基于高塔數(shù)據(jù)的山區(qū)丘陵與平原湖區(qū)風(fēng)能參數(shù)差異分析

許楊 ，陳正洪 ，?，申彥波 ，孟丹

（1.湖北省氣象服務(wù)中心,湖北 武漢 430205；2.湖北省氣象能源技術(shù)開(kāi)發(fā)中心,湖北 武漢 430205；3.中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心,北京 100081）

0 引言

大力發(fā)展可再生能源已成為全球能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對(duì)氣候變化的重大戰(zhàn)略方向和一致宏大行動(dòng)[1]。風(fēng)能因其儲(chǔ)量大、分布廣的優(yōu)勢(shì)成為重要的可再生能源之一，2022 年全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到906 GW[2]。我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)10 多年的高速發(fā)展，在“十三五”期間實(shí)現(xiàn)了跨越式推進(jìn)，截至2022 年總裝機(jī)容量達(dá)390 GW[3]。為如期實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，我國(guó)的可再生能源裝機(jī)規(guī)模將大幅度提升，到2030 年風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)1.2 TW 以上[4]，以風(fēng)能太陽(yáng)能為代表的新能源將邁入高質(zhì)量發(fā)展階段。

自2007 年華中區(qū)域第一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)——九宮山風(fēng)電場(chǎng)在湖北通山建成投產(chǎn)至今，風(fēng)電開(kāi)發(fā)已遍布湖北全省，隨著湖北省山區(qū)和丘陵地帶風(fēng)能資源相對(duì)豐富區(qū)域的逐步深入開(kāi)發(fā)以及低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、風(fēng)機(jī)輪轂高度和葉片直徑的不斷提升，風(fēng)電開(kāi)發(fā)也從集中式發(fā)展到分布式、從山區(qū)丘陵發(fā)展到平原湖區(qū)，這些隨著時(shí)間推移發(fā)生的不斷突破資源、技術(shù)和地形的發(fā)展方式，對(duì)風(fēng)能資源評(píng)估方法及特征分析也提出了更迫切的需求。國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)我國(guó)及部分省份風(fēng)能資源評(píng)估及特征進(jìn)行了研究分析，陳欣等[5]利用西北地區(qū)和東南沿海地區(qū)具有代表性的測(cè)風(fēng)塔資料，對(duì)比分析其風(fēng)能資源特性差異；周青等[6]利用中國(guó)風(fēng)能資源專業(yè)觀測(cè)網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了全國(guó)近地層風(fēng)速及風(fēng)功率密度的時(shí)空、方位及梯度分布特征；朱蓉等[7]基于中國(guó)氣象局風(fēng)能資源高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)集及測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了中國(guó)風(fēng)能資源氣候特征及成因；吳瓊[8]、許楊等[9]采用分布在山區(qū)的測(cè)風(fēng)塔對(duì)山地風(fēng)能資源特征進(jìn)行了分析。此外，還有相關(guān)文獻(xiàn)利用不同地形下的測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)數(shù)據(jù)針對(duì)風(fēng)切變[10-12]或湍流強(qiáng)度[13-15]等單一特征研究成果進(jìn)行論述。這些研究所用測(cè)風(fēng)塔資料觀測(cè)高度基本在100 m 以下，或針對(duì)某一風(fēng)能資源特征參數(shù)展開(kāi)分析，因此有必要結(jié)合內(nèi)陸地區(qū)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀，采用更高觀測(cè)高度的測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)不同地形條件下的風(fēng)能資源特征進(jìn)行全面深入的研究分析。

近年來(lái)，為適應(yīng)風(fēng)電開(kāi)發(fā)持續(xù)發(fā)展的需求，湖北省內(nèi)在平原及湖區(qū)設(shè)立的測(cè)風(fēng)塔不斷增多，且塔高逐漸從70 m 上升到150 m，以這些分布更為廣泛且塔高更高的風(fēng)能資源觀測(cè)網(wǎng)為基礎(chǔ)，本文篩選了湖北省內(nèi)代表不同地形條件下的測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)山區(qū)丘陵和平原湖區(qū)的風(fēng)能資源特征進(jìn)行分析比較，以期了解不同地形條件下各項(xiàng)主要風(fēng)能參數(shù)的變化特征，為內(nèi)陸地區(qū)風(fēng)能資源的合理開(kāi)發(fā)及利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料說(shuō)明及處理

