瓜州風電場建設中環境氣象要素對比分析

王曉 曹華 郭良才

摘 要：通過在瓜州電廠區域建立60m測風塔與瓜州氣象站展開為期1a的同步觀測，利用兩地同步氣象資料對比分析，重建電廠廠址近10a氣象資料，揭示電廠所在地氣候特點。同時利用瓜州1971-2010年40a氣象資料，采用相關分析法，訂正得到電廠地面歷年氣象要素值的特征。通過對比分析，解決了空冷電廠環境氣象條件分析中氣象資料重建、典型年選取、風溫分析等關鍵技術，滿足了電廠空冷機組氣象條件分析的需要，為該地風電場的空冷系統的安裝、設計、運行提供更科學的依據。

關鍵詞：瓜州風電場；高低空；氣象要素

中圖分類號 X820.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）02-119-05

Comparison Analysis of Meteorological Parameters based on the Construction of Wind Farm in Guazhou

Wang Xiao et al.

（Meteorological Bureau of Jiuquan City，Jiuquan 735000，China）

Abstract：Through the 60 meter wind tower of Guazhou regional power plant and Guazhou meteorological station，start the simultaneous observations for one year，with the synchronous meteorological data and the meteorological data for 10 years in where the power plant will reconstruct，reveal the climate characteristics.Through meteorological data for 1971-2010，the characteristic of meteorological element was obtained in the power plant over the years. And through the comparative analysis，the key technologies including reconstruction of meteorological data，selection of typical year，and wind temperature analysis were solved，to meet the needs of meteorological condition analysis of air cooling unit in power plant，providing a more scientific basis for the installation，design and operation of the air cooling system of the wind farm.

Key words：Guazhou wind farm；High altitude；Meteorological factors

甘肅酒泉瓜州縣素有世界風庫之稱，是甘肅省風能儲量最大的地區之一。特定的地形、地貌使其自然風速較大，風向較為恒定，年均風速3.0m/s，最大風力8～10級，極大風力可達12級。瓜州縣風能資源可利用面積近1萬km2，年風能資源可開發量2 000萬kW以上；風力發電氣候環境好，極限低溫不低于-30℃，空氣濕度低，沒有冰凍、電線結冰、煙霧等自然災害。瓜州縣風能利用的前景十分廣闊，是風能資源有效利用的良好基地。氣象參數分析研究是風電場建設的先導，不僅為空冷工程提供氣象參數設計指標，而且涉及到未來的氣候變化和生態環境影響評估。本文介紹了高低空氣象參數對比分析在瓜州電廠建設中的運用。

1 氣象參數對比分析方法和目的

根據風電場建設對氣象條件精確度的要求，氣象數據的準確性會直接影響電廠空冷系統設計精度。限于電廠區域氣象資料貧乏，在電廠附近建一座60m風塔，利用瓜州縣氣象站長時間序列的氣象資料，與電廠項目建設所在地的氣象資料進行水平、垂直結構的對比分析，得出它們之間的對應關系，對項目所在地的資料進行修正，確定電廠空冷系統設計氣象條件的方案。

2 參證站選取

根據氣候可行性論證的要求，參證站的氣象資料必須具備代表性、準確性、連續性。瓜州氣象站與廠區均屬于典型的大陸性氣候，其主要特點是降雨少、蒸發大、光照時間長，冬春季干旱多風沙天氣。由于兩地地形、地貌無大差異，兩地的氣候特征不存在明顯的差異。距電廠最近的氣象站是瓜州縣氣象站，距離電廠的直線距離為54.2km。而且瓜州縣氣象站于1937年建站，位于40.32°N，95.47°E，海拔高度為1 170.9m，有超過70a的連續氣象記錄，觀測年限長，資料序列代表性好，因此，選擇瓜州縣氣象站作為對比氣象站。

