ERA5再分析資料在風能資源方面的應用

賀莉微，孫朋杰，曾 琦

（1.湖北省氣象服務中心，武漢 430074；2.湖北省氣象能源技術開發(fā)中心，武漢 430074）

中國是世界上最大的能源消費國，同樣也是全球最大的風能生產(chǎn)國，產(chǎn)能居于世界第一。能源問題關乎國家安全和社會穩(wěn)定，然而傳統(tǒng)能源易帶來水資源污染和環(huán)境污染問題，同時也會造成地表生態(tài)破壞，不易修復，給人們的生活環(huán)境帶來危害，因此綠色可再生能源是未來發(fā)展的戰(zhàn)略方向［1］。近年來中國可再生能源發(fā)展迅猛，能源市場結構發(fā)生了很大變化，風電行業(yè)的主要矛盾從發(fā)電設備的研制生產(chǎn)轉(zhuǎn)向風電場選址和風資源評估［2］。中國風電場主要集中在西北、華北、東北地區(qū)，但由于其裝機容量超過電網(wǎng)輸送能力，因此“棄風”現(xiàn)象很普遍［3-5］，為了緩解“棄風限電”問題，降低風電輸送成本，提高就地利用率，中國中東部和南方山區(qū)風電開發(fā)逐漸增多［6］。有分析指出湖北省風能資源較為豐富，風能資源儲量近1 300萬kW［7］，因此，客觀合理地開展對風資源的評估工作，能夠為風資源高效合理的利用和風電場場址選取及建設提供科學的依據(jù)。

當前對于再分析資料的適用性問題已經(jīng)有許多學者進行了研究，并得出了相關結論，胡毅鴻等［8］和黃穎等［9］利用ERA-Interim再分析資料，分別對北方農(nóng)牧交錯帶春季近地面風速變化和祁連山周邊降水量時空變化進行了相關分析。孟憲貴等［10］利用ERA5再分析資料對山東省地面和高空資料的適用性進行了評估，結果表明風場在中高層適用性較好，且ERA5總體優(yōu)于ERA-Interim。此外還有其他再分析資料的應用，趙彥廠等［11］利用NCEP/NCAR再分析資料對江蘇省區(qū)域的風能進行數(shù)值模擬，結果顯示模擬結果與實測場較為一致。魏瑩等［12］采用JRA-55、ERA5-Interim和MERRA 3種再分析資料分析2 m溫度在高原東部的適用性，結果顯示三者均能很好地呈現(xiàn)其顯著增溫趨勢。

目前對ERA5再分析資料在風能方面的應用還較為鮮見，因此，本研究借助ERA5再分析資料對湖北省70 m高度風速進行推算，利用省內(nèi)110座測風塔70 m高度實測風速對其進行檢驗，從而對ERA5再分析資料在湖北省風能方面的應用進行初步的評估，以期為企業(yè)提供“找風”服務。

1 資料與方法

1.1 資料

本研究選取的氣象資料由湖北省氣象信息與技術保障中心提供，資料內(nèi)容為湖北省境內(nèi)76個國家氣象站2000—2019年地面10 m高度的平均風速，資料均經(jīng)過氣象部門質(zhì)控。選取的再分析資料為歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）制作發(fā)布的ERA5單月平均水平數(shù)據(jù)格點資料，時間分辨率為1 h，水平空間分辨率為0.25°×0.25°，可提供離地10 m高度的數(shù)據(jù)資料，選取的時間、空間跨度為2000—2019年湖北省范圍內(nèi)10 m高度月平均風速。同時還選取湖北省范圍內(nèi)110座測風塔70 m高度月平均風速資料，氣象站和測風塔具體分布情況如圖1所示。

圖1 湖北省范圍內(nèi)氣象站和測風塔分布

1.2 方法

1.2.1 依據(jù)地理條件進行分區(qū) 湖北省處于中國第二級階梯向第三級階梯的過渡地帶，三面環(huán)山，中部低平且略呈向南展開的不完整盆地。地貌復雜多樣，包括山地、丘陵、崗地以及平原。省內(nèi)海拔500 m以上的山地占全省面積的56%，海拔500 m以下的丘陵地區(qū)占全省面積的24%，平原湖區(qū)占20%。因此，本研究主要依據(jù)省內(nèi)地理條件，將全省劃分為8個區(qū)［13］（表1、圖2）。

表1 湖北省各分區(qū)范圍內(nèi)地貌特點

圖2 湖北省地貌特征及分區(qū)

