青海高原北部风能资源的高分辨率数值模拟初探

７ １ ５ １ 相 连两 块 问重 合 率为 ６ ％． 用 每一 小 块 ７ｘ ４ ． ０ 运
ｔ 平均气 温 （ 。 —— ℃） （） ３ 有效 时数 ： 测风序 列 中风 速在 ３ ５ 之 年 —２
（ ） 向频 率 ： 据 风 向观测 资料 ， １ 方位 ４风 根 按 ６个
部 ２小 块 进 行 模 拟计 算 ，格 点 数 分别 为 ５ １ ５ １ 间的累计 小时数 ４ ４ 、 ｘ
中的气象模块 ａ ｔ Ｃｌ 是一个 网格化气象风场模式 ． ｍｅ 利
用质量守恒原理对风场进行诊断 ．包含 了客观化 的参 数分析 、 陡坡地形 的参数化处理 、 地形影响下的动力 学 流体效应 、 特殊地形对大气流体的阻滞效应 、 辐散散度 图 １ 青海 省测风塔 分 布示 意 图 （） １平均 风速 （Ｅ ： Ｖ）
资 源 分 析 是 风 电场 建 设 的 基 础 ，对 分 析 开 发 风 电 发展 及 风 电场建设 提 供科 学 的参考 依据 场 的 可 行 性 、 电 设 备 选 型 、 设 规 模 、 设 效 益 风 建 建
等 至 关 重 要 和 观 测 时 间 长 度 方 面 的 限制 ， 、 尺 度 数 值 模 式 中 小 ２ 模 式及模 拟 方 案
表 明， 青 海 湖地 区、 江 源北 部及 祁连 山 周边 地 区 ７ｍ 高度 年 平 均风 速 均 大 于 ８Ｏ ｓ 年 平均 风 功 率 密 环 三 ０ ． ～， ｍ・ 度 均在 ４０ ／ 以上 ． ０Ｗ ｍ２ 风能 资 源丰 富 ， 以考虑 在 上 述地 区开展 加 密观 测， 青 海 高原 大 范 围开展 风 能 资源 可 为
的平 均值 ． 中 Ｄ 其 ＷＰ中 的为测 站各 月平 均 空气密 度 值 ， 决于 当地 月 平 均气 温 、 平 均气 压 、 平 均水 取 月 月
汽压 ， 算公 式如 下 ： 估
１２ ６ ７ １Ｄ ０． ７ ｅ ＼ 一 ３８ ｐ １ ０ ０３６ ｌ —＋ ０６ｔ —而 Ｊ —
（・ ， ｐＶｋ ） ｋ ｉ
诊 断计 算 ． 到 ｌｍｘ ｋ 得 ｋ ｌｍ分 辨率 的模 拟 结果 ＭＭ５
模 式 的初 始 场 和 边 界 条 件 采 用 全 球 环 流模 式 再 分 析资料 １ 。１ Ｎ Ｅ ． × ．ｏ Ｃ Ｐ资 料 ： ０ 同时 将 探 空 和地 面 观
式 中 ：—— 为计 算时段 内风速序列 个 数 ： ｎ
然数值模拟并不能代替 现场观测 ，但利用数 值模 域性 风能 资源 评估 的数值 模 式系 统 ．该 系统 主要 由
式 能 够 较 好 地 模 拟 低 层 大 气 风 场 分 布 ，可 以 弥 补 中尺 度气 象模 式 ＭＭ５和微尺 度诊 断模 式 Ｃ ｌ ｔｌ ａ ［ ｍｅｓ 以
观 测 资 料 的不 足 ．尤 其 是 在 山 地 等 复 杂 地 形 区域 及 风 能资 源参 数计 算模 块组 成 的数 值 模 拟 ．在 一 定 程 度 上 减 少 了风 能 资 源 评 估