3 電廠區域臨時氣象站的建立

在電廠廠址所在地建立了一座60m測風塔，并進行為期1a的現場觀測。觀測項目如下：地面1.5m、10m、30m和60m高度的干球溫度、風速和相應風向。

4 氣象站氣象參數的變化趨勢分析

4.1 溫度變化趨勢 從瓜州縣氣象站1963-2012年年平均氣溫線性變化趨勢線來看（圖1），瓜州縣年平均氣溫在近50a在波動中呈拋物線性趨勢升高。主要表現在：20世紀60～80年代氣溫變化比較平穩，自20世紀80年代后期開始平均氣溫開始波動升高，目前還處在上升期。

圖1 瓜州縣氣象站1963-2012年年平均氣溫變化曲線

4.2 風速變化趨勢 從瓜州縣氣象站1963-2012年年平均風速的線性變化趨勢來看（圖2），平均風速呈多項式演變，20世紀60～70年代中期風速偏大，之后呈緩慢下降期，21世紀初降到最低，目前處于緩慢上升階段。

4.3 風向變化 瓜州縣氣象站多年各個風方位的出現頻率結果表明，該站以偏東風為主，偏西風次之。在未來氣溫升高、風速緩慢增加的大氣候背景下，風向的變化與基準時段基本一致，無大變化。

5 觀測期間廠址處和氣象站氣象要素對比分析

5.1 氣溫 從圖3可看出，常樂電廠廠址與瓜州縣氣象站1～12月平均氣溫變化趨勢一致，常樂電廠廠址比瓜州縣氣象站年平均氣溫僅偏低-0.2℃，四季平均氣溫除秋季相對偏高外，其余均偏低。這種兩地平均氣溫差別的原因主要是受地理環境的影響。

5.2 風相關性分析

5.2.1 廠址與氣象站月平均風速對比分析 從常樂電廠廠址與瓜州縣氣象站逐月平均風速變化圖可以看出，2地月平均風速變化趨勢基本一致（圖4）。常樂電廠廠址的風速明顯大于瓜州縣氣象站，月平均風速偏大2.4～4.0m/s，全年平均風速常樂電廠廠址比瓜州縣氣象站大3.2m/s。

5.2.2 觀測期間廠址和氣象站風向分析 由圖5可看出，2站點的主導風向以偏東風為主，廠區最多風向較瓜州站向北偏30°左右，造成廠區最多風向的最主要原因是地形因素影響。

6 觀測期間廠址各層氣象要素對比分析

6.1 氣溫 從表1可看出，廠址地面、10m、30m、60m處年平均氣溫分別為9.3℃、10.0℃、10.1℃、10.1℃。除夏季外，60m平均氣溫均高于其它高度的氣溫，即氣溫的垂直分布特點為溫度由低向高處遞增。

6.2 風速

6.2.1 觀測期間廠址10m、30m、60m高度月平均風速對比分析 由圖6可以看出：10～60m，各月風速隨高度增加，30m較10m高度偏大0.4～0.7m/s，60m較30m高度亦偏大0.4～0.7m/s；各高度月平均風速曲線變化趨勢基本一致，9月風速最小，10m、30m、60m風速分別為5.8m/s、6.4m/s、7.0m/s。

6.2.2 觀測期間廠址10m、30m、60m高度日平均風速對比分析 圖7為觀測期間，10m、30m、60m高度日平均風速圖。由圖7可見，觀測期間絕大部分時間日平均風速隨高度增大。30m比10m高度風速大0.6m/s，60m高度比30m高度風速亦偏大0.6m/s。

7 廠址處近10a歷史資料的重建

7.1 技術方法 利用瓜州縣氣象站近10a逐時氣象要素值，采用一元線性回歸訂正法，計算廠址近10a逐時氣象要素值。即：假設x代表瓜州縣氣象站、y代表廠址、2014年3月1日至2015年2月28日作為觀測期，以廠址、瓜州縣氣象站觀測期間相應月份逐時氣象要素資料系列建立回歸方程：y=a+bx，回歸系數用最小二乘法確定，求得廠址近10a歷年各月逐時氣象要素訂正值。

