巴基斯坦瓜达尔港的风能资源评估

郑崇伟,李崇银,杨 艳,陈 雄(.解放军理工大学气象海洋学院,江苏南京20;2.中国科学院大气物理研究所,大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京00029;3.海军大连舰艇学院,辽宁大连608;.国家海洋局,北京00860)



巴基斯坦瓜达尔港的风能资源评估

郑崇伟1,2,3,李崇银1,2*,杨 艳4,陈 雄1
(1.解放军理工大学气象海洋学院,江苏南京211101;2.中国科学院大气物理研究所,大气科学和地球流体
力学数值模拟国家重点实验室,北京100029;3.海军大连舰艇学院,辽宁大连116018;4.国家海洋局,北京100860)

摘要:利用来自欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA-interim风场资料,对瓜达尔港的风能资源展开评估.结果表明:1)瓜达尔港的风能资源常年可用,风能密度、有效风速出现频率、不同等级风能密度出现的频率都表现出明显的单峰型月变化特征,峰值出现在4—5月,波谷出现在11—12月;年平均值分别为:风能密度121 W/m2,有效风速频率43%,50 W/m2以上能级频率55%.2)从风能玫瑰图看出,瓜达尔港的风能常年稳定由偏西南(SW)向的风贡献.2月和11月,400和500 W/m2及以上高风能密度主要由北北东(NNE)向的风贡献;5月和8月,高风能密度主要由偏西南(SW)向的风贡献.3)瓜达尔港的风能主要经历了两个阶段:1979—2000年期间,风能密度在120 W/m2上下波动,有效风速出现频率在45%上下浮动;2001—2014年期间,风能密度在110 W/m2上下波动,有效风速出现频率在40%上下浮动.4)瓜达尔港的6级及以上大风频率常年在1.5%以内;出现频率最高的为3级风(34.29%),其次是4级风(28.32%)和2级风(23.11%).

关键词:瓜达尔港;风能资源;风能密度;能级频率;风能玫瑰图

瓜达尔港(Gwadar Port)作为21世纪海上丝绸之路的关键节点(同时也是陆上丝绸之路的关键节点),位于巴基斯坦俾路支省西南部,为深水港.目前为止,关于瓜达尔港风能资源的评估尚处于空白状态.做好风能、波浪能等清洁、可再生能源的开发工作,将有效提高边远海岛、深远海、重要港口的生存能力及可持续发展能力[1-4].本文利用来自欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts,ECMWF)1979—2014年的ERA-interim风场资料,对瓜达尔港的风能资源展开评估,期望可以促进瓜达尔港可持续发展.

1 数据及计算

ERA-interim再分析风场资料(含海表10 m的经向风、纬向风)来自ECMWF,空间范围为90°S～90°N, 180°W～180°E;空间分辨率有0.125°×0.125°,0.25°× 0.25°,0.5°×0.5°,0.75°×0.75°,1.0°×1.0°,…,2.5°× 2.5°,本文选择其中0.125°×0.125°的空间分辨率;时间序列为1979年1月1日00:00至今,不断更新中,本文选择的时间范围为1979—2014年;空间分辨率为逐6 h(每6 h一个数据),数据网址为http:∥dataportal.ecmwf.int/data/d/interim_daily/.

ERA-interim再分析资料是继其早期产品ERA-40之后的新产品,该数据使用了分辨率更高的气象模式,在观测资料的应用及同化方法方面也有很大改进[5]:使用最新的12 h窗口的四维变分同化技术(4DVar),同化的资料包括卫星资料(ERS-1、ERS-2和QuikSCAT)、常规观测资料以及模式数据,作用在于提供ECMWF早期产品和新一代产品之间的衔接,目的是对ERA-40和更早的数据进行完善.ERA-interim作为ECMWF最新开发的同化数据集,理论上应该比之前的ERA-15和ERA-40更加精确.Dee等[6]、Song等[7]、Bao等[8]曾将NCEP—CFSR(National Centers for Environmental Pre-diction—Climate Forecast System Reanalysis)、NCEP—NCAR(National Centers for Environmental Prediction—National Center for Atmospheric Research)、ERA-interim和ERA-40再分析几种数据与观测资料进行比较,发现ERA-interim在均方根误差和偏差方面更优.