分布 图。 以 ７ ｍ 高度 为例 ， 图 ２ａ中可 以看 出， ｍ ０ 从 （） ７ 其余 地 区风功率 密度 量值基 本在 （０ ～ ５ ） ｍ 之 ０ １０ ３ ０ Ｗ／ ｚ 高度 年平均 风速在柴 达木盆 地及东 部农业 区较 小 ． 年 间 。
平均 风速一 般在 ７５ 以下 ． ． ｍ 大值 区主要集 中在环
的不确定性 。
ＭＭ５ 式是 美 国国家大 气研 究 中一 （ Ｃ Ｒ． ａ 模 ｔ Ｎ Ａ Ｎ－ ￣ ，
ｔ ｎ ｌ ｅ ｔｒｏ ｔ ｏｐ ｅｅ ｅｅｒｈ ￣ ｅ ｎｙ ａ ｉ ｉ ａ ｎｅ ｒ ｍ ｓｈ ｒ ｓａｃ ） １ ｎ ｓｌ ｎａ ｏ Ｃ ｆ Ａ Ｒ １ Ｐ ｖ
青海 高原 地形 复 杂 ．受地 形 峡 管效应 及 高 压强 州立大学联合研制 的 ．是一个完全 可压非静力 的中尺 包 动 劲 西风 动量下 传 的影 响 ．高 原北 部有 常 年稳 定 的风 度天气 数值模 式 ， 括质量 守恒方 程 、 量守 恒方程 、 水汽守恒方 程和气体状态 方程１ ９ ｔ 。模式 源． 具有 风能 开发 潜力 目前关 于 风能 资源 的研 究 多 热量守恒 方程 、
此外 ．对 ＭＭ５Ｃ Ｌ Ｔ模 拟 的 ７ ｍ高 度 所 有 ／Ａ ＭＥ ０
青海 湖地 区、 三江 源北 部 及祁 连 山周 边地 区 ， 平均 网格 点 的逐 时风 速和 风 向结果 进 行统 计 ．得 到有 效 年 风速均 大于 ８ ｍ － 区大于 １．ｍ 年平 均风速 小 时数 （３ ２ ） ／）图 ２ｃ 和 主导 风 向 的平 面 分 布 ． 全 ０ ２Ｏ （～ ５ｍ ｓ（ （） ） 出现在 德 令 哈 戈壁 、 峻 、 兰 、 海 等海 拔 高 度 在 图 （ ）结 果 显示 ， 海高 原北 部 年有 效小 时数 可 达 天 乌 兴 略 ， 青 ３０ ｍ以上 的地 区 ００ 模拟 的风功率 密度空 间分 布特征 ６ ０ ～ ５ ０ ０ ０ ８ ０ ｈ之 间 ．全 区年 主导 风 向基本 上 为 Ｗ 或
环境影 响评估与预测 、风能资源评估与预报 以及城市 或区域发展规划等领域 中 Ｃ ｌ ｅ 模块是美 国 Ｅ Ａ推 ａ ｔ ｍ Ｐ 荐 的 由 Ｓｇ ｅｅｒｈＣ ｒｏａｉ （ 在 是 Ｅ ｎ ｉ Ｒ ｓａｃ ｏｐ ｒｔ ｎ 现 ｍａ ｏ ａｈ Ｔ ｃ ． 。的子公 司 ） ｅｈ Ｉ ｎ 开发的空气 质量扩散模 式 Ｃ ｌｕ ａ ｆ ｐ
．
式 中 ：—— 空 气密度 （ ｇ ｐ ｋ／ ） ｍ
Ｐ ——平 均大 气压 （Ｐ ） ｈａ：
ｅ— —
平 均水 汽压 （ Ｐ ） ｈａ；
Fra Baidu bibliotek
ＭＭ ５取 １ 进 行模 拟计 算 ． 盖 了青海 高 原北 块 覆
部 的 １ 个 风 能详查 点 （ １ ２ 图 所示 ） ａ ｔ 。Ｃ ｌ 分东 、 ｍｅ 西
