符 平，秦鵬飛，張金接

（中國水利水電科學(xué)研究院 北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

海上風(fēng)資源時空特性研究

符 平，秦鵬飛，張金接

（中國水利水電科學(xué)研究院 北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

海上風(fēng)況優(yōu)于陸上，但海上氣象要素直接觀測較為困難，很難獲得海域內(nèi)準(zhǔn)確、長期、大范圍的完整實測資料，而在進行海上風(fēng)資源評估時通常需要考慮海上風(fēng)資源時空特性的影響。本文根據(jù)江蘇響水海上測風(fēng)塔和灘涂測風(fēng)塔的實測風(fēng)資料，對海上風(fēng)資源的時間分布特點、風(fēng)速垂直分布規(guī)律和水平代表距離進行了分析研究，可為海上風(fēng)資源評估和海上風(fēng)電場建設(shè)提供參考。

海上風(fēng)資源；時空特性；風(fēng)切變指數(shù)；代表距離

1 研究背景

海上風(fēng)況優(yōu)于陸上，對擬開發(fā)海域進行準(zhǔn)確的風(fēng)資源評估，應(yīng)首先搞清楚該海域的風(fēng)況情況，了解海上風(fēng)的變化規(guī)律及特征。根據(jù)海上風(fēng)資源的特點，在進行風(fēng)資源評估時需要考慮以下因素的影響：（1）氣溫/水溫對近海風(fēng)速的影響；（2）潮位變化對風(fēng)速垂直分布的影響；（3）海上風(fēng)的代表范圍；（4）海上風(fēng)廓線的分布規(guī)律。海上氣象要素直接觀測較為困難，很難獲得海域內(nèi)準(zhǔn)確、長期、大范圍的完整實測資料，沿海陸地氣象站所測風(fēng)速受地面粗糙度、地形地貌熱效應(yīng)和大氣穩(wěn)定度以及潮汐、波浪和水深分布等因素影響，所測結(jié)果與海上風(fēng)況存在較大差異，因此在沿海地區(qū)風(fēng)特性研究方面所開展的工作較少，主要是基于單點測風(fēng)數(shù)據(jù)進行的統(tǒng)計特征分析和沿海地區(qū)風(fēng)資源宏觀分析［1-2］。隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，近年來海上測風(fēng)塔的建設(shè)數(shù)量逐漸增多，海上風(fēng)資源特性也逐漸得到了詳細(xì)的研究，如海陸風(fēng)速衰減規(guī)律，周期性海風(fēng)的形成機理、規(guī)律及范圍，海面粗糙長度與海浪之間的關(guān)系，潮汐對海上風(fēng)速變化的影響，海面熱效應(yīng)對海上風(fēng)流穩(wěn)定性的影響等［3-8］，這些研究在宏觀上揭示了沿海地區(qū)風(fēng)資源的部分特性，但受測點分散且測點布置無規(guī)律的限制，且影響大氣運動的因素很多，不同海域風(fēng)的特性差別明顯，這些研究得到的結(jié)論多數(shù)是以定性為主。海上風(fēng)資源的空間特性和分布規(guī)律是影響海上風(fēng)資源評估的重要因素，在目前研究工作中很少涉及，本文根據(jù)響水海域2座海上測風(fēng)塔和2座灘涂測風(fēng)塔的實測數(shù)據(jù)，對海上風(fēng)資源的時間分布特點和空間分布規(guī)律包括垂直分布規(guī)律和水平代表范圍進行了詳細(xì)的分析研究，以期為海上風(fēng)資源評估和海上風(fēng)電開發(fā)提供有益參考。

2 海上測風(fēng)數(shù)據(jù)

2.1 測風(fēng)塔信息為開發(fā)江蘇響水海上風(fēng)電場，2008年在江蘇響水近海海域建設(shè)了2座海上測風(fēng)塔、水深5～10 m，距離海岸距離3～5 km，塔高70 m，兩座測風(fēng)塔相距27.6 km，每座測風(fēng)塔均安裝了兩套測風(fēng)儀器，并在濱海04測風(fēng)塔上安裝了海洋觀測設(shè)備，同時沿海灘涂上建有5座測風(fēng)塔，各測風(fēng)塔的分布位置如圖1所示。

在進行海上風(fēng)資源時空特性分析時主要參考了2座海上測風(fēng)塔、2座陸上灘涂測風(fēng)塔（分別是灘涂01測風(fēng)塔和5002測風(fēng)塔）的整一年現(xiàn)場測風(fēng)數(shù)據(jù)，選取時間段為：2008年7月—2009年6月。

