MM5与CFD软件相结合对复杂地形风资源模拟初探

本文将中尺度气象模式MM5和以流体力学计算为核心的风资源评估软件WindSim相结合,对鄱阳湖地区复杂地形条件下的风能资源状况进行了高分辨率的数值模拟评估,通过模拟结果与同时段铁塔观测数据的对比分析发现:MM5的3km分辨率模拟可以较准确的得到湖区风速的量值,能大致模拟出湖区风速分布趋势以及年主导风向,但是对更精细的局地风况分布的模拟相对过粗,而"中尺度模式+流体力学软件"的方法可以较好的刻画出复杂地形条件下的局地风况,使局地风速的模拟量值与观测结果更为接近,尤其对10m高度的风速模拟结果改善最明显,故认为该方法可作为复杂地形条件下的风电场开发的前期风资源预评估手段之一.     

GRAPES模式在华南沿海风电场精细风场预报中的应用

将GRAPES模式通过嵌套降尺度、垂直网格加密等精细化处理手段和边界层参数化方案的优选,为华南沿海风电场提供精细风场预报。气象模式分别采用6km×6km和1km×1km水平分辨率,并配置不同分辨率的地形和下垫面资料。边界层参数化方案分别采用GRAPES自带的MRF方案和MYJ方案针对不同天气类型进行预报。将预报结果与测风塔同期观测资料进行比较评估,结果表明:模式分辨率的提高并结合较精细的地形和下垫面资料,能有效提高风速的预报精度;通过精细化处理,GRAPES模式对风力发电的各风速段预报效果都有明显改善;模式边界层参数化方案的选取与地形、主导风向和大气稳定度的配置密切相关,通过对天气形势的预判断和集合预报结果的后处理,能够有效提高风速的预报精度。     

动力降尺度法对鄱阳湖区风能资源模拟效果分析

本文利用中尺度数值模式MM5以及Calmet模型,结合地面和高空观测资料对鄱阳湖区复杂地形条件下风能资源进行动力降尺度研究,并结合鄱阳湖区4个代表风场一年实测资料对模拟结果进行全面分析,得出:动力降尺度方法能够较好地模拟出鄱阳湖区风能资源的空间分布,鄱阳湖区风功率密度高值区主要在鄱阳湖区狭长湖道南侧的水域和湖岸两侧,鄱阳湖北部狭管湖道为高值中心区。风能资源的数值模拟结果月变化特征与观测期间大风出现的时间十分吻合。各风场风向、风能方向以及风速频率分布模拟与实测结果比较一致,但在量级上有一定的偏差。各风场日平均风速模拟值与实测值年相关系数为0.647～0.780,鄱阳湖区70m高度年平均风速模拟值与测风塔实测值相对误差为6.77%。总体来说,动力降尺度方法模拟效果较好,可以作为区域风能资源评价和特性分析的有效手段。     

毕节市风能资源评估初探

分析贵州省2006~2007年的平均风速分布,发现贵州省风能资源比较丰富的区域主要集中在贵州省西部的六盘水市以及毕节市的西部。然后利用毕节市威宁站2006~2010年的气象站观测资料,分析威宁站10m高度的年平均风能密度、年平均有小时数、风速的日变化、月季变化、风向和风速频率等风参数的分布特征。分析结果表明威宁县10m高度风能资源属于可利用区,具有开发和利用的价值。     

