基于高塔數據的山區丘陵與平原湖區風能參數差異分析

許楊 ，陳正洪 ，?，申彥波 ，孟丹

（1.湖北省氣象服務中心,湖北 武漢 430205；2.湖北省氣象能源技術開發中心,湖北 武漢 430205；3.中國氣象局公共氣象服務中心,北京 100081）

0 引言

大力發展可再生能源已成為全球能源轉型和應對氣候變化的重大戰略方向和一致宏大行動[1]。風能因其儲量大、分布廣的優勢成為重要的可再生能源之一，2022 年全球風電累計裝機容量達到906 GW[2]。我國風電產業經過10 多年的高速發展，在“十三五”期間實現了跨越式推進，截至2022 年總裝機容量達390 GW[3]。為如期實現“雙碳”目標，我國的可再生能源裝機規模將大幅度提升，到2030 年風能太陽能發電總裝機容量將達1.2 TW 以上[4]，以風能太陽能為代表的新能源將邁入高質量發展階段。

自2007 年華中區域第一個風電場——九宮山風電場在湖北通山建成投產至今，風電開發已遍布湖北全省，隨著湖北省山區和丘陵地帶風能資源相對豐富區域的逐步深入開發以及低風速風力發電技術、風機輪轂高度和葉片直徑的不斷提升，風電開發也從集中式發展到分布式、從山區丘陵發展到平原湖區，這些隨著時間推移發生的不斷突破資源、技術和地形的發展方式，對風能資源評估方法及特征分析也提出了更迫切的需求。國內相關文獻對我國及部分省份風能資源評估及特征進行了研究分析，陳欣等[5]利用西北地區和東南沿海地區具有代表性的測風塔資料，對比分析其風能資源特性差異；周青等[6]利用中國風能資源專業觀測網的觀測數據分析了全國近地層風速及風功率密度的時空、方位及梯度分布特征；朱蓉等[7]基于中國氣象局風能資源高時空分辨率數據集及測風塔實測數據分析了中國風能資源氣候特征及成因；吳瓊[8]、許楊等[9]采用分布在山區的測風塔對山地風能資源特征進行了分析。此外，還有相關文獻利用不同地形下的測風塔觀測數據針對風切變[10-12]或湍流強度[13-15]等單一特征研究成果進行論述。這些研究所用測風塔資料觀測高度基本在100 m 以下，或針對某一風能資源特征參數展開分析，因此有必要結合內陸地區風電發展現狀，采用更高觀測高度的測風塔觀測數據，對不同地形條件下的風能資源特征進行全面深入的研究分析。

近年來，為適應風電開發持續發展的需求，湖北省內在平原及湖區設立的測風塔不斷增多，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能資源觀測網為基礎，本文篩選了湖北省內代表不同地形條件下的測風塔觀測數據，對山區丘陵和平原湖區的風能資源特征進行分析比較，以期了解不同地形條件下各項主要風能參數的變化特征，為內陸地區風能資源的合理開發及利用提供科學依據。

1 資料說明及處理

1.1 測風塔選取及資料說明

湖北省處于中國地勢第二級階梯向第三級階梯過渡地帶，地勢呈三面環山、中間低平、向南敞開、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風塔布設情況，篩選出代表5 種地形條件下的11 個測風塔（如表1 所示）進行風能資源特征分析，數據觀測時段基本為完整1 年，塔高在90～150 m 之間，其中平原湖區的塔高均為150 m，各塔均采用美國NRG 測風設備進行觀測，風速觀測層在10～150 m之間。測風塔地理分布位置如圖1 所示。

圖1 湖北省11 個測風塔地理位置分布圖Fig.1 Geographical location of eleven wind masts in Hubei Province

