基于ENVISAT ASAR影像與QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的近海風(fēng)能資源評(píng)價(jià)——以香港東南海域?yàn)槔?br/>

蔣潔，劉永學(xué)，2＊，李滿春，2，鐘禮山，陳振杰，2，張荷霞

（1.江蘇省地理信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京大學(xué)，江蘇 南京 210023；2.中國(guó)南海研究協(xié)同創(chuàng)新中心，南京大學(xué)，江蘇 南京 210023）

風(fēng)能作為一種清潔可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。由于海面粗糙度較小，海洋風(fēng)能資源較陸地更為豐富，具有更大的開(kāi)發(fā)潛力［1］。開(kāi)展風(fēng)能資源評(píng)價(jià)是合理開(kāi)發(fā)利用海洋風(fēng)能資源的前提，其關(guān)鍵在于獲取可靠的風(fēng)向、風(fēng)速等風(fēng)場(chǎng)參數(shù)及其時(shí)序變化。以遙感圖像為信息源，以圖像處理、信息提取為技術(shù)手段，反演海洋風(fēng)場(chǎng)參數(shù)的方法日趨成熟［2］。與傳統(tǒng)船舶、島嶼站、海上浮標(biāo)數(shù)據(jù)相比，衛(wèi)星遙感資料能提供長(zhǎng)時(shí)間序列、大面積同步的海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，在海面風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)和研究中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用［3，4］。其中，微波散射計(jì)可獲得全球全天候條件下的海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，其時(shí)間分辨率較高，空間分辨率（25～50km）不足［5］；合成孔徑雷達(dá)SAR（Synthetic Aperture Radar）以其數(shù)十米甚至更高的空間分辨率彌補(bǔ)了這方面的不足，但其時(shí)間分辨率較低。目前，利用衛(wèi)星遙感資料進(jìn)行海面風(fēng)場(chǎng)的研究一方面?zhèn)戎豐AR影像風(fēng)場(chǎng)反演方法的研究，證明遙感影像風(fēng)場(chǎng)反演的可行性［6－9］，但這些研究并未進(jìn)一步進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)價(jià)；另一方面?zhèn)戎乩梦⒉ㄉ⑸溆?jì)資料進(jìn)行大范圍的風(fēng)能資源評(píng)價(jià)［10－12］，由于微波散射計(jì)資料大多已包含海面風(fēng)場(chǎng)信息，所以這些研究并不涉及風(fēng)場(chǎng)反演。

基于此，本研究擬將多時(shí)相遙感影像風(fēng)場(chǎng)反演和風(fēng)能資源評(píng)價(jià)相結(jié)合，利用ENVISAT（European Environmental Satellite）ASAR（Advanced Synthetic Aperture Radar）影像的較高空間分辨率優(yōu)勢(shì)與QuikSCAT（Quick Scatterometer）風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的高時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行風(fēng)能資源的時(shí)空分布特征評(píng)價(jià)，為風(fēng)力發(fā)電提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)源

研究區(qū)地處我國(guó)東南沿海的近海區(qū)域（22°7′～22°20′N(xiāo)，114°21′～114°34′E），是我國(guó)風(fēng)能資源較為豐富的地區(qū)，屬于風(fēng)力發(fā)電的理想場(chǎng)所［13］；氣候類(lèi)型為熱帶季風(fēng)氣候，年均溫在22℃以上，季風(fēng)氣候顯著，盛行熱帶氣旋。研究區(qū)緊鄰的香港是全球重要的經(jīng)濟(jì)、金融和航運(yùn)中心，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，人口密集，用電需求量大，對(duì)該地區(qū)的風(fēng)能資源評(píng)價(jià)可為香港近海風(fēng)力發(fā)電提供參考依據(jù)。

選取空間分辨率較高的ENVISAT ASAR影像，時(shí)間為2006年8月2日－2009年7月22日，共計(jì)39幅，均為VV極化方式，空間分辨率30m，像元大小12.5m×12.5m。收集了2006年3月1日－2009年2月28日共計(jì)1 096幅時(shí)間分辨率較高的QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，用于分析風(fēng)速的時(shí)序特征，風(fēng)速精度小于2m／s［11］。

2 近海風(fēng)能資源評(píng)價(jià)方法

研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 研究技術(shù)路線Fig.1 Technology framework of the study

