青海共和盆地風(fēng)能資源形成機(jī)理研究

劉軍濤，陳 彬，徐 棟

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710000)

0 前 言

青海省位于青藏高原東北部，高海拔、高原氣候以及特殊的局部地形，使得青海省具備豐富的風(fēng)能資源。截止2021年底，青海省電力裝機(jī)達(dá)4 286萬(wàn)kW，其中，水電裝機(jī)1 263萬(wàn)kW、光伏裝機(jī)1 656萬(wàn)kW、太陽(yáng)能熱發(fā)電裝機(jī)21萬(wàn)kW、風(fēng)電裝機(jī)953萬(wàn)kW，清潔能源裝機(jī)占比90.83%，新能源裝機(jī)占比61.36%，持續(xù)保持全國(guó)最高。青海省東北部的共和盆地中上部地區(qū)已建、在建風(fēng)電項(xiàng)目總裝機(jī)容量約461.4萬(wàn)kW，占全省風(fēng)電裝機(jī)的48%。隨著《青海打造國(guó)家清潔能源產(chǎn)業(yè)高地行動(dòng)方案(2021-2030年)》《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》以及國(guó)務(wù)院關(guān)于同意《海南藏族自治州建設(shè)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新示范區(qū)的批復(fù)》，海南州這片熱土將再次成為青海省新能源建設(shè)主戰(zhàn)場(chǎng)。

在開(kāi)發(fā)海南州共和盆地風(fēng)能資源的過(guò)程中，對(duì)其風(fēng)的成因的剖析至關(guān)重要，其形成機(jī)理也很復(fù)雜，部分學(xué)者及從業(yè)者開(kāi)展了相關(guān)研究。方韻等[1]通過(guò)研究高原地區(qū)的緯向環(huán)流，發(fā)現(xiàn)由于高原熱力作用，青藏高原上空的緯向環(huán)流有明顯的季節(jié)突變現(xiàn)象。陳宗顏等[2]利用共和盆地茶卡、共和、貴南三站2012—2015年的測(cè)風(fēng)資料，分析了盆地風(fēng)向、風(fēng)速的變化特征，研究得出盆地冬春季在蒙古高壓和羌塘高壓的影響下形成西北風(fēng)系，年平均、季節(jié)平均和月平均風(fēng)速都有自盆地西北部向東南部變小的趨勢(shì)。針對(duì)青藏高原或其東北邊緣的共和盆地，各類研究以氣候氣象變化等方面研究居多，區(qū)域及典型區(qū)域的風(fēng)能資源形成機(jī)制和變化規(guī)律研究較少，特別是大型水體(如青海湖、茶卡鹽湖、龍羊峽水庫(kù)等)、特殊地形(昆侖山脈、祁連山脈、狹管地形等)因素對(duì)局部風(fēng)能資源的影響的研究還未見(jiàn)到報(bào)道。

為了高質(zhì)量地推進(jìn)青海共和盆地風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)，本文主要從風(fēng)能特征、風(fēng)能成因、影響因素等方面，利用共和盆地多座氣象站、測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算、分析了該地區(qū)年內(nèi)風(fēng)向、風(fēng)速及風(fēng)切變變化規(guī)律，并結(jié)合大氣環(huán)流、海陸熱力差、狹管效應(yīng)及坡度影響，分析該地區(qū)風(fēng)能形成機(jī)理，為共和風(fēng)電基地開(kāi)發(fā)提供支撐。

1 共和盆地風(fēng)能特性

共和盆地位于青海省東北側(cè)，青海湖南側(cè)，是以共和縣為中心的盆地，西北部為烏蘭縣，南部為貴南縣和興海縣，面積為1.38萬(wàn)km2。共和盆地地形呈喇叭狀，主要受北側(cè)青海南山和南側(cè)鄂拉山"兩山夾一谷"加速效應(yīng)影響，使得盆地上部風(fēng)速增大；中、下部由于地勢(shì)逐漸開(kāi)闊，氣流膨脹，使得風(fēng)速總體減弱，盛行風(fēng)向也發(fā)生明顯的變化。

1.1 氣象站資料分析

從青海共和盆地上中下部3個(gè)區(qū)域氣象站數(shù)據(jù)分析來(lái)看，茶卡氣象站風(fēng)速最大、共和氣象站次之、貴南氣象站最小。該地區(qū)3—5月風(fēng)速較大，8—10月風(fēng)速較小，即春季風(fēng)大，秋季風(fēng)小。從茶卡至貴南，冬春季盛行風(fēng)向自西(W)向西北(NW)逐漸偏轉(zhuǎn)；夏秋季自東東南(ESE)向南東南(SSE)逐漸偏轉(zhuǎn)。各氣象站地理位置示意見(jiàn)圖1，氣象站風(fēng)速、風(fēng)向變化分別見(jiàn)圖2～5。