表1 測風塔基本信息及數據情況Tab.1 Basic information and data of wind masts

為了分析不同地形下風能資源特征，按海拔高度將測風塔劃分為高山、中低山、丘陵、平原、湖區5 種地形[16]。屬于高山地形的G1 和G2 測風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 測風塔位于鄂東大別山南麓，Z2 測風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 測風塔位于鄂東北大別山支脈，Q2 測風塔位于鄂西荊山余脈，Q3 測風塔位于大巴山脈東麓，屬于鄂西山地向江漢平原過渡地帶，海拔高度在250～500 m；屬于平原地區的P1 測風塔位于鄂南洞庭湖平原，P2 位于江漢平原南端；屬于湖區的H1 位于江漢平原荊州長湖東側，H2 位于鄂東南黃梅龍感湖西側。

1.2 資料處理

11 個測風塔原始數據時間分辨率為10 min，對其完整性和合理性進行檢驗后處理成時間分辨率為1 h 的完整1 年的數據，測風數據處理均按照《風電場風能資源評估方法》（GB/T 18710－2002）[17]中的數據檢驗方法進行，并且剔除了因冬季冰凍造成儀器故障而致使觀測風速長時間靜風的異常數據。從表1 可見，各塔最高層風速實測有效數據完整率在85%以上，其中高山及中低山測風塔實測有效數據完整率相對較低，在85%～92%之間，主要是由于高海拔地區冬季氣溫相對較低，儀器受低溫冰凍影響較大，導致觀測數據長期無效，海拔較低的丘陵、平原和湖區實測有效數據完整率均在95%以上。

本文所用風速數據在檢驗剔除了無效數據后進行了插補訂正[9]，首先利用同一測風塔完整率相對較高的某一高度測風資料對其他高度缺測資料進行同塔插補訂正；然后對同塔訂正后仍缺測較多的數據，采用周邊相關性較好的測風塔或區域自動氣象站同期小時觀測風速，建立線性方程進行插補訂正，訂正后風速有效數據完整率除Z1 測風塔外均在95%以上。

2 風能參數差異分析

2.1 風速及風功率密度

2.1.1 年變化特征

如圖2 所示，各測風塔風速年變化無明顯的一致規律，年變化幅度在1.4～2.9 m/s，年平均風速較大的測風塔（Z2、Q1）年變化幅度相對更大；各塔風功率密度年變化幅度在90～440 W/m2，可見各塔年變化幅度差異也較大。11 座測風塔觀測資料年限跨越2012～2019 年，每年會帶來大風的天氣系統有所不同，且各測風塔地形差異較大，因此會造成這種風速年及季節變化無明顯變化規律的現象，這也在一定程度上說明風電場長期運行過程中風速中長期變化的波動性同樣會比較大，開展風速的中長期預報對指導風電場更高效地運維有重要作用。

圖2 各測風塔最高層平均風速（a1～a3）及平均風功率密度（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

各測風塔風速和風功率密度年變化趨勢基本一致，但也存在個別未同步變化的情況，即一些風速較大的月份對應的風功率密度相對降低，主要是由于影響風功率密度大小的因素不僅僅是平均風速值，風速分布同樣會造成一定影響，在同樣的平均風速情況下，當風速分布更多地向高風速段偏移，就會造成平均風速相同，但風功率密度更大的情況。

2.1.2 日變化特征

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

圖3 各測風塔最高層平均風速（a1～a3）及平均風功率密度（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 種地形下代表性測風塔各高度層的平均風速日變化，山區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出相反的變化特征，低層為白天大、晚上??；湖區地形下低層白天大、晚上小的變化特征更加明顯，隨著觀測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 各測風塔各高度層平均風速日變化Fig.4 Daily variation of average wind speed at each height level of wind masts

