漂浮式激光雷達海上測風可靠性及影響因素研究

王浩，易侃，杜夢蛟，薛洋洋，顧晨，王彩霞，禹智斌，張秀芝

（1.中國三峽新能源（集團）股份有限公司，北京 101149；2.中國長江三峽集團有限公司科學技術研究院，北京 100038；3.上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434；4.青島華航環境科技有限責任公司，山東 青島 266041；5.哈爾濱工業大學（深圳），廣東 深圳 518055；6.國家氣候中心，北京 100081）

1 引言

風能作為一種純凈無污染的綠色能源，是我國能源結構的重要組成部分。我國地域遼闊，風能資源豐富，風電產業在近十幾年來迅速發展。相比于陸上風電，海上風電具有儲量大、利用效率高、不占用土地以及環境友好等特點，有望成為未來風電產業的主力軍[1-3]。在海上風電開發過程中，風資源評估是風電場選址的第一步，風資源評估的準確性對于保障風電場開發運行的經濟效益至關重要[4]。目前，在風電場開發海域內建造固定式測風塔是收集海上氣象要素資料和開展風資源評估的常規手段[5-6]，但海上測風塔的建造存在手續繁瑣、造價高和施工難度大等問題[7]，且隨著海上風電由淺海向深海的發展，海上測風塔的建設成本和技術難度勢必會進一步增加[8]。

隨著氣象數值模擬及數據融合技術的不斷發展成熟，利用氣象再分析資料開展風資源評估的可靠性逐步提升[9-10]。越來越多的海上風電項目開始嘗試采用氣象再分析資料來彌補測風塔的不足。與此同時，以漂浮式激光雷達為代表的海上新型觀測設備也日益受到關注。漂浮式激光雷達是將測風激光雷達置于海上漂浮式平臺上，以此進行指定區域的風電場風資源觀測[11]。相較海上固定式測風塔，漂浮式激光雷達具有測量參數豐富、探測范圍大、建造及運營維護成本低[12]、安裝布放速度快、投運周期短和使用靈活性高等優勢[13]。2005 年，測風激光雷達開始被應用于海上風電場的風資源評估。2009 年，世界上第一臺漂浮式激光雷達測風裝置完成組裝并進行了相關測試和驗證[11]。此后，多個歐美國家的企業和科研機構陸續推出海上測風激光雷達漂浮式裝置的解決方案。

我國海上風電不斷發展，尤其從近岸逐步向較深海域發展，亟需漂浮式激光雷達用于海上風資源評估的測風工作。值得注意的是，由于海浪和海風引起的漂浮式平臺復雜的搖擺和運動，容易造成測風激光雷達激光光束的指向發生快速變化，從而產生風場測量誤差[14]。此外有研究表明，雨滴會影響測風激光雷達的多普勒風譜，雨滴落在激光雷達接收鏡上會引起波前畸變[15]，因此，降雨也可能會影響激光雷達的測量精度[16-17]。在實際工程應用中，有必要開展適合我國海域的漂浮式激光雷達的對比驗證研究，評估漂浮式激光雷達在我國海域進行風資源評估的準確性及適用性。本研究通過在廣東省陽江海域某海上風電開發場址內布放一臺搭載有多普勒測風激光雷達設備的漂浮式觀測平臺，與場內一座海上固定式測風塔進行連續3 M的對比觀測，旨在驗證漂浮式激光雷達測量數據的可靠性，為其后續在海上風電領域的研究、優化和應用推廣提供相應的科學依據。

2 設備介紹及數據處理方法

2.1 觀測設備介紹

本研究所用的漂浮式激光雷達主要由浮標平臺、系泊系統、供電系統、數據采集系統、姿態測量設備以及測風激光雷達系統、波浪傳感器等氣象水文觀測傳感器組成（見圖1）。各組件的具體型號見表1，測風激光雷達的基本參數見表2。測風激光雷達設置風速和風向的測量高度分別為50 m、70 m、80 m、90 m、100 m、120 m、150 m和300 m。

