貴州山區測風數據質量控制方法

李 霄，龍 俐，帥士章

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002;2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

1 引言

隨著國家能源結構的調整和風電技術的發展，貴州風電開發得到大力發展。如何準確把握貴州山區的風能資源狀況，就需要在風能資源可利用區域設立測風塔進行現場測風，收集第一手資源對風能資源進行準確評估，貴州風能資源主要集中在1 600 m以上高山臺地及山脊，氣候復雜多變，嚴重影響觀測資料的完整性和真實性，尤以冬季的凝凍天氣影響最大。凝凍是貴州冬季出現的氣溫低于0℃、有過冷卻降水或固體降水而發生結冰的一種災害性天氣現象。它的發生與貴州特定的地理位置、地形地貌和氣候條件等密切有關。相關研究表明，貴州是我國凝凍災害出現最多的地區之一。凝凍天氣出現時會造成測風塔測風儀器出現故障，觀測數據不能真實反映區域風況特征，處理不當可能導致區域資源狀況錯誤評估和決策，因此對測風數據進行嚴格的質量控制，剔除無效數據，是開展風能資源評估的第一步，也是最重要的環節。

2 資料及來源

根據貴州省山區測風數據的氣象特征，結合貴州多年風電場風能資源評估工作實踐與相關國家標準、行業標準，氣象部門制定了較完善的貴州風能資源評估測風數據質量控制方法。本文以凝凍最為嚴重的貴州西部兩個擬建風電場實測數據為例，對貴州風能資源評估過程中測風數據質量控制方法進行介紹。

3 質量控制方法

風電場評估過程中所使用的測風數據質量控制方法有著規范的國家標準和行業標準，這些方法是全國范圍使用的通用方法，帶有一致性和普遍性。貴州由于其特殊的地理位置、地形地貌和氣候條件，在冬季凝凍期間會對測風數據中有著特殊的影響，采用常規的質量控制方法無法將無效數據全部檢測出來。“僵值”數據判別標準是目前貴州風能資源評估工作中采用的特有的質量控制方法，它能對凝凍期間的無效測風數據進行較為準確的檢測和判斷，保證測風數據的真實性和可靠性。

3.1 常規質量控制方法

3.1.1 趨勢檢驗 趨勢檢驗是根據原始測風數據各測量參數連續變化情況，判斷其變化趨勢是否合理。趨勢檢驗的判別標準見表1。

以貴州某風電開發企業測風塔的測風數據為例說明數據趨勢檢驗判別標準。從圖1可以看出該測風塔在2010年2月4日14時30分—21時20分間的10 min觀測數據連續300 min以上＜0.5 m/s，根據貴州山區風的變化特征，可以判定這個時段的風速測量儀器沒有正常工作，造成了長時段測風數據不變。該時段數據應視為不合理數據，需將這段時間的數據作為無效數據處理。

表1 風電場測風數據趨勢檢驗判別標準

圖1 貴州某風電開發企業測風塔逐10 min測風數據

圖2 貴州某風電開發企業測風塔逐小時測風數據

從圖2可以看出該測風塔在2010年12月15日—17日、12月25日—27日、12月30日—1月1日風速、風向的逐時觀測數據連續超過6 h沒有出現變化。根據貴州山區風的變化特征，可以判定這個時段的風速測量儀器沒有正常工作，造成了長時段測風數據結果不變。該時段數據應視為不合理數據，需將這段時間的數據作為無效數據處理。

圖3 貴州某風電開發企業測風塔測風逐10 min濕度氣象觀測數據

從圖3可以看出該測風塔2010年2月4日14—15時氣壓小時平均值變化大于1 kPa，氣溫小時平均值變化大于5℃。根據貴州氣候的變化規律，可以判定這個時段的溫度、氣壓測量儀器沒有正常工作，造成了測量數據結果出現錯誤。該時段數據應視為不合理數據，需將這段時間的數據作為無效數據處理。

3.1.2 范圍檢驗 范圍檢驗是即判斷觀測數據取值是否在合理范圍之內。風速、風向合理取值范圍采用國際標準。范圍檢驗的判別標準見表2。

表2 風電場測風數據范圍檢驗判別標準

以貴州某風電開發企業測風塔的測風數據為例說明數據范圍檢驗判別標準。

圖4 貴州某風電開發企業測風塔溫度、氣壓、觀測數據

從圖4可以看出該測風塔的氣溫、氣壓觀測數據超出了正常的溫度、氣壓的觀測范圍。根據貴州氣候的變化規律，可以判定這個時段的溫度、氣壓測量儀器沒有正常工作，造成了測量數據結果出現錯誤。該時段數據應視為不合理數據，需將這段時間的數據作為無效數據處理。

3.1.3 關系檢驗 關系檢驗是針對不同高度之間風速或風向關系的合理性而設定的，是指檢驗各高度風速值或風向值的差值是否在給定的合理范圍之內。考慮到貴州風電場均為山區風電場，風速風向變化特征明顯不同于荒漠、平原、海岸線等平緩地形中的風電場。風速常出現負切變，風向變化跳動特征明顯，在國家標準、氣象行業標準的基礎上，結合山地風速風向特征制定關系檢驗判別標準。見表3。