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

2.1.3 風速和風能頻率分布

風機一般在3～25 m/s 風速區間內正常運行發電，該區間內各測風塔有效風速頻率在75.7%～88.6%，有效風能頻率在99.4%～99.9%；風機額定風速基本在9～13 m/s 之間，在額定風速和切出風速之間風機處于滿發狀態，風速閾值在10 m/s 以上的風速頻率為6.9～17.8 m/s，風能頻率為39.3%～66.8%,如表2 所示?？梢婋m然大風出現頻率不高，但其對應的風能頻率卻較大，基本可以達到一半以上，因此，在地形相近且平均風速相當的情況下，大風占比越高則風能資源更優，更有利于風電開發。

表2 各測風塔最高層風速和風能頻率Tab.2 Wind speed and wind energy frequency at the highest level of each wind mast

各測風塔風速頻率均呈現為正偏態分布，即風速分布高峰偏左，風能頻率分布的峰值較風速頻率明顯滯后，風速頻率較高的風速段出現在3～8 m/s，而風能頻率較高的風速段則出現在6～13 m/s，如圖5所示。此外，雙參數威布爾分布能較好地擬合實際風速分布[19]，采用此分布計算得到各測風塔最高層風速威布爾分布形狀參數K 在1.7～2.3，尺度參數A在5.4～7.0（如表3 所示）。形狀參數和尺度參數組合是可以表示數據變化特性的度量，形狀參數決定了該分布屬于威布爾分布族中的類型，是描述風速頻率隨風速的變化率，參數值越大說明風速頻率越集中；尺度參數描述影響風速頻率的增長速度，起到拉伸或壓縮整個分布的作用，參數值越小增長速度越快。將圖5 中對應的曲線形狀和參數值對比分析，可以發現Z1 的風速分布相對最為集中，形狀參數也相應最大，H1的風速分布增長速度相對最快，尺度參數也相應最小。

圖5 5 種地形下測風塔最高層風速和風能頻率分布Fig.5 Wind speed and wind energy frequency distribution at the highest level of wind masts under five kinds of terrain

表3 各測風塔最高層風速威布爾分布參數Tab.3 Weibull distribution parameters of wind speed at the highest level of each wind mast

2.2 風向頻率及風能密度方向分布

風能密度方向分布和地形是決定風電場內機組位置排列的重要因素。從表4 的統計結果可見，各測風塔高層主導風向頻率在10.2%～29.4%之間，最多風能密度方向頻率為14.5%～59.8%，且主導風向下對應的風能密度方向頻率一般也最大，其中僅P2測風塔主導風向為NNE，而風能密度最多風向為S，分析該塔各方向下的平均風速發現NNE 方向為5.8 m/s，S 方向為7.1 m/s，因此導致了主導風向和風能密度最多風向的不一致。

表4 各測風塔高層主導風向頻率及風能密度方向頻率Tab.4 Dominant wind direction frequency and wind energy density direction frequency of each wind mast

各測風塔的風向頻率及風能密度方向頻率分布基本一致，頻率較高風向下的風能密度方向頻率一般也較大，且風能密度方向頻率會較風向頻率明顯增加，甚至增大至1 倍以上。G2、Z1 和P2 測風塔風向頻率及風能密度方向頻率分布較為分散，其中G2和P2 測風塔分散在兩個基本相反的方向，其余8 個測風塔則相對集中在1 個方向，這種有明確主導分布方向或兩個相反主風向的分布更有利于風能資源利用，如圖6 所示。鄂北、江漢平原及中部地區風向主要為偏北和偏南風，主要是由于我省冬半年受大陸冷高壓控制以北風為主，夏半年受副高及亞洲季風影響以南風為主，這些區域地勢較高或周邊較為空曠，南來和北來的氣流暢通無阻，尤其是江漢平原地區地勢開闊，有利于氣流加速。此外，宜鐘夾道及北部山區形成多個與主導風向一致的南北向通道，狹管效應使長驅直入的氣流在此處不斷加速，致使這些區域風速較大且主導風向特征明顯[9]；鄂西南山區風向明顯受地形影響較大，G1 測風塔受西北方向山脈阻擋風向基本集中在東南方向，G2 測風塔受北部大巴山脈阻擋，風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該區域風向影響也較大，Z1 測風塔風向主要集中在東-東南方向，H2 測風塔風向主要集中在東北方向，該塔東側的龍感湖大面積的空曠水域有利于氣流加速。

