顧正強(qiáng) 龔強(qiáng) 沈歷都 徐紅 馬東雷 朱玲 晁華 馮冬蕾

(1.沈陽(yáng)區(qū)域氣候中心，遼寧 沈陽(yáng)，110166；2.遼寧省氣象服務(wù)中心，遼寧 沈陽(yáng)，110166；3.沈陽(yáng)中心氣象臺(tái)，遼寧 沈陽(yáng)，110166)

引言

風(fēng)能資源是一種清潔的可再生能源，是可再生能源中最具開發(fā)前景的一種能源。風(fēng)能是指由太陽(yáng)輻射導(dǎo)致地球表面受熱不均，引起大氣層中受熱不均勻，從而使空氣沿著水平方向運(yùn)動(dòng)，空氣流動(dòng)所形成的動(dòng)能[1]。豐富而穩(wěn)定的風(fēng)能資源是風(fēng)能利用的基礎(chǔ)。風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址內(nèi)測(cè)風(fēng)塔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以真實(shí)客觀地反映該區(qū)域的風(fēng)能資源情況。風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響風(fēng)能資源評(píng)估的結(jié)果，進(jìn)而影響整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效益[2]。

在實(shí)際觀測(cè)中，測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證，尤其是地處寒冷地區(qū)和沿海地帶的風(fēng)電場(chǎng)，受冷空氣、海邊空氣的腐蝕及其他因素影響，測(cè)風(fēng)設(shè)備會(huì)出現(xiàn)故障或停測(cè)現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，如存在不合理數(shù)據(jù)或缺測(cè)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估時(shí)，根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》(GBT18709—2002)的要求，測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有效完整率應(yīng)達(dá)到90%以上，因此須對(duì)測(cè)風(fēng)塔不合理數(shù)據(jù)及缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行替換插補(bǔ)[3]。如果插補(bǔ)完整后的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在較大誤差，會(huì)嚴(yán)重影響風(fēng)能資源評(píng)估的結(jié)果，并且導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)投產(chǎn)運(yùn)行后的經(jīng)濟(jì)效益與預(yù)期存在較大偏差，因此對(duì)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的插補(bǔ)應(yīng)給予足夠的重視。所以，近些年國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)插補(bǔ)的方法等做了較多的研究。其中，劉志遠(yuǎn)等[4]基于直接相關(guān)法和統(tǒng)計(jì)相關(guān)法對(duì)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)塔缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了討論；王遠(yuǎn)和鐘華[5]基于整體構(gòu)建相關(guān)關(guān)系、不同風(fēng)向扇區(qū)構(gòu)建相關(guān)關(guān)系和不同季節(jié)構(gòu)建相關(guān)關(guān)系來(lái)插補(bǔ)缺失測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析；也有學(xué)者對(duì)風(fēng)切變指數(shù)在風(fēng)電場(chǎng)資源評(píng)估中的應(yīng)用進(jìn)行了研究[6-8]，還有學(xué)者對(duì)分析資料和數(shù)值模擬在風(fēng)速數(shù)據(jù)插補(bǔ)中的應(yīng)用、不同地形下測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)插補(bǔ)以及風(fēng)速變化預(yù)估等方面均開展了一系列的研究[9-15]。

上述研究成果就研究區(qū)域而言多基于風(fēng)電場(chǎng)，測(cè)風(fēng)塔數(shù)量較少，且范圍較小，數(shù)據(jù)檢驗(yàn)時(shí)段也較短，為解決上述不足，本文基于第四次全國(guó)風(fēng)能資源詳查和評(píng)價(jià)工作中遼寧省氣象局建立的風(fēng)能資源專業(yè)觀測(cè)網(wǎng)所布設(shè)的26座測(cè)風(fēng)塔多年實(shí)測(cè)逐時(shí)數(shù)據(jù)[16]，結(jié)合同期氣象站逐時(shí)數(shù)據(jù)，并采用不同時(shí)間尺度下較成熟的線性分析和風(fēng)切變指數(shù)相結(jié)合的插補(bǔ)方法對(duì)測(cè)風(fēng)塔缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，通過(guò)對(duì)比不同插補(bǔ)方案的結(jié)果，總結(jié)出適用遼寧省測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)的插補(bǔ)方法。本研究結(jié)果對(duì)遼寧省風(fēng)資源評(píng)估具有一定的參考意義。

