海上风能资源评估数值模拟技术现状及发展趋势

易 侃，张子良，张 皓，王 浩

(中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院，北京市 海淀区 100038)

0 引言

为了保护生态环境和应对气候变化，大力发展清洁能源已成为保障我国能源安全的重要战略。风能作为一种纯净、无污染的绿色能源，是我国能源结构的重要组成部分。我国地域辽阔，风能资源丰富，风电产业在近十几年来迅速发展，装机容量逐年攀升。相比于陆上风电，海上风电凭借其资源丰富、利用效率高、环境友好等优势，有望成为未来风电产业的主力军。海上风电正逐渐朝着规模化、深远海化、平价化趋势发展[1-2]。

面对广阔的发展前景，海上风电开发面临的技术挑战仍旧不容小觑。风能资源复杂多变的特性限制了风能的高效利用，提高了风电开发和运维的难度。相比于陆上风电，海上水文气象观测数据缺失以及海上观测成本高、难度大等因素进一步提高了海上风能资源评估的技术难度[3]。海上恶劣的开发环境极大地增加了风电项目开发的成本和风险，对海上风电的发展提出了更加严苛的技术要求。风电产业补贴退坡和电力市场化改革等政策的陆续出台，倒逼整个行业通过产业升级实现降本提效。随着风电平价时代的到来，过去粗放式的开发模式必将在残酷的市场竞争中被淘汰。如何准确评估项目投资收益和降低开发成本，将成为影响海上风电发展前景和产业格局的核心问题[4]。

公安院校思想政治理论课的建设是一项意义深远又极富挑战的工程，思政课教师既拥有广阔发展空间，也承载着伟大时代使命。要始终铭记：不忘初心，牢记使命，用好课堂教学的主渠道，切实将思政课打造成学生一见钟情、念念不忘、真心喜爱、终身受益的课程。

面对上述挑战，围绕海上风电开发过程中风能资源与海洋环境进行科学评估和准确预测是保障海上风电业务高质量发展的必由之路。数值模拟作为重要的辅助工具，在风能资源评估领域具有巨大的应用价值[5]。本文对海上风电领域风能资源评估数学建模方法及工具的国内外技术现状进行系统地梳理，对未来具有应用潜力的建模技术进行讨论分析，希望能够为海上风电风能资源评估领域的科技创新规划提供参考。

1 风能资源评估建模工具

目前，风电行业内主要应用的风场建模方法包括线性模型、计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)模型、中尺度气象模式等。其中，线性模型起源于20世纪90年代，以Jackson-Hunt模型为代表。由于当时计算能力的限制且开发的风电场地形条件简单，采用线性化的简单模型就能满足开发的基本需求。最为著名的线性模型是丹麦国家实验室开发的风能分析WAsP软件，其凭借着操作简便、计算高效的特点，在海上风电风能资源评估和设计规划领域得到了广泛的应用[6]。线性模型适用于平坦的下垫面环境的风能资源评估，难以满足复杂地形和不稳定大气边界层条件下的建模应用[7]。

在与人接触时，人们往往不自觉根据对方的年龄、性别、职业等，将其归入自己头脑中已经形成定势的某类，给对方下结论。我们通常会说“嘴上无毛，办事不牢”，北方人豪爽，南方人秀气，给文理科的学生贴上各自的标签等等之类的事情。我们有时习惯用“静止”或狭隘的眼光来评价教育对象，上课比较调皮的学生就是不尊重老师，平时交代事情不按时完成的学生就是不认真。在思想政治教育中，教育者有时会把教育对象归为其中的某一类，运用其思维定式对其进行评价。