1.1 測(cè)風(fēng)塔選取及資料說(shuō)明

湖北省處于中國(guó)地勢(shì)第二級(jí)階梯向第三級(jí)階梯過(guò)渡地帶，地勢(shì)呈三面環(huán)山、中間低平、向南敞開(kāi)、北有缺口的不完整盆地，兼具山地、丘陵、崗地和平原多種類的地形。綜合考慮湖北省地形地貌及測(cè)風(fēng)塔布設(shè)情況，篩選出代表5 種地形條件下的11 個(gè)測(cè)風(fēng)塔（如表1 所示）進(jìn)行風(fēng)能資源特征分析，數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)段基本為完整1 年，塔高在90～150 m 之間，其中平原湖區(qū)的塔高均為150 m，各塔均采用美國(guó)NRG 測(cè)風(fēng)設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)，風(fēng)速觀測(cè)層在10～150 m之間。測(cè)風(fēng)塔地理分布位置如圖1 所示。

圖1 湖北省11 個(gè)測(cè)風(fēng)塔地理位置分布圖Fig.1 Geographical location of eleven wind masts in Hubei Province

表1 測(cè)風(fēng)塔基本信息及數(shù)據(jù)情況Tab.1 Basic information and data of wind masts

為了分析不同地形下風(fēng)能資源特征，按海拔高度將測(cè)風(fēng)塔劃分為高山、中低山、丘陵、平原、湖區(qū)5 種地形[16]。屬于高山地形的G1 和G2 測(cè)風(fēng)塔位于鄂西南巫山流脈和武陵山余脈，海拔高度在1 850 m左右；屬于中低山地形的Z1 測(cè)風(fēng)塔位于鄂東大別山南麓，Z2 測(cè)風(fēng)塔位于鄂西荊山余脈，海拔高度在550～1000 m；屬于丘陵地形的Q1 測(cè)風(fēng)塔位于鄂東北大別山支脈，Q2 測(cè)風(fēng)塔位于鄂西荊山余脈，Q3 測(cè)風(fēng)塔位于大巴山脈東麓，屬于鄂西山地向江漢平原過(guò)渡地帶，海拔高度在250～500 m；屬于平原地區(qū)的P1 測(cè)風(fēng)塔位于鄂南洞庭湖平原，P2 位于江漢平原南端；屬于湖區(qū)的H1 位于江漢平原荊州長(zhǎng)湖東側(cè)，H2 位于鄂東南黃梅龍感湖西側(cè)。

1.2 資料處理

11 個(gè)測(cè)風(fēng)塔原始數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為10 min，對(duì)其完整性和合理性進(jìn)行檢驗(yàn)后處理成時(shí)間分辨率為1 h 的完整1 年的數(shù)據(jù)，測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)處理均按照《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》（GB/T 18710－2002）[17]中的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)方法進(jìn)行，并且剔除了因冬季冰凍造成儀器故障而致使觀測(cè)風(fēng)速長(zhǎng)時(shí)間靜風(fēng)的異常數(shù)據(jù)。從表1 可見(jiàn)，各塔最高層風(fēng)速實(shí)測(cè)有效數(shù)據(jù)完整率在85%以上，其中高山及中低山測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)有效數(shù)據(jù)完整率相對(duì)較低，在85%～92%之間，主要是由于高海拔地區(qū)冬季氣溫相對(duì)較低，儀器受低溫冰凍影響較大，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期無(wú)效，海拔較低的丘陵、平原和湖區(qū)實(shí)測(cè)有效數(shù)據(jù)完整率均在95%以上。

本文所用風(fēng)速數(shù)據(jù)在檢驗(yàn)剔除了無(wú)效數(shù)據(jù)后進(jìn)行了插補(bǔ)訂正[9]，首先利用同一測(cè)風(fēng)塔完整率相對(duì)較高的某一高度測(cè)風(fēng)資料對(duì)其他高度缺測(cè)資料進(jìn)行同塔插補(bǔ)訂正；然后對(duì)同塔訂正后仍缺測(cè)較多的數(shù)據(jù)，采用周邊相關(guān)性較好的測(cè)風(fēng)塔或區(qū)域自動(dòng)氣象站同期小時(shí)觀測(cè)風(fēng)速，建立線性方程進(jìn)行插補(bǔ)訂正，訂正后風(fēng)速有效數(shù)據(jù)完整率除Z1 測(cè)風(fēng)塔外均在95%以上。