圖1 共和盆地各氣象站地理位置分布

圖2 氣象站近30 a平均風(fēng)速變化

圖3 氣象站近30 a各月平均風(fēng)速變化

圖4 各氣象站近30 a風(fēng)向玫瑰圖

1.2 測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)分析

1.2.1風(fēng) 速

本次基于10座測(cè)風(fēng)塔90 m高度風(fēng)速數(shù)據(jù)對(duì)共和盆地風(fēng)能變化特征進(jìn)行分析，各塔均訂正至同一水平年，可以視為平風(fēng)年。各測(cè)風(fēng)塔位置關(guān)系示意見(jiàn)圖5，年平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖5 共和盆地各測(cè)風(fēng)塔地理位置

表1 共和盆地各測(cè)風(fēng)塔90 m高度平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)分析可以看出，盆地內(nèi)部風(fēng)速變化特征表現(xiàn)為：自西北至東南，上部、中部風(fēng)速高于下部，且分別自中部至上部、中部至下部風(fēng)速有減小的變化趨勢(shì)；自中部至下部風(fēng)速快速下降，特別是龍羊峽水庫(kù)北側(cè)共和縣城區(qū)域風(fēng)速較小；盆地中部、上部區(qū)域的東側(cè)風(fēng)速最大，中間風(fēng)速次之，西側(cè)風(fēng)速最小。

1.2.2風(fēng) 向

根據(jù)各測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)分析，盆地上部主風(fēng)向?yàn)槲魑鞅?WNW)；中部受山脊走勢(shì)及通道變窄影響，主風(fēng)向略有偏轉(zhuǎn)，為西西北(WNW)～西北(NW)；下部通道突然拓寬后，風(fēng)向變化復(fù)雜，由北向南風(fēng)向從西西北(WNW)向西北(NW)偏轉(zhuǎn)，而龍羊峽水庫(kù)東岸區(qū)域主風(fēng)向則為東東北(ENE)，共和盆地主風(fēng)向變化見(jiàn)圖6。

圖6 盆地主風(fēng)向變化

1.2.3切 變

風(fēng)切變是指風(fēng)速在垂直于風(fēng)向平面內(nèi)的變化。根據(jù)GB/T 18710-2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》[3]，通常用于描述風(fēng)速剖面線形狀的冪定律指數(shù)即為風(fēng)切變指數(shù)。各測(cè)風(fēng)塔不同高度風(fēng)速隨高度變化的擬合曲線見(jiàn)圖7，可以看出，盆地中部、至下部龍羊峽水庫(kù)西岸區(qū)域風(fēng)切變指數(shù)大于盆地上部風(fēng)切變，下部龍羊峽水庫(kù)東岸區(qū)域風(fēng)切變指數(shù)最小。

圖7 各測(cè)風(fēng)塔不同高度風(fēng)速隨高度變化的擬合曲線

2 共和盆地風(fēng)能機(jī)理研究

2.1 大氣環(huán)流

大氣環(huán)流形成的原因：一是太陽(yáng)輻射不均勻；二是大氣受地轉(zhuǎn)偏向力影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)；三是地球表面海陸分布不均勻；四是大氣內(nèi)部南北之間熱量、動(dòng)量的相互交換。以上各種因素構(gòu)成了地球大氣環(huán)流的平均狀態(tài)和復(fù)雜多變的形態(tài)。使得大氣在赤道低氣壓區(qū)、副熱帶高氣壓區(qū)、副極地低氣壓區(qū)和極地高氣壓區(qū)之間形成了3個(gè)環(huán)流，共和盆地位于北半球副熱帶高氣壓帶與副極地低氣壓帶間的西風(fēng)帶，冬季盛行偏西風(fēng)、夏季盛行偏南風(fēng)。

2.2.1冬季環(huán)流

青藏高原對(duì)西風(fēng)氣流產(chǎn)生明顯的阻擋作用。冬季，50 kPa等壓面上，中緯度西風(fēng)氣流經(jīng)過(guò)青藏高原發(fā)生分支，北支繞過(guò)天山以后折向南下，形成強(qiáng)大的新疆高壓脊[4]；南支經(jīng)過(guò)印巴大陸、過(guò)孟加拉灣后折向北，形成寬廣的孟加拉灣低壓槽[5]。

