巴基斯坦瓜達爾港的風能資源評估

鄭崇偉,李崇銀,楊 艷,陳 雄(.解放軍理工大學氣象海洋學院,江蘇南京20;2.中國科學院大氣物理研究所,大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室,北京00029;3.海軍大連艦艇學院,遼寧大連608;.國家海洋局,北京00860)

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巴基斯坦瓜達爾港的風能資源評估

鄭崇偉1,2,3,李崇銀1,2*,楊 艷4,陳 雄1
(1.解放軍理工大學氣象海洋學院,江蘇南京211101;2.中國科學院大氣物理研究所,大氣科學和地球流體
力學數值模擬國家重點實驗室,北京100029;3.海軍大連艦艇學院,遼寧大連116018;4.國家海洋局,北京100860)

摘要:利用來自歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)的ERA-interim風場資料,對瓜達爾港的風能資源展開評估.結果表明:1)瓜達爾港的風能資源常年可用,風能密度、有效風速出現頻率、不同等級風能密度出現的頻率都表現出明顯的單峰型月變化特征,峰值出現在4—5月,波谷出現在11—12月;年平均值分別為:風能密度121 W/m2,有效風速頻率43%,50 W/m2以上能級頻率55%.2)從風能玫瑰圖看出,瓜達爾港的風能常年穩定由偏西南(SW)向的風貢獻.2月和11月,400和500 W/m2及以上高風能密度主要由北北東(NNE)向的風貢獻;5月和8月,高風能密度主要由偏西南(SW)向的風貢獻.3)瓜達爾港的風能主要經歷了兩個階段:1979—2000年期間,風能密度在120 W/m2上下波動,有效風速出現頻率在45%上下浮動;2001—2014年期間,風能密度在110 W/m2上下波動,有效風速出現頻率在40%上下浮動.4)瓜達爾港的6級及以上大風頻率常年在1.5%以內;出現頻率最高的為3級風(34.29%),其次是4級風(28.32%)和2級風(23.11%).

關鍵詞:瓜達爾港;風能資源;風能密度;能級頻率;風能玫瑰圖

瓜達爾港(Gwadar Port)作為21世紀海上絲綢之路的關鍵節點(同時也是陸上絲綢之路的關鍵節點),位于巴基斯坦俾路支省西南部,為深水港.目前為止,關于瓜達爾港風能資源的評估尚處于空白狀態.做好風能、波浪能等清潔、可再生能源的開發工作,將有效提高邊遠海島、深遠海、重要港口的生存能力及可持續發展能力[1-4].本文利用來自歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts,ECMWF)1979—2014年的ERA-interim風場資料,對瓜達爾港的風能資源展開評估,期望可以促進瓜達爾港可持續發展.

1 數據及計算

ERA-interim再分析風場資料(含海表10 m的經向風、緯向風)來自ECMWF,空間范圍為90°S～90°N, 180°W～180°E;空間分辨率有0.125°×0.125°,0.25°× 0.25°,0.5°×0.5°,0.75°×0.75°,1.0°×1.0°,…,2.5°× 2.5°,本文選擇其中0.125°×0.125°的空間分辨率;時間序列為1979年1月1日00:00至今,不斷更新中,本文選擇的時間范圍為1979—2014年;空間分辨率為逐6 h(每6 h一個數據),數據網址為http:∥dataportal.ecmwf.int/data/d/interim_daily/.

ERA-interim再分析資料是繼其早期產品ERA-40之后的新產品,該數據使用了分辨率更高的氣象模式,在觀測資料的應用及同化方法方面也有很大改進[5]:使用最新的12 h窗口的四維變分同化技術(4DVar),同化的資料包括衛星資料(ERS-1、ERS-2和QuikSCAT)、常規觀測資料以及模式數據,作用在于提供ECMWF早期產品和新一代產品之間的銜接,目的是對ERA-40和更早的數據進行完善.ERA-interim作為ECMWF最新開發的同化數據集,理論上應該比之前的ERA-15和ERA-40更加精確.Dee等[6]、Song等[7]、Bao等[8]曾將NCEP—CFSR(National Centers for Environmental Pre-diction—Climate Forecast System Reanalysis)、NCEP—NCAR(National Centers for Environmental Prediction—National Center for Atmospheric Research)、ERA-interim和ERA-40再分析幾種數據與觀測資料進行比較,發現ERA-interim在均方根誤差和偏差方面更優.

