塔城地區老風口風能資源的分析與研究*

王 飛，劉紅霞

（1.塔城地區氣象局，新疆 塔城 834700；2.烏魯木齊市氣象局）

塔城盆地老風口地處托里縣和額敏縣之間，東南面為烏爾喀夏爾山和加依爾山，北面為塔爾巴哈臺山，特殊地形形成一條三面環山的簸箕形、向西開口、東高西低的狹長谷地，東通準噶爾盆地，西連塔城盆地，西南與巴爾魯克山向東北延伸的尾部相接，受大氣環流和特殊地形影響，該區域常年多大風天氣，氣候條件惡劣，風區年均8級以上大風150余d，最多達180 d，最大風速高達40 m/s，與阿拉山口和達坂城并列為新疆三大風口，風能開發利用前景十分廣闊。

1 資料來源

本文使用的數據資料為托里縣氣象局、額敏縣氣象局的常規氣象資料和風電場70 m高測風塔資料，通過對塔城老風口風電場的開發潛力進行統計分析，得出老風口、瑪依塔斯風電場的風能資源特性參數，以逐年平均風速、各月平均風速、風場高度測風塔同期的逐小時風速、十六方位風向資料、累年平均氣溫和氣壓數據及建站以來記錄的最大風速、極大風速、極端氣溫、雷暴日數等，分析年測風序列中每個風速區間內風速出現的頻率，繪制風速頻率圖，按照十六方位風向頻率描述風向分布特征，統計時段內各方位風出現的次數占全方位風向出現總次數的百分比[1]，采用近30年（1981—2010）的氣象整編資料，9年（2008—2012）老風口、瑪依塔斯2個70 m高測風塔資料，統計老風口地區有效風能密度和風能可用時數，對該地區風電場風能資源進行統計分析與研究。

2 風向、風速氣候特征

2.1 氣象站風向、風速特征

老風口風電場少風年的風能與多風年風能的差距很大，多年連續觀測的風速、風向、乃至風能的變化趨勢、幅度大致相同。依據托里縣氣象局、額敏縣氣象局近30年的整編資料，應用平均風速公式進行計算：

通過數據計算出兩站歷年平均風速、年平均風速、逐月平均風速，結果表明：各項平均風速呈顯著相關關系，相關系數分別達0.92和0.94；對兩站年平均風速序列進行M-K突變檢驗，發現近30年兩站均有2個突變點，其中，托里縣1983年達波峰，然后開始減小，到1989年又開始緩慢回升，到1998年達最大；額敏縣1985年達峰值，然后逐漸減小，到1998年為最小，然后在波動中緩慢回升，兩站年平均風速均存在5~10年呈周期變化，其中，托里縣 30年（1981—2010年）年平均風速為2.8 m/s，額敏縣 30年（1981—2010年）年平均風速為2.2 m/s。托里縣年平均風速較額敏縣明顯偏大，多年來兩地平均風速比較穩定，年際間變化不大，呈現緩慢減小趨勢。

圖1 托里、額敏氣象站風向、風速玫瑰圖

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托里、額敏兩站受特殊地形、地貌以及大氣環流形勢共同的影響，月際間平均風速存在明顯變化，其中，月最大風速均出現在4月，月最小風速均出現在12~1月，月平均風速高值階段集中在4~9月，從9月份開始風速逐漸減弱，到12月份進入低值階段。分析兩站逐月平均風速資料，得出兩站從2000年以后秋季、冬季月平均風速緩慢增加，特別是11月、12月2個月月平均風速增加幅度最大，原因與近年來秋、冬季節極端大風、暴雪天氣的增多有關。

由老風口、瑪依塔斯風電場的十六方位風向、風速頻率圖 （圖1）可以看出，額敏縣常年盛行NE、ENE、E風，主導風向為ENE風，全年風向比較穩定，其中，春夏季（3~8 月）盛行 ENE、NE、WSW 風向；秋冬季（9月至次年 2月）盛行 ENE、E、NE風向；托里縣常年盛行S、SSE、N風向。主導風向為S風，其中，春夏秋季（3~11 月）盛行 S、N、SSE 風向；冬季（12月至次年2月）盛行S、SSE風。主導風向頻率在16%~21%之間。

2.2 測風塔風速、風向變化特征

利用2004—2012年老風口區域2個70 m測風塔資料，設定有效風速范圍為3~25 m/s，不同風速區間以0.5 m/s為間隔，每個風速區間的數字代表中間值，統計各級風速出現的時數和頻率。老風口、瑪依塔斯不同高度風速頻率最大值出現在4.0~4.5 m/s之間，風速頻率眾值出現在3.5~8.5 m/s之間，占有效風速分布的23%~46%。

