典型風電場地形大氣穩定度對風機出力的影響

王彬濱 ，余江 ，張榮 ，孫朋杰

（1.四川電力設計咨詢有限責任公司,四川 成都 610041；2.西昌學院,四川 西昌 615000；3.中國氣象局氣象干部培訓學院湖北分院,湖北 武漢 430074；4.湖北省氣象服務中心,湖北 武漢 430074）

0 引言

我國提出力爭在2030 年前實現碳達峰，努力爭取2060 年前實現碳中和的目標?！?060 雙碳”目標的提出必將加快推動風電、太陽能等新能源的跨越式發展?！笆奈濉逼陂g，我國新能源將進入快速發展期，據權威機構預測，按照目前進度，到2030 年風電光伏總裝機容量超過1.2 TW 的可能非常大。風能作為一種綠色可再生能源，對于人類社會可持續發展具有重要的意義[1-3]。準確的風能資源和發電量評估可以減小風電場投資建設決策風險，提升風能資源、土地資源等利用效率，是風電場開發建設至關重要的一環[4-6]。

在國內外風能資源相關領域的研究和實際工程應用中，以氣象研究與預報模式（Weather Research and Forecasting model，WRF）、CFD 為核心的技術方法已經廣泛使用?；菪∮⒌萚1]應用WRF 模式對酒泉地區風場進行了數值模擬試驗，結果表明模擬的風能密度與實際觀測結果較為一致；張鴻雁等[7]利用WRF 模式對湖北省風能資源進行模擬，結果表明模擬結果能反映出風能資源分布的趨勢；郁永靜等[8]應用WRF 氣象模式進行高海拔無測風復雜地形區域風能資源分布模擬,并將模擬結果、美國國家航空航天局發布的全球再分析氣象數據集產品（以下稱MERRA）數據分別與實測數據進行對比分析。研究表明，WRF 模擬具有較高的模擬精度,且效果明顯優于MERRA 數據；謝今范等[9]利用中尺度模式WRF進行東北地區風能資源空間模擬,研究觀測站點稀少地區的風能資源分布特征，研究結果表明：中尺度模式WRF 能夠較好地模擬東北區域風速分布的氣候特征；魏慧榮等[10]在早些年前為把CFD 技術應用于風場中實際地形的風流動模擬，選擇典型地形進行數值模擬，對比了不同網格和不同湍流模型對風流場模擬分布結果的影響；李軍等[11]將中尺度天氣模式輸出當作邊界條件輸入給CFD，初步顯示中尺度天氣模式結合CFD 的方法可更好地模擬復雜地形的大氣邊界層運動；方艷瑩等[12]運用中尺度數值模式WRF 與法國CFD 軟件相結合的方法，進行了廣東省海陵島地區的風能資源數值模擬試驗，結果表明：中尺度模式與CFD 軟件結合的數值模擬方法對區域風能資源分布趨勢的模擬比單純應用CFD 軟件更準確。

風是由太陽輻射熱引起的空氣流動現象，大尺度風的兩個主要驅動因子是赤道和極地之間的加熱差異和地球自轉，而影響大氣邊界層風流特征主要包括地形、粗糙度以及大氣穩定度。大氣穩定度的定義主要有4 類，都是表征大氣穩定的程度。傳統的風能資源研究和工程應用中，大氣穩定度幾乎都被假定為中性，隨著國內外風電場開發建設的持續推進和后評估研究工作的完善，大氣穩定度對風能資源影響的顯著性開始得到風能資源相關領域的學者和工程人員的重視，特別是低風速選址區域，熱效應對風流特征的影響變得顯著，其顯著性可能超過地形和粗糙度。張雙益等[13]通過對大型海上風電場的尾流數值計算結果對比，探討了海上大氣穩定度對風電場風能資源的影響；TEXIER 等[14]考慮了在進行CFD 技術風能資源評估時引入大氣穩定度的影響。目前對典型風場地形大氣穩定度對風能資源和風電場出力影響機理的比較研究仍較少，可用于研究大氣穩定度熱效應的實際觀測數據也不易收集。本文選取了平坦和復雜山地兩種典型風電場地形，使用上述地形兩座測風塔不同高度觀測數據，包括多層高度的風速、氣溫、氣壓等資料，通過大氣穩定度的比較計算，定量地探討大氣穩定度對風能資源和風機出力的影響，以期給風能資源研究和風電場工程應用提供一定的技術支撐。

