風能資源綜合評估模型模擬精度檢驗

梁心雄 吳兆雄 羅勝平 黃浩輝

（1.廣東省氣象信息中心，廣東 廣州 510080;2.華南理工大學，廣東 廣州 510640;3.廣東省氣候中心，廣東 廣州 510080）

能源是社會發展的基石，但是隨著石油、煤等傳統能源的短缺問題日益突出，社會越來越關注海洋可再生能源。海洋風能蘊量巨大，據估算到達地球的太陽能中雖僅有約2%轉化為風能，但其來源豐富，取之不盡，用之不竭。中國沿海及其附近島嶼風能密度大，年平均風速高，為了緩解能源緊缺、節能減排和應對氣候變化的影響，國家把可再生能源風能電站的研建和試點示范工作放在了重要位置上，加大了對海洋風能的研究和示范的投入，那么對海洋風能資源評估顯得尤其迫切。本文通過檢驗風能資源模擬數值評估系統MM5的模數與實際觀測值的異同，考察風能資源的模型分析對海洋風能開發利用的潛力。

1 中尺度模式對風能資源的評估

MM5中尺度模式是美國賓州大學（Penn－State University）和美國國家大氣研究中心（NCAR）共同研制的中尺度非靜力氣象模式。MM5主模式是整個模擬系統的核心部份，模式控制方程為大氣非靜力平衡原始方程，垂直方向上采用地形追隨坐標（σ坐標），考慮了較真實的地形和下墊面分類資料。

MM5模式非靜力系統首先定義以下參考狀態和擾動場方程如下:

上式P0（z）、T0（z）、ρ0（z）中分別為大氣氣壓、溫度和密度的參考狀態。垂直坐標完全由參考狀態定義:

式中Ps和Pt分別是參考狀態地面氣壓和模式頂氣壓，是不隨時間變化的。這樣，大氣中任一點的氣壓則可表達為下述形式:

式中P·（x，y）=Ps（x，y）－Pt是參考狀態地面氣壓和模式頂部氣壓差，也不隨時間變化，而將P'作為預報變量。

2 模擬結果與實驗

本文建立了一個適用于區域性風能資源評估的數值模式系統，該系統由中尺度氣象模式MM5和風能資源參數計算模塊組成。運用該模式系統分別對我國東南沿海風能豐富區的風能資源進行1 km×1 km高分辨率的逐時模擬，并通過與模擬范圍內測風塔觀測資料的對比檢驗該模式系統對我國沿海風能資源評估能力。MM5模式采用兩重嵌套對沿海地區進行數值模擬計算，兩重區域的網格分辨率分別為27 km×27 km和9 km×9 km，垂直方向在近地層加密共分為30層，其中200 m以下有9層;模擬計算時間為2010年1月1日至12月31日，逐日進行模擬。將MM5模式9 km×9 km水平分辨率的模擬結果作為模式的初始場，進行降尺度診斷計算，得到沿海地區1 km×1 km水平分辨率的風能資源分布情況。為了檢驗MM5模式在風能資源領域的應用能力，下面對逐時觀測資料與數值模擬結果進行對比。

2.1 風速和風向對比

表1給出2010年模擬結果與觀測結果對比結果，對比可以看出:中尺度氣象模式MM5模式系統可以很好的模擬出沿海地區風速和風向的變化規律，風速和風向的模擬結果與實測資料基本吻合，不僅量值接近，變化趨勢也較為一致。但是在個別風向變化比較頻繁的時刻，模擬結果與實測結果存在一定偏差，其余大多數時刻的模擬風向與實測較為一致。MM5模式系統在我國沿海的模擬結果基本能達到風能資源評估的要求，除了10m高度以外其余各高度層的平均相對誤差均低于10%。

2.2 耦合模式

圖1是依據華南沿海19001和19002兩座海洋測風塔2010年1月1日至12月31日的觀測資料，繪制該時段內19001測風塔100m高度和19002測風塔75m高度風向玫瑰、風能玫瑰模擬結果與觀測結果的對比圖。選取測風塔MM5耦合模式1 km×1 km的模擬結果與數值模擬結果進行對比。

表1 7個測風塔100m高度的風速和風向

與實測資料進行對比。可見，位于廣東大德山1沿海地區的19001測風塔70 m高度實測資料顯示主導風向為N，次主導風向為SE，而模擬結果模擬出SE為主導風向，而風功率密度方向均沒有模擬出其主導方向和次主導方向。19001測風塔位于海岸線轉折地區，由于海陸相交其近地層風主要受到兩種不同下墊面熱力差異的影響，其盛行風一般為海陸風，海陸風方向較為復雜，數值模式沒有能夠很好模擬出這種復雜海岸線地區近地層風場。19002測風塔位于廣東大德山2沿海地區，該地區海岸線走向相對比較簡單，近似于南北走向。由圖1以看出，19002測風塔70 m高度觀測到主導風向和主導風功率密度方向為NE，在這種海岸線走向相對簡單地區，MM5耦合模式能夠很好模擬出該地區的主導風向和主導風能，且其余風向的模擬結果與觀測結果也較為吻合。該地區近地層氣流主要受到地形的影響，耦合模式能夠較好地抓住地形的作用，模擬出該地區不同風向上風向頻率和風能頻率。

2.3 風速和風功率密度頻率對比

圖2是測風塔風速和風功率密度頻率對比，采用廣東省沿海地區19001和19002測風塔MM5模式系統1 km×1 km的模擬結果與實測結果進行對比。通過對比發現位于復雜海岸線地區的19001測風塔觀測到較多的小于0.5 m/s的風，而數值模式卻沒有能夠模擬出這種現象;其余風速段的模擬結果與觀測較為接近，風功率密度頻率的模擬結果也基本能夠反映觀測結果的分布情形;而數值模式低估了19002測風塔5－6 m/s風速段頻率，高估了8－9 m/s風速段的風速頻率，但是風速和風功率密度頻率分布的基本形態與觀測較為一致，MM5模式系統的模擬結果能夠反映該地區的風速和風功率密度頻率分布形態。

3 結論

本文通過2010年1月1日至12月31日采集華南沿海地區7座測風塔的100 m高度風速與風向模擬信息與2座測風栽塔70 m高度風向、頻率及風速、風功率密度頻率的數據，通過對比風能資源數值模擬評估系統MM5模式模擬數值與實測數值，證明MM5模式可以很好地模擬出我國華南沿海風能資源分布情形，不僅月平均風速結果較為一致，而且風速和風向逐時模擬結果也與觀測值比較吻合，可以較好地模擬出沿海風速風向變化規律，該模式對近地層風速受地形影響的模擬效果要優于受海陸風影響的模擬效果，同時海岸線簡單地區的模擬結果與實測資料的對比結果要好于復雜海岸線地區的對比結果。沿海地區MM5模式可以很好的用來對我國華南沿海地區的風能資源量值及分布情形進行精細化評估，在風速量值的模擬以及風向的計算上較為可靠，能較準確的計算風力發電領域關心的風能資源參數。致謝:感謝國家氣象局氣候中心和大氣探測中心提供風能觀測數據資料，以及華南理工大學余教授對本篇文章的有力支持。