本文利用ERA-interim再分析風場資料,分析了瓜達爾港的風能資源特征,主要包括:風能密度的月變化特征、風能資源開發的有效風速出現頻率、能級頻率、風能玫瑰圖、風能密度的長期變化趨勢、風力等級頻率.風能密度定義為垂直于氣流的單位截面上風的功率[9-10],計算方法為:

式中:W為風能密度,W/m2;V為風速,m/s;ρ為空氣密度,kg/m3.利用1979年1月1日00:00時—2014 年12月31日18:00時逐6 h的ERA-interim風場資料,計算得到瓜達爾港1979—2014年逐6 h的風能密度.

2 瓜達爾港的風能特征

2.1風能的月變化特征

瓜達爾港的風能在1979—2014年期間的月變化特征見圖1.該區域的風能密度呈明顯的單峰型月變化特征,峰值出現在4—5月,達到190 W/m2;波谷出現在11—12月,70 W/m2左右;全年有一半月份在100 W/m2以上,年均風能密度為121 W/m2.通常認為風能密度在50 W/m2以上為可用,200 W/m2以上為豐富[11-13].顯然,瓜達爾港的風能常年處于可用范圍,在4—5月更是接近豐富范圍;且本文計算的是海表10 m高度的風能,在實際的風機安裝過程中,塔架通常會高于本文的計算高度,因而有更大的利用潛能.

圖1　瓜達爾港風能密度的月變化特征Fig.1 Monthly characteristics of wind power density in the Gwadar Port

2.2有效風速出現頻率

在風能開發利用過程中,通常認為風速在5～25 m/s之間有利于風能資源的采集與轉換,并將這個區間的風速定義為有效風速[14-15].統計瓜達爾港各月的有效風速出現頻率見圖2.該區域的有效風速出現頻率表現出明顯的單峰型月變化特征,與風能密度的月變化特征相近.峰值出現在4—5月,出現頻率高達60%以上;波谷出現在11—12月,出現頻率在25%左右.太陽能由于受到白晝的限制,可用時間基本在50%以內[16-17],而瓜達爾港有效風速的年均頻率為43%,這是該區域風能資源的明顯優勢.

圖2　瓜達爾港各月的有效風速出現頻率Fig.2 Monthly occurrences of effective wind speed in the development of wind energy in the Gwadar Port

2.3能級頻率

在風能開發過程中,通常認為風能密度在50 W/m2以上為可用(有的標準為100 W/m2以上),200 W/m2以上為豐富[11-13].統計瓜達爾港各月50 W/m2以上,100 W/m2以上,200 W/m2以上的能級頻率見圖3.各等級的能級頻率都表現出單峰型月變化特征,與有效風速頻率的月變化特征相近.50 W/m2以上能級頻率:峰值為4—5月,出現頻率都在70%以上,其余大部分月份也都在40%以上,年均出現頻率為55%,表明瓜達爾港的風能可利用率很高.100 W/m2以上、200 W/m2以上的能級頻率與50 W/m2以上的能級頻率的月變化特征相近,只是數值上有所偏低.

2.4風能玫瑰圖

在風能開發過程中,對風向頻率是極為關注的,如果常年的風向穩定,主要由1或2個風向主導,這就極有利于風機對風能的捕獲,有效提高采集、轉換效率,同時還有利于延長風機壽命.傳統利用Excel軟件、風能軟件制作的雷達圖,可以描述不同方向風速出現的頻率,但是不能體現不同等級風速出現的頻率.本文繪制了一種風能玫瑰圖,將風向分為16方位,即北(N)、南(S)、東(E)、西(W)、東北(NE)、東南(SE)、西北(NW)、西南(SW)、北北東(NNE)、東北東(ENE)、南南東(SSE)、東南東(ESE)、北北西(NNW)、西北西(WNW)、南南西(SSW)、西南西(WSW),統計每個方位不同等級風能密度出現的頻率.采用該方法,分別以2,5,8,11月作為四季的代表月,繪制了瓜達爾港的風能玫瑰圖,見圖4.

