海上风资源时空特性研究

符 平，秦鹏飞，张金接

（中国水利水电科学研究院 北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

海上风资源时空特性研究

符 平，秦鹏飞，张金接

（中国水利水电科学研究院 北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

海上风况优于陆上，但海上气象要素直接观测较为困难，很难获得海域内准确、长期、大范围的完整实测资料，而在进行海上风资源评估时通常需要考虑海上风资源时空特性的影响。本文根据江苏响水海上测风塔和滩涂测风塔的实测风资料，对海上风资源的时间分布特点、风速垂直分布规律和水平代表距离进行了分析研究，可为海上风资源评估和海上风电场建设提供参考。

海上风资源；时空特性；风切变指数；代表距离

1 研究背景

海上风况优于陆上，对拟开发海域进行准确的风资源评估，应首先搞清楚该海域的风况情况，了解海上风的变化规律及特征。根据海上风资源的特点，在进行风资源评估时需要考虑以下因素的影响：（1）气温/水温对近海风速的影响；（2）潮位变化对风速垂直分布的影响；（3）海上风的代表范围；（4）海上风廓线的分布规律。海上气象要素直接观测较为困难，很难获得海域内准确、长期、大范围的完整实测资料，沿海陆地气象站所测风速受地面粗糙度、地形地貌热效应和大气稳定度以及潮汐、波浪和水深分布等因素影响，所测结果与海上风况存在较大差异，因此在沿海地区风特性研究方面所开展的工作较少，主要是基于单点测风数据进行的统计特征分析和沿海地区风资源宏观分析［1-2］。随着海上风电的发展，近年来海上测风塔的建设数量逐渐增多，海上风资源特性也逐渐得到了详细的研究，如海陆风速衰减规律，周期性海风的形成机理、规律及范围，海面粗糙长度与海浪之间的关系，潮汐对海上风速变化的影响，海面热效应对海上风流稳定性的影响等［3-8］，这些研究在宏观上揭示了沿海地区风资源的部分特性，但受测点分散且测点布置无规律的限制，且影响大气运动的因素很多，不同海域风的特性差别明显，这些研究得到的结论多数是以定性为主。海上风资源的空间特性和分布规律是影响海上风资源评估的重要因素，在目前研究工作中很少涉及，本文根据响水海域2座海上测风塔和2座滩涂测风塔的实测数据，对海上风资源的时间分布特点和空间分布规律包括垂直分布规律和水平代表范围进行了详细的分析研究，以期为海上风资源评估和海上风电开发提供有益参考。

2 海上测风数据

2.1 测风塔信息为开发江苏响水海上风电场，2008年在江苏响水近海海域建设了2座海上测风塔、水深5～10 m，距离海岸距离3～5 km，塔高70 m，两座测风塔相距27.6 km，每座测风塔均安装了两套测风仪器，并在滨海04测风塔上安装了海洋观测设备，同时沿海滩涂上建有5座测风塔，各测风塔的分布位置如图1所示。

在进行海上风资源时空特性分析时主要参考了2座海上测风塔、2座陆上滩涂测风塔（分别是滩涂01测风塔和5002测风塔）的整一年现场测风数据，选取时间段为：2008年7月—2009年6月。

2.2 实测数据检验按照规范要求［9］，对开山岛02测风塔、滨海04测风塔、滩涂01测风塔和5002测风塔的一年实测数据进行验证，对不合理和缺测的数据进行相应的处理。

（1）完整性。对2008年7月—2009年6月一年的数据进行完整验证，完整率如表1所示。

表1 各测风塔测风数据完整性

测风塔的测风数据经补充、修订后有效完整率达到90%以上。

（2）合理性。结合测风塔实际安装仪器高度、数量等，对测风数据进行合理性验证。测风塔的测风数据不合理比例基本在10%以内。

（3）数据处理。对不合理的数据和由于仪器、传输等原因引起的数据残缺进行处理，其原则为：①海上测风塔在同一高度安装了2套仪器，对比两套仪器实测数据，若同时段数据差值在允许范围之内且验证有效，则采用同高层测风数据进行补充。②同一层高度2套仪器所测数据均不合理或缺失时，由相邻高度的本测风塔测风数据根据风切变指数进行插值，补充不合理和残缺的数据。③同期本测风塔所有数据均不合理或缺失时，建立与本测风塔最近的海上或滩涂测风塔，进行相关性分析后，选取相关性好的测风数据进行不合理和残缺数据的补充。