本文利用ERA-interim再分析风场资料,分析了瓜达尔港的风能资源特征,主要包括:风能密度的月变化特征、风能资源开发的有效风速出现频率、能级频率、风能玫瑰图、风能密度的长期变化趋势、风力等级频率.风能密度定义为垂直于气流的单位截面上风的功率[9-10],计算方法为:

式中:W为风能密度,W/m2;V为风速,m/s;ρ为空气密度,kg/m3.利用1979年1月1日00:00时—2014 年12月31日18:00时逐6 h的ERA-interim风场资料,计算得到瓜达尔港1979—2014年逐6 h的风能密度.

2 瓜达尔港的风能特征

2.1风能的月变化特征

瓜达尔港的风能在1979—2014年期间的月变化特征见图1.该区域的风能密度呈明显的单峰型月变化特征,峰值出现在4—5月,达到190 W/m2;波谷出现在11—12月,70 W/m2左右;全年有一半月份在100 W/m2以上,年均风能密度为121 W/m2.通常认为风能密度在50 W/m2以上为可用,200 W/m2以上为丰富[11-13].显然,瓜达尔港的风能常年处于可用范围,在4—5月更是接近丰富范围;且本文计算的是海表10 m高度的风能,在实际的风机安装过程中,塔架通常会高于本文的计算高度,因而有更大的利用潜能.

图1　瓜达尔港风能密度的月变化特征Fig.1 Monthly characteristics of wind power density in the Gwadar Port

2.2有效风速出现频率

在风能开发利用过程中,通常认为风速在5～25 m/s之间有利于风能资源的采集与转换,并将这个区间的风速定义为有效风速[14-15].统计瓜达尔港各月的有效风速出现频率见图2.该区域的有效风速出现频率表现出明显的单峰型月变化特征,与风能密度的月变化特征相近.峰值出现在4—5月,出现频率高达60%以上;波谷出现在11—12月,出现频率在25%左右.太阳能由于受到白昼的限制,可用时间基本在50%以内[16-17],而瓜达尔港有效风速的年均频率为43%,这是该区域风能资源的明显优势.

图2　瓜达尔港各月的有效风速出现频率Fig.2 Monthly occurrences of effective wind speed in the development of wind energy in the Gwadar Port

2.3能级频率

在风能开发过程中,通常认为风能密度在50 W/m2以上为可用(有的标准为100 W/m2以上),200 W/m2以上为丰富[11-13].统计瓜达尔港各月50 W/m2以上,100 W/m2以上,200 W/m2以上的能级频率见图3.各等级的能级频率都表现出单峰型月变化特征,与有效风速频率的月变化特征相近.50 W/m2以上能级频率:峰值为4—5月,出现频率都在70%以上,其余大部分月份也都在40%以上,年均出现频率为55%,表明瓜达尔港的风能可利用率很高.100 W/m2以上、200 W/m2以上的能级频率与50 W/m2以上的能级频率的月变化特征相近,只是数值上有所偏低.

2.4风能玫瑰图

在风能开发过程中,对风向频率是极为关注的,如果常年的风向稳定,主要由1或2个风向主导,这就极有利于风机对风能的捕获,有效提高采集、转换效率,同时还有利于延长风机寿命.传统利用Excel软件、风能软件制作的雷达图,可以描述不同方向风速出现的频率,但是不能体现不同等级风速出现的频率.本文绘制了一种风能玫瑰图,将风向分为16方位,即北(N)、南(S)、东(E)、西(W)、东北(NE)、东南(SE)、西北(NW)、西南(SW)、北北东(NNE)、东北东(ENE)、南南东(SSE)、东南东(ESE)、北北西(NNW)、西北西(WNW)、南南西(SSW)、西南西(WSW),统计每个方位不同等级风能密度出现的频率.采用该方法,分别以2,5,8,11月作为四季的代表月,绘制了瓜达尔港的风能玫瑰图,见图4.