2 風(fēng)能參數(shù)差異分析

2.1 風(fēng)速及風(fēng)功率密度

2.1.1 年變化特征

如圖2 所示，各測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速年變化無(wú)明顯的一致規(guī)律，年變化幅度在1.4～2.9 m/s，年平均風(fēng)速較大的測(cè)風(fēng)塔（Z2、Q1）年變化幅度相對(duì)更大；各塔風(fēng)功率密度年變化幅度在90～440 W/m2，可見(jiàn)各塔年變化幅度差異也較大。11 座測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)資料年限跨越2012～2019 年，每年會(huì)帶來(lái)大風(fēng)的天氣系統(tǒng)有所不同，且各測(cè)風(fēng)塔地形差異較大，因此會(huì)造成這種風(fēng)速年及季節(jié)變化無(wú)明顯變化規(guī)律的現(xiàn)象，這也在一定程度上說(shuō)明風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)速中長(zhǎng)期變化的波動(dòng)性同樣會(huì)比較大，開(kāi)展風(fēng)速的中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)對(duì)指導(dǎo)風(fēng)電場(chǎng)更高效地運(yùn)維有重要作用。

圖2 各測(cè)風(fēng)塔最高層平均風(fēng)速（a1～a3）及平均風(fēng)功率密度（b1～b3）年變化Fig.2 Annual variation of average wind speed (a1～a3) and average wind power density (b1～b3) at the top of each wind mast

各測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速和風(fēng)功率密度年變化趨勢(shì)基本一致，但也存在個(gè)別未同步變化的情況，即一些風(fēng)速較大的月份對(duì)應(yīng)的風(fēng)功率密度相對(duì)降低，主要是由于影響風(fēng)功率密度大小的因素不僅僅是平均風(fēng)速值，風(fēng)速分布同樣會(huì)造成一定影響，在同樣的平均風(fēng)速情況下，當(dāng)風(fēng)速分布更多地向高風(fēng)速段偏移，就會(huì)造成平均風(fēng)速相同，但風(fēng)功率密度更大的情況。

2.1.2 日變化特征

如圖3 所示，各測(cè)風(fēng)塔最高層風(fēng)速和風(fēng)功率密度日變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)出白天小、晚上大的U 型變化特征，17～次日07 時(shí)風(fēng)速相對(duì)較大，09～16 時(shí)風(fēng)速相對(duì)較小。各測(cè)風(fēng)塔最高層風(fēng)速日變化幅度在1.0～2.3 m/s，風(fēng)功率密度日變化幅度在77～171 W/m2，山區(qū)丘陵地形的日變幅明顯大于平原湖區(qū)。不同地形下風(fēng)速最低值在1 天中的出現(xiàn)時(shí)間亦有所不同，高山地形日風(fēng)速最低值出現(xiàn)在16 時(shí)左右，中低山地形出現(xiàn)在11 時(shí)左右，丘陵地形出現(xiàn)在10 時(shí)，平原湖區(qū)地形出現(xiàn)在10～16 時(shí)。

圖3 各測(cè)風(fēng)塔最高層平均風(fēng)速（a1～a3）及平均風(fēng)功率密度（b1～b3）日變化Fig.3 Daily variation of average wind speed (a1～a3) and average wind power density (b1～b3) at the highest level of wind masts

圖4 給出了5 種地形下代表性測(cè)風(fēng)塔各高度層的平均風(fēng)速日變化，山區(qū)丘陵地形下各層變化趨于一致，均為白天小晚上大；平原地形下高層和低層則呈現(xiàn)出相反的變化特征，低層為白天大、晚上?。缓^(qū)地形下低層白天大、晚上小的變化特征更加明顯，隨著觀測(cè)高度的增加日變化幅度趨于平緩，日變化特征不再明顯。

圖4 各測(cè)風(fēng)塔各高度層平均風(fēng)速日變化Fig.4 Daily variation of average wind speed at each height level of wind masts

