基于WRF/CALMET模式的江蘇沿海風能資源評估

朱金華　張淑君　許　昌　蔣澤陽

(1. 河海大學 力學與材料學院， 南京　210098； 2. 河海大學 能源與電氣學院， 南京　210098)

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基于WRF/CALMET模式的江蘇沿海風能資源評估

朱金華1張淑君1許昌2蔣澤陽2

(1. 河海大學 力學與材料學院， 南京210098； 2. 河海大學 能源與電氣學院， 南京210098)

摘要：利用中尺度WRF數(shù)值模式及CALMET模型對江蘇省某地區(qū)進行數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與這一地區(qū)的氣象站資料、測風塔實測資料進行對比，結(jié)果表明：WRF/CALMET模式可以較好地評估這一地區(qū)的風能資源，模擬結(jié)果風速與實際風速比較接近，氣象站10 m高度月平均風速與10 m高度平均風速模擬值的相關(guān)系數(shù)為0.868，測風塔80 m、100 m高度的月平均風速實測值與80 m、100 m高度平均風速模擬值的相關(guān)系數(shù)為0.819、0.867．風向和風速頻率分布模擬結(jié)果與實測結(jié)果比較一致，但主導風向有一定的誤差，各個方向上的相對誤差在±0.4%之間．整體來說，WRF/CALMET方法模擬結(jié)果較好，可以作為風能評估的有效輔助手段．

關(guān)鍵詞：WRF/CALMET；沿海地區(qū)；風能；數(shù)值模擬

近年來，風能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速．為了滿足風電產(chǎn)業(yè)大規(guī)模開發(fā)的需要，必須要有區(qū)域性風能資源的精確風速數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)方法是建立測風塔，但是測風塔成本較高，測點比較固定，無法進行大面積的數(shù)據(jù)收集，尤其對于海上來說，建立測風塔較為困難，所以對區(qū)域性風能資源進行數(shù)值模擬是十分必要的．近年來將中尺度模式與CALMET(California Meteorological Model)結(jié)合來對區(qū)域風場進行研究的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，其中，WRF是由美國多個大學和研究部門的科學家共同參與開發(fā)的新一代中尺度數(shù)值模式，代替了MM5成為應(yīng)用范圍較為廣泛的中尺度預報模式，相對于MM5來說，WRF模式的耗散項更小，精度更高，模擬結(jié)果的分辨率也更高．在風電方向，已經(jīng)有將MM5和CALMET結(jié)合進行風資源評估的案例，但是WRF和CALMET結(jié)合的案例較少：李艷等對海陵島進行了較高分辨率的模擬研究，模擬誤差為0.3%～29%，說明中尺度數(shù)值模式MM5的高分辨率的模式設(shè)計作為復雜海島地形風資源評估的有效性[1]；龔強等應(yīng)用MM5模式模擬了遼寧省的風能資源狀況，模式基本能夠反映復雜地形下的風場特征和風能資源參數(shù)的分布情況．但模擬的風能資源量偏小，特別是對大于10 m/s的較大風速模擬得明顯偏低[2]；吳瓊等結(jié)合了中尺度模式MM5和CALMET對鄱陽湖風能資源進行了模擬，較好地模擬出了鄱陽湖區(qū)風能資源的空間分布，但模擬結(jié)果有一定的偏差[3]；陳楠等人應(yīng)用WRF模式進行了空間分辨率為27 km的廣東海上風資源評估[4]，得出使用數(shù)值天氣預報對海上風資源進行評估是必須的，但是需要對模擬數(shù)據(jù)進行修正才能使用，而且分辨率不夠高．

江蘇省沿海屬溫帶和亞熱帶濕潤氣候區(qū)，又屬于東亞季風區(qū)，區(qū)內(nèi)具有南北氣候及海洋、大陸性氣候雙重影響的氣候特征．受大氣環(huán)流、海陸分布和地理條件等因素的共同影響，該地區(qū)季風氣候占主導地位，風向季節(jié)性變化強，夏季盛行東南風，冬季盛行東北風．本文將新一代的中尺度模式WRF和微尺度模式CALMET相結(jié)合對這一地區(qū)2012年1月1日～2012年12月31日的風能資源進行模擬研究，并將模擬結(jié)果與這一地區(qū)的氣象站資料、測風塔資料進行詳細對比分析，驗證該模式對該地區(qū)的風能資源評估的準確性．

1模擬資料來源和模擬方案

1.1模擬資料來源

1.1.1氣象站數(shù)據(jù)