2.2 實測數(shù)據(jù)檢驗按照規(guī)范要求［9］，對開山島02測風(fēng)塔、濱海04測風(fēng)塔、灘涂01測風(fēng)塔和5002測風(fēng)塔的一年實測數(shù)據(jù)進行驗證，對不合理和缺測的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理。

（1）完整性。對2008年7月—2009年6月一年的數(shù)據(jù)進行完整驗證，完整率如表1所示。

表1 各測風(fēng)塔測風(fēng)數(shù)據(jù)完整性

測風(fēng)塔的測風(fēng)數(shù)據(jù)經(jīng)補充、修訂后有效完整率達到90%以上。

（2）合理性。結(jié)合測風(fēng)塔實際安裝儀器高度、數(shù)量等，對測風(fēng)數(shù)據(jù)進行合理性驗證。測風(fēng)塔的測風(fēng)數(shù)據(jù)不合理比例基本在10%以內(nèi)。

（3）數(shù)據(jù)處理。對不合理的數(shù)據(jù)和由于儀器、傳輸?shù)仍蛞鸬臄?shù)據(jù)殘缺進行處理，其原則為：①海上測風(fēng)塔在同一高度安裝了2套儀器，對比兩套儀器實測數(shù)據(jù)，若同時段數(shù)據(jù)差值在允許范圍之內(nèi)且驗證有效，則采用同高層測風(fēng)數(shù)據(jù)進行補充。②同一層高度2套儀器所測數(shù)據(jù)均不合理或缺失時，由相鄰高度的本測風(fēng)塔測風(fēng)數(shù)據(jù)根據(jù)風(fēng)切變指數(shù)進行插值，補充不合理和殘缺的數(shù)據(jù)。③同期本測風(fēng)塔所有數(shù)據(jù)均不合理或缺失時，建立與本測風(fēng)塔最近的海上或灘涂測風(fēng)塔，進行相關(guān)性分析后，選取相關(guān)性好的測風(fēng)數(shù)據(jù)進行不合理和殘缺數(shù)據(jù)的補充。

3 近海風(fēng)資源時空特性

3.1 時間特性

（1）日變化。風(fēng)的日變化是指在大范圍氣壓梯度不大時，風(fēng)速在一天內(nèi)表現(xiàn)出的規(guī)律性變化。在不受大范圍氣象影響時，該海域的風(fēng)速在每日午后均會出現(xiàn)一定的下降，在傍晚左右風(fēng)速會逐漸加大，直至第2天的午后，表現(xiàn)為典型的單風(fēng)谷變化規(guī)律。開山島02測風(fēng)塔某日的實測風(fēng)速變化曲線如圖2所示。

表2 各測風(fēng)塔的測風(fēng)數(shù)據(jù)合理性驗證

圖2 典型實測風(fēng)速變化曲線

（2）月變化。對2008年7月—2009年6月一年的數(shù)據(jù)進行整理后，各測風(fēng)塔70 m的逐月平均風(fēng)速和風(fēng)功率密度變化如圖3所示。

從風(fēng)速年內(nèi)變化圖可以看出，春冬兩季的平均風(fēng)速、風(fēng)功率密度較大，夏秋兩季風(fēng)速、風(fēng)功率目的相對較小，年內(nèi)風(fēng)速變化可達50%左右，風(fēng)功率密度變化可達2倍以上。

（3）年際變化。收集了2008—2012年的海上測風(fēng)塔70 m高度的平均風(fēng)速，其年際變化如圖4所示。從近5年風(fēng)速年際變化中可以發(fā)現(xiàn)，2011年為小風(fēng)年，比正常年份最大可低15%左右。

3.2 空間特性近海風(fēng)資源空間特性包括垂直分布特性和水平分布特性，在風(fēng)資源評估和風(fēng)電場發(fā)電量分析中，風(fēng)資源的空間特性是其中最主要的影響因素。