高原北支西風(fēng)急流南下，部分氣流越過(guò)阿爾金山脈到達(dá)柴達(dá)木盆地，形成冷空氣堆積，當(dāng)冷空氣足夠強(qiáng)后越過(guò)鄂拉山進(jìn)入共和盆地，受南側(cè)昆侖山脈和北側(cè)祁連山脈的走勢(shì)影響，繼續(xù)向西流動(dòng)；南支西風(fēng)急流雖有部分氣流越過(guò)喜馬拉雅山脈進(jìn)入高原，但均表現(xiàn)為弱風(fēng)，因此，共和盆地冬季上空盛行偏西風(fēng)。青藏高原50 kPa等壓面冬季環(huán)流示意如圖8所示。

圖8 青藏高原50 kPa等壓面冬季環(huán)流

2.1.2夏季環(huán)流

夏季由于太陽(yáng)直射點(diǎn)北移，西風(fēng)帶氣流也退至青藏高原以北。50 kPa等壓面上高原以東和以西分別是西太平洋副熱帶高壓西伸脊[6]和伊朗高壓東伸脊[7]，高原主體位于副熱帶高壓的斷裂帶中。在高原上空是西風(fēng)氣流和季風(fēng)氣流直接匯合形成的50 kPa切變線[8]，其上常有次天氣尺度的50 kPa低渦活動(dòng)。高原以北低空仍是一連串的反氣旋渦旋，而高原以南為印度季風(fēng)槽和季風(fēng)低壓，在高原背風(fēng)坡的川西地區(qū)西南低渦活動(dòng)頻繁。青藏高原50 kPa等壓面夏季環(huán)流示意如圖9所示，可以看出共和盆地上空夏季盛行偏南風(fēng)[9]。

圖9 青藏高原50 kPa等壓面夏季環(huán)流

2.1.3高原季風(fēng)

高原季風(fēng)的成因是冬、夏季高原大氣具有相反的熱力作用。冬(夏)季高原上大氣是冷(熱)源，因此在高原近地層為反氣旋(氣旋)式環(huán)流，則高原臨近地區(qū)的大氣環(huán)流就呈現(xiàn)出冬、夏季反向的盛行風(fēng)。青藏高原近地層等壓面冬、夏季環(huán)流示意分別如圖10、11所示。

圖10 青藏高原近地層等壓面冬季環(huán)流

圖11 青藏高原近地層等壓面夏季環(huán)流

2.2 海陸熱力差

海陸熱力差異是造成季風(fēng)氣候的主要原因，共和盆地位于青海湖南側(cè)，約為青海湖總面積的3倍，中間為青海南山，比共和盆地高約600 m，由于比熱容的巨大差異，青海湖和共和盆地之間會(huì)形成明顯的海陸熱力差，產(chǎn)生湖陸風(fēng)效應(yīng)。冬季，受青海湖和區(qū)域地勢(shì)影響，部分在共和盆地南部堆積的冷高壓，翻過(guò)青海南山南側(cè)山脈流向湖面，并在共和盆地南部盛行偏西風(fēng)。夏季，北上氣流經(jīng)過(guò)湖面有加速流出的效應(yīng)；從黃河河谷進(jìn)入共和盆地的氣流受河谷北側(cè)拉脊山、鄂拉山南側(cè)山脈近東-西走向影響，共和盆地南部夏季盛行偏東風(fēng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者楊偉[10]、曹漸華[11]做過(guò)類似研究，分別對(duì)洞庭湖、鄱陽(yáng)湖等周邊氣象臺(tái)站的觀測(cè)資料分析，同樣發(fā)現(xiàn)了較為明顯的湖陸風(fēng)效應(yīng)。共和盆地與青海湖位置關(guān)系見(jiàn)圖12，共和盆地與青海湖區(qū)域近地層等壓面冬、夏季環(huán)流示意分別見(jiàn)圖13～14。

圖12 共和盆地與青海湖位置

圖13 共和盆地與青海湖區(qū)域近地層等壓面冬季環(huán)流

3 共和盆地風(fēng)能影響因素

風(fēng)是由水平氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力和摩擦力共同作用形成，其中摩擦力和水平氣壓梯度力影響風(fēng)力的大小，地轉(zhuǎn)偏向力僅影響風(fēng)的方向。地表下墊面條件(山體、植被、裸地、巖石、水體、建筑等)都會(huì)對(duì)熱量的分布、能量的損失造成影響，進(jìn)而影響風(fēng)力大小。

圖14 共和盆地與青海湖區(qū)域近地層等壓面夏季環(huán)流

3.1 狹管效應(yīng)與窩風(fēng)效應(yīng)

