王 勇 陳志軍 何澤能

（1.華電國際電力股份有限公司奉節(jié)發(fā)電廠，重慶奉節(jié) 404611；2.重慶市氣象科學(xué)研究所，重慶 401147）

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟發(fā)展，能源需求快速增長，在此背景下，我國風(fēng)電發(fā)電量占比逐年上升，中國風(fēng)能協(xié)會（CWEA）統(tǒng)計，2021 年全年風(fēng)電發(fā)電量同比增長40.5%， 占全部發(fā)電量的比例達8.04%，成為僅次于火電和水電的第三大電力來源。 風(fēng)電具有豐富、清潔、安全的特點，加快風(fēng)電發(fā)展，對于增加清潔能源供應(yīng)、保護環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)于風(fēng)能資源空間分布及開發(fā)潛力分析，國內(nèi)一直以來都在開展研究[1-3]。 朱瑞兆等[4-5]根據(jù)有效風(fēng)能密度和年3—20 m/s 風(fēng)速的累積小時數(shù)，對我國風(fēng)能資源進行了初步的區(qū)劃。張紅衛(wèi)等[6]采用統(tǒng)計和流體力學(xué)風(fēng)能計算方法，結(jié)合ArcGIS 分析了河南省的風(fēng)能及分布。孫艷偉等[7]以福建省年平均風(fēng)速的空間分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)， 結(jié)合研究區(qū)的DEM 和土地利用等地理限制因素，評估了距地面50 m、80 m 和100 m 高度上的風(fēng)能開發(fā)的技術(shù)潛力及發(fā)電經(jīng)濟成本。楊明祥等[8]基于再分析資料對雅礱江全流域風(fēng)能資源進行了初步評估。吳瓊等[9]采用數(shù)值模擬GIS 空間分析法以及實測與野外勘察調(diào)研兩種方法， 規(guī)劃了江西省山地風(fēng)能資源的具體分布并定量估算了其儲量。

在重慶的一些高山區(qū)域存在著較為豐富的風(fēng)能資源，高陽華等[10]基于氣象站數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS 技術(shù)，模擬了重慶市風(fēng)速的空間分布，為復(fù)雜地形風(fēng)能資源的評估和風(fēng)電場規(guī)劃提供了依據(jù)。 但由于前期缺少足夠的山地測風(fēng)數(shù)據(jù)， 相關(guān)結(jié)果已經(jīng)不能滿足風(fēng)能資源開發(fā)的需要， 有必要采用新的數(shù)據(jù)和方法對重慶的風(fēng)能資源進行細化研究， 為科學(xué)合理開發(fā)風(fēng)能資源提供數(shù)據(jù)支撐。

2 資料與方法

2.1 資料

本文采用了ERA5 和Global Wind Atlas（GWA） 風(fēng)圖譜再分析資料， 研究時段選取為2008—2022 年。 ERA5 是歐洲中期天氣預(yù)報中心第五代大氣再分析數(shù)據(jù)集，空間分辨率為30 km，時間分辨率為1 h，可作為常年代評估的依據(jù)[11-12]；GWA 是丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）在ERA5 數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上， 通過降尺度及微尺度建模得到的250 m的格點數(shù)據(jù)。

本文采用的測風(fēng)數(shù)據(jù)來自重慶市的40 座測風(fēng)塔（圖1），常年代序列訂正后，時段為2008—2022 年。為便于分析，參考山脈走向和氣候特征，本文將重慶風(fēng)能資源較好的區(qū)域分為大巴山巫山風(fēng)區(qū)、東南部風(fēng)區(qū)、齊躍山武陵山風(fēng)區(qū)3 個部分， 其中大巴山巫山風(fēng)區(qū)包含重慶東北部的城口、巫山、巫溪的全部，以及開縣、云陽、奉節(jié)的北部，測風(fēng)塔10 座，海拔高度1 400—2 550 m，塔高為70 m、80 m、120 m； 東南部風(fēng)區(qū)包含彭水、黔江、酉陽、秀山，測風(fēng)塔4 個，海拔高度1 510—1 780 m，塔高為70 m、120 m；齊躍山武陵山風(fēng)區(qū)從大巴山巫山東南至南川、萬盛、綦江，測風(fēng)塔26座，塔高為70 m、80 m、100 m、120 m。

圖1 測風(fēng)塔空間分布

2.2 方法

按照《中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》(QX/T 74—2007)，《風(fēng)電場氣象觀測及資料審核、訂正技術(shù)規(guī)范》，對測風(fēng)數(shù)據(jù)進行合理性檢驗。

測風(fēng)塔所處位置的海拔較高， 冬季存在不同程度的凍結(jié)，需要對測風(fēng)數(shù)據(jù)進行插補訂正，具體方法為：在滿足統(tǒng)計樣本數(shù)量的前提下，與不同高度層或者與相鄰測風(fēng)塔同時段觀測資料進行相關(guān)性分析、計算、檢驗，并在此基礎(chǔ)上進行插補訂正，當(dāng)不存在同期觀測時， 采用同期的中尺度數(shù)據(jù)進行插補訂正。