3 近海风资源时空特性

3.1 时间特性

（1）日变化。风的日变化是指在大范围气压梯度不大时，风速在一天内表现出的规律性变化。在不受大范围气象影响时，该海域的风速在每日午后均会出现一定的下降，在傍晚左右风速会逐渐加大，直至第2天的午后，表现为典型的单风谷变化规律。开山岛02测风塔某日的实测风速变化曲线如图2所示。

表2 各测风塔的测风数据合理性验证

图2 典型实测风速变化曲线

（2）月变化。对2008年7月—2009年6月一年的数据进行整理后，各测风塔70 m的逐月平均风速和风功率密度变化如图3所示。

从风速年内变化图可以看出，春冬两季的平均风速、风功率密度较大，夏秋两季风速、风功率目的相对较小，年内风速变化可达50%左右，风功率密度变化可达2倍以上。

（3）年际变化。收集了2008—2012年的海上测风塔70 m高度的平均风速，其年际变化如图4所示。从近5年风速年际变化中可以发现，2011年为小风年，比正常年份最大可低15%左右。

3.2 空间特性近海风资源空间特性包括垂直分布特性和水平分布特性，在风资源评估和风电场发电量分析中，风资源的空间特性是其中最主要的影响因素。

图3 各测风塔70 m高度的逐月平均风速和风功率密度变化

图4 2008—2012年测风塔的70 m高度的平均风速变化

3.2.1 风切变指数 海上风速沿着垂直高度方向不同，其分布曲线即是风廓线，通常假设风廓线形式为直线，因此对应直线斜率的风切变指数直接反映了风速沿高度变化的规律，分析各测风塔的风切变指数可反映海上风与陆上风的差异。在实测风资料中，不同高度之间的风切变指数计算结果可能不一致，采用线性回归法分析测风塔所在位置的风切变指数，结果如表3所示。

海上测风塔具有相对较小的风切变指数，说明海上风资源相对滩涂测风塔沿垂直高度方向变化较慢。根据海上垂直向风切变指数（以开山岛02测风塔为例）和陆地风资源的经验风切变指数（1/7≈0.14），分别计算了不同高度的风速理论上与下一层高度风速的变化速率，如表4所示。

从表4中可以看出，陆地80 m高度的平均风速比70 m高度的风速高1.93%，100 m高度比90 m高度的风速高1.52%，同样的变化比例，相应的海上高度要低得多，对应的高度位置分别为60 m（1.76%）和70 m（1.49%）。目前我国大多数测风塔所采用的测风仪器的精度为0.1 m/s，而大多数近海海域的平均风速在7.0 m/s左右，平均误差大约为1.5%，因此在海上建设超过70 m高度的测风塔时，在不提高测风仪器精度的情况下，其数据并不能反映70 m以上的风资源垂直分布规律，而被掩盖在仪器的测量误差中了。

表3 各测风塔位置处的风切变指数

表4 海上、陆地风资源不同高度的风速变化速率

3.2.2 海上风资源代表距离 由于海上测风塔建设成本高、建设周期长，海上风电开发的范围广，通常10万kW装机的风电场需占海域面积50 km2（按1 km×1 km布置2 MW风机计算）。为进行更大范围的海上风资源评估，海上风资源的代表距离是最主要的影响因素，即需要了解海上风资源的水平代表距离，对海上两座测风塔的实测风资料进行了相关分析。

（1）风速及风功率密度相关性。两座海上测风塔70 m高度、10 m高度的风速、风功率密度如表5所示。

表5 海上测风塔10 m高度的风资源情况

将两座海上测风塔的平均风速和风功率密度进行比较后，各测风塔相应高度的风速、风功率密度相差比率如表6所示。

表6 两座海上测风塔测风数据的对比分析

海上测风塔无论是70 m高度还是10 m高度，年平均风速都是一样的，而年平均风功率密度最大相差3.33%，其差别很小。从两座海上测风塔的逐月平均风速比较，70 m高度的最大相差约0.40 m/s，最大相差比率约为5.43%，10 m高度的最大相差约0.33 m/s，最大相差比率约为5.77%，差值绝对值和差值相对比率均比较小。从两座海上测风塔的逐月平均风功率密度比较，最大相差比率均小于20%，相对比较小。