1 資料與方法

1.1 氣象站資料

本文所使用的氣象站數(shù)據(jù)為遼寧省61個(gè)氣象站2009—2019年逐時(shí)風(fēng)速資料，資料來(lái)源于遼寧省氣象檔案館。

測(cè)風(fēng)塔上所有觀測(cè)儀器在進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)安裝之前，均由航天新氣象科技有限公司(原為江蘇省無(wú)線電科學(xué)研究所有限公司)進(jìn)行了出廠測(cè)試和檢定。風(fēng)速數(shù)據(jù)精確到0.1 m·s-1，風(fēng)向數(shù)據(jù)精確到1°。

1.2 測(cè)風(fēng)塔資料

本文使用測(cè)風(fēng)塔資料為遼寧省26座測(cè)風(fēng)塔4個(gè)觀測(cè)層(10 m、30 m、50 m、70 m)逐時(shí)實(shí)測(cè)風(fēng)速資料，26座測(cè)風(fēng)塔的地理位置、地形特征如圖1。

圖1 遼寧省26座測(cè)風(fēng)塔空間分布

1.3 資料處理

1.3.1 參證站選取

本文除了依據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》(GB/T 18710—2002)[17]、《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/T31147—2018)[18]和《風(fēng)電場(chǎng)氣象觀測(cè)資料審核、插補(bǔ)與訂正技術(shù)規(guī)范(QX/T 37523—2019)》[19]等對(duì)參證站選取要求外，還考慮了如下因素：(1)與測(cè)風(fēng)塔距離近；(2)風(fēng)速相關(guān)性好，具有一定的區(qū)域代表性；(3)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)同期無(wú)遷站，并且風(fēng)觀測(cè)變更相對(duì)較少和較小。因此，共選取了西豐、喀左、蓋州、丹東、錦州、桓仁6個(gè)氣象站作為參證氣象站(見圖1)。

1.3.2 測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和處理

依據(jù)《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/T31147—2018)[18]和《風(fēng)電場(chǎng)氣象觀測(cè)資料審核、插補(bǔ)與訂正技術(shù)規(guī)范(QX/T 37523—2019)》[19]對(duì)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)審核、完整性檢驗(yàn)、合理性檢驗(yàn)(包括范圍檢驗(yàn)、相關(guān)性檢驗(yàn)和趨勢(shì)檢驗(yàn))，并對(duì)通過(guò)合理性檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整體性檢驗(yàn)(包括相關(guān)檢驗(yàn)、分布檢驗(yàn)和風(fēng)切變檢驗(yàn))，對(duì)檢驗(yàn)出的不合理數(shù)據(jù)再次進(jìn)行判別，判別出的合理數(shù)據(jù)仍作為有效數(shù)據(jù)。

1.4 研究方法

1.4.1 一元線性回歸方程

利用完整的氣象站(測(cè)風(fēng)塔)與同期擬重構(gòu)測(cè)風(fēng)塔的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性分析，得到線性回歸方程[20]。

y=ax+b

(1)

式(1)中，x序列為氣象站(測(cè)風(fēng)塔)風(fēng)速；y序列為擬重構(gòu)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速，a，b為回歸系數(shù)。

1.4.2 風(fēng)切變指數(shù)

(2)

式(2)中，α為H0與H高度之間的風(fēng)切變指數(shù)；V0、V分別為H0與H高度對(duì)應(yīng)的風(fēng)速。

1.4.3 相關(guān)系數(shù)

(3)