1 資料簡介

本文使用兩座觀測塔（圖1 和圖2）采集的觀測資料。觀測塔1 高100 m，安裝點海拔高度12 m，位于中國東部長江中下游地區，臨靠長江，所在區域地勢由西北向東南緩斜且總體平坦，海拔范圍為10～100 m，地貌主要呈現為小丘陵和平原階梯狀分布，氣候態屬亞熱帶季風氣候區。觀測塔2 高80 m，安裝點海拔高度2.55 km，位于中國中部地區秦巴山區腹地，所在區域地勢由南、西向東北傾斜，高差大，坡度陡，是典型的中部復雜山區地貌，海拔范圍為1.5～2.5 km，為副亞熱帶季風大陸性氣候。

圖1 觀測塔1 海拔地形示意圖（區域海拔范圍10～100 m）Fig.1 Elevation topography of observation tower 1(regional elevation range: 10～ 100 m)

圖2 觀測塔2 海拔地形示意圖（區域海拔范圍1.5～2.5 km）Fig.2 Elevation topography of observation tower 2(regional elevation range: 1.5～ 2.5 km)

兩座觀測塔均使用的是美國NRG 公司Symphonie 型儀器，數據采集間隔10 min，觀測不同高度的風速、風向、氣溫、氣壓、濕度等氣象要素，如表1 所示，觀測塔1 記錄了9 m、10 m、30 m、70 m、100 m 的風速、風向和極大風速、極大風向，10 m、30 m、70 m、100 m 的氣溫，10 m 的氣壓以及100 m濕度，選取的觀測時間段為2017 年1 月1 日至2017 年12 月31 日；觀測塔2 記錄了10 m、50 m、70 m、80 m 的風速、最大風速、最小風速和風速標準差，10 m、80 m 的風向、最大風向、最小風向和風向標準差，8 m、80 m 的氣溫以及8 m 氣壓，選取的觀測時間段為2017 年1 月1 日至2017 年12 月31 日。

表1 觀測塔1 和觀測塔2 觀測要素Tab.1 Observation elements of observation tower 1 and observation tower 2

2 大氣穩定度及其計算與分類

大氣穩定度是指大氣穩定的程度。在大氣邊界層中，大氣的熱量主要來源于下墊面，動量主要來源于上層空氣的流動，動量輸送到底層，以補償下墊面粗糙度引起的動量消耗。在近地面層，大氣穩定度更多的是用來表征大氣湍流的狀態。大氣穩定度表征參數有很多，相比于其他方法，莫寧-奧布霍夫長度法綜合考慮湍流的熱力作用和動力作用，物理意義也最為明確[15-17]。

莫寧-奧布霍夫長度法是莫寧與奧布霍夫提出來用以反映近地面層大氣湍流狀況的方法，簡稱M-O 長度法。M-O 長度法認為定常、水平均勻、無輻射和無相變近地面層的熱力學和運動學結構僅由湍流狀況決定，其論述了切應力和浮力對近地面層湍流輸送的影響[18]。在應用氣象學中，通常由梯度理查森數（Ri）來計算M-O 長度，即L 值。