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)山區(qū)和丘陵湖區(qū)風(fēng)速日變化存在明顯差異，高層風(fēng)速日變化均呈U 型變化特征，但隨海拔高度的降低變幅減小，可見(jiàn)內(nèi)陸地區(qū)尤其是山區(qū)的高層風(fēng)速日變化受下墊面影響較小，其風(fēng)速具有邊界層上層的一些特征。由于湍流垂直交換，導(dǎo)致邊界層上層動(dòng)量損失，白天上層動(dòng)量更快地向下傳輸，使上層風(fēng)速變小，晚上動(dòng)量傳輸較白天變慢，上層風(fēng)速開(kāi)始變大，邊界層上層動(dòng)量損失日間損失較多，所以上層風(fēng)速日間小于夜間[9,18]。平原湖區(qū)的近地面風(fēng)速日變化受下墊面影響較大，白天日出后地面逐漸受熱，近地面空氣開(kāi)始升溫形成不穩(wěn)定大氣層結(jié)，上下層空氣的湍流交換開(kāi)始加強(qiáng)，上層空氣的動(dòng)量下傳使得近地層空氣獲得動(dòng)量，風(fēng)速逐漸增大，風(fēng)速在午后達(dá)到最大；午后地面溫度逐漸下降，湍流交換逐漸減弱，風(fēng)速開(kāi)始減小；晚上由于地面輻射冷卻作用，近地面空氣降溫，易形成穩(wěn)定大氣層結(jié)，不利于空氣動(dòng)量下傳，而地面摩擦作用使得近地面風(fēng)速減小[7]。湖泊附近的風(fēng)速變化會(huì)受到大型水體的影響，水體對(duì)大氣起到保溫作用，近地層氣溫的日變化幅度變小，也降低了風(fēng)速的日變化幅度，且水陸的熱力差異會(huì)形成湖陸風(fēng)等局地氣候特征，導(dǎo)致風(fēng)速日變化特征的不一致性。

2.1.3 風(fēng)速和風(fēng)能頻率分布

風(fēng)機(jī)一般在3～25 m/s 風(fēng)速區(qū)間內(nèi)正常運(yùn)行發(fā)電，該區(qū)間內(nèi)各測(cè)風(fēng)塔有效風(fēng)速頻率在75.7%～88.6%，有效風(fēng)能頻率在99.4%～99.9%；風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速基本在9～13 m/s 之間，在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間風(fēng)機(jī)處于滿發(fā)狀態(tài)，風(fēng)速閾值在10 m/s 以上的風(fēng)速頻率為6.9～17.8 m/s，風(fēng)能頻率為39.3%～66.8%,如表2 所示。可見(jiàn)雖然大風(fēng)出現(xiàn)頻率不高，但其對(duì)應(yīng)的風(fēng)能頻率卻較大，基本可以達(dá)到一半以上，因此，在地形相近且平均風(fēng)速相當(dāng)?shù)那闆r下，大風(fēng)占比越高則風(fēng)能資源更優(yōu)，更有利于風(fēng)電開(kāi)發(fā)。

表2 各測(cè)風(fēng)塔最高層風(fēng)速和風(fēng)能頻率Tab.2 Wind speed and wind energy frequency at the highest level of each wind mast

各測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速頻率均呈現(xiàn)為正偏態(tài)分布，即風(fēng)速分布高峰偏左，風(fēng)能頻率分布的峰值較風(fēng)速頻率明顯滯后，風(fēng)速頻率較高的風(fēng)速段出現(xiàn)在3～8 m/s，而風(fēng)能頻率較高的風(fēng)速段則出現(xiàn)在6～13 m/s，如圖5所示。此外，雙參數(shù)威布爾分布能較好地?cái)M合實(shí)際風(fēng)速分布[19]，采用此分布計(jì)算得到各測(cè)風(fēng)塔最高層風(fēng)速威布爾分布形狀參數(shù)K 在1.7～2.3，尺度參數(shù)A在5.4～7.0（如表3 所示）。形狀參數(shù)和尺度參數(shù)組合是可以表示數(shù)據(jù)變化特性的度量，形狀參數(shù)決定了該分布屬于威布爾分布族中的類型，是描述風(fēng)速頻率隨風(fēng)速的變化率，參數(shù)值越大說(shuō)明風(fēng)速頻率越集中；尺度參數(shù)描述影響風(fēng)速頻率的增長(zhǎng)速度，起到拉伸或壓縮整個(gè)分布的作用，參數(shù)值越小增長(zhǎng)速度越快。將圖5 中對(duì)應(yīng)的曲線形狀和參數(shù)值對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)Z1 的風(fēng)速分布相對(duì)最為集中，形狀參數(shù)也相應(yīng)最大，H1的風(fēng)速分布增長(zhǎng)速度相對(duì)最快，尺度參數(shù)也相應(yīng)最小。

圖5 5 種地形下測(cè)風(fēng)塔最高層風(fēng)速和風(fēng)能頻率分布Fig.5 Wind speed and wind energy frequency distribution at the highest level of wind masts under five kinds of terrain

表3 各測(cè)風(fēng)塔最高層風(fēng)速威布爾分布參數(shù)Tab.3 Weibull distribution parameters of wind speed at the highest level of each wind mast