1.5 測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)重構(gòu)方案

本文利用氣象站或鄰近已重構(gòu)數(shù)據(jù)的測(cè)風(fēng)塔與同期擬重構(gòu)數(shù)據(jù)測(cè)風(fēng)塔的不同時(shí)間尺度(年、季、月)逐時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)以及觀測(cè)高度的重構(gòu)順序分別進(jìn)行線性擬合，并結(jié)合風(fēng)切變指數(shù)確定7個(gè)重構(gòu)方案。其中，方案1、方案3和方案5為氣象站(已重構(gòu)數(shù)據(jù)的測(cè)風(fēng)塔70 m)與測(cè)風(fēng)塔10 m(70 m)同期數(shù)據(jù)分別采用年、季、月時(shí)間尺度(3月滑動(dòng))進(jìn)行線性擬合，得到年、四季、12個(gè)月的線性擬合方程，然后取相同時(shí)間尺度由10 m(70 m)至70 m(10 m)重構(gòu)同塔相鄰高度數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)重構(gòu)方案流程圖

方案2、方案4和方案6與方案1、方案3和方案5所采用擬合方式一致，但擬合重構(gòu)順序略有不同，方案1、方案3和方案5為氣象站(已數(shù)據(jù)重構(gòu)的測(cè)風(fēng)塔70 m)逐時(shí)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)分別與同期測(cè)風(fēng)塔4個(gè)觀測(cè)高度(10 m、30 m、50 m、70 m)進(jìn)行線性擬合，進(jìn)而重構(gòu)出測(cè)風(fēng)塔各觀測(cè)高度(10 m、30 m、50 m、70 m)實(shí)測(cè)時(shí)段內(nèi)逐時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)。

方案7為利用方案1至方案6中重構(gòu)測(cè)風(fēng)塔10 m高度逐時(shí)風(fēng)速，結(jié)合各方案所擬合時(shí)間尺度(按年擬合、季節(jié)擬合、3個(gè)月滑動(dòng)擬合)的測(cè)風(fēng)塔相鄰高度的風(fēng)切變指數(shù)(根據(jù)年、季節(jié)、3個(gè)月滑動(dòng)平均風(fēng)速所得)，進(jìn)而重構(gòu)出其余各高度實(shí)測(cè)時(shí)段內(nèi)逐時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)。

測(cè)風(fēng)塔與測(cè)風(fēng)塔之間的重構(gòu)，利用方案1至方案7中重構(gòu)并經(jīng)檢驗(yàn)得到的最優(yōu)方案下重構(gòu)的測(cè)風(fēng)塔70 m高度風(fēng)速數(shù)據(jù)，分別與擬重構(gòu)測(cè)風(fēng)塔70 m高度同期風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合(方案1至方案6)，然后根據(jù)該方案擬合方式(按年擬合、季節(jié)擬合、季節(jié)滑動(dòng)擬合)以及擬合效果最佳方案下的風(fēng)切變指數(shù)向下計(jì)算出相鄰各層高度逐時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)，進(jìn)而重構(gòu)出測(cè)風(fēng)塔各觀測(cè)高度(10 m、30 m、50 m、70 m)實(shí)測(cè)時(shí)段內(nèi)逐時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析

由測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和處理得到遼寧省各測(cè)風(fēng)塔2009年6月1日至2010年5月31日實(shí)測(cè)逐時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)有效完整率最高，數(shù)據(jù)整體有效完整率為96.4%，2011年各測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)整體有效完整率為92.1%。由表1可知，12號(hào)和17號(hào)測(cè)風(fēng)塔發(fā)生過(guò)遷址及新址測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)起始時(shí)間，考慮到各測(cè)風(fēng)塔的數(shù)據(jù)有效完整率，12號(hào)和17號(hào)測(cè)風(fēng)塔在遷址前以及其余24座測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行線性擬合時(shí)所選的完整年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)段均為2009年6月1日至2010年5月31日，方案5和方案6(3個(gè)月滑動(dòng))所選的14個(gè)月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均為2009年5月1日至2010年6月30日。