本次選取縣城氣象站作為參證氣象站進行風能資源分析．重點模擬區(qū)域的中心位置距氣象站直線距離約為74 km．氣象站位于北緯33°12′，東經(jīng)120°29′，為一般氣象站，觀測場海拔高度4.1 m，觀測高度為10.2 m．

1.1.2測風塔數(shù)據(jù)

測風塔位于縣城西北部，經(jīng)緯度為(121.17°E，

32.7°N)，距離海岸線約40 km，塔高100 m．測風塔100 m和80 m高度設(shè)置兩套風速儀，朝向分別為NE、SE，在70 m、60 m、50 m、30 m高度各設(shè)置一套風速儀，在100 m、30 m高度設(shè)置風向標，在15 m高度設(shè)置濕度計、溫度計、氣壓儀．測風塔儀器全部采用美國NRG設(shè)備．

1.1.3模式原始資料

1)地形地表資料：WRF嵌套地形資料和數(shù)據(jù)均采用USGS資料．CALMET采用SRTM3資料．

2)全球氣象資料：采用NCEP的FNL資料，數(shù)據(jù)的分辨率為1°×1°．

1.2模擬方案

1.2.1模式設(shè)置

1)設(shè)置嵌套區(qū)域：WRF模式所模擬區(qū)域的中心點為(121.15°E，33.16°N)，模擬區(qū)域如圖1所示．采用了三重嵌套方案，模式的最高網(wǎng)格水平分辨選擇了4 km，垂直方向分為28層，由于風電場主要關(guān)注的是近地層的參數(shù)變化，所以增加了近地層內(nèi)的垂直層數(shù)．適度放大最內(nèi)層網(wǎng)格區(qū)以避免側(cè)邊界帶來的影響[5]．CALMET模式所選模擬區(qū)域的中心點為(121.15°E，33.16°N)，格點數(shù)為529×600，網(wǎng)格分辨率為1 km．

圖1　WRF/CALMET模式模擬區(qū)域

2)WRF中尺度模式選用的主要物理參數(shù)化過程：WSM3類簡單冰方案；RRTM方案；Dudhia方案；Monin-obukhov方案；熱量擴散方案；YSU方案；New-Eta方案．

1.2.2模擬方案

模擬的時間為2012年整年：2012年1月1日～2013年1月1日．首先，通過WRF模式進行分辨率為4 km的模擬；然后將WRF的模擬結(jié)果作為CALMET的初始條件，進行降尺度計算，得到分辨率1 km的風資源模擬數(shù)據(jù)．

2數(shù)據(jù)處理方法

2.1插值計算方法

因為實測數(shù)據(jù)為站點數(shù)據(jù)，進行模擬結(jié)果驗證的時候，需要將氣象站和測風塔所在位置的模擬數(shù)據(jù)提取出來，本文采用插值計算的方法提取站點模擬數(shù)據(jù)．

插值計算的計算方法為：將離測風塔最近的4個網(wǎng)格點的模擬結(jié)果通過雙線性內(nèi)插的方法插值到實測點上，作為與實測點比較的模擬值．雙線性內(nèi)插法的公式為：

2.2風能參數(shù)計算方法

由CALMET模式每隔1 h輸出一次距離地面10 m、80 m、100 m的高度層上、每個格點上的風向、風速[6]．根據(jù)輸出數(shù)據(jù)，分析計算月平均風速、年風向頻率和風能方向頻率等參數(shù)．

3計算結(jié)果分析及評估

3.1風速月變化

圖2是10 m、80 m、100 m的高度風速月變化圖，10 m高度的驗證數(shù)據(jù)為氣象站的數(shù)據(jù)，80 m和100 m的驗證數(shù)據(jù)為測風塔的實測數(shù)據(jù)．

圖2　不同高度月平均風速模擬值與實測值對比

由圖2可知，風速隨月份的變化較大，2～4月風速較大，8～10月風速較小，造成風速月變化較大的影響因素很多，季節(jié)變化帶來的溫度、氣壓等的變化是主要原因．從圖中可看出，模擬值與實測風速月變化比較一致，WRF/CALMET模式可以較好地模擬出不同高度的風速大小及變化趨勢．經(jīng)計算，氣象站10 m高度月平均風速與10 m高度平均風速模擬值的相關(guān)系數(shù)為0.868，測風塔80 m、100 m高度月平均風速實測值與80 m、100 m高度平均風速模擬值的相關(guān)系數(shù)為0.819、0.867，整體來說實測值和模擬值的相關(guān)性較好，WRF/CALMET模式的模擬結(jié)果與實測值比較接近．但是圖2中，相比于其他月份，8月3個高度的模擬值與實測值相對誤差較大，這主要是因為2012年影響這一地區(qū)的熱帶氣旋次數(shù)較多，2012年8月江蘇省先后受到5個熱帶氣旋的影響，其中對模擬區(qū)域影響較大的是10號臺風“達維”、11號強臺風“海葵”和15號超強臺風“布拉萬”．由于WRF為中尺度模式，其最小的模擬網(wǎng)格也達到4 km，這樣的精度很難跟蹤到臺風的路徑和其風速大小，所以造成了模擬值的偏差．