圖3　瓜達爾港各月的風能能級頻率Fig.3 Occurrence of energy scale of wind power density in the Gwadar Port

圖4　瓜達爾港的風能玫瑰圖Fig.4 Wind energy rose diagram in the Gwadar Port

整體來看,瓜達爾港的風能常年穩定由偏SW向的風貢獻,這對于風能開發是很有利的.2月,出現頻率最高的風是WSW向,占15.9%,其中0～50和100 ～200 W/m2的風貢獻率最高,分別為5.5%和4.6%;W向、SW向出現的頻率僅次于WSW向;500 W/m2及以上的高風能主要由NNE向貢獻(1.5%),其次是W向、WSW向、WNW向.5月,風能主要由SW向貢獻,占35.8%,其中,100～200,200～300, 300～400 W/m2的風貢獻率最高,分別為10.0%, 6.0%,4.0%;其次是WSW向,100～200 W/m2的風貢獻率最高(8.0%);500 W/m2及以上的高風能主要由SW向貢獻(2.6%),其次是WSW向.8月,對風能貢獻率最大的風是SSW向,占34.8%,其次是SW向、S向;高風能密度主要源自SW、SSW向.11月,貢獻率最高的風是WSW向,占17.8%,其次是SW向、W向;400 W/m2及以上高風能密度主要源自NNE 向,占2.5%.

2.5風能的長期變化趨勢

將1979年1月1日—1979年12月31日逐6 h的風能密度取平均值,得到1979年的風能密度,同樣的方法得到瓜達爾港1980—2014年逐年的風能密度,并分析其線性趨勢,見圖5(a).參考文獻[18],還計算了瓜達爾港1979—2014年期間有效風速出現頻率的長期變化趨勢,見圖5(b).

1979—2014年期間,風能密度的線性相關度|R|= 0.57,通過了95%的信度檢驗,回歸系數為-0.59,表明瓜達爾港的風能密度在近1979—2014年期間以-0.59 W/(m2·a)的速度顯著性逐年線性遞減.有效風速出現頻率的|R|=0.60,通過了95%的信度檢驗,回歸系數為-0.17,表明瓜達爾港的有效風速出現頻率在1979—2014年期間以-0.17%·a-1(這里的%是指有效風速出現頻率,并非變率)的速度顯著性逐年線性遞減.分析發現,瓜達爾港的風能變化主要經歷了兩個階段:1979—2000年期間,變化趨勢相對平緩,風能密度在120 W/m2上下波動,有效風速出現頻率在45%上下浮動;2001—2014年期間,變化趨勢相對平緩,風能密度在110 W/m2上下波動,有效風速出現頻率在40%上下浮動.在此只分析了瓜達爾港的風能在過去的變化趨勢,在未來的工作中,可以利用人工神經網絡[19]、希爾伯特-黃等方法[20-21],對風能的中長期變化趨勢進行預估,為資源開發的中長期規劃提供參考.

2.6風力等級頻率

大風大浪等惡劣海況對海上施工、海洋能開發利用有著嚴重威脅[22-23].風能資源開發對風力等級頻率尤其是大風頻率都極為關注,以蒲氏風力等級表為標準,統計了瓜達爾港各代表月及年均風力等級頻率,見表1.

2月,出現頻率最高的是3級風,其次是4級、2級風;6級及以上大風頻率較低,為1.32%,但明顯高于其他季節.5月,出現頻率最高的是4級風,其次是3級、5級風;6級及以上大風頻率較低.8月,出現頻率最高的是3級風,其次是4級、2級風;6級及以上大風頻率較低.11月,出現頻率最高的是3級、2級風,其次是4級風;6級及以上大風頻率較低.從全年來看,出現頻率最高的是3級風,為34.29%,其次是4級風 (28.32%)和2級風(23.11%);6級及以上大風頻率在1.5%以內(0.71%).

圖5 瓜達爾港風能密度(a)和有效風速出現頻率(b)的長期變化趨勢Fig.5 Long-term trend of wind power density(a)and occurrence of effective wind speed(b)in the Gwadar Port

表1　瓜達爾港的風力等級頻率Tab.1 Occurrence of different scale wind speed in the Gwadar Port

3 結 論

本文利用ERA-interim風場資料,分析了瓜達爾港的風能資源特征,主要包括風能密度的月變化特征、風能資源開發的有效風速出現頻率、能級頻率、風能玫瑰圖、風能密度的長期變化趨勢、風力等級頻率,得到如下主要結論:

1)瓜達爾港的風能資源常年可用,風能密度、有效風速出現頻率、不同等級風能密度出現的頻率都表現出明顯的單峰型月變化特征,峰值出現在4—5月(風能密度190 W/m2,有效風速頻率25%左右,50 W/m2以上能級頻率70%以上),波谷出現在11—12 月(風能密度70 W/m2,有效風速頻率60%以上,50 W/m2以上能級頻率35%左右).年平均值分別為:風能密度121 W/m2,有效風速出現頻率43%,50 W/m2以上能級頻率55%.