图3　瓜达尔港各月的风能能级频率Fig.3 Occurrence of energy scale of wind power density in the Gwadar Port

图4　瓜达尔港的风能玫瑰图Fig.4 Wind energy rose diagram in the Gwadar Port

整体来看,瓜达尔港的风能常年稳定由偏SW向的风贡献,这对于风能开发是很有利的.2月,出现频率最高的风是WSW向,占15.9%,其中0～50和100 ～200 W/m2的风贡献率最高,分别为5.5%和4.6%;W向、SW向出现的频率仅次于WSW向;500 W/m2及以上的高风能主要由NNE向贡献(1.5%),其次是W向、WSW向、WNW向.5月,风能主要由SW向贡献,占35.8%,其中,100～200,200～300, 300～400 W/m2的风贡献率最高,分别为10.0%, 6.0%,4.0%;其次是WSW向,100～200 W/m2的风贡献率最高(8.0%);500 W/m2及以上的高风能主要由SW向贡献(2.6%),其次是WSW向.8月,对风能贡献率最大的风是SSW向,占34.8%,其次是SW向、S向;高风能密度主要源自SW、SSW向.11月,贡献率最高的风是WSW向,占17.8%,其次是SW向、W向;400 W/m2及以上高风能密度主要源自NNE 向,占2.5%.

2.5风能的长期变化趋势

将1979年1月1日—1979年12月31日逐6 h的风能密度取平均值,得到1979年的风能密度,同样的方法得到瓜达尔港1980—2014年逐年的风能密度,并分析其线性趋势,见图5(a).参考文献[18],还计算了瓜达尔港1979—2014年期间有效风速出现频率的长期变化趋势,见图5(b).

1979—2014年期间,风能密度的线性相关度|R|= 0.57,通过了95%的信度检验,回归系数为-0.59,表明瓜达尔港的风能密度在近1979—2014年期间以-0.59 W/(m2·a)的速度显著性逐年线性递减.有效风速出现频率的|R|=0.60,通过了95%的信度检验,回归系数为-0.17,表明瓜达尔港的有效风速出现频率在1979—2014年期间以-0.17%·a-1(这里的%是指有效风速出现频率,并非变率)的速度显著性逐年线性递减.分析发现,瓜达尔港的风能变化主要经历了两个阶段:1979—2000年期间,变化趋势相对平缓,风能密度在120 W/m2上下波动,有效风速出现频率在45%上下浮动;2001—2014年期间,变化趋势相对平缓,风能密度在110 W/m2上下波动,有效风速出现频率在40%上下浮动.在此只分析了瓜达尔港的风能在过去的变化趋势,在未来的工作中,可以利用人工神经网络[19]、希尔伯特-黄等方法[20-21],对风能的中长期变化趋势进行预估,为资源开发的中长期规划提供参考.

2.6风力等级频率

大风大浪等恶劣海况对海上施工、海洋能开发利用有着严重威胁[22-23].风能资源开发对风力等级频率尤其是大风频率都极为关注,以蒲氏风力等级表为标准,统计了瓜达尔港各代表月及年均风力等级频率,见表1.

2月,出现频率最高的是3级风,其次是4级、2级风;6级及以上大风频率较低,为1.32%,但明显高于其他季节.5月,出现频率最高的是4级风,其次是3级、5级风;6级及以上大风频率较低.8月,出现频率最高的是3级风,其次是4级、2级风;6级及以上大风频率较低.11月,出现频率最高的是3级、2级风,其次是4级风;6级及以上大风频率较低.从全年来看,出现频率最高的是3级风,为34.29%,其次是4级风 (28.32%)和2级风(23.11%);6级及以上大风频率在1.5%以内(0.71%).

图5 瓜达尔港风能密度(a)和有效风速出现频率(b)的长期变化趋势Fig.5 Long-term trend of wind power density(a)and occurrence of effective wind speed(b)in the Gwadar Port

表1　瓜达尔港的风力等级频率Tab.1 Occurrence of different scale wind speed in the Gwadar Port

3 结 论

本文利用ERA-interim风场资料,分析了瓜达尔港的风能资源特征,主要包括风能密度的月变化特征、风能资源开发的有效风速出现频率、能级频率、风能玫瑰图、风能密度的长期变化趋势、风力等级频率,得到如下主要结论:

1)瓜达尔港的风能资源常年可用,风能密度、有效风速出现频率、不同等级风能密度出现的频率都表现出明显的单峰型月变化特征,峰值出现在4—5月(风能密度190 W/m2,有效风速频率25%左右,50 W/m2以上能级频率70%以上),波谷出现在11—12 月(风能密度70 W/m2,有效风速频率60%以上,50 W/m2以上能级频率35%左右).年平均值分别为:风能密度121 W/m2,有效风速出现频率43%,50 W/m2以上能级频率55%.