1.2.2 反距離加權插值 反距離加權插值（Inverse distance weight），也可以稱為距離倒數(shù)乘方法。距離倒數(shù)乘方格網(wǎng)化方法是一個加權平均插值法，可以進行確切的或者圓滑的方式插值。方次參數(shù)控制著權系數(shù)如何隨著離開一個格網(wǎng)結點距離的增加而下降。對于一個較大的方次，較近的數(shù)據(jù)點被給定一個較高的權重份額，對于一個較小的方次，權重比較均勻地分配給各數(shù)據(jù)點。目前這種方法在對氣候要素的插值應用中十分普遍。

1.2.3 相關分析 相關分析是研究兩個或兩個以上處于同等地位的隨機變量間相關關系的統(tǒng)計分析方法，在氣象、水文、社會經(jīng)濟學等多個領域都有所應用。本研究利用ArcGIS中的提取工具，提取指定經(jīng)緯度的屬性值，進而分析氣象站與再分析資料之間的相關關系。

1.2.4 70 m風速推算 本研究利用多元回歸方法，選擇測風塔70 m高度月平均風速、再分析資料10 m高度月平均風速、經(jīng)度、緯度和海拔高度進行建模。

式中，a1為常數(shù)項，a2、a3、a4、a5分別為方程中各自變量的獨立系數(shù)，S70m為測風塔70 m高度月平均風速（m/s），S10m為再分析資料10 m高度月平均風速（m/s），X和Y分別為經(jīng)度（°）和緯度（°），H為海拔高度（m）。

通過式（1）得到各區(qū)70 m高度實測風速和再分析資料10 m高度風速、經(jīng)緯度和海拔高度之間的關系，利用ArcGIS中的提取工具，提取各區(qū)范圍內(nèi)的再分析資料10 m高度風速、經(jīng)緯度和海拔高度，利用式（1）推算得到70 m高度風速，最后插值到各區(qū)范圍內(nèi)，得到湖北省70 m高度年平均風速。

2 ERA5再分析資料與氣象站之間的關系

歐洲中期天氣預報中心（ECWMF）是較早開展數(shù)據(jù)再分析研究的機構，其再分析資料已前后歷經(jīng)了4代，2017年7月發(fā)布了第五代ERA5數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)滯后約3個月的實時更新。ERA5是在第四代ERA-Interim的基礎上進行了升級［10］。

2.1 10 m高度平均風速特征

近20年氣象站和再分析資料10 m高度年平均風速如圖3所示。從圖3a可以看到，湖北省10 m高度年平均風速呈中部高、東西低的特點，在鄂西北襄陽市、江漢平原荊門市和荊州市、鄂東北孝感市和鄂東南鄂州市為大值區(qū)，最大值為3.3 m/s（鄂州市），在鄂西地區(qū)為小值區(qū)，最小值為0.7 m/s（恩施市）。從圖3b可以看到，再分析資料也呈中部高、東西低的特點，能夠很好地反映出全省風速大小趨勢的空間分布。為了能夠詳細表現(xiàn)出二者之間的差異，湖北省各地市再分析資料和氣象站平均風速、最大風速和最小風速之差如圖3c所示，神農(nóng)架地區(qū)再分析資料和氣象站二者風速相當，而除了黃石市和鄂州市最大風速的再分析資料比氣象站偏小0.2 m/s和0.6 m/s之外，其他地市的平均風速、最大風速和最小風速的再分析資料均比氣象站偏大，其中，平均風速偏大0.2 m/s（鄂州市、恩施市）至0.9 m/s（潛江市、仙桃市），最大風速偏大0.1 m/s（襄陽市）至1.0 m/s（宜昌市），最小風速偏大0.1 m/s（宜昌市）至1.0 m/s（宜昌市、天門市、潛江市、仙桃市）。

圖3 近20年氣象站（a）和再分析資料（b）10 m高度年平均風速及各地市二者平均風速、最大風速和最小風速之差（c）

2.2 再分析資料與氣象站的相關性分析

通過分析湖北省范圍內(nèi)76個氣象站與再分析資料的相關性，可以得到，除赤壁、鄂州、五峰、長江三峽、竹山5站未通過檢驗外，其他71個站均通過了α=0.1的相關性檢驗。33個氣象站的相關系數(shù)超過0.8，最大值出現(xiàn)在襄陽站，為0.976。各分區(qū)范圍內(nèi)站點的相關系數(shù)如圖4所示，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ區(qū)范圍內(nèi)各站點的相關系數(shù)均超過0.7，Ⅰ區(qū)中鶴峰站為0.5，五峰站為-0.3，其他6個站點均超過0.7，Ⅱ區(qū)中興山站為0.5，三峽站為-0.1，其他9個站點均超過0.7，Ⅲ區(qū)中竹山站為0.2，其他4個站點均超過0.6，Ⅶ區(qū)中赤壁站為0.4，崇陽站為0.5，鄂州站為-0.1，其他8個站點均超過0.6。