由于滿足條件的氣象站分布較為稀疏(圖1)，因此需要將部分已重構(gòu)風(fēng)速的測(cè)風(fēng)塔作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)其他測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行風(fēng)速數(shù)據(jù)重構(gòu)，本文根據(jù)參證站和測(cè)風(fēng)塔的分布、地形特征以及線性回歸擬合時(shí)的相關(guān)系數(shù)，依據(jù)參證資料的優(yōu)先級(jí)順序制定了測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)重構(gòu)的參證資料及重構(gòu)的先后順序，詳見表1。

表1 遼寧省26座測(cè)風(fēng)塔基本信息、風(fēng)數(shù)據(jù)重構(gòu)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和先后順序

2.1 測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)重構(gòu)方案檢驗(yàn)

根據(jù)擬定7個(gè)方案以及26座測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速數(shù)據(jù)重構(gòu)順序，對(duì)遼寧省26座測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行了重構(gòu)，并對(duì)各重構(gòu)方案各高度風(fēng)速數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差檢驗(yàn)(相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差)，進(jìn)一步結(jié)合兩者的相關(guān)系數(shù)最終篩選出最優(yōu)方案，流程圖見圖3。其中，誤差檢驗(yàn)時(shí)著重考慮的先后順序?yàn)閮烧咧g月平均風(fēng)速(重點(diǎn)關(guān)注大風(fēng)月)、季節(jié)平均風(fēng)速、年平均風(fēng)速的誤差(相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差)。由于篇幅關(guān)系本文僅給出頗具代表性的測(cè)風(fēng)塔70 m年平均風(fēng)速的誤差結(jié)果，見表2。實(shí)測(cè)與重構(gòu)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)略。

圖3 測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)重構(gòu)方案檢驗(yàn)流程

現(xiàn)有8座測(cè)風(fēng)塔中，用于檢驗(yàn)17號(hào)測(cè)風(fēng)塔遷址前(17-1)、后(17-2)風(fēng)速重構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)段分別為2011年和2016年，用于檢驗(yàn)12號(hào)測(cè)風(fēng)塔遷址后(12-2)風(fēng)速重構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)段為2016年，因?yàn)樵撍w址(2010年8月)至現(xiàn)址開始觀測(cè)(2011年8月)無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此，可用于檢驗(yàn)12號(hào)測(cè)風(fēng)塔遷址前的風(fēng)速重構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)段較短(僅4個(gè)月)，所以本文不對(duì)該塔遷址前的風(fēng)速重構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，剩余的現(xiàn)有6座測(cè)風(fēng)塔，用于檢驗(yàn)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速重構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)段均為2016年，該年各測(cè)風(fēng)塔完整性均超過(guò)90%(圖4)。其余18座測(cè)風(fēng)塔，用于檢驗(yàn)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速重構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)段均為2011年。

圖4 2010—2019年遼寧省現(xiàn)有8座測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)完整性變化

26座測(cè)風(fēng)塔重構(gòu)風(fēng)速數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)具體結(jié)果見表2(僅給出具有代表性的測(cè)風(fēng)塔70 m各方案重構(gòu)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均風(fēng)速相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差)。

表2 遼寧省具有代表性測(cè)風(fēng)塔70 m風(fēng)速數(shù)據(jù)重構(gòu)方案檢驗(yàn)

2.2 風(fēng)速數(shù)據(jù)重構(gòu)的最優(yōu)方案

根據(jù)2.1節(jié)中數(shù)據(jù)重構(gòu)方案檢驗(yàn)流程篩選出各測(cè)風(fēng)塔最優(yōu)方案，詳見表3。其中，最優(yōu)方案主要集中在方案3和方案7，分別對(duì)應(yīng)10座和測(cè)風(fēng)塔12座，方案1為2座測(cè)風(fēng)塔，方案2和方案4各1座測(cè)風(fēng)塔，各最優(yōu)方案空間分布見圖5。