2.2 風(fēng)向頻率及風(fēng)能密度方向分布

風(fēng)能密度方向分布和地形是決定風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組位置排列的重要因素。從表4 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)，各測(cè)風(fēng)塔高層主導(dǎo)風(fēng)向頻率在10.2%～29.4%之間，最多風(fēng)能密度方向頻率為14.5%～59.8%，且主導(dǎo)風(fēng)向下對(duì)應(yīng)的風(fēng)能密度方向頻率一般也最大，其中僅P2測(cè)風(fēng)塔主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE，而風(fēng)能密度最多風(fēng)向?yàn)镾，分析該塔各方向下的平均風(fēng)速發(fā)現(xiàn)NNE 方向?yàn)?.8 m/s，S 方向?yàn)?.1 m/s，因此導(dǎo)致了主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)能密度最多風(fēng)向的不一致。

表4 各測(cè)風(fēng)塔高層主導(dǎo)風(fēng)向頻率及風(fēng)能密度方向頻率Tab.4 Dominant wind direction frequency and wind energy density direction frequency of each wind mast

各測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)向頻率及風(fēng)能密度方向頻率分布基本一致，頻率較高風(fēng)向下的風(fēng)能密度方向頻率一般也較大，且風(fēng)能密度方向頻率會(huì)較風(fēng)向頻率明顯增加，甚至增大至1 倍以上。G2、Z1 和P2 測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向頻率及風(fēng)能密度方向頻率分布較為分散，其中G2和P2 測(cè)風(fēng)塔分散在兩個(gè)基本相反的方向，其余8 個(gè)測(cè)風(fēng)塔則相對(duì)集中在1 個(gè)方向，這種有明確主導(dǎo)分布方向或兩個(gè)相反主風(fēng)向的分布更有利于風(fēng)能資源利用，如圖6 所示。鄂北、江漢平原及中部地區(qū)風(fēng)向主要為偏北和偏南風(fēng)，主要是由于我省冬半年受大陸冷高壓控制以北風(fēng)為主，夏半年受副高及亞洲季風(fēng)影響以南風(fēng)為主，這些區(qū)域地勢(shì)較高或周邊較為空曠，南來(lái)和北來(lái)的氣流暢通無(wú)阻，尤其是江漢平原地區(qū)地勢(shì)開(kāi)闊，有利于氣流加速。此外，宜鐘夾道及北部山區(qū)形成多個(gè)與主導(dǎo)風(fēng)向一致的南北向通道，狹管效應(yīng)使長(zhǎng)驅(qū)直入的氣流在此處不斷加速，致使這些區(qū)域風(fēng)速較大且主導(dǎo)風(fēng)向特征明顯[9]；鄂西南山區(qū)風(fēng)向明顯受地形影響較大，G1 測(cè)風(fēng)塔受西北方向山脈阻擋風(fēng)向基本集中在東南方向，G2 測(cè)風(fēng)塔受北部大巴山脈阻擋，風(fēng)向主要集中在西和東北方向；鄂東大別山和幕阜山的山地地形對(duì)該區(qū)域風(fēng)向影響也較大，Z1 測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向主要集中在東-東南方向，H2 測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向主要集中在東北方向，該塔東側(cè)的龍感湖大面積的空曠水域有利于氣流加速。

圖6 各測(cè)風(fēng)塔高層風(fēng)向頻率及風(fēng)能密度方向頻率玫瑰圖（單位：%）Fig.6 Rose diagram of wind direction frequency and wind energy density direction frequency of each wind mast (unit: %)

2.3 風(fēng)切變指數(shù)

風(fēng)切變指數(shù)是表征風(fēng)速隨垂直高度變化的特征參數(shù)。大氣邊界層的風(fēng)場(chǎng)受大氣運(yùn)動(dòng)自身特性以及下墊面環(huán)境的影響，在多變的動(dòng)力和熱力作用下往往呈現(xiàn)氣流隨高度變化不均勻分布的特性，導(dǎo)致風(fēng)切變特征復(fù)雜多樣。由于各測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速觀測(cè)層次各不相同，因此采用多個(gè)高度層計(jì)算的綜合風(fēng)切變指數(shù)進(jìn)行特征分析[11]。