2.1 預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括ENVISAT ASAR影像的軌道參數(shù)更新、輻射定標(biāo)、幾何校正及QuikSCAT風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)的提取。其中，ENVISAT ASAR影像的輻射定標(biāo)較為關(guān)鍵。ENVISAT ASAR傳感器記錄了雷達(dá)反射信號(hào)的強(qiáng)度和振幅信息，進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)反演需利用其強(qiáng)度信息。然而影像的原始強(qiáng)度信息受入射角、極化方式等因素影響巨大，需進(jìn)行輻射定標(biāo)以使不同時(shí)期的影像有可比性，為風(fēng)場(chǎng)參數(shù)的反演提供基礎(chǔ)。定標(biāo)公式如下［14］：

式中：σ0ij是第i行第j列像元的后向散射系數(shù)，DNij是第i行第j列像元的原始強(qiáng)度，θij是第i行第j列像元的雷達(dá)波入射角，K是絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)。

2.2 風(fēng)向反演

基于ENVISAT ASAR影像的紋理特征反演風(fēng)向：合成孔徑雷達(dá)影像上存在與海面風(fēng)向平行的風(fēng)條紋，這些條紋由于海洋大氣邊界層的不穩(wěn)定形成［8］，間距1～8km，使用低波數(shù)譜法便能識(shí)別并計(jì)算其方向［9］，公式如下：

式中：Y為圖像的低波數(shù)譜，X為圖像的灰度值，l（m）＝1，2，…，N。

上述過(guò)程得到的風(fēng)向仍存在180°的方向模糊，可參考同日QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的主方向消除方向模糊，確定最終風(fēng)向。

2.3 風(fēng)速反演

ENVISAT ASAR影像反演風(fēng)速的方法起源于C波段散射計(jì)模型，該模型是描述中度穩(wěn)定大氣條件下海洋上空10m高度的風(fēng)速與后向散射系數(shù)關(guān)系的地球物理模型，其中較為成功的有CMOD4、CMOD－IFR2、CMOD5等模型［15，16］。本文選擇較新的CMOD5模型進(jìn)行風(fēng)速反演，其基本形式如下：

式中：σ0為雷達(dá)后向散射系數(shù)，φ為儀器方位角與風(fēng)向的夾角，B0、B1、B2為風(fēng)速V和入射角θ的復(fù)雜函數(shù)。令x＝（θ－40）／25，則：

上述公式涉及的28個(gè)系數(shù)可查表獲得。因此，基于已反演的風(fēng)向信息，結(jié)合CMOD5模型便可反演海面風(fēng)速。

2.4 風(fēng)速驗(yàn)證

ENVISAT ASAR影像的風(fēng)速反演結(jié)果為海面10m高度風(fēng)場(chǎng)，本文使用同一時(shí)間同為海面10m高度的QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。由于風(fēng)速反演結(jié)果為離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此需對(duì)其進(jìn)行空間插值以得到覆蓋整個(gè)研究區(qū)的風(fēng)速，采用反距離權(quán)重插值IDW方法進(jìn)行空間插值，其公式如下：

式中：z0是點(diǎn)O的估計(jì)值，zi是控制點(diǎn)i的值，di是點(diǎn)O和控制點(diǎn)i的距離，n是所用的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)，k為指定的冪［17］。

2.5 風(fēng)能資源評(píng)價(jià)

研究選用3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)價(jià)：風(fēng)力等級(jí)和風(fēng)向、風(fēng)功率密度、風(fēng)速時(shí)序統(tǒng)計(jì)特征。

（1）對(duì)反演的風(fēng)速劃分風(fēng)力等級(jí)并附上風(fēng)向信息，即可直觀地分析風(fēng)力等級(jí)和風(fēng)向的時(shí)空變化情況，對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。

（2）風(fēng)功率密度定義為“在與風(fēng)向垂直的單位面積內(nèi)風(fēng)所具有的功率”，是衡量一個(gè)地區(qū)風(fēng)能大小、評(píng)價(jià)其風(fēng)能資源潛力的重要參數(shù)。在設(shè)定時(shí)段內(nèi)平均風(fēng)功率密度公式如下［18］：

式中：DWP為平均風(fēng)功率密度（W／m2），n為設(shè)定時(shí)段內(nèi)的記錄數(shù)，ρ為空氣密度（kg／m3），Vi為第i條記錄的風(fēng)速（m／s）。

