基于GIS技術的湖南風能資源精細化評估

張超，羅伯良

(湖南省氣象科學研究所，湖南長沙 410007）

基于GIS技術的湖南風能資源精細化評估

張超，羅伯良

(湖南省氣象科學研究所，湖南長沙 410007）

本文利用MM5/CALMET中尺度模式對湖南距地150 m范圍內的風能資源進行數值模擬，得出水平分辨率1 km×1 km的湖南精細化風能資源空間分布。結果表明，湖南適合風能資源開發的區域主要位于湘南、湘西山區和洞庭湖區及湘江河谷地帶。基于湖南風能資源的精細化數值模擬結果和郴州四縣兩區的地理信息，利用Arcgis技術，通過風能資源開發制約因素分析，計算出郴州三縣兩區50 m高度風功率密度200 W/m2及以上區域的風能資源潛在開發量，為湖南風電發展規劃和郴州三縣兩區風電場的規劃選址提供依據。

風能資源評估;數值模擬;精細化;Arcgis

風能是一種可再生能源，風力發電是目前商業開發技術較成熟的清潔發電方式之一。近幾年，我國風力發電發展迅速，截止2009年底，我國 (不含臺灣)風電總裝機容量達25 805.3 MW。2003—2005年，利用湖南97個常規氣象臺站風觀測資料的風能資源評估表明，湖南10 m高度風能資源總儲量達32 200 MW。由于湖南東南西三面環山，中部、北部低平，形成向北開口的馬蹄形盆地，加上湖南常規氣象臺站主要分布在城市、城郊且站點較少，因此利用常規氣象臺站資料估算風能資源儲量與實際情況存在一定差異。

目前，數值模擬與GIS技術相結合的風能資源精細化評估技術已逐步完善和推廣運用。李澤椿等〔1〕研究指出，數值模擬技術能夠滿足風電技術發展的要求，可成為風能資源評估的主要技術手段。朱蓉〔2〕認為通過數值模擬方法可得到較高分辨率的風能資源空間分布，能精確地確定可開發風能資源的面積和風機輪轂高度的可開發風能儲量，為風電開發的中長期規劃和風電場規劃建設提供依據。高陽華等〔3〕以 Arcgis為平臺，利用重慶市1∶25 000地形資料和氣象臺站觀測數據，采用坡度、坡向的2種插值方法分析了重慶市100 m×100 m的風速分布。穆海振〔4〕等利用TAPM數值模式模擬了上海海上不同高度水平分辨率為1 km×1 km風能資源狀況，并運用測風塔資料對模擬結果進行了檢驗。周揚等〔5〕基于江蘇省14個氣象站資料，結合研究區域的土地開發利用現狀，提出了風能資源可開發的區域，得出了研究區域的風電裝機潛力。程興宏〔6〕等采用數值模擬方法模擬了甘肅酒泉風電規劃區1 km×1 km的50 m高度風能資源分布狀況，并根據地形地貌和土地利用狀況等地理信息，采用Arcgis空間分析技術，分析制約甘肅酒泉風電開發的主要因素，計算出具有風能資源開發潛力的開發面積和風力資源可開發量。近年來，湖南也進行了風能資源評估和風能資源開發相關研究〔7-8〕。本文利用 MM5中尺度氣象模式結合CALMET模式和GIS技術對湖南風能資源進行精細化評估，從而更精確地評估了湖南風能資源分布，為湖南風電發展規劃和風電場規劃選址服務。

1 數值模擬

1.1 資料來源

湖南風能資源精細化評估運用的資料主要為:湖南1∶50 000的DEM數據;湖南1∶250 000土地利用數據和基礎地理信息數據;龍山八面山、岳陽鹿角、郴州仰天湖和城步南山5座測風塔的2009年6月1日至2010年5月31日測風資料;數值模擬中地形地表資料采用美國地質調查局 (USGS)30 s水平分辨率數據;模式的初始場和邊界條件采用NCEP的1°×1°經緯度網格的全球環流模式分析場;常規氣象資料為中國氣象局常規探空和地面觀測資料。

表1 5座測風塔基本信息

1.2 數值模式

湖南風能資源數值模擬采用MM5/CALMET模式系統。MM5(The Fith-Gemeration Ncar/Pen State Mesoscale Model)模式是美國濱州大學(PSU)和國家大氣研究中心 (NCAR)聯合研制的第5代中尺度非靜力氣象模式。CALMET模式是由Sigma Research Corporation開發的空氣質量擴散模式Calpuff模式中的氣象模塊。

網格劃分。首先利用MM5中尺度模式對湖南風能資源進行9 km×9 km分辨率的模擬，模式中心位置為27.15°N，111.30°E。采用 2 重嵌套:第1重網格東西向103個格點，南北向73個格點，格距27 km，模擬區域為 18.29 ～36.00°N，98.34～124.26°E;第2重嵌套網格東西向61個格點，南北向61個格點，格距9 km，模擬區域為24.70～29.60°N，108.85 ～113.75°E(覆蓋湖南大部)。然后用MM5第2層嵌套區域作為湖南風能資源的CALMET模擬區域，CALMET模式東西向格點數541、南北向格點數541、格距1 km。