2.3.1 年平均風(fēng)切變

利用各測(cè)風(fēng)塔全部觀測(cè)高度的平均風(fēng)速計(jì)算風(fēng)切變指數(shù)為0.049～0.516，如表5 所示。從圖7 中可以看出，10 m 高度的觀測(cè)風(fēng)速普遍明顯較小，可能受周邊植被影響較大，因此撇除10 m 高度的風(fēng)速計(jì)算風(fēng)切變指數(shù)，Z1 和Q2 測(cè)風(fēng)塔風(fēng)切變明顯變小，各塔的風(fēng)切變指數(shù)為0.055～0.328（表5）。從圖7（a）可以看出海拔較高的山區(qū)風(fēng)切變指數(shù)較小，G1、G2 和Z1 測(cè)風(fēng)塔海拔高度均在900 m 以上，30～110 m 高度的風(fēng)速隨高度增加緩慢，且在某些高度之間存在等風(fēng)層，除10 m 高度的風(fēng)切變指數(shù)在0.055～0.094；600 m 以下的低山丘陵地形下除10 m 高度的風(fēng)切變指數(shù)為0.167～0.227，Q1 測(cè)風(fēng)塔在高層也存在等風(fēng)層的情況。圖7（b）平原湖區(qū)地形下的4 個(gè)測(cè)風(fēng)塔均有150 m，各塔的風(fēng)速垂直廓線變化趨勢(shì)較為一致，風(fēng)切變指數(shù)為0.209～0.328，平原地形下的風(fēng)切變指數(shù)大于湖區(qū)地形。表6 中給出了測(cè)風(fēng)塔各高度層與最低層（不包括10 m 高度）之間的風(fēng)切變指數(shù)，也可看出高海拔山區(qū)測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)切變明顯低于丘陵及平原湖區(qū)地形。

圖7 各測(cè)風(fēng)塔年平均風(fēng)速垂直風(fēng)廓線Fig.7 Vertical wind profile of annual average wind speed of each wind mast

表5 各測(cè)風(fēng)塔綜合風(fēng)切變指數(shù)Tab.5 Composite wind shear index of each wind mast

表6 各測(cè)風(fēng)塔各高度層風(fēng)切變指數(shù)Tab.6 Wind shear index at each height level of each wind mast

將5 種地形下的風(fēng)切變指數(shù)進(jìn)行橫向比較，可以發(fā)現(xiàn)綜合風(fēng)切變指數(shù)隨海拔高度的降低而升高，海拔較高的山區(qū)地形風(fēng)切變指數(shù)最小，平原地區(qū)的風(fēng)切變指數(shù)最大，因此平原地區(qū)更適宜提升風(fēng)機(jī)輪轂高度，從而有效利用更高層的風(fēng)能資源；不同高度層風(fēng)速的切變?cè)谏絽^(qū)變化較為復(fù)雜，平原湖區(qū)變化較為一致，因此在復(fù)雜地形條件下，風(fēng)切變指數(shù)最好能夠分層考慮。

2.3.2 日變化特征

測(cè)風(fēng)塔風(fēng)切變?nèi)兆兓入S著海拔高度的降低而增大，山區(qū)丘陵地形下為0.063～0.170，平原湖區(qū)地形下為0.274～0.378，如表7 所示。圖8 給出了各地形下風(fēng)切變指數(shù)日變化曲線，山區(qū)丘陵地形無(wú)明顯日變化特征，呈波動(dòng)性變化，平原湖區(qū)則呈現(xiàn)一致且明顯的U 型變化，即白天小夜間大，谷值出現(xiàn)在10～13 時(shí)，峰值出現(xiàn)在18～次日06 時(shí)。

圖8 各測(cè)風(fēng)塔風(fēng)切變指數(shù)日變化Fig.8 Daily variation of wind shear index of each wind mast

表7 各測(cè)風(fēng)塔風(fēng)切變指數(shù)日變化幅度Tab.7 Daily variation of wind shear index of each wind mast

山區(qū)丘陵地形的測(cè)風(fēng)塔一般設(shè)立在山脊或山頂，風(fēng)速受下墊面影響相對(duì)較小，導(dǎo)致風(fēng)速垂直變化趨勢(shì)不明顯，但風(fēng)切變指數(shù)日變化表現(xiàn)出頻繁波動(dòng)的特性，尤其是在白天和夜晚交替的時(shí)段會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，可見(jiàn)山區(qū)復(fù)雜地形下風(fēng)切變指數(shù)的影響因素較為復(fù)雜。平原湖區(qū)地形下的風(fēng)速變化受下墊面影響較大，白天大氣層結(jié)多處于不穩(wěn)定狀態(tài)，大氣湍流混合作用更強(qiáng)，風(fēng)速垂直梯度較小，夜間大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，湍流較弱能量不易下傳，上下層風(fēng)速垂直梯度變大。