的风资源 计算结 果进 行拼 图得 到青 海高 原北 部风 能 统计 观测 时段 内（ 、 ） 风 向 出现 的小时数 ， 以 年 月 各 除 资 源分布 图
３ 风 能参数计 算方 法
总 的观测小 时数 即为各 风 向频率
４ 模拟 结果分 析
评估 风 电场 的风能 资源状况 ， 计算 体现 风能 需要
评 估和 风 电场选 址提供 参 考依 据
关 键字 ： 海 高原北部 ； 能 资源 ； 值 模拟 青 风 数
１ 引言
集 中 于海上 区域 的模 拟０］ 在高 原 的甚 少 ． 文 利 －． ６而 本 用 中 国气 象 局 开 发 的 风 能 资 源数 值 模 拟 评 估 系统
随 着 能 源 危 机 的 到 来 ．人 们 开 始 关 注 能 够 替 （ ｎ Ｅ ｅｇ Ｒｅｏｒｅ Ａｓｅｓ ｅ ｔ Ｓ ｓ ｍ， Ｗｉｄ ｎ ｒｙ ｓｕｃ ｓｓｍ ｎ ｙｔ ｅ
． 为 了解 决 风 能 资 源 观 测 资 料 在 空 间 分 布 密 度 ２１ 模 式 介 绍
风 能资 源 数 值模 拟 评 估 系统 （ ｎ ｎ ｒｙＲ ． Ｗｉ Ｅ ｅｇ ｅ ｄ
ｏｒｅＡ ｓｓｍ ｎ ｓ ＷＥ Ａ ） Ｓ ｅ 在 风 能 资 源 评 估 中 的应 用 技 术 得 到 快 速 发 展 。虽 ｓｕｃ ｓｅｓ ｅ ｔ ｙｔｍ． Ｒ Ｓ 是 一 个 适用 于 区
乏候
青 气 ＠ 海象
青海高原北部风能资源 的高 分辨率数值模拟初探
刘 彩 红 马 占 良 李 红梅
（ 青海省 气候 中心 ， 宁 西
８０ ０ ） １０ １
摘 要 ： 用风 能 资源数 值 模拟 评 估 系统 （ ＲＡＳ， 青 海 高原 北部 复 杂 地 形条 件 下 的风 能 资 源状 况进 利 ＷＥ ） 对
Ｅ：
ｎ ｉ
最小化处理 、以及 专门为处理海陆边界层和大面积水
体区域上 空的气体扩散 的微气 象学处理算法㈣
２ ． 模 拟 方 案 ２
， ｖ
本文在 进 行 风能 资源 数值 模 拟时 ． ＭＭ５采 用两
９ ｉ．垂 直 方 向在 近 地层 加 密 共 分 为 ３ ｋ ｎ ０层 ，其 中 ２ ０ 以下 有 ９层 ：将 ＭＭ５模 式 ９ ｍｘ ｋ ０ｍ ｋ ９ ｍ分 辨 率 的模 拟结 果作 为 Ｃ ｌ ｔ ａ ｍｅ 模式 的初 始 场 ． 进行 降 尺度
验 分析 ．选 取 模 拟结 果 与 实况 分析 接 近 的方 案 ． 最 后 确定 为 ： 星边 界 层 参数 化 方 案采 用 ＭＲ 行 Ｆ方 案 ， 水 汽参 数 化方 案 为 简单 冰相 显示 湿 方 案 ． 云参 数 积 化方 案采 用 Ｇ ｅｌ ｒｌ方案 ． 射方 案 为云 辐射 方案 模 辐 式积 分步 长 为 ６ ｓ ０
ｐ ｋ 月平均 空气 密度 ，＝ ，， １ ； —— ｋ ｌ …， ２ ２
ｎ， ｋ， ｉ 第 ｋ个 月的观测 小 时数 ； ——
ｖ ， —第 ｋ 月 （ ＝ ， １ ） ｋｉ — 个 ｋ ｌ ２ 风速序 列 。 …， 平均风 功率 密度 的计 算应 采用 逐 时风 功率密 度
