黑龍江省東部地區風能資源數值模擬誤差分析

王慶祥　徐永清

摘要 利用MM5+CALMET模型對黑龍江省東部地區2009年6月～2010年5月進行風能資源數值模擬，并與3座測風塔實測風速進行誤差對比分析。結果表明，在10 m處，各測風塔年平均風速模擬值小于實測值，10 m以上，年平均風速模擬值大于實測值；模擬風速頻率在2～5 m/s小于實測風速頻率，在6～10 m/s大于實測風速頻率，>10 m/s與實測風速頻率基本相當；模型對風向的模擬效果不如對風速的模擬效果，雖然70 m高度模擬主導風向與實測風主導風向基本一致，但模擬值與實測值相差較大；模型對風能頻率的模擬效果優于對風速頻率與風向頻率的模擬。

關鍵詞 MM5；Calmet；風能資源；數值模擬；誤差分析；黑龍江省東部地區

中圖分類號 S213 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）13-03996-04

Abstract MM5/Calmet model system was used to simulate wind energy in eastern region of Heilongjiang Province during June 2009 to May 2010， and the simulated results were analyzed with the determination data from 3 anemometer towers. The results showed that： the simulated value of annual average wind speed was smaller than observed value on 10m， and was higher than observed value above 10m； the simulated frequencies of wind speed was lower than observed value between 2-5 m/s， and was higher than observed value between 6-10 m/s， and was as similar as observed value above 10m/s； The performance of simulating wind direction frequency was not as better as those of simulating wind speed frequency， the model could simulate observed dominant wind direction although the simulated value was obviously smaller than observed value； the simulation capacity on wind energy density was better than capacity on wind frequency.

Key words MM5； Calmet； Wind energy； Numerical simulation； Error analysis； Eastern region of Heilongjiang Province

我國風電總裝機從2005年起連續5年以100%的速度增長，到2010年底，累計裝機容量達4 487.1萬kW，超越了美國，躍居世界第1位。風電的快速發展對風能資源評估提出了更高的要求，為了解決風能資源評估觀測資料在空間分布密度和觀測時間長度方面的限制，中、小尺度數值模式在風能資源評估中的應用技術得到快速發展。近年來我國的很多科研機構開始了風能資源數值模擬研究[1-4]。如龔強等在遼寧省風能資源普查中應用MM5模式模擬了遼寧省的風能資源狀況[5]。2005年中國氣象局風能太陽能資源評估中心引進了加拿大氣象局風能資源數值模擬系統，在此基礎上經過本地化的改進后，建立了中國氣象局風能資源數值模式系統[6]。

為了滿足風電產業大規模開發的需要，必須要精細化模擬評估區域性的風能資源，大多數中尺度模式很難達到精細化模擬的需求。即使中尺度模型能夠實現精細化模擬，但對于區域性模擬需耗費大量機時，不能滿足目前風能資源評估工作的需求。因此，需要通過動力降尺度的方法來實現風能資源精細化數值模擬，并達到可用的精度。

中尺度氣象模式MM5被廣泛應用于中尺度及區域尺度的大氣環流，適用于對空氣質量、水文情況和風能資源進行數值模擬研究[7-8]。CALMET模塊是一個風場診斷模式，目前主要應用于大氣污染擴散的研究及應用[9]。

黑龍江省東部低山丘陵地區風能資源豐富，適宜建設大型風電場。筆者運用中尺度氣象模式MM5結合微尺度模式CALMET對黑龍江省東部地區2009年6月～2010年5月的風能資源進行模擬研究，對MM5/Calmet模式模擬結果與黑龍江省東部3座70 m高測風塔資料進行了詳細對比分析，評估該模式對該地區的風能資源模擬能力。

1 資料與方法

1.1 MM5/CALMET數值模式系統及模擬方案介紹

中尺度氣象模式MM5是美國賓夕法尼亞大學和美國國家大氣研究中心聯合開發的，是一個完全可壓非靜力的中尺度天氣數值模型，適合于有限區域的中度數值預報模式。該模式自20世紀70年代問世以來，經過全球各國大氣物理科學家的共同努力，目前已發展成為全球最成熟的中尺度天氣數值預報系統之一。

CALMET是污染氣象模式CALPUFF的氣象模塊，包括診斷風場模塊和微氣象模塊。診斷風場模塊對初始猜測風場（MM4或MM5網格風場、常規監測的地面與高空氣象數據）進行地形動力學、坡面流、地形阻塞效應調整，產生第一步風場，導入觀測數據后，并通過插值、平滑處理、垂直速度計算、輻散最小化等產生最終風場；微氣象模塊根據參數化方法，利用地表熱通量、邊界層高度、摩擦速度、對流速度、莫寧一奧布霍夫長度等參數描述邊界層結構。