表3 風電場測風數據關系檢驗判別標準

以貴州某風電開發企業測風塔的測風數據為例說明數據關系檢驗判別標準。

圖5 貴州某風電開發企業測風塔10 m、80 m高度逐小時測風數據

從圖5可以看出該測風塔2010年2月5日—18日10 m與80 m高度間的小時平均風速差大于8 m/s、小時平均風向差大于45°，根據貴州山區風的變化特征以及風速隨高度的變化規律，可以判定該測風塔80 m高度該時段的風速、風向測量儀器沒有正常工作，造成了測量數據結果出現錯誤。該時段數據應視為不合理數據，需將這段時間的數據作為無效數據處理。

上述3種常規質量控制方法在實際使用中能夠較好的檢出無效數據，但由于貴州冬季凝凍天氣對測風儀器的特殊影響，常規質量控制方法無法將無效數據全部檢測出來，因此在貴州風能資源評估中不能僅僅采用常規質量控制方法來進行數據質量控制，需根據貴州冬季凝凍天氣的特點采用“僵值”數據質量控制方法對測風數據進行質量控制。

3.2 “僵值”數據質量控制方法

凝凍是貴州是初冬或冬末春初時節見到的一種災害性天氣，由于貴州相對濕度較高，當環境溫度≤1.0℃，相對濕度≥80%時極易出現凝凍。當凝凍出現時會將測風儀器逐漸冰凍，直至測風儀器無法正常觀測，并出現“僵值”測風數據。

過去在處理“僵值”數據時僅將“僵值”數據本身進行無效處理，未考慮“僵值”數據前后的數據也應進行相應分析。由于凝凍過程是一個逐漸加重和逐漸減輕的過程，因此“僵值”數據不僅僅只是趨勢檢驗中判別出來的“僵值”數據本身。“僵值”數據出現前后的觀測數據由于測風儀器受凝凍覆冰的影響，會出現觀測數據偏小的情況，此段數據也同樣應該作為無效數據進行剔除。

根據貴州冬季凝凍導致風速觀測數據長時間出現“僵值”的實況，結合貴州多年風電場風能分析工作實踐，總結出來更為精細的、具有地方特色的風速觀測數據質量控制指標和方法:引入氣溫、相對濕度、滑動平均風速做為“僵值”數據判別標準。該判別標準具有創新性和重要的應用價值。“僵值”數據判別標準。

“僵值”數據判別標準為:當觀測到的氣溫小時值≤1.0℃、相對濕度小時值≥80%或出現微量降水時，如果出現風速小時數據連續6 h無變化或小于1 m/s，需要對風速小時數據向前(后)滑動24 h，前(后)24 h風速－小時風速 ≥1 m/s的第1個小時以后(前)的數據為受凝凍影響數據，要作為無效數據處理。

以貴州某風電開發企業測風塔的測風數據為例說明“僵值”數據判別標準。

圖6 貴州某風電開發企業測風塔風速、風向觀測數據

從圖6可以看出該測風塔在2011年12月22日21時—12月26日21時風速逐時觀測數據連續超過6 h沒有出現變化，此時段經過趨勢檢驗為無效數據。但通過“僵值”數據檢驗判別標準發現，該時段及前后部分時段溫度觀測數據≤1.0℃、相對濕度觀測數據≥80%，風速觀測儀器受凝凍覆冰的影響。其觀測數據出現偏小的情況，前后觀測時段的觀測數據也應作為無效數據處理。根據“僵值”數據判別標準對22日21時前24 h數據和26日21時后24 h數據進行判斷，可以看出21日09時以后和26日13時之前數據均受凝凍影響，未能正確測量真實風況，因此該兩時段數據應視為不合理數據，需將這兩時段的觀測數據作為無效數據處理。

4 主要結論及討論

①貴州山區冬季凝凍是擬建風電場測風塔資料完整率主要影響因素。

②由于貴州山區冬季凝凍對測風數據影響的多變性，常規質量控制方法無法剔除所有無效測風數據，質量控制方法的使用，是貴州風能資源評估工作的重點和難點。

③經實際工作檢驗，“僵值”數據質量控制方法在貴州山區較為實用。在“僵值”數據判別標準制定出來之前，對“僵值”數據的處理主要是依靠手工進行，這就造成了“僵值”數據質量控制的不客觀。通過“僵值”數據判別標準的制定，將“僵值”數據處理方法標準化，避免了人為因素的影響，對風能資源評估使用的測風數據的真實性和可靠性提供了保證。

④對“僵值”數據的處理需結合凝凍天氣程度及測風數據的實際情況進行確定，“僵值”數據質量控制方法還需在更多風電場資源評估，以及風電場運營中進一步檢驗和完善。

［1］GB/T 18710－2002.風電場風能資源評估方法［S］.北京:國家質量監督檢驗檢疫總局.

［2］GB/T 18709－2002.風電場風能資源測量方法［S］.北京:國家質量監督檢驗檢疫總局.

［3］QX/T74－2007.風電場氣象觀測及資料審核、訂正技術規范［S］.北京:中國氣象局.

［4］中國氣象局.中國風能資源評估報告［M］.北京:氣象出版社，2006.

［5］張家誠，林之光.中國氣候［M］.上海:上海科學技術出版社，1985.

［6］朱勇，王學鋒，范立張.云南省風能資源及其開發利用［M］.北京:氣象出版社，2013.