GlobeLand30地表覆盖产品应用于精细化风能资源评估

高山风电场具有多方面复杂特性,因此有必要开展精细化风能资源评估。本文创新性地引入了中国自主制作的全球首套30m分辨率地表覆盖产品Globe Land30,制作高精度地表粗糙度资料,并应用于精细化风能资源评估。该方法在云南大团山风电场案例进行了尝试实施,使用计算流体力学(CFD)模式Meteodyn WT获得了30m分辨率的平均风速和平均风功率密度图谱。采用风电场内测风塔的实测数据对模拟结果进行了检验,观测期6个月平均风速的模拟误差在1%以内,平均风功率密度的模拟误差在4%以内。模拟与实测的风速频率分布和风向玫瑰均保持了较好的一致性。采用模拟数据计算了两种典型风电机组的发电量,观测期的总发电量误差低于1%。利用欧洲空间局地表覆盖产品开展了对照实验,其模拟结果的误差水平显著高于上述结果。本文研究成果基本满足风电场预测长期发电量水平的业务需求,具备应用与推广价值。     

中国近海风能资源开发潜力数值模拟

为了解我国近海风能资源分布状况,本文运用数值模拟手段对中国近海风况进行了高分辨率的研究:①运用中国气象局开发的风能资源数值模拟评估系统(Wind Energy Resource Assessment System,WERAS)中的MM5/Calmet模式对沿海2009年1月-5月逐日模拟计算,并将模拟结果与测风塔资料进行对比,结果表明:月平均风速、逐时风速和风向以及风能参数的分布形态与观测资料均比较吻合,因此认为该模式系统可以用来对我国沿海风能资源进行可靠的数值模拟评估;②运用WERAS对我国沿海20年(1986年-2005年)平均风资源进行1km×(200～400)W/m2,附近海域的多年平均风功率密度约在(300～800)W/m2之间;福建省的风能资源特别丰富,其次是1km分辨率的计算,结果显示:我国沿海风能资源非常丰富,沿海各省70m高度的陆上多年平均风功率密度基本在辽宁省、浙江省和广东省,然后是山东省、河北省、天津市和上海市,最后是江苏省、海南省和广西省;③进一步分析了我国沿海离岸风速变化:辽东半岛东部海域、渤海湾、江苏南部到浙江北部沿海、广州雷州半岛东部海域的风速在离岸后70～85km处不再变化,广西和海南近海风速在离岸后30～40km处基本稳定,其余近海海域风速稳定线基本在离岸50km处。     

不同下垫面近地层风速廓线特征

我国风能丰富的地区主要分布在沿海和＂三北＂地区,本文基于这些地区13个风电场全年共668572个测风样本得出了平原、山地和沿海三种地形不同地表状况下近地层风随高度变化特征。结果表明：虽然近地层风廓线形态多变,但风速随高度单调增加占绝大多数,可以用幂函数较好的拟合逐时风廓线;幂函数的指数即切变系数不仅受地表粗糙度影响,还受地形、风速大小以及热力层结影响,切变系数山区小,平原大,沿海比平原稍小;在我国北方地区,年平均切变系数有如下统计规律：山区草地为0.1以下,草原为0.15,同类地形随地表粗糙度增大而明显增大,大风段山区灌木比草地大30%。该结果可用于北方相似下垫面下的风能评估和风电场预可研调查。     

风电场风速预报集合订正方法的尝试性研究

以中国气象局风能太阳能资源评估中心风能预报系统(WINPOP)预报的甘肃HYZ和GHK两个风电场2012年大风月风速预报结果为基础,利用BP神经网络法(简称BP法)和自适应最小二乘法(简称LS法),采用两种训练样本构建方案对风电场风速预报进行订正试验,并尝试性使用神经网络集合方法对订正后的风速进行集合订正试验.结果发现:①经BP法和LS法等的直接统计订正及其集合订正后风电场风速预报效果明显优于WINPOP直接预报效果,且集合订正效果优于任何一种单一的统计订正;②与WINPOP直接预报相比,单一的统计订正及其集合订正都能较好地消除系统误差;③与单一的统计订正相比,集合订正具有更为明显的平均误差小、好日子率高、风速预报日变化幅度误差小等优势;④无论是HYZ风电场还是GHK风电场,随着预报时效的增加,各种预报(或订正)误差无显著差别.各种预报或订正方法的预报误差均随风速的增大而先减小后增大,随3h气压变量的增加而增大.     