到了21世纪初，随着计算机的计算能力迅猛提升和风电项目的开发环境日渐复杂，为了解决复杂地形环境下的风资源评估，CFD技术开始引入到风资源评估中。CFD模型在给定边界场条件下，基于自定义的网格进行流场仿真，能够有效克服空间精度的限制，实现复杂地形障碍物环境下三维风场结构的模拟。基于CFD模型建立的评估软件主要有法国Meteodyn公司开发的Meteodyn WT和挪威WindSim AS公司开发WindSim等。相对于线性模型, CFD模型采用更符合大气边界层的湍流闭合方案，可以考虑如热稳定度等更多大气物理特性，具有更强的扩展性，可以不断满足产业发展的技术需求[8]。

传统的风资源评估建模方法仅将海洋作为模型的一种下垫面粗糙度类型，忽略了海气相互作用的影响，从而影响海上风资源评估数值模拟的准确性。已有的研究表明，海表的波浪特性和热力学特性能够显著影响海上大气边界层的风剖面及湍流结构[22-23]。2019年美国国家能源部举办的“海上风资源特征研究需求”的工作组会议指出，结合欧洲及美国的海上风电发展经验及实际需求，解决未来海上风电开发所需海洋气象信息难题的科学挑战之一为发展全耦合模式。

另一方面，海上风场结构受海洋下垫面的强烈影响，海表的状态参数对海上风场的模拟/预测具有非常重要的作用。利用海气耦合模型研究海洋-海浪-大气之间的相互作用，能够有效地提升海上风电这一特殊应用场景下的风资源评估的准确性、极端风浪评估的可靠性、海洋气象信息的多样性。

值得注意的是，随着海上风电的发展，场内无测风塔的开发环境逐渐增多。依赖测风塔等现场观测资料作为输入条件的线性模型和CFD模型的应用将受到很大的限制。此外，由于微尺度模式较难捕捉中尺度大气运动过程，在海上风场的模拟中可能会产生较大偏差。中尺度气象模式虽然能摆脱对场内观测站点的依赖，模拟复杂的大气物理过程相互作用机制。但由于受到初始化条件、资料同化和参数化方法的限制，其模拟的海上风场精度往往难以满足工程开发的要求。此外，现有的风能评估模型与软件主要围绕陆上环境开发的。随着海上风电朝着深远海域发展，上述模型和软件产品的应用环境相对于陆上存在显著差异。由于影响风场分布变化的下垫面过程、边界层过程等大气物理过程受海气相互作用影响显著，现有的风能评估模型及相应的软件在深远海风电场开发中的适用性将面临更大的挑战。另一方面，海上观测手段的变化也给风能评估模式/软件的资料同化过程提出了更高的要求。因此，研究适用于海洋环境的资源评估和规划设计软件是海上风电技术发展的重要方向。多尺度嵌套和海气耦合等复杂建模框架将成为未来海上风能资源评估建模工具的发展趋势。此外，尾流模型的研究和优化也是风能资源评估建模领域研究的热点。

2 多尺度嵌套模型

近年来，包含大气、海洋、海冰和陆面等多分量的耦合预报系统已经成为国内外大气海洋业务预报中心的主流数值预报系统。大量研究表明，耦合模式对于海洋气象要素的预测比非耦合模式具有更好的效果[24-27]。Larsen等[28]采用大气-海浪耦合模式研究了近岸极端风速。结果表明，相比于非耦合模式，风浪耦合模式可以更好模拟近岸风，尤其是极端风(风速大于20 m/s)。Wu等[29]的研究表明，在模拟近岸的风能密度及波浪潜能时，需要考虑海洋-海浪-大气的相互作用。Kang等[30]提出了一种海洋大气耦合模式作为近海风资源最优数值预报模型。结果表明，耦合模型预报的风场比非耦合模式预报的风场具有更高的可靠性。