（2）16个方位角风速的统计分析。根据2008年7月—2009年6月一年实测数据，选取02海上测风塔、04海上测风塔之间70 m高度的16个方位角风速进行相关性分析。风速较大的N向、E向（选取了6个主要风向）的相关性分析结果如图5所示，其他风向的相关性类似。

从图5和其他相应的分析中可以看出，两座海上测风塔之间16扇区的风速相关性均较好，相关系数R可达到0.9左右。

图5 04与02海上测风塔70m高度16风向风速相关图

（3）代表距离。两座海上测风塔70 m高度和10 m高度的各月平均风速和风功率密度相差较小，16个方位角风速相关系数在0.9以上，可以近似认为两座海上测风塔的测风数据具有良好的相关性，即海上测风塔的测风数据可较好地代表周围27.6 km的风资源分布。

4 结论及建议

根据江苏响水2座海上测风塔、2座滩涂测风塔一年的实测风资料，对海上风资源的时空特性进行了研究与综合分析，可为海上风资源评估和海上风电场建设提供参考：（1）4座测风塔实测数据完整性好，数据合理性满足规范要求，进行处理补充后的实测数据连续、合理。（2）海上风切变指数比陆地风切变指数小，沿高度方向变化较小。在不提高仪器测量精度的情况下，海上测风塔70 m高度以上的测风数据并不能有效地反映其分布规律。（3）海上风具有较小的湍流强度，一个海上测风塔在海上可代表距离约27.6 km的风资源分布情况。

参 考 文 献：

［1］ 王祖炉，陈彬彬，吴幸毓，等 .福建宁德沿海海陆风观测结果及特征分析［J］.安徽农业科技，2009，37（20）：9572-9574.

［2］ 张增海，曹越男，赵伟 .渤海湾海域风况特征分析与海一陆风速对比分析［J］.海洋预报，2011，28（6）：33-39.

［3］ 薛桁，朱瑞兆，杨振斌.沿海陆上风速衰减规律［J］.太阳能学报，2002，23（2）：207-210.

［4］ 朱伟强.福建省沿海风力资源特性分析［J］.电力勘测设计，2006（1）：33-36.

［5］ 孙川永，陶树旺，罗勇，等.海陆风及沿海风速廓线在风电场风速预报中的应用［J］.地球物理学报，2009，52（3）：630-636.

［6］ Frandsen S，PoulE M，Jens B，et al.Offshore wind power：easing a renewable technology out of adolescence［C］// 19th World Energy Congress.Sydney，Australia September 5-9，2004.

［7］ Lange B，Højstrup J.Estimation of offshore wind resources——the influence of the sea fetch［C］//Wind Engineer⁃ing into the 21th Century.Vol.3.10.International Conference on Wind Engineering（10.ICWE），Copenhagen（DK），1999.

［8］ Christiansen M B.Wind energy studies offshore using satellite remote sensing［C］//19th World Energy Congress 2004，Sydney（AU），2004.

［9］ GB/T 18710-2002，风电场风能资源评估方法［S］.北京：中国标准出版社，2002.

Research of spatio-temporal characteristics of offshore wind resources

FU Ping，QIN Peng-fei，ZHANG Jin-jie
（China Institute of water resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Offshore wind resources is better than in land.It is very difficult to obtain accurate，long-term，large range and complete wind data by measuring directly.The impact of spatio-temporal characteristics of wind resource offshore would be considered when assessing the offshore wind energe resources.In this pa⁃per，the temporal characteristic，the vertical distribution rule and horizontal range were studied and as⁃sessed by comparatively analyzing the whole wind data of two offshore anemometer towers and two anemome⁃ter towers in tidal flat，which can provide reference for the assessment of offshore wind resources and the construction of offshore wind farm.

offshore wind resources；spatio-temporal characteristics；wind shear index；the representative distance

TK81

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.02.007

1672-3031（2014）02-0155-07

（责任编辑：韩 昆）

2013-07-19

中国水利水电科学研究院专项（监集1319）

符平（1975-），男，湖南永顾人，博士，高级工程师，主要从事海上风电及基础技术研究。E-mail：fuping@iwhr.com