杭州市复杂地形下月平均气温分布式模拟

杭州位于中国东南沿海北部,地形复杂多样,本文利用复杂地形下月平均气温分布式模拟的方法对杭州市2010-2014年的月平均气温进行了空间化模拟,生成了100 m×100 m分辨率的月平均气温的空间分布图。模拟结果通过与使用较多的反距离加权法和普通克里格法进行了对比。结果表明:复杂地形下月平均气温分布式模拟在杭州的应用中,模型拟合的平均绝对误差在0. 17℃～0. 35℃之间,平均相对误差在于1%～6%之间,拟合结果略好于反距离加权法和普通克里格法。坡度、坡向和海拔高度对月平均气温的影响较大,复杂地形下月平均气温的空间分布具有明显的局地地域分布特征,模型拟合结果能很好的体现出杭州市月平均气温的空间分布信息。考虑了地形,太阳辐射等因素的杭州市复杂地形下月平均气温分布式模拟的结果包含了各种地形信息,具有更好的适用性。     

山东省近海区域风能资源动力降尺度研究及储量估计

利用目前国内外广泛应用的中尺度数值模式系统MM5以及CALMET气象风场模块结合NCEP/NCAR再分析资料,选取近年来沿海年平均风速变化的平均年-2008年作为模拟年,结合模拟年地面和高空气象观测资料,对山东省近海风能资源进行动力降尺度模拟研究,得到不同高度1km×1km的风能资源分布状况。结合山东沿海岸及海岛自动气象站同期测风记录,对比分析了10m高度数值模拟结果与实际观测结果的相对误差。利用ARCGIS分析软件得到山东省近海范围内70m高度风能资源储量。结果表明:动力降尺度方法可用于较高分辨率的风能资源数值模拟,可作为区域风能资源评价分析的有效手段。     

基于改进自回归模型的风电场短期风速预报

本文提出了一种基于自回归模型和误差动态修订相结合的风电场短期风速预报方法。通过对张北单晶河某风电场70m测风塔2017年1-3月逐15min风速数据分析,发现该方法在风速短期预报中效果明显:对未来单步和4步风速预测中,与实测值相关性分别为0.9和0.8,平均绝对误差分别为0.8m/s和1.3m/s,均方根误差分别为1.3m/s和1.8m/s,预报结果较为理想,随预报步数的增加,预报误差逐渐增大。结果表明,新的预报方法是一种有效且简单易行的风电场风速短期预报方法。     

MM5模式在风能资源普查中的应用试验

应用MM5模式以2001年4月辽宁省沿海及近海海域为例试验了中尺度气象模式在风能资源普查中的作用。结果表明，模式基本能够反映海陆分布、地势起伏等复杂地形下的风场特征，也基本能够反映风能资源参数的分布以及风速的变化情况。可以模拟出风能资源量的相对大小分布，并识别出辽宁省近海、海岛、沿海以及内陆一些地势较高的山口地带风能资源比较丰富，但模拟的风能资源量偏小，特别是对大于10m/s的较大风速模拟得明显偏低。试验表明，MM5模式对大范围区域风能资源的宏观评估以及风电场宏观选址具有很好的参考和应用价值，但目前还不足以定点模拟和确定风电场场址位置，但数值模拟作为风能资源普查的一种新型手段有发展和研究价值，是未来风能资源普查评价技术的发展方向。     