目前，学术界和工业界在该领域进行了一些探索和尝试，依托中尺度气象模式和微尺度线性或CFD模型建立的中-微尺度嵌套的数值模拟系统在风能资源评估上取得了一些成效[15-17]。其中，美国可再生能源实验室利用Meso-Map多尺度模式系统制作了美国近海水平分辨率为200 m×200 m 的风能资源分布图。Tammelin等[18]使用中尺度AROME模式与 WAsP软件相结合，模拟了水平分辨率为250 m×250 m 的芬兰陆域及近海年平均风速分布。Waewsak等[19]利用MC2模式与MS-Micro模型的中微尺度耦合模式，制作了泰国湾200 m×200 m分辨率的风资源图谱并应用于当地的风电发展规划。2015年，欧洲多个研究机构合作，启动了欧洲新风资源图谱(new Europe wind atlas，NEWA)项目[20]。该项目耗资1 300多万欧元，耗时4年，利用中尺度天气预报(weather research and forecasting，WRF)模式耦合CFD模型/WAsP软件等方式，结合外场观测实验，制成了欧洲50 m分辨率的风资源图谱。

大量研究结果表明，中-微尺度嵌套模式的风场模拟效果优于中尺度或微尺度模式的单独使用，尤其是在近海岸区，其优势表现更为突出[21]。目前，基于中-微尺度嵌套的风资源评估模型虽然有一些研究和应用，但距离在海上风电领域进行大规模的应用推广还有一定的差距。如何改善中尺度气象模式的模拟准确性，解决不同尺度模型的配适问题，以及提高嵌套模型的运行效率是未来需要解决的主要问题。

3 海气耦合模型

随着风电项目规模以及开发难度逐渐加大，为了更好地进行风电项目投资和科学规划，中尺度气象模式在风资源评估中的应用价值逐渐受到重视。中尺度气象模式通过对天气系统中的不同过程进行方程求解和参数化，可有效模拟风场的时空分布特征，从而对大范围地区的风资源进行评估和预测[9]。2007年，中国气象局使用WEST风能资源数值模拟软件分析了我国近海风能资源空间分布特性[10]。张秀芝等[11]基于岛屿气象站、船舶、浮标、测风塔及石油平台的实测风资料，绘制了我国近海 30 m 高度层水平分辨率 1°×1°的风资源分布图。周荣卫等[12]利用中国气象局的 WERAS/CMA 风能资源数值模拟系统，进一步分析了我国近海1 km×1 km水平分辨率的风能资源空间分布。

思想政治教育不仅仅是理论教育，脱离实践的坐而论道只能走向瓶颈。思政教育工作者在开展政治文化理论课的同时，还应将思想政治理论应用到实践中，在课堂外举办内容丰富、形式多样具有思政内涵的各类实践活动。根据当地经济发展需求，结合学校专业特色，将专业教育与创新思政教育结合起来，以期培养一批专业基础知识扎实，职业素养高的新时期应用型复合人才。

自然界中的风场具有多时空尺度的变化特性，不同尺度的风场变化对风电场的影响存在差异。美国国家可再生能源实验室近期在国际顶级期刊Science上发表研究综述指出，提高对大气物理过程和风电场不同尺度流场特性的认识是风能研究和发展中主要面临的挑战之一[13]。因此，将中尺度与微尺度模式结合在一起嵌套使用，能够有效解决单一尺度模型适用性不足的问题，是海上风能资源数值模拟技术的发展趋势[14]。

海气耦合模型能够有效提高海上风场模拟预报的精度，提供一体化的海洋水文气象信息，服务于海上风电资源与环境的综合评估。然而，由于耦合模式的模拟运算量非常巨大，对计算机的运算能力提出了很高的要求，限制了其在行业内的推广应用。可以预见，随着云计算平台的发展带来巨大的计算能力提升，海气耦合模式将在海上风电风能资源与海洋环境评估领域发挥越来越重要的作用。如何提高海气耦合模型在海上风电领域应用的准确性、适应性和效率，丰富其应用场景，是未来研究的重点。

4 尾流模型

风电场风机在吸收一部分风能转化为电能时，会导致风能资源的损耗，使得下游区域速度降低(发电量损失)，湍流度增加(疲劳载荷增加)，形成相应的尾流区。现阶段对风电场阻塞和尾流效应的实际影响认识不足是整个工业界面临的挑战。准确评估风电场的尾流效应对于风电机组科学选型、优化排布方案、保障运行安全、提升整体发电量至关重要[31]。