圖3 各測風(fēng)塔70 m高度的逐月平均風(fēng)速和風(fēng)功率密度變化

圖4 2008—2012年測風(fēng)塔的70 m高度的平均風(fēng)速變化

3.2.1 風(fēng)切變指數(shù) 海上風(fēng)速沿著垂直高度方向不同，其分布曲線即是風(fēng)廓線，通常假設(shè)風(fēng)廓線形式為直線，因此對應(yīng)直線斜率的風(fēng)切變指數(shù)直接反映了風(fēng)速沿高度變化的規(guī)律，分析各測風(fēng)塔的風(fēng)切變指數(shù)可反映海上風(fēng)與陸上風(fēng)的差異。在實測風(fēng)資料中，不同高度之間的風(fēng)切變指數(shù)計算結(jié)果可能不一致，采用線性回歸法分析測風(fēng)塔所在位置的風(fēng)切變指數(shù)，結(jié)果如表3所示。

海上測風(fēng)塔具有相對較小的風(fēng)切變指數(shù)，說明海上風(fēng)資源相對灘涂測風(fēng)塔沿垂直高度方向變化較慢。根據(jù)海上垂直向風(fēng)切變指數(shù)（以開山島02測風(fēng)塔為例）和陸地風(fēng)資源的經(jīng)驗風(fēng)切變指數(shù)（1/7≈0.14），分別計算了不同高度的風(fēng)速理論上與下一層高度風(fēng)速的變化速率，如表4所示。

從表4中可以看出，陸地80 m高度的平均風(fēng)速比70 m高度的風(fēng)速高1.93%，100 m高度比90 m高度的風(fēng)速高1.52%，同樣的變化比例，相應(yīng)的海上高度要低得多，對應(yīng)的高度位置分別為60 m（1.76%）和70 m（1.49%）。目前我國大多數(shù)測風(fēng)塔所采用的測風(fēng)儀器的精度為0.1 m/s，而大多數(shù)近海海域的平均風(fēng)速在7.0 m/s左右，平均誤差大約為1.5%，因此在海上建設(shè)超過70 m高度的測風(fēng)塔時，在不提高測風(fēng)儀器精度的情況下，其數(shù)據(jù)并不能反映70 m以上的風(fēng)資源垂直分布規(guī)律，而被掩蓋在儀器的測量誤差中了。

表3 各測風(fēng)塔位置處的風(fēng)切變指數(shù)

表4 海上、陸地風(fēng)資源不同高度的風(fēng)速變化速率

3.2.2 海上風(fēng)資源代表距離 由于海上測風(fēng)塔建設(shè)成本高、建設(shè)周期長，海上風(fēng)電開發(fā)的范圍廣，通常10萬kW裝機的風(fēng)電場需占海域面積50 km2（按1 km×1 km布置2 MW風(fēng)機計算）。為進行更大范圍的海上風(fēng)資源評估，海上風(fēng)資源的代表距離是最主要的影響因素，即需要了解海上風(fēng)資源的水平代表距離，對海上兩座測風(fēng)塔的實測風(fēng)資料進行了相關(guān)分析。

（1）風(fēng)速及風(fēng)功率密度相關(guān)性。兩座海上測風(fēng)塔70 m高度、10 m高度的風(fēng)速、風(fēng)功率密度如表5所示。

表5 海上測風(fēng)塔10 m高度的風(fēng)資源情況

將兩座海上測風(fēng)塔的平均風(fēng)速和風(fēng)功率密度進行比較后，各測風(fēng)塔相應(yīng)高度的風(fēng)速、風(fēng)功率密度相差比率如表6所示。

表6 兩座海上測風(fēng)塔測風(fēng)數(shù)據(jù)的對比分析

海上測風(fēng)塔無論是70 m高度還是10 m高度，年平均風(fēng)速都是一樣的，而年平均風(fēng)功率密度最大相差3.33%，其差別很小。從兩座海上測風(fēng)塔的逐月平均風(fēng)速比較，70 m高度的最大相差約0.40 m/s，最大相差比率約為5.43%，10 m高度的最大相差約0.33 m/s，最大相差比率約為5.77%，差值絕對值和差值相對比率均比較小。從兩座海上測風(fēng)塔的逐月平均風(fēng)功率密度比較，最大相差比率均小于20%，相對比較小。

（2）16個方位角風(fēng)速的統(tǒng)計分析。根據(jù)2008年7月—2009年6月一年實測數(shù)據(jù)，選取02海上測風(fēng)塔、04海上測風(fēng)塔之間70 m高度的16個方位角風(fēng)速進行相關(guān)性分析。風(fēng)速較大的N向、E向（選取了6個主要風(fēng)向）的相關(guān)性分析結(jié)果如圖5所示，其他風(fēng)向的相關(guān)性類似。

從圖5和其他相應(yīng)的分析中可以看出，兩座海上測風(fēng)塔之間16扇區(qū)的風(fēng)速相關(guān)性均較好，相關(guān)系數(shù)R可達到0.9左右。