MM5模式采用兩層嵌套，兩層區域的網格分辨率分別為27 km×27 km和9 km×9 km，垂直方向共分為30層，模擬計算時間為2009年6月1日～2010年5月31日，逐日進行模擬計算；再將MM5模式9 km×9 km水平分辨率的模擬結果作為CALMET模式的初始場，進行降尺度診斷計算，得到1 km×1 km水平分辨率逐時風資源分布結果；最后將網格點上的模擬結果通過雙線性內插的方法插到測風塔上。

1.2 資料選取

采用全球環流模式背景場資料NCEP/FNL客觀分析場融合中國氣象局常規探空和地面觀測資料（MICAPS資料）作為中尺度模式初始場（邊界條件）。MM5模式地形地表資料采用30 s水平分辨率的USGS資料。

CALMET模式地形資料采用SRTM3資料（3 s分辨率，約90 m），Landuse數據采用30 s水平分辨率的USGS資料。

同時，選取黑龍江省東部地區3座測風塔的實際測風資料。3座測風塔共有4層風速觀測，分別為10、30、50、70 m，2層風向觀測，分別為10、70 m。3座測風塔均位于東部低山丘陵地區，具體信息如表1所示，因為目前風電場的主流風機輪轂高度為70 m，所以，在此主要針對70 m高度的資料進行分析。

2 結果與分析

2.1 風速模擬誤差分析

2.1.1 年平均風速分析。

分析2009年6月1日～2010年5月31日逐時模擬風速與測風塔觀測風速（表1）可見，10 m高度2#測風塔實測風速等于模擬風速，1、3#測風塔實測風速均大于模擬風速，因為風功率密度較小，風功率相對誤差較大；10 m以上，各測風塔均是模擬風速大于實測風速，且風速相對誤差隨高度增加有增大趨勢，風速模擬垂直變化較大；70 m高度，2#測風塔風速相對誤差最大，為14.0%，1#測風塔風速相對誤差最小，為6.2%；70 m風功率相對誤差較風速相對誤差大，2#測風塔最大，為23.7%，1#測風塔最小，為9.8%。3座測風塔中2#測風塔模擬風速和風功率相對誤差較大，1#、3#測風塔誤差較小。3座測風塔在70 m高度上風速相對誤差平均為10.0%，風功率相對誤差平均為16.8%。

3 結論

利用MM5+CALMET模型對黑龍江省東部地區2009年6月～2010年5月的風能資源進行數值模擬誤差分析，結果表明，模擬年平均風速除10 m外，均大于實測風速，且風速相對誤差隨高度增加有增大趨勢，風速模擬垂直變化較大，70 m高度上風速相對誤差平均為10%，風功率相對誤差平均為16.8%；風速頻率模擬中，模型對風速>10 m/s區間具有較強的模擬能力；風能頻率模擬優于風速頻率模擬，與實測風能頻率分布基本一致；對風向頻率的模擬，模型能較好地模擬出主導風向的分布，但主導風向的數值明顯小于實測主導風向的數值，模擬風能頻率與實測值的分布風向比較一致。該模型對黑龍江省東部地區70 m高度（目前主流風機的輪轂高度）的風速、風向具有較強的模擬能力，尤其是對風電場最重要的>10 m/s風速區間、主導風向模擬能力更強。該模型可以模擬出黑龍江省東部地區風能資源的基本特征，可以利用其進行風能資源評估等工作。

參考文獻

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[2] 陳雙溪，聶秋生，曾輝，等.鄱陽湖區風能資源儲量及分布研究[J].氣象與減災研究，2006，29（1）：1-6.

[3] 錢莉，楊永龍，楊曉玲，等.河西走廊東部風能資源分布特征及開發利用[J].氣象科技，2009，37（2）：198-204.

[4] 楊振斌，薛桁，袁春紅，等.用于風電場選址的風能資源評估軟件[J].氣象科技，2001，29（3）：54-57.

[5] 龔強，袁國恩，張云秋，等.MM5模式在風能資源普查中的應用試驗[J].資源科學，2006，28（1）：145-149.

[6] 李澤椿，朱蓉，何曉鳳，等.風能資源評估技術方法研究[J].氣象學報，2007，65（5）：708-707.

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[8] 成馳，楊宏青，袁業暢，等.基于數值模擬的湖北省風能資源儲量估算[J].安徽農業科學，2011，39（12）：7374-7377.

[9] 馬明亮，張加昆，魏鴻業，等.基于CALMET對復雜地形下風場的模擬研究[J].環境科技，2011，20（4）：181-184.