桦南地区风能资源数值模拟误差分析

齐东方,王继梅, 徐永清

（1.黑龙江省气候中心,黑龙江 哈尔滨150030;

2.延寿县气象局, 黑龙江 延寿150700）

1 引言

截止到2013年， 中国累积装机容量达到91 412.89 MW，同比增长21.4%，新增装机和累积装机容量均居世界第一。 风电成为中国仅次于煤炭和水电的第三大发电资源。 作为目前技术最成熟的清洁能源，风电的发展空间仍很广阔，为保障风电产业的可持续发展， 需要科学准确的风能资源评估方法。中、小尺度数值模式在风能资源评估中的应用，解决了风能资源评估观测资料在空间分布密度和观测时间长度方面的限制。 2005年中国气象局风能太阳能资源评估中心引进了加拿大气象局风能资源数值模拟系统，在此基础上经过本地化的改进后，建立了中国气象局风能资源数值模式系统[1]。

精细化模拟评估区域的风能资源是风电产业大规模开发前提， 目前中尺度模式很难达到精细化模拟的需求， 但通过对中尺度模拟结果进行动力降尺度计算，可以提高模拟精度，为风能资源评估提供科学依据。 本文运用中尺度气象模式MM5 进行风能参数模拟，再用CALMET 模式进行降尺度计算，模拟结果与黑龙江桦南的70 m 高测风塔资料进行了详细对比分析，评估该模式的风能资源模拟能力。

2 模式系统及模拟方案介绍

中尺度气象模式MM5 模式可以对中尺度及区域尺度的大气环流进行模拟，广泛应用于空气质量、水文情况和风能资源等模拟研究[2-3]。 CALMET 模块是一个风场诊断模式， 主要在大气污染扩散研究中应用[4]。

MM5 模式采用两层嵌套，网格分辨率分别为27 km×27 km 和9 km×9 km，垂直方向为30 层，从2009年6月1日-2010年5月31日，逐日进行模拟计算。MM5 模式第二层的模拟结果作为CALMET 模式的初始场，进行降尺度诊断计算，得到桦南地区1 km×1 km 水平分辨率逐时风资源参数， 再将模拟结果内插到测风塔上。

MM5 初始场和边界条件采用全球环流模式再分析资料1.0°×1.0°NCEP 资料及中国气象局常规探空和地面观测资料作为中尺度模式初始场。 MM5 模式地形地表资料采用30 s 水平分辨率的USGS 资料。CALMET 模式地形资料采用SRTM3 资料 (3S 分辨率，约9O m)，下垫面类型资料数据采用30″水平分辨率的USGS 资料。 测风塔海拔为222 m，周围海拔在120-490 m 之间，测风塔北面和地面地形较高，南部为低山丘陵，西部地形最低。 测风塔在10、30、50、70 m 进行风速观测， 同时在10、50、70 m 进行风向观测。

3 风速模拟误差分析

3.1 年平均风速分析

2009年6月1日-2010年5月31日逐时模拟风速与测风塔观测风速， 相关系数10 m 最小，为0.47， 70 m 最大， 为0.64。年平均风速只有10 m 模拟风速小于实测风速， 其他高度均是模拟风速大于实测风速。 相对误差在30 m 最小，仅为2.79%，模拟风速仅比实测风速大0.1 m/s， 在70 m 最大，为9.84%，模拟风速比实测风速大0.6 m/s。

3.2 10 m 风速及风能频率分析

10 m 风速频率最大值均出现在3 m/s 区间，模拟值频率最大为22.0%，实测频率最大为18.0%，2-4 m/s 区间模拟与实测频率都在50%以上。 ≤2 m/s与≥6 m/s 区间实测频率大于模拟频率，4-5 m/s 区间实测频率小于模拟频率。 风能实测频率出现2 个峰值，8 m/s 区间最大，为12.1%，11 m/s 区间次大，为11.0%，模拟频率最大值在5-9 m /s，均在12%左右。实测风能主要集中在7-11 m/s，占50%以上，模拟风能主要集中在5-9 m/s，占总风能的近50%。 8-9 m/s 模拟与实测频率基本一致，在≥10 m/s 区间实测频率大于模拟频率，3-7 m/s 区间， 实测频率小于模拟频率。

3.3 30 m 风速及风能频率分析

30 m 风速频率实测最大值出现在3 m/s 区间，达15.8%， 模拟频率最大值出现在5 m/s 区间，为13.7%。 实测风速频率主要集中在2-5 m/s，占50%以上，模拟风速频率主要集中在3-7 m/s，占60%以上。模拟风速频率在5-10 m/s 实测频率小于模拟风速频率，在2-5 m/s 大于实测频率。 模拟风能频率最大值出现在8 m/s 区间，为14.2%，在9 m/s 区间模拟频率为13.6%。 实测风能频率最大值出现在9 m/s 区间，为9.4%， 实测风能频率分布比较分散， 主要集中在7-13 m/s，占50%以上，模拟风能频率主要集中在6-10 m/s，占60%以上。 模拟风能频率在6-10 m/s 大于实测风速频率，在≥11 m/s 区间小于实测风速频率。