當 Ri>0時，

當 Ri<0時，

對于梯度理查森數（Ri）的計算（近地層湍流通量計算及幾種塔層風廓線模式的研究），一般來說，需要有兩層高度的溫度和風速觀測。

式中：

g ——重力加速度（m/s2）；

?T ——兩層高度溫度差（K）；

γd——是干絕熱遞減率（K/m）。

不同的 z1和 z2值可以計算出不同幾何高度的梯度理查森數。

觀測塔1 使用10 m、30 m、70 m、100 m 的氣溫和風速代入式（3）計算出梯度理查森數，再根據式（1）和式（2）計算出M-O 長度L；觀測塔2 的10 m 觀測高度沒有氣溫記錄，使用8 m 高度的氣溫觀測作為替代，所以觀測塔2 使用8 m 氣溫、10 m 風速、80 m 的氣溫和風速代入式（3）計算出梯度理查森數，再根據式（1）和式（2）計算出M-O 長度L。

針對莫寧-奧布霍夫長度法計算得到的M-O 長度L 值，需要有相應的穩定度分類標準對其進行帕斯奎爾-特納爾穩定度類別（以下稱“P-T”穩定度）劃分[15]。Irwin[19]通過大量研究工作和實驗數據擬合得到了地面粗糙度 z0和L 值之間的經驗公式，即

根據GLC30 全球30 m 分辨率的地表覆蓋數據，參考WASP 指南將其轉換為地表粗糙度數據，提取出觀測塔1 所在地表植被主要為耕地，所以取地面粗糙度 z0值0.03；提取出觀測塔2 所在地表植被主要為灌木林地，所以取地面粗糙度 z0值0.25。再根據Irwin 穩定度分類標準計算公式得到L 穩定度分類標準如表2、表3 所示。

表2 觀測塔1 的Irwin 穩定度分類標準Tab.2 Irwin stability classification criteria for observation tower 1

表3 觀測塔2 的Irwin 穩定度分類標準Tab.3 Irwin stability classification criteria for observation tower 2

對兩座觀測塔分別計算所得的M-O 長度L 值，根據表2、表3 的分類結果進行劃分，統計得到多個離地高度不同大氣穩定度類別的占比，得到觀測塔1和觀測塔2 的大氣穩定度分類結果如表4 和表5 所示。

表4 觀測塔1 的Irwin 穩定度分類結果Tab.4 Irwin stability classification of observation tower 1

表5 觀測塔2 的Irwin 穩定度分類結果Tab.5 Irwin stability classification of observation tower 2

根據上述觀測塔1 和觀測塔2 穩定度分類結果分析，在約26 m 高度，觀測塔2 的大氣不穩定性明顯要大于觀測塔1，這很大程度上取決于觀測塔2 所在的地形條件，在近地面層，復雜山地大氣熱效應造成的表層垂直混合作用更為明顯，造成的大氣不穩定性較為強烈；中性大氣兩者相差不大，且中性大氣占比均為0.5 以上；觀測塔1 較穩定和穩定的比重明顯高于觀測塔2。

對觀測塔1 多層高度大氣穩定度分類結果進一步分析，得到圖3。穩定大氣的比重隨著離地高度增加而減少，不穩定大氣和中性大氣隨著離地高度的增加有著完全相反的變化趨勢，在離地約45 m 高度處不穩定大氣和中性大氣比重出現拐點，這高度以下不穩定大氣隨著大氣熱效應造成的垂直混合作用逐漸發展，到離地高度45 m 處發展到最旺盛，隨著垂直混合作用發展穩定，中性大氣在45 m 高度以上一直是增加的趨勢。

圖3 觀測塔1 大氣穩定度隨高度的變化Fig.3 Observation tower 1 atmospheric stability changes with altitude