共和盆地在北側(cè)青海南山、南側(cè)鄂拉山的地形構(gòu)造下，形成西北-東南走向的狹長(zhǎng)山谷，且呈現(xiàn)出上窄下寬的喇叭型地形。當(dāng)柴達(dá)木盆地冬季大氣環(huán)流翻越鄂拉山后進(jìn)入盆地，在盆地最北端和鄂拉山背風(fēng)坡一側(cè)，由于空氣需要克服地形阻力使得動(dòng)量損失，流入盆地時(shí)風(fēng)速較小，隨著空氣連續(xù)流入，并順著山體走勢(shì)往下風(fēng)向流動(dòng)，經(jīng)過(guò)喇叭型地形上端狹窄地形的狹管效應(yīng)[12]加速后(如圖15所示)，風(fēng)速會(huì)逐漸增大；但是至喇叭型地形出口后，因?yàn)榭諝馀蛎洝鈮簻p小，導(dǎo)致風(fēng)速逐漸減弱。

圖15 共和盆地狹管效應(yīng)

同樣因?yàn)榈匦螛?gòu)造作用，在共和盆地上部形成如圖16所示的窩風(fēng)區(qū)，當(dāng)上游西北風(fēng)流入窩風(fēng)區(qū)，受前方較長(zhǎng)山體的阻擋，形成堆積，消耗氣流部分動(dòng)能后，氣壓減小、風(fēng)向也發(fā)生變化，轉(zhuǎn)為西西北風(fēng)或者西風(fēng)流出窩風(fēng)區(qū)，且風(fēng)速減小。同理，在夏季，偏南風(fēng)流入共和盆地也會(huì)產(chǎn)生類似狹管效應(yīng)或窩風(fēng)效應(yīng)。

圖16 共和盆地窩風(fēng)效應(yīng)

3.2 坡度影響

共和盆地的上、中部總體地勢(shì)為中間低、兩側(cè)高的近似“U”型峽谷斷面，且盆地內(nèi)部東側(cè)坡度略大于西側(cè)坡度，其坡度空間分布見(jiàn)圖17。

圖17 共和盆地坡度分布

峽谷內(nèi)的風(fēng)速主要受相對(duì)谷深H/L(其中H表示谷深，L表示谷寬)、氣流與峽谷走向的夾角θ等因素的影響[13-14]。當(dāng)谷寬L相同，谷深H越大，H/L就會(huì)越大，從圖17可以看出，盆地中上部相對(duì)谷深大，風(fēng)速大，其中中部更大，盆地下部谷深比小，風(fēng)速小，基本與1.2.1節(jié)結(jié)果相同。

4 結(jié) 論

(1)共和地區(qū)地區(qū)風(fēng)能年內(nèi)分布規(guī)律為春季大、秋季小，冬春季盛行風(fēng)向自西(W)向西北(NW)逐漸偏轉(zhuǎn)；夏秋季自東東南(ESE)向南東南(SSE)逐漸偏轉(zhuǎn)，這一特征主要受大氣環(huán)流和海陸熱力差影響。

(2)在青海南山、鄂拉山的地形構(gòu)造下，共和盆地形成了西北-東南走向的狹長(zhǎng)山谷，與區(qū)域盛行風(fēng)向近似平行，產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”，加速大氣流動(dòng)。另外，盆地呈現(xiàn)近似“U”型峽谷斷面，中上部相對(duì)谷深大，風(fēng)速大；下部谷深比小，風(fēng)速小。

(3)在特殊的地形構(gòu)造作用下，盆地內(nèi)風(fēng)速變化特征表現(xiàn)為：自西北至東南，上部、中部風(fēng)速高于下部，且分別自中部至上部、中部至下部風(fēng)速有減小的變化趨勢(shì)；自中部至下部風(fēng)速快速下降，特別是龍羊峽水庫(kù)北側(cè)共和縣城區(qū)域風(fēng)速較小；盆地中部、上部區(qū)域的東側(cè)風(fēng)速最大，中間風(fēng)速次之，西側(cè)風(fēng)速最小。

(4)由于盆地呈現(xiàn)上窄下寬的喇叭型狹長(zhǎng)地形，當(dāng)風(fēng)速流出喇叭口后，因?yàn)榭諝馀蛎洝鈮簻p小，導(dǎo)致風(fēng)速逐漸減弱；而且臨近龍羊峽水庫(kù)西岸區(qū)域海拔較低，所以風(fēng)速較小。而東岸的東部區(qū)域地勢(shì)較高，風(fēng)能資源較好，具備一定的開(kāi)發(fā)潛力。