圖4 各區(qū)范圍內(nèi)再分析資料與氣象站之間的相關系數(shù)

3 再分析資料70 m高度風速推算

3.1 分區(qū)建模

利用式（1）構建各區(qū)多元回歸方程，將再分析資料的10 m高度風速推算至70 m高度。由于Ⅲ區(qū)范圍內(nèi)的測風塔數(shù)量較少，建模的結果缺乏代表性和穩(wěn)定性，而Ⅲ區(qū)和Ⅱ區(qū)同屬鄂西山地地區(qū)，位于神農(nóng)架南北坡，因此綜合考慮，將Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)納入到一起進行建模，建模結果見表2。由表2可以看出，各區(qū)多元回歸方程的復相關系數(shù)均在0.5以上，Ⅷ區(qū)最高，為0.828，各區(qū)相對誤差絕對值的平均值均控制在17%以內(nèi)，Ⅷ區(qū)相對誤差絕對值的平均值最小，為8.1%，除此之外，還可以看出，在地形復雜的鄂西山區(qū)（Ⅰ、Ⅱ+Ⅲ、Ⅳ區(qū)）相對誤差最大，范圍內(nèi)有大型山體的Ⅵ、Ⅶ區(qū)次之，位于地勢平坦的江漢平原（Ⅷ區(qū)）相對誤差最小。

3.2 結果分析及檢驗

根據(jù)表2各區(qū)方程推算出湖北省70 m高度風速，由圖5可知，湖北省風資源較好的地區(qū)：Ⅰ區(qū)西北部利川一帶，最大風速為5.4 m/s；Ⅱ區(qū)西北部興山地區(qū)，最大風速為5.6 m/s，東南部五峰-松滋一帶，最大風速為5.2 m/s左右；Ⅲ區(qū)神農(nóng)架中部地區(qū)，最大風速為6.0 m/s；Ⅳ區(qū)東南部南漳地區(qū)，最大風速為6.4 m/s；Ⅴ區(qū)西部荊門市北部地區(qū)，最大風速為7.1 m/s，北部隨州-廣水一帶，最大風速為6.2 m/s左右；Ⅵ區(qū)西部孝感市和東南部黃梅縣，最大風速分別為5.6 m/s和5.3 m/s；Ⅶ區(qū)中部崇陽與通山交界處，最大風速為6.2 m/s；Ⅷ區(qū)東部洪湖一帶，最大風速為6.0 m/s。綜上所述，湖北省風資源較好的地區(qū)主要有鄂東北桐柏山和大洪山一帶，中部南漳-荊門一帶，大別山和幕阜山的高海拔地區(qū)，還有西部神農(nóng)架、南部洪湖等零散分布的地區(qū)。