福建沿海70米高度风能资源分布特点及评估

利用福建省沿海地区18座测风塔70m高度的观测资料进行计算分析。结果表明,福建沿海地区风能资源储量丰富,其中福州中南部至泉州南部沿海一带风能资源最为丰富,年有效风功率密度介于（516.7～930.4）W/m2之间,平潭岛的风功率密度更是高达930.4W/m2;此外,位于福建南部的漳浦县赤湖镇一带的风能资源也非常丰富,年有效风功率密度超过509.9W/m2。风功率密度的计算结果与模拟结果分布特点相一致。福建沿海地区年平均有效风能时数及其百分率分别为7837.3h、82.9%。依据国标（GB/T18710-2002）对福建沿海风资源等级进行划分,福州中南部至泉州南部沿海一带应用于风力发电等级为＂很好＂,其余地区介于＂较好＂和＂好＂之间。另外,统计分析结果表明,福建沿海风向稳定,各地区主导风向明显,北部、中部、南部三个地区的主导风向风别为N-NE、N-NNE和NNE-ENE,风能密度分布特点与风向一致。     

不同背景场近地层风速的预报效果检验

模式初始场的优劣对风预报结果影响较大,中国常用的全球环流背景场为美国NCEP发布的GFS资料、欧洲中心的ECMWF资料以及中国气象局的T639资料。本文收集、整理了2010年6月~2011年5月的上述3套资料,将其分别与中国境内677个基本站、基准站和400座专业测风塔同期测风数据进行对比检验,综合分析GFS、EC、T639在中国区域内的近地层风速预报效果,并给出3套数据预报性能的平面分布图,结合气象站和测风塔处的地形特征和测风数据的代表性,初步判断3套背景场的近地层风速在不同区域、不同季节的可预报性,为中尺度模式选择初始场开展风速预报服务时提供一定依据。结果表明：①风速介于（0~3）m/s时,气象站和测风塔观测资料检验结果一致,T639资料预报效果最好,GFS资料第二,EC资料第三。风速介于（3~15）m/s时,气象站和测风塔观测资料检验结果有差异,测风塔数据检验,EC资料预报效果最好,GFS资料第二,T639资料第三;气象站资料检验,GFS资料预报效果最好,EC资料第二,T639资料第三。风速介于（15~25）m/s时,气象站和测风塔观测资料检验结果一致,EC资料预报效果最好,GFS资料第二,T639资料第三;②基于（3~15）m/s风速段,中国东北、华北、西北、西南地区,全年EC资料预报效果最好,GFS第二,T639第三,但秋冬季在西南地区三套资料的预报效果均较差。华东地区,春秋季时,EC和GFS资料预报效果一致,优于T639;夏季时,EC资料预报效果最好,GFS第二,T639第三;冬季时,3套资料预报效果一致。中南地区,春、秋、冬季时,EC资料预报效果最好,GFS和T639资料预报效果一致;夏季时,3套资料预报效果一致。     

SRTM数字高程模型在MM5风场模拟中的应用

出于提高基于数值模拟的风资源评估精度的目的,本文对NASA发布的3秒分辨率（90m）SRTM（shuttle radar topography mission,航天飞机雷达地形测绘任务）数据,根据SRTM缺测区域的特点利用直接赋值和双线性多项式内插结合的方法进行填补,并将填补后的SRTM数据作为下垫面的地形高度资料,引入中尺度大气模式MM5中,以研究可提高模拟精度的方法。本文以广东省以及邻近省份地区和近海海域为例,模拟了2002年4月和11月各两天的4个嵌套区域（分别为27km、9km、3km和1km分辨率）的逐时风场,通过与利用USGS地形数据的对比试验．分析了SRTM对近地层风场模拟结果的影响。试验结果表明：与USGS地形数据相比,SRTM数据更接近于真实地形。MM5模式引入SRTM数据后,模拟精度有所提高。地形的变化对风向影响比较明显,但地形的变化引起单点风速的变化情况及其原因比较复杂,有待于进一步研究。     