2)瓜達爾港的風能常年穩定由偏SW向的風貢獻,這對于風能開發是很有利的.2月、11月,400和500 W/m2及以上高風能密度主要由NNE向的風貢獻,5月、8月,高風能密度主要由偏SW向的風貢獻.

3)1979—2014年期間,瓜達爾港的風能密度以-0.59 W/(m2·a)的速度逐年遞減,有效風速出現頻率以-0.17%·a-1的速度逐年遞減.瓜達爾港的風能變化主要經歷了兩個階段:1979—2000年期間,風能密度在120 W/m2上下波動,有效風速出現頻率在45%上下浮動;2001—2014年期間,風能密度在110 W/m2上下波動,有效風速出現頻率在40%上下浮動.

4)瓜達爾港的6級及以上大風頻率常年在1.5%以內;出現頻率最高的為3級風(34.29%),其次是4級風(28.32%)和2級風(23.11%),這對風能開發利用是有利的.

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Analysis of Wind Energy Resource in the Pakistan's Gwadar Port

ZHENG Chongwei1,2,3,LI Chongyin1,2*,YANG Yan4,CHEN Xiong1
(1.College of Meteorology and Oceanography,People's Liberation Army University of Science& Technology, Nanjing 211101,China;2.National Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics(LASG),Institute of Atmospheric Physics,the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100028,China;3.Dalian Naval Academy,Dalian 116018,China;4.State Oceanic Administration,Beijing 100860,China)

Abstract:In this study,the wind energy resource in the Gwadar Port was firstly analyzed,based on the ERA-interim wind production from European Centre for Medium-range Weather Forecasts(ECMWF).The results show as follows:1)The wind energy in the Gwadar Port is available all year round.The wind power density(WPD),occurrence of effective wind speed of wind energy resource, and occurrences of different levels of WPD all exhibit a clear single peak in the monthly variation.The peak appears in April and May,while trough appears in November and December.The annual average value is 121 W/m2for WPD,43%for the occurrence of effective wind speed,and 55%for the occurrence of WPD greater than 50 W/m2.2)From the wind energy rose diagram,the wind energy in the Gwadar Port is mainly contributed by the southwest(SW)winds.In February and November,high wind energy with WPD≥400 W/m2and WPD≥500 W/m2is mainly contributed by the north-northeast(NNE)winds,while in May and August by SW wind.3)During the period of 1979 to 2000,the WPD is about 120 W/m2,and the occurrence of effective wind speed is 45%. During the period of 2001 to 2014,the WPD is about 110 W/m2,and the occurrence of effective wind speed is 40%.4)The gale occurrence(wind speed greater than class 6)is below 1.5%all year round.The wind speed of highest occurrence is class 3(34.29%), followed by class 4(28.32%)and class 2(23.11%).

Key words:Gwadar Port;wind energy;wind power density;energy level occurrence;wind energy rose diagram

*通信作者:lcy@lasg.iap.ac.cn

基金項目:國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2015CB453200,2013CB956200,2012CB957803,2010CB950400);國家自然科學基金(41275086,41475070)

收稿日期:2015-06-08 錄用日期:2015-09-10

doi:10.6043/j.issn.0438-0479.2016.02.011

中圖分類號:P 743

文獻標志碼:A

文章編號:0438-0479(2016)02-0210-06

引文格式:鄭崇偉,李崇銀,楊艷,等.巴基斯坦瓜達爾港的風能資源評估[J].廈門大學學報(自然科學版),2016,55(2):210-215.

Citation:ZHENG C W,LI C Y,YANG Y,et al.Analysis of wind energy resource in the Pakistan's Gwadar Port[J].Journal of Xiamen University(Natural Science),2016,55(2):210-215.(in Chinese)