塔所在位置數(shù)值模擬資料，對(duì)比模擬資料和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算模擬資料的誤差(表6)，分析數(shù)值模擬資料在該地區(qū)的可用性。由表6可知，6座測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速和模擬風(fēng)速逐時(shí)值相關(guān)系數(shù)均在0.5以上，相關(guān)系數(shù)較高，二者差值基本在0.1以下，相對(duì)誤差基本在2%以?xún)?nèi)，可見(jiàn)數(shù)值模擬資料與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差較小，基本可代表測(cè)風(fēng)塔所在位置的風(fēng)速情況。

表6 6座測(cè)風(fēng)塔70 m高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析

圖7 6座測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)(藍(lán)色)和模擬(紅色)風(fēng)向玫瑰圖

對(duì)比6座測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)和模擬的風(fēng)向(圖7)，可見(jiàn)除1#和4#測(cè)風(fēng)塔外，其余幾座測(cè)風(fēng)塔模擬資料得到的風(fēng)向頻率和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的風(fēng)向頻率分布基本一致，較好地模擬出了測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)向分布情況。

綜上分析可知，在本地區(qū)利用MM5/CALMET模式模擬測(cè)風(fēng)塔位置的風(fēng)資源情況，整體來(lái)說(shuō)誤差范圍較小，風(fēng)向分布的模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致；氣象站數(shù)據(jù)與風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)風(fēng)速風(fēng)向變化一致性較差的情況下，可嘗試?yán)脭?shù)值模擬技術(shù)對(duì)測(cè)風(fēng)塔長(zhǎng)期風(fēng)況進(jìn)行模擬，計(jì)算其模擬誤差，分析數(shù)值模擬資料的合理性，判斷是否可用數(shù)值模擬資料分析測(cè)風(fēng)塔的長(zhǎng)期風(fēng)況。

3 結(jié)論與建議

1)分別利用測(cè)風(fēng)塔不同年份(2009、2010和2011年)實(shí)測(cè)逐時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)、氣象站同期及近10年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)訂正得到的代表年風(fēng)況數(shù)據(jù)差異較大，得到的代表年數(shù)據(jù)分比為6.6 m/s、6.2 m/s和6.0 m/s。當(dāng)測(cè)風(fēng)塔與氣象站16方位相關(guān)性較差時(shí)訂正得到的代表年數(shù)據(jù)代表性較差，不予使用；而當(dāng)16方位相關(guān)性較好時(shí)，由于不同觀(guān)測(cè)年測(cè)風(fēng)塔和氣象站在各風(fēng)向風(fēng)速和風(fēng)向頻率上的不一致性，仍會(huì)導(dǎo)致代表年數(shù)據(jù)結(jié)果出現(xiàn)不一致的情況。

2)氣象站風(fēng)速與風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域風(fēng)速在月變化、日變化趨勢(shì)上也存在一定差異，而現(xiàn)有測(cè)風(fēng)塔代表年數(shù)據(jù)計(jì)算方法并沒(méi)有考慮這些差異，因此利用16方位相關(guān)法得到的代表年數(shù)據(jù)結(jié)果往往存在不確定性。但大部分氣象站有近20年的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，從一般風(fēng)電場(chǎng)20年的運(yùn)行壽命來(lái)講，利用氣象站計(jì)算其代表年數(shù)據(jù)可得到近20年的平均風(fēng)況，因此在氣象站數(shù)據(jù)均一性較好、與測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速風(fēng)向變化情況一致性相對(duì)較高時(shí)，可選擇用氣象站數(shù)據(jù)計(jì)算測(cè)風(fēng)塔代表年數(shù)據(jù)。

3)數(shù)值模擬技術(shù)在風(fēng)資源評(píng)估中廣泛應(yīng)用，經(jīng)驗(yàn)證可利用數(shù)值模擬技術(shù)模擬測(cè)風(fēng)塔的長(zhǎng)期風(fēng)況，且二者差異較小，可較為客觀(guān)準(zhǔn)確地反應(yīng)測(cè)風(fēng)塔的長(zhǎng)期風(fēng)資源狀況。但針對(duì)不同區(qū)域適用數(shù)值模式不一，需分析數(shù)值模式的適用性，計(jì)算過(guò)程相對(duì)繁瑣復(fù)雜。因此在氣象站數(shù)據(jù)均一性較差、與測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速風(fēng)向差異較大時(shí)，可適當(dāng)選擇合適的數(shù)值模式進(jìn)行長(zhǎng)期風(fēng)況的模擬。

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