用式（10）計(jì)算39個(gè)時(shí)相的平均風(fēng)功率密度，將風(fēng)功率密度進(jìn)行分級(jí)，便能評(píng)價(jià)研究區(qū)風(fēng)能資源的豐富程度及并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電潛力。

（3）風(fēng)速的時(shí)序統(tǒng)計(jì)特征通過(guò)求取3年間1 096幅QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的月平均風(fēng)速，繪制風(fēng)速按月變化圖表而實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)速反演結(jié)果

在NEST軟件中對(duì)原始ENVISAT ASAR影像進(jìn)行軌道參數(shù)更新、輻射定標(biāo)、幾何校正后，通過(guò)計(jì)算低波數(shù)譜反演存在180°方向模糊的風(fēng)向，借助QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)消除方向模糊，得到確定的風(fēng)向數(shù)據(jù)。基于風(fēng)向反演結(jié)果，結(jié)合CMOD5模型進(jìn)行風(fēng)速反演。現(xiàn)選取2008年的風(fēng)速反演結(jié)果進(jìn)行分析（圖2）。圖2表明，ENVISAT ASAR影像反演的風(fēng)速主要分布在0～20m／s間。從空間上看，不同位置風(fēng)速變化較大，風(fēng)速分布也較隨機(jī)，但每月都有3～8個(gè)風(fēng)速較大的區(qū)域。從月份上看，2008年風(fēng)速總體呈現(xiàn)“先減后增”的趨勢(shì)：上半年風(fēng)速逐漸減小，到7月達(dá)到最小值（風(fēng)速基本在13m／s以下，且大部分地區(qū)的風(fēng)速在1～6m／s之間），之后風(fēng)速逐漸增大。從季節(jié)上看，秋季和冬季風(fēng)速較大，春季和夏季風(fēng)速較小。

圖2 ENVISAT ASAR影像反演的風(fēng)速Fig.2 Wind speed retrieved from ENVISAT ASAR imagery

3.2 風(fēng)速驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)ENVISAT ASAR反演的風(fēng)速，用QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)空間分辨率較低，在研究區(qū)一般只有2～3個(gè)點(diǎn)，因此一共檢驗(yàn)了39個(gè)時(shí)段共計(jì)106個(gè)點(diǎn)（圖3）。圖3表明，ENVISAT ASAR影像反演的風(fēng)速和QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的風(fēng)速接近，誤差較小。其中，誤差絕對(duì)值在0～1m／s之間的有84個(gè)，占79.25%；誤差絕對(duì)值在1～2m／s之間的有16個(gè)，占15.09%；誤差絕對(duì)值在2～2.6m／s之間的有6個(gè)，占5.66%。反演誤差主要由三方面引起：CMOD5模型誤差、IDW插值誤差以及反演數(shù)據(jù)與驗(yàn)證數(shù)據(jù)的時(shí)間誤差。由驗(yàn)證結(jié)果可知，基于ENVISAT ASAR影像的海面風(fēng)場(chǎng)反演方法切實(shí)可行且精度較高。

圖3 ENVISAT ASAR影像反演的風(fēng)速驗(yàn)證Fig.3 Verification of the wind speed retrieved from ENVISAT ASAR imagery

3.3 風(fēng)力等級(jí)和風(fēng)向

對(duì)驗(yàn)證后的風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)力等級(jí)劃分并附上風(fēng)向數(shù)據(jù)，從風(fēng)速和風(fēng)向上對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。現(xiàn)選取2008年風(fēng)力等級(jí)圖進(jìn)行分析（圖4）。圖4表明，風(fēng)力等級(jí)在季節(jié)上明顯表現(xiàn)出冬秋季較大、春夏季較小的特點(diǎn)，且夏季（圖4e、圖4f）盛行西南風(fēng)，冬季（圖4a、圖4i）盛行東北風(fēng)。上述規(guī)律與研究區(qū)熱帶季風(fēng)氣候的特點(diǎn)“冬季風(fēng)速較大，夏季風(fēng)速較小”相一致。冬季蒙古西伯利亞高壓的冷氣團(tuán)在南下時(shí)受地轉(zhuǎn)偏向力的影響右偏為東北季風(fēng)，夏季南半球的東南信風(fēng)北移越過(guò)赤道在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下右偏為西南季風(fēng)。