目前常用的尾流评估模型主要有：Jensen(Park)模型[32-33]、高斯模型[34-35]、雷诺平均法(Reynolds-averaged Navier-Stokes，RANS)模型[36-37]和大涡模拟(large eddy simulation，LES)模型[38-39]等，不同尾流模型的主要特点和不足如表1所示。

除了风电场内的尾流影响评估，风电场间的尾流影响也成为了近年来研究的热点。在多数天气情况下(不稳定的大气层结)，风机尾流只是一个风电场内的局部效应。卫星资料显示，在一定条件下(稳定的大气层结)，海上风电场群尾流能够延伸几十km远[40]。2016和2017年，德国研究者使用一架安装了探测设备的飞机，首次直接现场观测大型海上风电场尾流的存在和形状，确认了在稳定大气条件下，海上风电场的群尾流影响蔓延到下风向几十 km，尾流区内风速下降最大可达40%，同时湍流显著增强[41]。近期，期刊Nature Energy上发表的研究成果利用该方法模拟了美国德克萨斯州内邻近风电场之间的尾流影响[42]。研究结果表明，上游风电场产生的尾流将降低其下游风电场近5%左右的发电效应，其影响的范围可达50 km以上。

随着海上风电逐渐走向规模化开发布局，在未来的风电场开发中有必要使用合适的尾流模型科学评估待开发风电场与现有邻近风电场之间的相互影响，综合考虑大规模海上风电基地的整体发电效益。然而，现有的参数方案在实际工程领域的准确性和适用性还需要进一步研究和论证。

5 结论

此外，海上风电的尾流影响评估也是需要关注的重点。目前的尾流评估模型在计算的准确性上还存在很大的不足，不同模型的计算结果差异显著。因此，研究和优化风能模型/软件中的尾流评估方法，精确评估风电场的尾流效应，对于精准的发电量计算、合理布局风机、减少尾流损失、提升风电场经济效益十分重要。

此外，虽然淋巴系统不能正常运作，但在肿瘤组织中，它是肿瘤转移的主要途径，使细胞进入正常组织中。淋巴结转移是最常见的肿瘤之一，因此控制其发展成癌症是至关重要的。

其次，执法部门的执法手段不完善。商业贿赂犯罪手段各式各样，花样不断翻新，但是执法部门却没有被赋予调查权，执法手段单一，只能凭借群众的举报、新闻线索来被动地开展执法工作。这在一定程度上使得商业贿赂行为不能被及时查处，导致工作效率低下，往往会错过了打击商业贿赂的最佳时机，使得商业贿赂行为逃脱了法律的制裁。

随着海上风电开发走向深远海域，测风塔建设难度大以及附近能够使用的气象站、海洋站长期观测数据缺失等问题日渐显现。基于数值气象预报模式开发的风能资源评估系统在海上风能资源评估中的应用价值日渐受到业内的重视。目前在风电领域主要使用的几种数学建模方法及相应的软件在海上风电领域进行应用和推广时，都有各自的优势和明显的不足。将中尺度与微尺度模相结合在多尺度嵌套模型是海上风能资源评估数学建模技术的发展趋势。现阶段基于中-微尺度嵌套的风资源评估模型虽然有一些研究和应用，但距离在海上风电领域进行大规模的应用推广还有一定的差距。

本文系统地梳理了海上风电领域风能资源评估数学建模方法及工具的国内外技术现状并对未来主要的前沿技术发展趋势进行了充分地讨论。总体而言，考虑到海上大气物理环境特性，研究面向深远海域的风能资源评估数学建模方法，依托多尺度嵌套的建模框架，充分考虑海气耦合过程对风能资源分析的影响，以及对尾流评估模型及相应的参数方案进行改进优化，将是未来海上风电风资源评估数学建模技术发展的重点。