2.3.3 大風(fēng)情況下的風(fēng)切變

由于個(gè)別測(cè)風(fēng)塔10 m 高度風(fēng)速受周邊植被影響較大，因此按照《風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)能資源測(cè)量與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31147－2018），采用除10 m 高度外的最低層小時(shí)平均風(fēng)速≥10 m/s 的各層風(fēng)速為樣本，對(duì)測(cè)風(fēng)塔大風(fēng)情況下風(fēng)切變指數(shù)變化進(jìn)行分析。如圖9 所示，山區(qū)丘陵地形大風(fēng)下的風(fēng)切變指數(shù)大部分情況較為離散，Q1 的風(fēng)切變指數(shù)分散且偏大，變化范圍為0.1～0.6，除Z2 和Q1 之外其他塔均有出現(xiàn)不同程度的負(fù)切變情況，說(shuō)明山區(qū)風(fēng)變化更復(fù)雜；平原湖區(qū)地形下則相對(duì)較為集中，隨著風(fēng)速增加基本穩(wěn)定在0.1～0.2 之間，更利于風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

圖9 各測(cè)風(fēng)塔大風(fēng)情況下的風(fēng)切變指數(shù)散點(diǎn)圖Fig.9 Scatter diagram of wind shear index under high wind condition of each wind mast

2.4 湍流強(qiáng)度

大氣湍流強(qiáng)度是地表摩擦與風(fēng)切變引起的動(dòng)力因子和溫度層結(jié)引起的熱力因子而形成的[20]，是評(píng)價(jià)氣流穩(wěn)定程度的指標(biāo)，其對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能會(huì)產(chǎn)生不利影響，主要是減少輸出功率，還可能引起極端荷載，對(duì)風(fēng)機(jī)造成削弱或破壞。

2.4.1 年平均值變化特征

各測(cè)風(fēng)塔有效風(fēng)速段（3～25 m/s）年平均湍流強(qiáng)度為0.13～0.18，15 m/s 風(fēng)速段年平均湍流強(qiáng)度為0.07～0.14，如表8 所示，表明各種地形下湍流強(qiáng)度處于中等偏小的程度，有效風(fēng)速段湍流強(qiáng)度在海拔較高的山區(qū)大于平原湖區(qū)。從圖10 可見(jiàn)，各測(cè)風(fēng)塔湍流強(qiáng)度隨離地高度增加基本呈明顯的減小趨勢(shì)，其中海拔較高的G1 測(cè)風(fēng)塔有效風(fēng)速段湍流強(qiáng)度在30～70 m 高度出現(xiàn)明顯波動(dòng)，G2 測(cè)風(fēng)塔在上層隨高度略有減小，Z1 測(cè)風(fēng)塔15 m/s 風(fēng)速段湍流強(qiáng)度較有效風(fēng)速段湍流強(qiáng)度降低最為明顯。

圖10 各測(cè)風(fēng)塔有效風(fēng)速段湍流強(qiáng)度（a）和15 m/s 風(fēng)速段湍流強(qiáng)度（b）隨高度變化Fig.10 Turbulence intensity in effective wind speed section (a) and in 15 m/s wind speed section (b) of each wind mast changes with height

表8 各測(cè)風(fēng)塔最高層湍流強(qiáng)度Tab.8 Turbulence intensity at the highest level of each wind mast

2.4.2 日變化特征

各測(cè)風(fēng)塔最高層湍流強(qiáng)度日變化為非常一致的單峰型變化特征，峰值出現(xiàn)在14 時(shí)左右，谷值出現(xiàn)在21～次日6 時(shí)，這與風(fēng)速的日變化特征恰好相反，日變化幅度山區(qū)丘陵地形下為0.12～0.15，平原湖區(qū)地形下為0.07～0.09，平原湖區(qū)地形的湍流日變化幅度明顯更小，如圖11 所示。開(kāi)闊地形的氣流穩(wěn)定度優(yōu)于復(fù)雜山區(qū)地形，白天動(dòng)能傳遞一般要快于熱能傳遞，對(duì)流作用強(qiáng)于晚上，因此出現(xiàn)湍流強(qiáng)度白天大晚上小的變化特征[13]。

圖11 各測(cè)風(fēng)塔最高層湍流強(qiáng)度日變化Fig.11 Daily variation of turbulence intensity at the highest level of each wind mast

2.4.3 不同風(fēng)速段變化特征

各測(cè)風(fēng)塔最高層不同風(fēng)速段湍流強(qiáng)度隨風(fēng)速增加變化趨勢(shì)基本一致，3～6 m/s 風(fēng)速段內(nèi)迅速下降，降幅在0.1～0.2 之間，6 m/s 以上風(fēng)速段呈波動(dòng)性變化或一直較為穩(wěn)定，但均在0.17 以下，屬于中等程度湍流強(qiáng)度，平原地形下大風(fēng)速段湍流強(qiáng)度也會(huì)出現(xiàn)明顯波動(dòng)的情況，如P1 測(cè)風(fēng)塔在12 m/s 以上風(fēng)速段有較大波動(dòng)，如圖12 所示。