針對測風(fēng)塔觀測時間較短的情況， 本文采用ERA5 再分析數(shù)據(jù)對測風(fēng)塔實測數(shù)據(jù)進行長序列訂正[11]，得到2008—2022 年多年平均風(fēng)速。

3 風(fēng)能參數(shù)計算

3.1 地表粗糙度與風(fēng)切變

近地層風(fēng)速的垂直分布主要取決于地表粗糙度和低層大氣的層結(jié)狀態(tài)，在中性大氣層結(jié)下，對數(shù)和冪指數(shù)方程都可以較好地描述風(fēng)速的垂直廓線，規(guī)范推薦使用冪指數(shù)公式。 其表達式為：

式中，V2為高度Z2處的風(fēng)速 （m/s）；V1為高度Z1處的風(fēng)速（m/s）；α 為風(fēng)切變指數(shù)，其值的大小表明了風(fēng)速垂直切變的強度。

由圖2 可見，總體上各風(fēng)區(qū)風(fēng)切變均為正值，說明風(fēng)速總體上隨著高度的增加而增加。其中，各風(fēng)區(qū)的測風(fēng)塔垂直風(fēng)廓線基本都符合冪指數(shù)分布，擬合結(jié)果與實測值較為接近，擬合曲線與實測曲線分布趨勢一致。 各區(qū)域風(fēng)速隨高度變化存在明顯的區(qū)域差異， 齊躍山武陵山風(fēng)區(qū)風(fēng)切變指數(shù)為0.2433，垂直方向增加2.4 m/s，風(fēng)速垂直方向變化最大； 東南部風(fēng)區(qū)次之， 風(fēng)切變指數(shù)為0.0976，垂直方向增加1.2 m/s；大巴山巫山風(fēng)區(qū)風(fēng)切變指數(shù)為0.0478，垂直方向增加0.6 m/s，風(fēng)速垂直變化最小。風(fēng)速隨高度變化呈現(xiàn)階段性特征，50 m 以上風(fēng)速隨高度增加而增加的速率變緩。

圖2 大巴山巫山風(fēng)區(qū)（a）、齊躍山武陵山風(fēng)區(qū)（b）、東南部風(fēng)區(qū)（c）、重慶市（d）風(fēng)速隨高度變化

3.2 湍流強度分析

湍流強度表示瞬時風(fēng)速偏離平均風(fēng)速的程度，是評價氣流穩(wěn)定程度的指標(biāo)。湍流強度與地理位置、地形、地表粗糙度和天氣系統(tǒng)類型等因素有關(guān)，其計算公式為：

式中，V 為10 min 平均風(fēng)速（m/s）；σv為10 min 瞬時風(fēng)速相對平均風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)IEC61400-1 的要求， 輪轂高度處風(fēng)速15m/s 時湍流強度是湍流強度特征值，是風(fēng)機設(shè)計重要參數(shù)。 受地形影響，70 m 以下風(fēng)速15 m/s 時湍流強度隨高度增加而減少，70 m 以上湍流強度隨高度增加變化不大； 齊躍山武陵山風(fēng)區(qū)湍流強度隨高程變化減少幅度最大， 大巴山巫山風(fēng)區(qū)隨高度變化減少幅度最小。 各風(fēng)區(qū)100 m 高度均屬于中等偏小湍流強度，齊躍山武陵山風(fēng)區(qū)最小，為0.071；大巴山巫山風(fēng)區(qū)最大，為0.091。

3.3 主導(dǎo)風(fēng)向

重慶位于四川盆地東南部，處于東亞季風(fēng)區(qū)，風(fēng)向與本地的地理氣候特征有著密切的關(guān)系。 由重慶市主要風(fēng)區(qū)風(fēng)玫瑰圖可以看出（圖3），大巴山巫山風(fēng)區(qū)氣候特征與湖北東部氣候相近， 風(fēng)向以SSW 與S 為主；齊躍山武陵山風(fēng)區(qū)位于四川盆地內(nèi)部，主導(dǎo)風(fēng)向以SSE 為主；東南部風(fēng)區(qū)處于盆地邊緣，主導(dǎo)風(fēng)向為ESE。風(fēng)向的差異一定程度上反映了重慶市氣候的內(nèi)部差異。

圖3 重慶市主要風(fēng)區(qū)（a：大巴山巫山風(fēng)區(qū)；b：齊躍山武陵山風(fēng)區(qū)；c：東南部風(fēng)區(qū)）風(fēng)玫瑰圖

3.4 風(fēng)速和風(fēng)能密度

就重慶市主要風(fēng)區(qū)風(fēng)能資源來看， 齊躍山武陵山風(fēng)區(qū)風(fēng)能資源最為豐富，風(fēng)速在5.7～7.0 m/s，風(fēng)功率密度200～350 W/m2， 風(fēng)能資源等級2 級，1—3 級風(fēng)出現(xiàn)頻率較高；大巴山巫山風(fēng)區(qū)次之，風(fēng)速5.5～6.2 m/s，風(fēng)功率密度150～260 W/m2，風(fēng)能資源等級1—2 級；東南部風(fēng)區(qū)，風(fēng)速5.0～5.5 m/s，風(fēng)功率密度小于200 W/m2，風(fēng)能等級1 級。 總體上重慶市主要風(fēng)區(qū)風(fēng)速、風(fēng)功率密度年內(nèi)變化大，季節(jié)性明顯，白天風(fēng)速偏小，夜晚風(fēng)速偏大。