3.2風速分布

圖3分別為10 m、80 m、100 m高度的年平均風速分布圖，由圖可以看出，風速下降梯度很大，由海上向陸地降低，海上風速大于陸上風速，這是由于海面相比于陸地更平滑，摩擦力小[7]，因而在同樣氣壓梯度力下，海上風速要比陸地風速大．海岸線附近的風速梯度變化更明顯，出現(xiàn)了風速急劇變化的現(xiàn)象，這是由于海洋和陸地受熱不均勻而在海岸附近會形成有日變化的海陸風，所以會出現(xiàn)海岸線附近風速變化較大的情況．在近地層的范圍內(nèi)，風速的變化較大，因素較多，這也對風資源的評估模式提出了更高的要求．

圖2的月平均風速分別是氣象站和測風塔的數(shù)據(jù)，由圖2可以計算出10 m、80 m、100 m三個高度對應(yīng)的實測年平均風速分別為：2.55 m/s、7.51 m/s、8.23 m/s，這與圖3中氣象站和測風塔所在位置的年平均風速大致相符．

由圖3中100 m高度的年平均風速分布圖可以看出，大風區(qū)域主要在(120.8°E～121.2°E，33.6°N～33.8°N)和(121.2°E～121.6°E，32.2N～32.8°N)的范圍內(nèi)，具體區(qū)域如圖所示，這與此地區(qū)在2014年所建的風電場裝機位置大致重合，說明了WRF/CALMET模式進行風電場宏觀選址的可行性．

圖3　不同高度年平均風速分布圖

3.3風向分布

圖4是100 m高度上測風塔實測值和模擬值的風玫瑰圖，從圖4中可以看出，模式對風向的模擬較為準確，模擬區(qū)域的實際主導風向為N，模擬結(jié)果的主導風向為NNE，有一定的偏差，各風向相對誤差大小見表1，各個方向上的相對誤差在±0.4%之間．風能方向一致性很好，與風向頻率比較吻合．

圖4　100 m高度實測值和模擬值的風玫瑰圖

風向頻率/%實測值 模擬值 相對誤差/%N13.110.8-0.176NNE11.714.50.239NE7.37.60.041ENE5.56.50.182E5.560.091ESE5.75.1-0.105SE6.55-0.231SSE88.60.075S5.36.70.264SSW4.35.30.233SW3.640.111WSW1.90-1W2.61.7-0.346WNW43.4-0.15NW5.37.60.434NNW9.57-0.263

3.4WRF/CALMET模式誤差原因分析

3.4.1WRF/CALMET模式影響

WRF和CALMET模式中的物理過程、參數(shù)化方案、嵌套方案不同組合會對模擬結(jié)果產(chǎn)生不同的影響，但即使是最接近實際情況的方案，也會因為模式本身的原因有一定的誤差．此外，氣象資料和地形資料的分辨率、準確率等也會對模擬結(jié)果有明顯影響．

3.4.2實際地形的影響

江蘇沿海地區(qū)地勢低平，地形相對變化較小，海岸線較長，沿海灘涂面積廣闊，沿海地區(qū)由于受海洋的影響，風隨高度變化、風能資源分布與內(nèi)陸地區(qū)有很大不同．通常邊界層內(nèi)的風速隨高度升高而遞增，但由于地形和天氣系統(tǒng)等影響，實際上邊界層內(nèi)的風速變化較為復雜，對模擬結(jié)果的準確性產(chǎn)生影響．

3.4.3氣候影響

由于海陸兩種下墊面的性質(zhì)不同，在海岸帶附近都存在著溫度差異，這種差異產(chǎn)生了氣壓梯度力：海洋為熱源時，盛行風為從陸地吹向海洋．陸地為熱源時，盛行風為從海洋吹向陸地，氣壓梯度力的反復變化會對風速的模擬結(jié)果產(chǎn)生影響．