7.2 氣溫反演 利用廠區、瓜州縣氣象站2014年3月至2015年2月觀測期間，瓜州站地面與廠區各高度氣溫資料計算得出各月回歸方程、相關系數，其相關系數除1月<0.90外，其它>0.90，均通過0.001的相關系數顯著性檢驗。從廠址和瓜州縣氣象站氣溫的相關性分析看（表2），相關性好，相關系數顯著，表明下墊面性質接近，下墊面熱力作用造成的溫度差異相對較小。利用瓜州縣氣象站近10a歷年各月逐時氣溫資料及相應月份回歸方程可求得廠址30m、60m高度近10a歷年各月逐時氣溫。

7.3 風速與風向反演

7.3.1 風速線性相關分析 以氣象站逐時風速為自變量，以廠址觀測點的逐時風速為因變量，建立廠址與氣象站各月逐時風速的相關關系，得出各月相關系數r、回歸方程系數（a、b）及各月回歸方程。從計算結果可以看出，以觀測期內廠址10m、30m和60m高各月逐時風速資料與瓜州縣氣象站同期資料計算得出的各月回歸方程相關系數除10m高度個別月份外，絕大部分在0.95以上，相關很顯著。

7.3.2 風向相關分析 根據觀測期內電廠廠址10m、30m、60m高度和瓜州縣氣象站10m高度各月逐時風向資料，首先分析兩站的風向變化是否一致。觀測期內，常樂電廠廠址、瓜州縣氣象站兩地風向分布差異較小。常樂電廠廠址10m高度最多風向以E、NE為主，瓜州站的主導風向為E和ESE，根據兩地風速和風向的比較分析，說明這兩地是位于同一風場中，可以采用相關分析的方法，找出其相關規律性。主導風向的相關分析，通過風向頻率玫瑰圖來表示，所依據的基礎資料是兩地逐風向實測數據。

8 空冷氣象參數的分析統計

根據代表廠址60m高度實際情況的近10a反演氣溫資料，分別按照以某年年平均氣溫與近10a平均氣溫和近5a平均氣溫進行比較，選擇其中較不利年份，若出現幾個典型年年份，以最近年份作為典型年的選取原則，分別選出近10a和近5a的典型年，比較2個典型年，以對應氣溫分級統計結果的累積小時數為200h時相應溫度較高的年份作為最終的典型年。通過此方法，確定2011年為典型年。

9 結論

通過瓜州氣象資料和電廠區域氣象資料的對比分析，可以得出以下結論：

（1）常樂電廠廠址與瓜州縣氣象站逐月、逐日、逐時平均氣溫變化趨勢一致，但常樂電廠廠址月平均氣溫與瓜州縣氣象站除10月廠區偏高0.8℃外，其它月份偏低-0.2～-0.7℃，常樂電廠廠址氣溫年平均日較差比瓜州縣氣象站小0.2℃。9月至次年4月中旬，地面和30m間存在貼地逆溫，11～12月30m和60m間易形成低懸逆溫。

（2）常樂電廠廠址與瓜州縣氣象站逐月平均風速變化趨勢基本一致。常樂電廠廠址年平均風速為5.8m/s，月平均風速最大出現在4月；瓜州縣氣象站年平均風速為2.6m/s，月平均風速最大出現在2月和4月。常樂電廠廠址的風速明顯大于瓜州縣氣象站，全年平均風速偏大3.2m/s。10m、30～60m，各月風速隨高度升高而增加；各高度月平均風速變化趨勢基本一致。

（3）觀測期內，常樂電廠廠址、瓜州縣氣象站兩地風向分布差異較小。常樂電廠廠址10m高度最多風向以偏東東北風為主。常樂電廠廠址、瓜州縣氣象站兩地的主導風向以偏東風為主，廠區最多風向較瓜州站向北偏30°左右，造成廠區最多風向的最主要原因是地形因素影響。

（4）通過瓜州氣象資料和電廠區域內氣象資料的平行、垂直結構的對比分析，解決了空冷電廠環境氣象條件分析中氣象資料重建、典型年選取、風溫分析等關鍵技術；滿足了電廠空冷機組氣象條件分析的需要，為該地風電場的空冷系統的安裝、設計、運行提供更科學的依據。

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（責編：張宏民）