模擬時段為2009年6月1日至2010年5月31日。每個模擬過程積分起止時間為前一日12時(北京時)至當日24時，共36 h，其中前6 h作為試算。先用MM5模式進行9 km×9 km分辨率的模擬，然后將MM5模擬的結果作為CALMET的初始場，進行降尺度診斷，得出1 km分辨率的風資源分布結果。模式每小時輸出一次距離地面150 m高度范圍內每10 m間隔高度層上的每個格點的風向、風速、地面溫度、相對濕度和氣壓。

2 模擬結果分析

通過模擬計算得出模擬區域10～150 m各高度層分辨率為1 km的年平均風速和年平均風功率密度。從模擬區域70 m高度 (風機輪轂高度為70 m及以上)年平均風速和年平均風功率密度分布圖(圖1，2)可知，湖南70 m高度平均風速為南部大于北部，山區大于湖區、河谷。湖南年平均風速7 m/s以上區域主要位于湘南、湘西山區，洞庭湖區及湘江河谷地帶年平均風速在5.5～6.5 m/s之間。模擬區域70 m高度平均風功率密度空間分布與平均風速類似，湘南、湘西南山區平均風功能密度在400 W/m2以上，洞庭湖區及湘江河谷地帶年平均風功能密度在200～250 W/m2之間。這與2005年湖南風能資源普查中的湖南風能資源較豐富的地區主要分布在洞庭湖附近周圍地區和湘南、湘西南山區的結論基本一致〔7〕。

圖1 湖南70 m高度年平均風速分布圖

圖2 湖南70 m高度年平均風功率密度分布圖

從模式年平均風速模擬值與龍山八面山、岳陽鹿角、郴州仰天湖和城步南山5座測風塔實測值的相對誤差分析 (見表2)可知:海拔52 m的岳陽鹿角18002塔風速模擬值與實測值最接近，相對誤差為-13.77% ～5.46%;海拔1 355 m的龍山八面山18001塔、海拔1 417 m的郴州仰天湖18003塔、海拔1 760 m的城步南山18005塔風速模擬值大于實測值，相對誤差分別為 -14.87% ～22.32%，-4.82% ～ 18.45%， -6.36% ～ 26.19%;海拔1 859 m的城步南山18001塔風速模擬值小于實測值，相對誤差為-36.03% ～-10.93%。說明模式下墊面較平坦區域的模擬結果較準確，運用模式山區復雜地形下的風速模擬結果進行風能資源評估，需要結合微地形進行適當修正。

表2 模式年平均風速模擬值與5座測風塔實測值的相對誤差

3 風能資源精細化評估

3.1 風能資源總儲量

根據MM5/CALMET中尺度氣象模式的模擬結果估算湖南風能資源總儲量，計算公式如下:

式中 n為風功率密度等級數;Si為年平均風功率密度分布中的各風功率密度等值線間面積;Pi為各風功率密度等值線間區域的風功率代表值。其中:

P1=25 W/m2(＜50 W/m2區域風功率密度代表值)

P2=75 W/m2(50～100 W/m2區域風功率密度代表值)

P3=125W/m2(100～150 W/m2區域風功率密度代表值)

以此類推，根據實際需要Pi以50 W/m2間隔遞增。

利用Arcgis軟件計算，代入風能資源總儲量計算公式，得出湖南各高度層風能資源總儲量。從表3中的計算結果可知，采用GIS技術根據MM5/CALMET中尺度氣象模式MM5中尺度氣象模式的模擬結果，得出的湖南10 m高度層風能資源總儲量是根據常規氣象臺站資料估算出的風能資源總儲量的3倍，說明利用MM5中尺度氣象模式結合CALMET模式和GIS技術可提高類似湖南復雜地形下的風能資源評估準確性。另外，模式不同高層風能資源評估結果可為風電場建設中的風機輪轂高度選擇提供依據，彌補利用常規氣象臺站觀測資料難于準確估算10 m高度以上風能資源的不足。

表3 湖南各高度層風能資源總儲量 MW

3.2 郴州三縣兩區的風能資源潛在可開發量

3.2.1 風能資源潛在開發區域的劃定

影響風能資源開發的制約因素有軍事、林業、農業、交通、環境保護、土地開發中的國家及地方發展規劃等，因此計算風能資源潛在開發量時須考慮各種因素的影響〔6〕，風能資源可開發區域的位置、面積和潛在開發量應剔除無風電商業開發價值的區域和國家及地方政府規定禁止風能資源開發活動的區域。本文風能資源潛在可開發量計算參考美國可再生能源試驗室 (NREL)〔9〕的方法，剔除了不能進行風能資源開發的區域，包括自然保護區、歷史遺跡、國家地質公園、礦產、基本農田、城市及城市周圍3 km的緩沖區、海拔3 500 m以上的高山。風能資源限制開發區域中不同土地類型的風能資源可開發利用率根據NREL的方法確定，即一般草地可利用率為80%、森林可利用率20%、灌木叢可利用率65%。