测 资料 加 入模 式 客 观分 析模 块 ． 以提 高 模拟 的准 确 性 Ｃ ｌ。模 式 运算 时采 用 的地 形资 料 为水平 分 辨 ａｍ ｔ 率３ ｓ的 Ｓ Ｔ Ｒ Ｍ３资 料 ．下 垫 面类 型 资料 为 ３ｓ 平 ０水 分 辨率 的 Ｕ Ｇ Ｓ Ｓ资料 通 过 多种参 数 化方 案模 拟试
代 化 石 燃 料 的其 它 新 能 源 风 能 是 一 种 发 展 最 快 ＷＥ Ａ ） Ｒ Ｓ ．对青 海 高 原北 部 ２ ０ ０ ９年 ６月 １Ｅ一 ０ ０ ｔ ２ １ 的可 再 生 清 洁 能源 ． 量 很 大 ． 风力 发 电 是 目前 年 ５月 ３ 储 且 １日的逐 时 风 能资 源进 行 数值模 拟 ． 试得 尝 技 术 最 为 成 熟 、最 具 有 大 规 模 开 发 和 商 业 化 发 展 到 高 分 辨 率 （ｋ 的风 能 资 源 分 布 状 况 ， 析 不 同 １ｍ） 分 前 景 的利 用 方 式 ， 因而 得 到 越 来 越 多 的关 注 。风 能 区域 的风 能 资源 丰 富程 度 ．以期 为高原 风 能规 模化
行 了高分辨 率 的数 值模 拟 试验 ． 过模 拟结 果 与 同时段 测风塔 观 测数 据 的 对 比分析 发 现 ： 通 ＭＭ５ ｃ Ｌ Ｔ ／ Ａ ＭＥ Ｍ
的 ｌ ｍ 分辨 率模拟 可 以较 准确 的得 到 高原 北部 年 平 均 风速 的 量值 （ 均相 对误 差＜ ０ ， 大致模 拟 出高 ｋ 平 ２ ％） 能 原 风速 分布 趋势 以及 年主 导风 向 ． 是 风功 率 密度 结果 与 实 际吻合度 较低 （ 但 平均相 对￣ ｄ ＞ ５ 。模 拟 结果 ｌ ３ ％） ｝ －
— —
４７ — —
＠ 青 气 海象
候
采用非静力平衡动力框架 、多重嵌套 网格 系统及 四维 资源状 况的风 能特征参 数， 风能特 征参 数主要 包括平
同化 Ｄ Ａ处理技术 ， Ｄ） 目前被广 泛应 用 于国内外大气 均 风速 、 平均 风功率密度 、 有效时数 、 向频率 等。 风
４８ —
为 了解 高 原北 部 风 资 源 的丰 富程 度 ．对 ＭＭ５ ／
艺候
． ． ｜
青 气 ＠ 海象
Ｃ Ｌ Ｔ模拟 的 １ 内逐 时 风速 及 风功 率密 度 结果 以上 ． 大可 达 ８ ０ ｍ ． 模拟 区的 中东 部及 西 南 Ａ ＭＥ 年 最 ０ Ｗ／ ／在 求平 均 ． 出各 层 的年平均风 速和年 平均 风功 率密度 部 ７ ｍ高 度年 平 均 风功 率 密度 均 在 ４ ０ ｍ 以上 ． 得 ０ ０ Ｗ／ ｚ
Ｖ Ｅ为 平均 风 速 。 ｉ 风 速观 测 序 列 ， 平均 Ｖ为 ｎ为 （） 均风 功率 密度 （ ｗ ） ２年平 Ｄ ｐ：
Ｄｗｐ＝
。
年 月 风速序 列个数 。 重嵌 套 ． 网格 分 辨 率 分 别 为 ２ｋ ２ ｋ 和 ９ｉｘ 风 速计算 时段 内（ 、 ） ７ｍ￣ ７ｍ ｋ ｎ