3 兩類下墊面大氣穩定度對風機出力的影響

近地面層熱力和動力的變化對風機出力產生著影響，對于平均年發電量（Annual Energy Production，AEP）來說，產生的綜合影響主要是通過水平風的垂直變化。圖4 和圖5 分別是觀測塔1 和觀測塔2 大氣穩定度分類結果對應的風速垂直變化，從垂直變化圖看，觀測塔1 和觀測塔2 中性大氣均為大風速值區，觀測塔1 不穩定大氣對風速的貢獻要大于觀測塔2 不穩定大氣對風速的貢獻，這個觀測事實也在一定程度上說明以觀測塔1 為代表的平坦地形近地面的大氣熱效應造成的垂直混合作用要比以觀測塔2 為代表的復雜山地大氣熱效應造成的垂直混合作用要充分，在充分的大氣熱效應造成的熱力作用和上層大氣動力作用下傳的共同影響下，觀測塔1風切變指數要大于觀測塔2，復雜山地由于不充分的大氣垂直混合作用往往會造成近地面風速負切變的現象，但是受制于觀測數據，此類下墊面垂直混合作用的拐點目前也沒有更多的觀測事實去研究和證實。

圖4 觀測塔1 大氣穩定度分類對應的風速垂直變化Fig.4 Vertical change of wind speed corresponding to atmospheric stability classification in observation tower 1

圖5 觀測塔2 大氣穩定度分類對應的風速垂直變化Fig.5 Vertical change of wind speed corresponding to atmospheric stability classification in observation tower 2

為了研究觀測塔1 和觀測塔2 大氣穩定度對風機出力的定量影響，采用Gamesa G114-2.0 MW 風機功率曲線和推力系數曲線，使用風頻法分別計算兩座塔85 m 輪轂高度的發電量，分為考慮大氣穩定度分類和不考慮大氣穩定度分類兩種情況，其中不考慮大氣穩定度分類是目前工程應用上的普遍做法，計算得到表6。兩座塔位置的發電量計算結果均是考慮穩定度的情況要高于不考慮穩定度的情況，觀測塔1 高1.2%，觀測塔2 高2.8%，從計算結果分析，復雜山地大氣穩定度對風機出力的影響大于平坦地形，在工程應用中，隨著復雜山地建設風電場越來越多，其風能資源分析與風機出力評估相較于平坦地形的不確定性要更強，所以在地形復雜的山地，更需要考慮大氣穩定度的影響。

表6 考慮大氣穩定度的風機出力計算Tab.6 Fan output calculation considering atmospheric stability

4 結論

大氣穩定度是近地面層風速分布的重要影響因子之一。本文選取立于平坦和復雜山地兩類典型地形上的兩座測風塔不同高度的風速、氣溫、氣壓等觀測數據，使用莫寧-奧布霍夫長度法分別計算兩座測風塔所在區域的大氣穩定度，參照Irwin 大氣穩定分類標準對穩定度計算結果分類，再根據分類結果進行兩座測風塔輪轂高度處出力分析，得到以下認識。

1）在近地面層，復雜山地大氣熱效應造成的表層垂直混合作用更為明顯，造成的大氣不穩定較為強烈；中性大氣兩者相差不大，且中性大氣占比均為0.5 以上；觀測塔1 較穩定和穩定比重明顯高于觀測塔2。

2）對觀測塔1 多層高度大氣穩定度分類結果進一步分析可知，穩定大氣的比重隨著離地高度增加而減少，不穩定大氣和中性大氣隨著離地高度的增加有著完全相反的變化趨勢。

3）以觀測塔1 為代表的平坦地形近地面的大氣熱效應造成的垂直混合作用要比以觀測塔2 為代表的復雜山地大氣熱效應造成的垂直混合作用要充分，在充分的大氣熱效應造成的熱力作用和上層大氣動力作用下傳的共同影響下，觀測塔1 風切變指數要大于觀測塔2，復雜山地由于不充分的大氣垂直混合作用往往會造成近地面風速負切變的現象。

4）隨著復雜山地建設風電場越來越多，其風能資源分析與風機出力評估相較于平坦地形的不確定性要更強，所以在地形復雜的山地，更需要考慮大氣穩定度的影響。

在工程應用中，特別是在復雜山地規劃風電場時，建議前期立塔時設置多層高度的氣溫觀測，以便于在進行CFD 計算時充分考慮大氣穩定度的影響[20]，提高計算精度，從而減小風場投資風險。