3.2.2 風能資源潛在可開發量計算方法

單位面積的風電裝機容量主要受地形、地貌影響，根據湖南已建風電場裝機容量情況及參考文獻〔10〕，得出坡度α與風電裝機容量P的關系 (表4)。

表4 風電裝機容量與坡度的關系

某一區域風能資源潛在開發量的估算公式為:

其中 WP表示風能資源潛在開發量;n表示年平均風功率密度200 W/m2以上區域內的網格總數;Pdi表示區域內第i個網格的潛在開發量系數;A表示單個網格的面積。

3.2.3 風能資源潛在可開發量

根據湖南風能資源的精細化數值模擬結果可知，郴州市桂陽、臨武、宜章三縣和蘇仙、北湖兩區是風能資源較豐富的地區，且為開發風能資源目前已設立了十幾座測風塔。桂陽、臨武、宜章三縣和蘇仙、北湖兩區以山地、丘陵為主，制約該區域風能資源開發的主要因素為地形，剔除地形坡度大于30%的地區和水體、農田、城市及城市周圍3 km的緩沖區，計算出該區域50 m高度風能資源潛在可開發面積為1 226.2 km2，潛在可開發量561 MW。從風功率密度200 W/m2及以上區域風能資源潛在可開發量分布圖 (圖3)可知，風能資源潛在可開發區都集中桂陽北部、宜章南部、臨武西南部和郴州市區與三縣的交界區域。

圖3 風功率密度≥200 W/m2潛在可開發量分布圖

4 結論

(1)利用MM5/CALMET中尺度氣象模式對湖南風能資源進行精細化評估，得出了湖南1 km×1 km高分辨率風能資源分布。模式的模擬結果與實測數據的誤差分析說明，模式下墊面較平坦區域的模擬結果更準確，運用模式山區復雜地形下的風速模擬結果進行風能資源評估需要結合微地形進行適當修正。模擬結果證實，湘南、湘西山區和洞庭湖區及湘江河谷地帶是湖南風能資源較豐富的區域。

(2)采用GIS技術根據MM5/CALMET中尺度氣象模式MM5中尺度氣象模式的模擬結果，得出的湖南10 m高度層風能資源總儲量是根據常規氣象臺站資料估算出的風能資源總儲量的3倍，說明利用MM5中尺度氣象模式結合CALMET模式和GIS技術可提高類似湖南復雜地形下的風能資源評估準確性。

(3)根據湖南風能資源的精細化數值模擬結果和郴州市桂陽、臨武、宜章三縣和蘇仙、北湖兩區地理信息，通過風能資源開發的制約因素分析，利用Arcgis軟件，計算出郴州三縣兩區50 m高度風能資源潛在可開發面積為1 226.2 km2，潛在可開發量561 MW，可為湖南其他地區的風能資源精細化評估和風電發展規劃及風電建設提供參考。

〔1〕朱瑞兆，薛桁.風能的計算和我國風能的分布〔J〕.氣象，1981，7(8):26-28.

〔2〕李澤椿，朱蓉，何曉鳳，等.風能資源評估技術方法研究〔J〕.氣象，2007，65(5):708-717.

〔3〕高陽華，王堰，邱新法，等.基于GIS的復雜地形風能資源模擬研究〔J〕.太陽能學報，2008，29(2):163-169.

〔4〕穆海振，徐家良，楊永輝.數值模擬在上海海上風能資源評估中的應用〔J〕.高原氣象，2008，27(B12):196-201.

〔5〕周揚，吳文祥，劉光旭，等.基于GIS的江蘇省陸地風能資源潛力評估及微觀選址〔J〕.可再生能源，2010，28(4):10-16.

〔6〕程興宏，朱蓉，何曉鳳，等.基于GIS技術的陸上風能資源開發制約因素分析〔J〕.資源科學，2010，32(7):1272-1279.

〔7〕羅伯良，林浩，張超，等.湖南省風能資源評價〔J〕.經濟地理，2005，25(Z1):299-302.

〔8〕彭雙姿，劉從省，戴宇，等.湖南城步南山風能資源分析〔J〕.湖南電力，2008，28(3):57-58.

〔9〕David Kline，Donna Heimiller，Shannon Cowlin.A GIS Method for Developing Wind Supply Curves〔R〕.Technical Report NREL/TP-670-43053，2008.

〔10〕馬進山，肖輝，孔令軍.濟寧東部山區風能資源開發潛力研究〔J〕.氣象，2010，36(1):72-78.

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1008-0198(2011)03-0011-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2011.03.004

2011-01-18