圖5 04與02海上測風(fēng)塔70m高度16風(fēng)向風(fēng)速相關(guān)圖

（3）代表距離。兩座海上測風(fēng)塔70 m高度和10 m高度的各月平均風(fēng)速和風(fēng)功率密度相差較小，16個方位角風(fēng)速相關(guān)系數(shù)在0.9以上，可以近似認(rèn)為兩座海上測風(fēng)塔的測風(fēng)數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性，即海上測風(fēng)塔的測風(fēng)數(shù)據(jù)可較好地代表周圍27.6 km的風(fēng)資源分布。

4 結(jié)論及建議

根據(jù)江蘇響水2座海上測風(fēng)塔、2座灘涂測風(fēng)塔一年的實測風(fēng)資料，對海上風(fēng)資源的時空特性進行了研究與綜合分析，可為海上風(fēng)資源評估和海上風(fēng)電場建設(shè)提供參考：（1）4座測風(fēng)塔實測數(shù)據(jù)完整性好，數(shù)據(jù)合理性滿足規(guī)范要求，進行處理補充后的實測數(shù)據(jù)連續(xù)、合理。（2）海上風(fēng)切變指數(shù)比陸地風(fēng)切變指數(shù)小，沿高度方向變化較小。在不提高儀器測量精度的情況下，海上測風(fēng)塔70 m高度以上的測風(fēng)數(shù)據(jù)并不能有效地反映其分布規(guī)律。（3）海上風(fēng)具有較小的湍流強度，一個海上測風(fēng)塔在海上可代表距離約27.6 km的風(fēng)資源分布情況。

參 考 文 獻：

［1］ 王祖爐，陳彬彬，吳幸毓，等 .福建寧德沿海海陸風(fēng)觀測結(jié)果及特征分析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科技，2009，37（20）：9572-9574.

［2］ 張增海，曹越男，趙偉 .渤海灣海域風(fēng)況特征分析與海一陸風(fēng)速對比分析［J］.海洋預(yù)報，2011，28（6）：33-39.

［3］ 薛桁，朱瑞兆，楊振斌.沿海陸上風(fēng)速衰減規(guī)律［J］.太陽能學(xué)報，2002，23（2）：207-210.

［4］ 朱偉強.福建省沿海風(fēng)力資源特性分析［J］.電力勘測設(shè)計，2006（1）：33-36.

［5］ 孫川永，陶樹旺，羅勇，等.海陸風(fēng)及沿海風(fēng)速廓線在風(fēng)電場風(fēng)速預(yù)報中的應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)報，2009，52（3）：630-636.

［6］ Frandsen S，PoulE M，Jens B，et al.Offshore wind power：easing a renewable technology out of adolescence［C］// 19th World Energy Congress.Sydney，Australia September 5-9，2004.

［7］ Lange B，H?jstrup J.Estimation of offshore wind resources——the influence of the sea fetch［C］//Wind Engineer?ing into the 21th Century.Vol.3.10.International Conference on Wind Engineering（10.ICWE），Copenhagen（DK），1999.

［8］ Christiansen M B.Wind energy studies offshore using satellite remote sensing［C］//19th World Energy Congress 2004，Sydney（AU），2004.

［9］ GB/T 18710-2002，風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

Research of spatio-temporal characteristics of offshore wind resources

FU Ping，QIN Peng-fei，ZHANG Jin-jie
（China Institute of water resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Offshore wind resources is better than in land.It is very difficult to obtain accurate，long-term，large range and complete wind data by measuring directly.The impact of spatio-temporal characteristics of wind resource offshore would be considered when assessing the offshore wind energe resources.In this pa?per，the temporal characteristic，the vertical distribution rule and horizontal range were studied and as?sessed by comparatively analyzing the whole wind data of two offshore anemometer towers and two anemome?ter towers in tidal flat，which can provide reference for the assessment of offshore wind resources and the construction of offshore wind farm.

offshore wind resources；spatio-temporal characteristics；wind shear index；the representative distance

TK81

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.02.007

1672-3031（2014）02-0155-07

（責(zé)任編輯：韓 昆）

2013-07-19

中國水利水電科學(xué)研究院專項（監(jiān)集1319）

符平（1975-），男，湖南永顧人，博士，高級工程師，主要從事海上風(fēng)電及基礎(chǔ)技術(shù)研究。E-mail：fuping@iwhr.com