表3 遼寧省26座測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)重構(gòu)最優(yōu)方案

由圖5可見，最優(yōu)方案分布具有區(qū)域性特征，其中，遼寧北部的平原和丘陵、遼寧東南部的沿海平原和沿海丘陵主要以方案7為最優(yōu)方案，遼寧西部的丘陵和山地主要以方案3為最優(yōu)方案，極個(gè)別地區(qū)以方案2和方案4為最優(yōu)方案。

2.3 最優(yōu)方案分布區(qū)域性特征的成因分析

通過(guò)對(duì)最優(yōu)方案分布的區(qū)域性特征可以初步判斷，地形相對(duì)平坦的丘陵和平原地區(qū)，采用線性擬合與風(fēng)切變相結(jié)合的數(shù)據(jù)重構(gòu)方案較適用，而地形相對(duì)復(fù)雜的丘陵和山地地區(qū)，采用季節(jié)線性擬合效果相對(duì)較好。主要因?yàn)檫|寧省地勢(shì)為自東、西、北三面向中部和南部?jī)A斜，東西兩側(cè)為丘陵山地，中部為自東北向西南傾斜的長(zhǎng)方形遼河平原，且遼寧省地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，風(fēng)速變化具有明顯的季節(jié)性，東南部地區(qū)山脈和丘陵的地勢(shì)升高相對(duì)平緩、北部地區(qū)丘陵地帶相對(duì)平坦，風(fēng)切變指數(shù)變化平穩(wěn)，而西部的山地、丘陵相對(duì)陡峭，地形復(fù)雜，風(fēng)切變指數(shù)受影響較大。由于風(fēng)切變指數(shù)差異主要受局地地形、地貌環(huán)境影響，其中，18號(hào)、16號(hào)和23號(hào)測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)切變指數(shù)受下墊面影響明顯偏大[21]，分別為0.3120、0.3811和0.4050，且16號(hào)和23號(hào)均適用方案3。結(jié)合圖5和表4可知，方案7的區(qū)域分布中的風(fēng)切變指數(shù)主要集中在0.1159—0.1949，平均值為0.1482，方案3的區(qū)域分布中風(fēng)切變指數(shù)主要集中在0.0577—0.1005，平均值為0.1039。因此，可以初步得到遼寧省典型地形中風(fēng)切變指數(shù)為0.1400左右時(shí)，采用方案7進(jìn)行測(cè)風(fēng)塔缺測(cè)數(shù)據(jù)重構(gòu)較為適合，而風(fēng)切變指數(shù)明顯偏大或相對(duì)偏小(0.1000左右)時(shí)，測(cè)風(fēng)塔缺測(cè)數(shù)據(jù)重構(gòu)較適用方案3。

表4 2009年6月至2010年5月遼寧省測(cè)風(fēng)塔年風(fēng)切變指數(shù)

圖5 遼寧省26座測(cè)風(fēng)塔最優(yōu)方案空間分布

總體而言，遼寧省地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)所具有的季節(jié)性風(fēng)速變化和固有的地形地勢(shì)特征，是最優(yōu)方案分布區(qū)域性特征的主要原因。

3 結(jié)論

(1)遼寧省典型地形測(cè)風(fēng)塔缺測(cè)數(shù)據(jù)重構(gòu)主要以季節(jié)尺度的線性擬合(方案3)及其與風(fēng)切變指數(shù)相結(jié)合(方案7)的重構(gòu)方案為最優(yōu)方案。

(2)最優(yōu)方案的空間分布具有區(qū)域性特征。其中，遼寧北部的平原和丘陵、遼寧東南部的沿海平原和沿海丘陵主要以方案7為最優(yōu)方案，遼寧西部的丘陵和山地主要以方案3為最優(yōu)方案。

(3)溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)所具有的季節(jié)性風(fēng)速變化和固有的地形地勢(shì)特征及其對(duì)風(fēng)切變指數(shù)的影響，是遼寧省典型地形測(cè)風(fēng)塔缺測(cè)數(shù)據(jù)重構(gòu)最優(yōu)方案及其空間分布呈區(qū)域性特征的主要原因。