圖5 再分析資料70 m高度風速推算

表2 各區(qū)多元回歸模型及相對誤差絕對值的平均值

利用湖北省內(nèi)110座測風塔70 m高度經(jīng)過長年代訂正后的風速，對推算結果進行檢驗，結果見圖6、圖7。從圖6、圖7可以看出，再分析資料70 m推算結果除各別點偏大之外，各區(qū)整體偏小，其中Ⅰ區(qū)利川縣內(nèi)18#和19#測風塔處推算結果與長年代訂正后的風速值相當，其他偏小0.7 m/s（利川縣，20#）至2.8 m/s（五峰縣，6#），平均偏小1.6 m/s；Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)中松滋縣內(nèi)25#測風塔處推算結果與長年代訂正后的風速值相當，遠安縣內(nèi)27#測風塔處偏大0.6 m/s，其他偏小0.9 m/s（保康縣，31#）至3.0 m/s（長陽縣，29#），平均偏小1.5 m/s；Ⅳ區(qū)南漳縣內(nèi)35#測風塔和丹江口市內(nèi)39#測風塔處分別偏大0.3 m/s和1.1 m/s，其他偏小0.3 m/s（襄陽市內(nèi)34#、丹江口市內(nèi)38#）至0.7 m/s（南漳縣內(nèi)36#，鄖西縣內(nèi)40#和41#），平均偏小0.5 m/s；Ⅴ區(qū)廣水市內(nèi)60#和棗陽市內(nèi)68#測風塔處推算結果與長年代訂正后的風速值相當，西南部荊門市和東北部棗陽市平均分別偏大0.9 m/s（47#至51#）和0.3 m/s（69#），其他偏小0.1 m/s（隨州市內(nèi)44#、廣水市內(nèi)57#）至1.4 m/s（京山市內(nèi)65#），平均偏小0.6 m/s；Ⅵ區(qū)紅安縣內(nèi)76#測風塔、麻城縣內(nèi)85#和86#測風塔、武穴縣內(nèi)90#測風塔處偏大0.5、0.1、0.2、0.2 m/s，其他偏小0.1 m/s（武穴市內(nèi)91#，大悟縣內(nèi)93#）至1.4 m/s（孝昌縣內(nèi)73#），平均偏小0.6 m/s；Ⅶ區(qū)通山縣內(nèi)103#測風塔處推算結果與長年代訂正后的風速值相當，陽新縣內(nèi)101#測風塔處偏大0.6 m/s，其他偏小0.3 m/s（崇陽縣內(nèi)97#）至0.7 m/s（通城縣內(nèi)102#），平均偏小0.5 m/s；Ⅷ區(qū)天門市（105#至108#）推算結果與長年代訂正后的風速值相當，公安縣內(nèi)109#測風塔處偏大0.8 m/s，石首縣內(nèi)104#測風塔和漢川市內(nèi)110#測風塔處分別偏小1.7 m/s和0.3 m/s。

圖6 湖北省內(nèi)110座70 m高度測風塔在各區(qū)的分布

圖7 各區(qū)再分析資料70 m高度推算風速與測風塔長年代訂正后風速之差

綜上分析可以看出，再分析資料在湖北省內(nèi)70 m高度的推算結果偏小，各區(qū)偏小程度不同，在鄂西山區(qū)偏小最為明顯，尤其是Ⅰ區(qū)偏小最大，平均為1.6 m/s，其次是Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，平均為1.5 m/s，Ⅰ區(qū)中西北部的利川縣北部和東部的五峰縣東部風速偏小較明顯，這與山區(qū)地形復雜和局地小氣候有關，因此方程有待進一步優(yōu)化。位于江漢平原的Ⅷ區(qū)推算結果較好，尤其是天門一帶。

4 小結與討論

本研究通過湖北省內(nèi)地貌特征將其分為8個區(qū)，利用近20年的ERA5再分析資料和氣象站風速，分析了二者之間的相關關系，再結合湖北省內(nèi)110座70 m高度測風塔資料，利用多元回歸方法分區(qū)建立70 m高度風速推算方程，并對推算結果進行檢驗，得到以下結論。

1）湖北省10 m高度年平均風速呈中部高、東西低的特點，襄陽-荊門-孝感-鄂州一帶為大值區(qū)，鄂西為小值區(qū)。再分析資料能夠很好地反映全省風速大小趨勢的空間分布。

2）再分析資料整體比氣象站風速偏大，平均風速在江漢平原和鄂北孝感-隨州一帶偏大較明顯，平均偏大0.8 m/s；最大風速在宜昌-潛江-天門-仙桃一帶偏大明顯，平均偏大0.8 m/s；最小風速在江漢平原大部和鄂北襄陽-隨州-孝感一帶偏大明顯，平均偏大0.9 m/s。

3）通過對76個氣象站風速與再分析資料風速之間的相關性進行分析，71個氣象站通過了α=0.1的相關性檢驗。處于鄂北的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ區(qū)和位于江漢平原的Ⅷ區(qū)，其相關系數(shù)均超過0.7，而位于鄂西山區(qū)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)和平原向丘陵及山區(qū)過渡的鄂東南Ⅶ區(qū)均有未通過檢驗的站點。

4）利用多元回歸方法，對各個區(qū)70 m高度風速進行推算，結果顯示湖北省風資源較好的地區(qū)主要有鄂東北桐柏山和大洪山一帶，中部南漳-荊門一帶，大別山和幕阜山的高海拔地區(qū)，還有西部神農(nóng)架、南部洪湖等零散分布的地區(qū)。

5）利用湖北省內(nèi)110座測風塔經(jīng)過長年代訂正之后的風速進行推算結果檢驗，得出推算結果整體偏小，尤其是鄂西山區(qū)偏小最為明顯，平均偏小1.6 m/s，與山區(qū)地形復雜和局地小氣候有很大的關系，而位于江漢平原的Ⅷ區(qū)推算結果較好，尤其是天門一帶。