圖6 各測風塔高層風向頻率及風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 風切變指數

風切變指數是表征風速隨垂直高度變化的特征參數。大氣邊界層的風場受大氣運動自身特性以及下墊面環境的影響，在多變的動力和熱力作用下往往呈現氣流隨高度變化不均勻分布的特性，導致風切變特征復雜多樣。由于各測風塔風速觀測層次各不相同，因此采用多個高度層計算的綜合風切變指數進行特征分析[11]。

2.3.1 年平均風切變

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

圖7 各測風塔年平均風速垂直風廓線Fig.7 Vertical wind profile of annual average wind speed of each wind mast

表5 各測風塔綜合風切變指數Tab.5 Composite wind shear index of each wind mast

表6 各測風塔各高度層風切變指數Tab.6 Wind shear index at each height level of each wind mast

將5 種地形下的風切變指數進行橫向比較，可以發現綜合風切變指數隨海拔高度的降低而升高，海拔較高的山區地形風切變指數最小，平原地區的風切變指數最大，因此平原地區更適宜提升風機輪轂高度，從而有效利用更高層的風能資源；不同高度層風速的切變在山區變化較為復雜，平原湖區變化較為一致，因此在復雜地形條件下，風切變指數最好能夠分層考慮。

2.3.2 日變化特征

測風塔風切變日變化幅度隨著海拔高度的降低而增大，山區丘陵地形下為0.063～0.170，平原湖區地形下為0.274～0.378，如表7 所示。圖8 給出了各地形下風切變指數日變化曲線，山區丘陵地形無明顯日變化特征，呈波動性變化，平原湖區則呈現一致且明顯的U 型變化，即白天小夜間大，谷值出現在10～13 時，峰值出現在18～次日06 時。

圖8 各測風塔風切變指數日變化Fig.8 Daily variation of wind shear index of each wind mast

表7 各測風塔風切變指數日變化幅度Tab.7 Daily variation of wind shear index of each wind mast

山區丘陵地形的測風塔一般設立在山脊或山頂，風速受下墊面影響相對較小，導致風速垂直變化趨勢不明顯，但風切變指數日變化表現出頻繁波動的特性，尤其是在白天和夜晚交替的時段會出現明顯的波動，可見山區復雜地形下風切變指數的影響因素較為復雜。平原湖區地形下的風速變化受下墊面影響較大，白天大氣層結多處于不穩定狀態，大氣湍流混合作用更強，風速垂直梯度較小，夜間大氣層結較為穩定，湍流較弱能量不易下傳，上下層風速垂直梯度變大。

2.3.3 大風情況下的風切變

由于個別測風塔10 m 高度風速受周邊植被影響較大，因此按照《風電場工程風能資源測量與評估技術規范》（NB/T 31147－2018），采用除10 m 高度外的最低層小時平均風速≥10 m/s 的各層風速為樣本，對測風塔大風情況下風切變指數變化進行分析。如圖9 所示，山區丘陵地形大風下的風切變指數大部分情況較為離散，Q1 的風切變指數分散且偏大，變化范圍為0.1～0.6，除Z2 和Q1 之外其他塔均有出現不同程度的負切變情況，說明山區風變化更復雜；平原湖區地形下則相對較為集中，隨著風速增加基本穩定在0.1～0.2 之間，更利于風機的穩定安全運行。

圖9 各測風塔大風情況下的風切變指數散點圖Fig.9 Scatter diagram of wind shear index under high wind condition of each wind mast

2.4 湍流強度

大氣湍流強度是地表摩擦與風切變引起的動力因子和溫度層結引起的熱力因子而形成的[20]，是評價氣流穩定程度的指標，其對風力發電機組性能會產生不利影響，主要是減少輸出功率，還可能引起極端荷載，對風機造成削弱或破壞。