2)瓜达尔港的风能常年稳定由偏SW向的风贡献,这对于风能开发是很有利的.2月、11月,400和500 W/m2及以上高风能密度主要由NNE向的风贡献,5月、8月,高风能密度主要由偏SW向的风贡献.

3)1979—2014年期间,瓜达尔港的风能密度以-0.59 W/(m2·a)的速度逐年递减,有效风速出现频率以-0.17%·a-1的速度逐年递减.瓜达尔港的风能变化主要经历了两个阶段:1979—2000年期间,风能密度在120 W/m2上下波动,有效风速出现频率在45%上下浮动;2001—2014年期间,风能密度在110 W/m2上下波动,有效风速出现频率在40%上下浮动.

4)瓜达尔港的6级及以上大风频率常年在1.5%以内;出现频率最高的为3级风(34.29%),其次是4级风(28.32%)和2级风(23.11%),这对风能开发利用是有利的.

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Analysis of Wind Energy Resource in the Pakistan's Gwadar Port

ZHENG Chongwei1,2,3,LI Chongyin1,2*,YANG Yan4,CHEN Xiong1
(1.College of Meteorology and Oceanography,People's Liberation Army University of Science& Technology, Nanjing 211101,China;2.National Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics(LASG),Institute of Atmospheric Physics,the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100028,China;3.Dalian Naval Academy,Dalian 116018,China;4.State Oceanic Administration,Beijing 100860,China)

Abstract:In this study,the wind energy resource in the Gwadar Port was firstly analyzed,based on the ERA-interim wind production from European Centre for Medium-range Weather Forecasts(ECMWF).The results show as follows:1)The wind energy in the Gwadar Port is available all year round.The wind power density(WPD),occurrence of effective wind speed of wind energy resource, and occurrences of different levels of WPD all exhibit a clear single peak in the monthly variation.The peak appears in April and May,while trough appears in November and December.The annual average value is 121 W/m2for WPD,43%for the occurrence of effective wind speed,and 55%for the occurrence of WPD greater than 50 W/m2.2)From the wind energy rose diagram,the wind energy in the Gwadar Port is mainly contributed by the southwest(SW)winds.In February and November,high wind energy with WPD≥400 W/m2and WPD≥500 W/m2is mainly contributed by the north-northeast(NNE)winds,while in May and August by SW wind.3)During the period of 1979 to 2000,the WPD is about 120 W/m2,and the occurrence of effective wind speed is 45%. During the period of 2001 to 2014,the WPD is about 110 W/m2,and the occurrence of effective wind speed is 40%.4)The gale occurrence(wind speed greater than class 6)is below 1.5%all year round.The wind speed of highest occurrence is class 3(34.29%), followed by class 4(28.32%)and class 2(23.11%).

Key words:Gwadar Port;wind energy;wind power density;energy level occurrence;wind energy rose diagram

*通信作者:lcy@lasg.iap.ac.cn

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)(2015CB453200,2013CB956200,2012CB957803,2010CB950400);国家自然科学基金(41275086,41475070)

收稿日期:2015-06-08 录用日期:2015-09-10

doi:10.6043/j.issn.0438-0479.2016.02.011

中图分类号:P 743

文献标志码:A

文章编号:0438-0479(2016)02-0210-06

引文格式:郑崇伟,李崇银,杨艳,等.巴基斯坦瓜达尔港的风能资源评估[J].厦门大学学报(自然科学版),2016,55(2):210-215.

Citation:ZHENG C W,LI C Y,YANG Y,et al.Analysis of wind energy resource in the Pakistan's Gwadar Port[J].Journal of Xiamen University(Natural Science),2016,55(2):210-215.(in Chinese)