圖12 各測(cè)風(fēng)塔最高層不同風(fēng)速段湍流強(qiáng)度變化Fig.12 Variation of turbulence intensity in different wind speed sections at the highest level of each wind mast

3 結(jié)論

本文采用湖北省內(nèi)代表山區(qū)丘陵及平原湖區(qū)地形的11 個(gè)測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)資料，分析了各種地形下對(duì)風(fēng)能資源利用較為重要的各項(xiàng)主要參數(shù)的變化特征，并淺析了不同地形產(chǎn)生變化差異的可能原因，主要得到以下結(jié)論：

1）各測(cè)風(fēng)塔高層風(fēng)速日變化特征一致為白天小晚上大，風(fēng)速日變化幅度在1.0～2.3 m/s，山區(qū)丘陵地形下的日變幅明顯大于平原湖區(qū)；山區(qū)丘陵地形各層風(fēng)速日變化特征基本一致，平原湖區(qū)低層風(fēng)速日變化與高層變化特征則相反。

2）各測(cè)風(fēng)塔綜合風(fēng)切變指數(shù)在0.055～0.328 之間，在山區(qū)丘陵地形下明顯大于平原湖區(qū)；平原湖區(qū)風(fēng)切變?nèi)兆兎黠@大于山區(qū)丘陵，變化特征為白天小晚上大；大風(fēng)情況下的風(fēng)切變指數(shù)在山區(qū)丘陵地形下一般分布較為離散，平原湖區(qū)地形下則相對(duì)較為集中。

3）各測(cè)風(fēng)塔高層有效風(fēng)速段年平均湍流強(qiáng)度為0.13～0.18，在海拔較高的山區(qū)地形下大于平原湖區(qū)，湍流強(qiáng)度隨離地高度增加基本呈明顯的減小趨勢(shì)；湍流強(qiáng)度日變化特征均為白天大晚上小，山區(qū)丘陵地形下的日變幅明顯大于平原湖區(qū)。

綜上所述，以上各種地形下風(fēng)能資源特征主要受天氣系統(tǒng)、大尺度地形及局地地貌影響，造成不同的動(dòng)力和熱力作用而表現(xiàn)出空間和時(shí)間變化特征的差異。山區(qū)風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)施工運(yùn)維難度大但資源更豐富，平原湖區(qū)便于開(kāi)發(fā)但資源相對(duì)匱乏，還需充分考慮風(fēng)能資源差異并結(jié)合風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀，深入開(kāi)展風(fēng)能資源特性分析研究：（1）早期山區(qū)測(cè)風(fēng)高度和風(fēng)機(jī)輪轂高度大部分僅為70 m，雖然已知山區(qū)存在風(fēng)速倒切變和等風(fēng)層的情況[9]，但更高層的風(fēng)能資源特性尚需進(jìn)一步深入探索，為后期已運(yùn)行十多年的山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)升級(jí)改造做好準(zhǔn)備；（2）為適應(yīng)風(fēng)電開(kāi)發(fā)從山區(qū)到平原湖區(qū)，甚至高空的發(fā)展趨勢(shì)，需盡快摸清150～300 m 高度乃至300 m 以上到整個(gè)大氣邊界層的風(fēng)能資源特征，以支持高空風(fēng)電開(kāi)發(fā)需求[21]；（3）利用湖北省豐富的水能資源特點(diǎn)，充分發(fā)揮水電調(diào)節(jié)能力，結(jié)合風(fēng)能、太陽(yáng)能資源開(kāi)展抽水蓄能規(guī)劃建設(shè)，深入研究水風(fēng)光一體化基地互補(bǔ)特性，推動(dòng)風(fēng)光資源更加合理有效的利用。

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：

項(xiàng)目名稱湖北省大氣邊界層風(fēng)能資源特性分析及開(kāi)發(fā)潛力評(píng)估（2023Y08）

承擔(dān)單位湖北省氣象服務(wù)中心

項(xiàng)目概述項(xiàng)目圍繞湖北省“雙碳”目標(biāo)下多元化風(fēng)能太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用的需求，為充分挖掘利用我省各種地形下的風(fēng)能資源，深入分析我省近地層及大氣邊界層300 m 以下高度風(fēng)能資源特性，重點(diǎn)開(kāi)展我省多種層高的風(fēng)能資源推算及風(fēng)切變指數(shù)研究。