3.4 50 m 风速及风能频率分析

50 m 实测风速频率在4 m/s 区间最大，为13.9%，模拟频率在7 m/s 区间最大，为11.6%。 实测风速主要集中在2-6 m/s，占60%以上，模拟风速主要集中在3-8 m/s，占60%左右。在2-5 m/s 实测风速频率大于模拟风速频率，在≥6 m/s 区间实测风速频率小于模拟风速频率。 模拟与实测风能频率最大值均出现在10 m/s 区间，模拟频率为14.6%，实测频率为9.6%。实测风能频率主要集中在9-14 m/s，占50%以上，模拟风能主要集中在8-11 m/s，约占50%。 模拟风能频率在7-11 m/s 大于实测风能频率， 在≥13 m/s 区间小于实测风能频率。

3.5 70 m 风速及风能频率分析

70 m 实测风速频率在3 m/s 区间最大，为13.4%，模拟频率在6 m/s 区间最大，为11.5%。 模拟风速在3-8 m/s 最集中，占50%左右，而实测风速在2-6 m/s 最集中，占60%以上。 在≥6 m/s 区间模拟风速频率大于实测风速频率，在2-5 m/s 模拟风速频率小于实测风速频率。 模拟风能频率在11 m/s 区间最大，为13.2%，实测风能频率在10 m/s 区间最大，为9.6%， 实测风能频率与模拟风能频率均主要在8-13 m/s 最集中，占50%以上。

3.6 风速综合分析

在测风塔30、50、70 m 高度，实测风速频率在2-5 m/s 大于模拟风速频率，在6-10 m/s 实测风速频率小于模拟风速频率，＞10 m/s 区间与实测风速频率基本相当，高度越高与实测风速越接近。 对风电场最重要的风速区间而言，风速＞10 m/s 区间是最重要的区间，因为风机在该风速区间发电量最高。 各高度的风能频率模拟都要优于对风速频率的模拟， 6-10 m/s实测风能频率小于模拟风能频率， 其它区间与模拟风能频率值较接近。

4 风向模拟误差分析

4.1 10 m 风向及风能分析

10 m 实测主导风向为WNW、W 风，分别占19%和18.4%，其次为SSE，占9%。 模拟主导风向为SW，占13.8%，其次为W，占12.1%。实测风能频率主要集中在W、WNW，分别占38.3%、24.4%。 模拟风能频率也主要集中在W、WNW，占22.6%和16.9%。

4.2 50 m 风向与风能分析

50 m 实测主导风向为WNW， 占22%， 其次为W、NW， 占11.8%、10.5%。 模拟主导风向为W，占15.1%，其次为WNW、WSW，分别占12.2%和10%。实测风能频率在WNW 最集中，占40.3%，其次为W，占19.8%。模拟风能频率在W 风向最集中，占21.3%，其次为WNW，占17.4%

4.3 70 m 风向风能分析

测风塔70 m 实测主导风向为W，占26.8%。 模拟主导风向也为W，占15.4%。实测风能频率在W 最大， 为38.8%。 模拟风能频率也是在W 最大，为20.6%。

4.4 风向综合分析

实测风向在10 m、50 m 主导风向为WNW，在70 m 为W。 模拟风向在10 m 主导风向不明显，50 m、70 m 均为W，但频率值较实测风要小。 风向模拟随高度增加逐渐趋于稳定，与实测风向也越接近，但模拟频率值要小于实测频率值。 整体上风能频率模拟结果优于风向频率模拟结果。

5 结论

以中尺度数值模型MM5 为主，并使用CALMET进行降尺度模拟计算， 对桦南地区风能资源进行数值模拟，并与测风塔实测风速进行对比分析。 各高度逐时风相关系数较高， 模拟年平均风速在30、50、70 m 高度大于实测风速。 对风向频率的模拟，越往上模型越稳定，与实测风向频率越接近，能较好的模拟出主导风向的分布。 该模型对70 m 高度的风速、风向具有较强的模拟能力，尤其是对风电场最重要的＞10 m/s 风速区间、主导风向模拟能力更强。 该模型对桦南地区风能资源具有较好的模拟能力， 可以利用其进行风能资源评估等工作。

[1] 李泽椿,朱蓉,何晓凤,等.风能资源评估技术方法研究[J].气象学报，2007，65（5）：708-707.

[2]周荣卫,何晓凤,朱蓉.MM5/CALMET 模式系统在风能资源评估中的应用[J]. 自然资源学报，2010，25（12）：2101-2113.

[3] 成驰,杨宏青,袁业畅,等.基于数值模拟的湖北省风能资源储量估算[J]. 安徽农业科学，2011,39（12）：7374-7377.

[4] 马明亮，张加昆，魏鸿业,等.基于CALMET 对复杂地形下风场的模拟研究[J].环境科技，2011,20（4）：181-184.