圖4 風(fēng)力等級(jí)和風(fēng)向Fig.4 Wind scale and wind direction

3.4 平均風(fēng)功率密度

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)風(fēng)能資源豐富程度及并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電潛力，將39幅ENVISAT ASAR影像反演的風(fēng)速代入風(fēng)功率密度公式求得整個(gè)研究區(qū)2006－2009年的平均風(fēng)功率密度，并對(duì)其劃分等級(jí)（表1），得到研究區(qū)3年的平均風(fēng)功率密度圖（圖5）。圖5表明，研究區(qū)平均風(fēng)功率密度在232.07～734.31W／m2之間，風(fēng)功率密度等級(jí)為4－7級(jí)。由表1可知，4－7級(jí)的風(fēng)功率密度能很好地應(yīng)用于并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電。從空間上看，研究區(qū)大部分范圍的風(fēng)功率密度等級(jí)是6級(jí)和7級(jí)，其中，西南部的風(fēng)功率密度最大（7級(jí)），西北部的風(fēng)功率密度最小（4級(jí)和5級(jí)）。總體而言，研究區(qū)風(fēng)能資源豐富，可開(kāi)展并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電。

表1 風(fēng)功率密度等級(jí)（海面10m高度）Table 1 Wind power density level（10m height above the sea surface）

圖5 平均風(fēng)功率密度Fig.5 The average wind power density

3.5 風(fēng)速時(shí)序變化

風(fēng)力發(fā)電除需考慮風(fēng)能資源的空間分布外，還需注意風(fēng)速的時(shí)序變化特征。由于ENVISAT ASAR影像的時(shí)間分辨率較低，故采用時(shí)間分辨率較高的QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析研究區(qū)風(fēng)速的時(shí)序變化特征。基于2006－2008年1 096個(gè)時(shí)相QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算每月平均風(fēng)速后可得2006－2008年的風(fēng)速時(shí)序變化圖（圖6）。圖6表明，研究區(qū)風(fēng)速季節(jié)性變化規(guī)律明顯：冬季（當(dāng)年12月至來(lái)年2月）風(fēng)速最大，2006－2008年3年冬季的平均風(fēng)速分別為9.50m／s、10.01m／s、9.63m／s，冬季風(fēng)速相當(dāng)于7級(jí)的風(fēng)功率密度（表1）；夏季（6－8月）風(fēng)速最小，2006－2008年3年夏季的平均風(fēng)速分別為7.10m／s、7.09m／s、7.07m／s，相當(dāng)于5－6級(jí)的風(fēng)功率密度；春季和秋季的風(fēng)速介于夏冬季之間，兩者的風(fēng)速相當(dāng)于6－7級(jí)的風(fēng)功率密度，且秋季平均風(fēng)速（8.75m／s）稍大于春季平均風(fēng)速（7.36m／s）。

圖6 風(fēng)速的時(shí)序變化Fig.6 The temporal variation of wind speed

4 結(jié)論

將ENVISAT ASAR影像和QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)合使用，可充分利用前者較高的空間分辨率和后者高時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì)，從而在空間和時(shí)間尺度上對(duì)近海風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)價(jià)，為近海風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)利用提供基礎(chǔ)。對(duì)ENVISAT ASAR影像先通過(guò)低波數(shù)譜法反演風(fēng)向，再運(yùn)用CMOD5模型反演風(fēng)速，得到海面10m高度風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的方法是切實(shí)可行的。通過(guò)QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證可知，該風(fēng)場(chǎng)反演方法的精度較高。

研究區(qū)平均風(fēng)功率密度介于232.07～734.31 W／m2，為4－7級(jí)，說(shuō)明風(fēng)能資源豐富，并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電前景良好。研究區(qū)風(fēng)速季節(jié)性變化規(guī)律明顯，總體呈現(xiàn)出“先減后增”的趨勢(shì)，冬季平均風(fēng)速最大，夏季平均風(fēng)速最小，春秋季風(fēng)速介于冬夏之間，且秋季風(fēng)速大于春季。因此，在進(jìn)行并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電時(shí)，冬秋季需做好電力儲(chǔ)備工作，夏春季需做好電力調(diào)節(jié)工作。

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