4結(jié)論

本文應(yīng)用WRF/CALMET模式對江蘇沿海某地區(qū)風能資源狀況進行了數(shù)值模擬，結(jié)合該地區(qū)氣象站和測風塔同期觀測資料對模擬結(jié)果進行結(jié)果驗證，驗證發(fā)現(xiàn)：

1)WRF/CALMET模式能夠較好地模擬出這一地區(qū)風能資源分布情況，能比較真實地反映區(qū)域內(nèi)風速和風向：氣象站10 m高度月平均風速與10 m高度平均風速模擬值相關(guān)系數(shù)為0.868，測風塔80 m、100 m高度月平均風速實測值與80 m、100 m高度平均風速模擬值相關(guān)系數(shù)為0.819、0.867．模擬的主導風向及風速集中區(qū)與實測比較一致，但在主導風向有一方位的偏差．

2)通過WRF/CALMET模式可以確定此地區(qū)的大風區(qū)域主要在(120.8°E～121.2°E，33.6°N～33.8°N)和(121.2°E～121.6°E，32.2°N～32.8°N)的范圍內(nèi)，說明WRF/CALMET模式可以為風電場的宏觀選址提供科學依據(jù)．

3)因為數(shù)值模擬的空間網(wǎng)格點數(shù)遠超過氣象站和測風塔的數(shù)量，所以空間上能夠較氣象站更細致地反映風速分布狀況，適宜于風電場宏觀選址．此外，這一模式還可以應(yīng)用于對測風塔資料的實測風速進行訂正，對已建成的風電場建立風速預報模型，以滿足風電場的風功率預報的需求．

4)通過模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行對比，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)整體比實測風速偏大，且風向的模擬結(jié)果與實測值相比有一定的偏差．說明WRF/CALMET模式還存在局限性，準確性仍有待提高．

參考文獻：

[1]Wind Energy Simulation Toolkit(WEST)：A Wind Mapping System for Use by the Wind-Energy Industry[M]．

[2]龔強，袁國恩，張云秋，等．MM5模式在風能資源普查中的應(yīng)用試驗[J]．資源科學，2006(1)：145-150．

[3]吳瓊，賀志明，聶秋生．動力降尺度法對鄱陽湖風能資源模擬效果分析[Z]．中國北京：2014．

[4]陳楠，楊蘋，鄒澍，等．基于WRF模式的廣東海上風資源評估[J]．裝備環(huán)境工程，2013(5)：1-6．

[5]趙志朋．中尺度風資源數(shù)值模擬試驗分析[J]．能源與節(jié)能，2014(10)：80-82，89．

[6]Larsén X G， Larsen S R， Badger M． A Case-study of Mesoscale Spectra of Wind and Temperature， Observed and Simulated[J]． Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society， 2011， 137(654)：264-274．

[7]羅夢森，何浪，彭華青．基于WRF模式的江蘇沿海風資源評估[J]．江蘇農(nóng)業(yè)科學，2011(3)：486-491．

[責任編輯王康平]

收稿日期：2015-09-10

基金項目：中丹國際科技合作專項項目(2014DFG62530)；國網(wǎng)南瑞科技項目(風電機組智能控制技術(shù)研究及示范)；南通市科技項目(BK2014028)

通信作者：張淑君(1969-)，女，副教授，研究方向為計算流體力學．E-mail：zhsj@hhu.edu.cn

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.01.013

中圖分類號：TK81

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)01-0062-04

WRF and CALMET Common Modeling and Assessment of Wind Energy for Offsea Reion in Jiangsu Province

Zhu Jinhua1Zhang Shujun1Xu Chang2Jiang Zeyang2

(1. College of Mechanics & Materials, Hohai Univ., Nanjing 210098, China；2. College of Energy & Electrical Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractWRF/CALMET model system was used to simulate wind energy in offsea region of Jiangsu province; and the simulated results were compared with the determination data from one anemometer tower and the weather station．The results show that the WRF/CALMET model system was well able to simulate wind energy of the region. The data correlation coefficient of weather station and the height of 10 metre average wind speed simulation is 0.868. Correlation coefficient of Wind tower height of 80 m and 100 m monthly average wind speed measured values and the height of 80 m and 100 m average wind speed simulation value is 0.819, 0.867. Wind direction and wind speed frequency simulation results are as similar as the measured results. The arrange of correlated error is between -0.4 and 0.4. As a whole, the simulated results of WRF/CALMET model system can be the method of simulating wind energy.

KeywordsWRF/CALMET；offsea region； wind energy；numerical simulation