高速公路强横风区间新型柔性防风网设计方案研究——以连霍高速百里风区为例

选取连霍高速公路沿线30个气象台站近50年(1961～2010年)-风向风速资料,以及2个6要素(风向、风速、温度、湿度、雨量、气压)5层(0.15m、0.5m、2m、3m、4m)梯度风监测站1年资料、1个4要素自动气象站风向风速监测资料,结合强风天气条件下不同车型安全行车流体模拟结果和现场强横风监测结果,系统分析连霍高速公路强横风区间大风规律和成因特点,以及对公路运输的危害,提出高速公路强横风区间布设新型柔性防护网,具有以下优势:施工简便、材料耐久、使用寿命长、加工方便、节约成本、阻燃性高、抗冲击性强、通透性好、美化环境。因此本项研究对于制定高速公路风害防控与管理技术指南具有一定的指导意义。     

风能资源评估中地表粗糙度的研究

利用内蒙东部草原接近1年4层风速廓线资料,采用最常用的两类方法（拟合对数风廓线法和Davenport土地类型系统划分法）,结合风能资源利用的特点,来估算该地区地表粗糙度长度。选取10分钟平均风速50m高度大于6m／s时刻的数据,因为50m高度平均风速6m／s以下的时,轮毂高度为80m的风机只能产生少量不稳定的风能。这样挑选数据能够有效地减少粗糙度长度评估中的离散范围。拟合对数风廓线,发现该地区地表粗糙度长度有明显月份和季节变化,夏秋植被茂盛期和冬春植被枯萎期粗糙度长度分别为0．138m和0．088m;细微的地形起伏也会对粗糙度的评估造成影响。两类方法估算的粗糙度长度大致相当,且估算的风能密度只相差2％左右。Davenport法对比较平坦的地形进行粗糙度评估,具有一定的应用参考价值。     

基于SAR影像的高分辨率近海风速反演

SAR影像反演高空间分辨率近海风速在海洋资源环境领域具有重要意义。利用CCMP风向数据和SAR影像,研究CCMP风向用于SAR影像高空间分辨率近海风速的反演方法。以2009年8月24日一景ENVISAT ASAR影像为例,将近海风速的反演结果与CCMP及测风塔风速进行比较,结果表明,与CCMP插值风速比较,使用CMOD4、CMOD_IFR2和CMOD5这三种算法的均方根误差分别为0.67 m/s、1.37 m/s和0.83 m/s;而与测风塔风速比较,反演结果的偏差较小,均小于1.5 m/s。因此使用SAR影像和CCMP风向数据能够反演高空间分辨率近海风速,有利于实现近海风场的业务化应用。     

沙岭风场风速预报试验分析

本文应用MM5模型对鄱阳湖区风速进行数值模拟,应用沙岭风场100m梯度测风铁塔数据进行相关分析和验证,发现观测与模拟小时和日均风速值的变化趋势较为一致,在峰值区一般MM5预测值比观测值小,相对观测值而言,模式模拟值变化相对平缓.MM5模型风速模拟值与观测值的小时和日均偏差分别为0.323和0.371.标准差分别为2.382和1.453.模拟风速日均值与观测日均值的相关系数为0.774.尽管不完善,数值模拟在目前的风能短期预报业务中仍起重要作用,也是未来风速预报和风力发电量预报的发展方向.     

冷湖天文台址气象要素垂直变化特征分析

根据冷湖赛什腾山天文台址GPS探空试验数据,分析了冬夏季高空大气温湿层结构及风速风向垂直分布特征。结果显示,冷湖赛什腾山天文台址夏季温度垂直变化率为0.43℃/100 m,冬季为0.84℃/100 m,冬季温度垂直变化明显较夏季剧烈,且冬季逆温层高度较夏季普遍较低,但出现频次较高。冬夏季湿度在地表至500 hPa均随海拔升高呈逐渐增大,并在500 hPa附近达到最大值,其后呈逐渐减小趋势,其中夏季湿度变化较冬季显著。近地层的风速受地形地貌影响,随海拔高度升高变化显著,高空风速变化较平稳。对比赛什腾山顶和冷湖国家基准气候站两地放球记录分析风向得出：650 hPa山顶风向较冷湖站不稳定,500 hPa以上两地风向变化趋于一致。