2.4.1 年平均值變化特征

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

圖10 各測風塔有效風速段湍流強度（a）和15 m/s 風速段湍流強度（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 各測風塔最高層湍流強度Tab.8 Turbulence intensity at the highest level of each wind mast

2.4.2 日變化特征

各測風塔最高層湍流強度日變化為非常一致的單峰型變化特征，峰值出現在14 時左右，谷值出現在21～次日6 時，這與風速的日變化特征恰好相反，日變化幅度山區丘陵地形下為0.12～0.15，平原湖區地形下為0.07～0.09，平原湖區地形的湍流日變化幅度明顯更小，如圖11 所示。開闊地形的氣流穩定度優于復雜山區地形，白天動能傳遞一般要快于熱能傳遞，對流作用強于晚上，因此出現湍流強度白天大晚上小的變化特征[13]。

圖11 各測風塔最高層湍流強度日變化Fig.11 Daily variation of turbulence intensity at the highest level of each wind mast

2.4.3 不同風速段變化特征

各測風塔最高層不同風速段湍流強度隨風速增加變化趨勢基本一致，3～6 m/s 風速段內迅速下降，降幅在0.1～0.2 之間，6 m/s 以上風速段呈波動性變化或一直較為穩定，但均在0.17 以下，屬于中等程度湍流強度，平原地形下大風速段湍流強度也會出現明顯波動的情況，如P1 測風塔在12 m/s 以上風速段有較大波動，如圖12 所示。

圖12 各測風塔最高層不同風速段湍流強度變化Fig.12 Variation of turbulence intensity in different wind speed sections at the highest level of each wind mast

3 結論

本文采用湖北省內代表山區丘陵及平原湖區地形的11 個測風塔觀測資料，分析了各種地形下對風能資源利用較為重要的各項主要參數的變化特征，并淺析了不同地形產生變化差異的可能原因，主要得到以下結論：

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

2）各測風塔綜合風切變指數在0.055～0.328 之間，在山區丘陵地形下明顯大于平原湖區；平原湖區風切變日變幅明顯大于山區丘陵，變化特征為白天小晚上大；大風情況下的風切變指數在山區丘陵地形下一般分布較為離散，平原湖區地形下則相對較為集中。

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

綜上所述，以上各種地形下風能資源特征主要受天氣系統、大尺度地形及局地地貌影響，造成不同的動力和熱力作用而表現出空間和時間變化特征的差異。山區風能資源開發施工運維難度大但資源更豐富，平原湖區便于開發但資源相對匱乏，還需充分考慮風能資源差異并結合風電發展現狀，深入開展風能資源特性分析研究：（1）早期山區測風高度和風機輪轂高度大部分僅為70 m，雖然已知山區存在風速倒切變和等風層的情況[9]，但更高層的風能資源特性尚需進一步深入探索，為后期已運行十多年的山區風電場升級改造做好準備；（2）為適應風電開發從山區到平原湖區，甚至高空的發展趨勢，需盡快摸清150～300 m 高度乃至300 m 以上到整個大氣邊界層的風能資源特征，以支持高空風電開發需求[21]；（3）利用湖北省豐富的水能資源特點，充分發揮水電調節能力，結合風能、太陽能資源開展抽水蓄能規劃建設，深入研究水風光一體化基地互補特性，推動風光資源更加合理有效的利用。

項目簡介：

項目名稱湖北省大氣邊界層風能資源特性分析及開發潛力評估（2023Y08）

承擔單位湖北省氣象服務中心

項目概述項目圍繞湖北省“雙碳”目標下多元化風能太陽能開發利用的需求，為充分挖掘利用我省各種地形下的風能資源，深入分析我省近地層及大氣邊界層300 m 以下高度風能資源特性，重點開展我省多種層高的風能資源推算及風切變指數研究。