老風口70 m高度風速主要集中在3.5~9.3 m/s之間，2004—2012年實測年平均風速為7.8 m/s；50 m高度風速集中在3.5~8.7 m/s之間，年平均風速為7.5 m/s；30 m高度風速集中在3.5~8.0 m/s之間，年平均風速為7.0 m/s；10 m高度風速集中在3.5~7.0 m/s之間，年平均風速為6.7 m/s。

瑪依塔斯70m高度風速主要集中在3.5~9.5m/s之間，2004—2012年實測年平均風速為7.8 m/s；50 m高度風速集中在3.5~8.9 m/s之間，年平均風速為7.5 m/s；30 m高度風速集中在3.5~8.3 m/s之間，年平均風速為7.3 m/s；10 m高度風速集中在3.5~7.6 m/s之間，年平均風速為6.8 m/s。

老風口地區風能主要集中在3.5~7.5 m/s之間；不同高度風速頻率曲線均符合Weibull分布，隨著測風高度的增加，風能資源越來越好，但增加趨勢很平緩；該地區年平均風速在6.8~7.8 m/s之間，風能資源非常豐富。

通過統計分析老風口、瑪依塔斯測風塔70 m、10 m高度十六方位風向頻率，同時篩選風速3.0~25 m/s作為風向分析的有效數據樣本進行統計。老風口10 m高度主導風向為E風，盛行風向為ENE和ESE，風向頻率為10.6%~28.7%；70 m高度主導風向為SSE，盛行風向為SE和NW，風向頻率在10.8%~22.2%之間。瑪依塔斯10 m高度主導風向為W，盛行風向為E和ENE，風向頻率在15.3%～21.1%之間；70 m高度主導風向為SE和NW，其中，SE風向頻率達27.3%，NW風向頻率為25.4%。老風口地區全年風向穩定，風能密度分布比較集中，其中，老風口風能密度主要集中為SE和NW風向，風能密度分布比較集中。

3 風能特征指標計算

選取平均風能密度和有效風能時數相結合的方法對老風口平均風能密度進行計算：

（2）式中W為該時段平均總風能密度，Vi為任意時刻風速，i為Vi出現次數占V>0 m/s總次數的頻率。

通過計算可得，老風口測風塔70 m、10 m高度處年平均風速分別為7.8 m/s和6.7 m/s；年平均有效風能密度分別為681 w/m2和523 w/m2；瑪依塔斯測風塔70m、10m高度處年平均風速為7.8m/s和6.8m/s；年平均有效風能密度分別為692w/m2和530w/m2。

風能密度與風速的3次方和空氣密度成正比，可以認為風能密度的概率分布特征主要取決于風速的概率分布特征，以1 m/s為一個風速區間，每一個風速區間的數字代表中間值，單位時間內氣流通過與氣流垂直的單位面積的風能，稱為風能密度，是評價一個地區風能資源最直接、最方便的指標。

4 結論

（1）老風口、瑪依塔斯2個測風塔年平均有效風能密度均在200w/m2以上，年有效風能時數在5000h以上，屬于風能資源豐富地區，但夏季多雷暴，要注意防范；（2）不同等級風速的頻率分布特征是決定該地區風能大小的重要因素，不同高度風速與風能密度具有高度一致性[2]，不同高度風速出現高頻區域主要集中在3.5～9.3 m/s之間，有效風能密度高值區也集中在3.5～9.3 m/s之間，占60%～80%，年平均風速的變幅在5.0～8.5 m/s范圍內，有效風能密度的變幅在387～692 w/m2之間，風能資源隨高度的增加而增大；（3）老風口風能有效時數小于瑪依塔斯風能有效時數，近地層風速明顯小于瑪依塔斯，這與近年來老風口生態治理、大面積植樹造林、下墊面發生變化有關；（4）通過測風塔實測資料和附近氣象臺站資料統計分析與研究發現，老風口風區風能資源豐富，風能利用的潛力巨大，該地區地勢平坦，滿足擴大建設大型風電場的基本條件。

[1]龔強，袁國恩，汪宏宇，等.遼寧沿海地區風能資源狀況及開發潛力初步分析[J].地理科學，2006，26（4）：483-489.

[2]趙媛，梁中，袁林旺，等.能源與社會經濟環境協調發展的多目標決策— 以江蘇省為例[J].地理科學，2001，21（2）：6-8.