4 風(fēng)能資源空間分布

由于重慶市地形復(fù)雜， 風(fēng)能資源空間分布在受到大氣候背景影響的同時， 也具有很強的局地性特征。為更好地了解重慶市風(fēng)能資源總體狀況，本文利用測風(fēng)資料對再分析數(shù)據(jù)GWA 風(fēng)圖譜進行了訂正。

為驗證GWA 數(shù)據(jù)的可用性， 提取了測風(fēng)塔對應(yīng)點的GWA 數(shù)據(jù)，40 個測風(fēng)塔實測數(shù)據(jù)與GWA 的再分析數(shù)據(jù)總體相對誤差達到12.04%。東南部風(fēng)區(qū)最大，為35.13%；齊躍山武陵山風(fēng)區(qū)最小，為10.14%。 GWA 再分析數(shù)據(jù)與實測值存在較大差異，不能直接應(yīng)用于風(fēng)能資源狀況分析?？紤]到GWA 再分析數(shù)據(jù)存在區(qū)域性誤差， 本文采用了分區(qū)域的線性訂正方法，結(jié)合實測數(shù)據(jù)，先計算出各測風(fēng)塔所處位置的風(fēng)速訂正系數(shù)，將MOS模型的一元線性回歸方程簡化成正比例方程，采用最小二乘法， 對GWA 再分析矢量數(shù)據(jù)風(fēng)速進行訂正。 訂正后與實測數(shù)據(jù)總體誤差為6.02%，大巴山巫山風(fēng)區(qū)、齊躍山武陵山風(fēng)區(qū)、東南部風(fēng)區(qū)分別為6.7%、3.9%、1.5%， 誤差明顯減少。 圖4 為GWA 重慶市100 m 高度訂正前后的風(fēng)圖譜，可以看出，訂正后重慶市的紅色區(qū)域明顯減少，與實測風(fēng)速更為接近。

圖4 重慶市100 m 高度GWA 風(fēng)圖譜（a：訂正前；b：訂正后）

5 結(jié)語

（1）大巴山巫山風(fēng)區(qū)，主導(dǎo)風(fēng)向為SSW，年平均風(fēng)速5.5～6.2 m/s， 風(fēng)功率密度150～260 W/m2，風(fēng)能等級為1—2 級；100 m 高度平均湍流強度為0.092，屬于中等偏小湍流強度；風(fēng)速隨高度增加呈現(xiàn)增大的趨勢，但變化幅度不大，平均風(fēng)切變指數(shù)為0.0478。

（2）齊躍山武陵山風(fēng)區(qū)，主導(dǎo)風(fēng)向為SSE，年平均風(fēng)速5.5～7.0 m/s，風(fēng)功率密度200～350 W/m2，風(fēng)能等級為2 級；100 m 高度平均湍流強度為0.071，屬于較小湍流強度；風(fēng)速隨高度增加呈現(xiàn)增大的趨勢，風(fēng)切變指數(shù)為0.2433，是風(fēng)速垂直方向變化最大的風(fēng)區(qū)。

（3）東南部風(fēng)區(qū)，主導(dǎo)風(fēng)向為ESE，年平均風(fēng)速5.0～5.5 m/s，風(fēng)功率密度小于200 W/m2，風(fēng)能等級為1 級；100 m 高度平均湍流強度為0.076，屬于較小湍流強度； 風(fēng)速隨高度增加呈現(xiàn)增大的趨勢，風(fēng)切變指數(shù)為0.0976。

（4）受到局部地形影響，重慶市風(fēng)能資源空間分布較為復(fù)雜， 現(xiàn)有的GWA 風(fēng)速矢量與實測值誤差較大，不能直接使用，結(jié)合測風(fēng)數(shù)據(jù)進行分區(qū)域訂正后，精度明顯提高，對于風(fēng)能資源分析具有更好的參考價值。

（5）重慶市主要風(fēng)區(qū)山區(qū)湍流強度中等偏小、風(fēng)向分布較為集中， 有利于風(fēng)資源開發(fā)及風(fēng)機排列布局。 但中、低風(fēng)速時段較長，加上山區(qū)冬季覆冰較為嚴重，建議選用抗冰、低速風(fēng)機。總體上，風(fēng)速隨高度增加而增加，50 m 以上， 風(fēng)速隨高度增加而增加的速率變緩， 建議風(fēng)電場建設(shè)中選擇合適的輪轂高度以降低成本。

（6）由于重慶市地形復(fù)雜，風(fēng)能資源空間分布具有局地性特征， 再分析數(shù)據(jù)與實測值可能存在較大差異， 建議使用再分析數(shù)據(jù)時應(yīng)當(dāng)參考實際測風(fēng)數(shù)據(jù)。