表2 激光雷達基本性能參數Tab.2 List of the lidar performance parameters

圖1 漂浮式激光雷達實物圖Fig.1 Pictures of the floating lidar system

固定式測風塔的主要觀測設備有風速計、風向標、溫度計、濕度計、雨量計以及固定式聲學測波設備，具體型號見表1。圖2為本研究中的測風塔實物及設備安裝示意圖。為保證觀測質量，避免氣流畸變造成的影響，我們分別在20 m、50 m、70 m、80 m、90 m 和 100 m 高度處 155°和 335°方向上加裝支臂并對稱安裝兩套風速計。在50 m 和100 m 高度處風速計的安裝支臂最外側再對稱安裝兩套風向標（見圖2b）。在20 m高度處各安裝兩套溫度、濕度和氣壓傳感器。由于安裝在測風塔155°方向上的部分儀器損壞，本次對比測試僅使用測風塔335°方向各高度層支架上安裝的儀器測量結果。

圖2 測風塔實物（a）及測風塔設備安裝示意圖（b）Fig.2 The meteorological mast（a）and its structure diagram（b）

表1 漂浮式激光雷達及測風塔主要搭載設備型號Tab.1 The type of equipment installed on the floating lidar system and meteorological mast

2.2 觀測設備數據要素

本次對比測試地點為廣東省陽江海域某海上風電開發場址內，漂浮式激光雷達與測風塔直線距離為351 m。同步觀測的時間段為2021年1月24日—4月20 日。研究期間共收集到12 528 條數據，觀測要素包括漂浮式激光雷達和測風塔的10 min 平均風速（以下簡稱平均風速）、10 min極大風速（以下簡稱極大風速）、10 min 風速標準差（以下簡稱風速標準差）、和10 min 平均風向（以下簡稱平均風向）等風場要素，以及漂浮式平臺的氣溫、降雨量、平均波高、最大波高、1/10 波高和平均周期等要素，數據采集頻率為10 min。此外，本研究還收集到2021 年1月23 日—2 月21 日安裝在固定式測風塔底部支架的座底式聲學測波設備的494 條觀測數據，包括平均波高、最大波高、1/10波高和平均周期等水文要素測量值，數據采集頻率為60 min。

本次對比測試中，用于統計測風數據完整性的風場要素主要為50 m、70 m、80 m、90 m、100 m、120 m、150 m 和300 m 高度處的平均風速和風向測量值，用于分析測量準確性和偏差影響因素的風場要素數據主要包括漂浮式激光雷達和測風塔50 m、70 m、80 m、90 m 和100 m 高度處的平均風速、極大風速、風速標準差測量值以及50 m 和100 m 高度處的平均風向測量值；此外，用于分析漂浮式激光雷達測風影響因素的數據還包括漂浮式激光雷達和座底式聲學測波設備測量的平均波高和降雨量記錄值等。

2.3 數據預處理方案

參照《海上風電場工程風能資源測量及海洋水文觀測規范》（NB/T 31029—2019）和《風電場工程風能資源測量和評估技術規定》（NB/T 31147—2018），按照以下步驟對平均風速和平均風向數據進行檢驗。

（1）范圍檢驗。對于平均風速在0～40 m/s內以及平均風向在0～360°內的數據暫判定為合理值，超過上述范圍的直接判定為異常值。

（2）合理性檢驗。對于暫判定為合理值的數據繼續按表3所列的合理性檢驗標準進行判定。符合檢驗標準的數據判定為合理值，不符合檢驗標準的相鄰高度的數據均標記為異常值。

（3）塔影效應檢驗[18]。計算漂浮式激光雷達與固定式測風塔各時間點對應的風速偏差，并繪制風速偏差隨風向的分布圖。當測風設備處于塔身下風向，即風向可能會對塔身產生潛在影響時，若風速偏差顯著大于其他風向段，則認為該風向段內的觀測數據受塔影效應影響明顯，在分析時予以剔除。

2.4 評價指標

（1）湍流強度。湍流強度用來表示瞬時風速偏離平均風速的程度，是評價氣流穩定程度的重要指標[19]，計算公式為：

式中：v為平均風速，單位：m/s；S為風速標準差。

（2）線性回歸。利用線性回歸算法來擬合漂浮

式激光雷達與測風塔測量值，回歸方程為：

式中：xl,i和fi分別為漂浮式激光雷達測量值及對應回歸方程預測值。選用系數（coefficient，a）、截距（intercept，b）和決定系數（coefficient of determination，R2）來評價回歸方程擬合效果，計算公式如下：

式中：xt,i和分別為測風塔測量值及其均值；N為總樣本量。

（3）選用平均絕對誤差（Mean Absolute Error，MAE）和平均相對誤差（Mean Relative Error，MRE）來評價漂浮式激光雷達的測量精度，計算公式分別為：

式中：xl,i和xt,i分別為漂浮式激光雷達和測風塔測量值；N為總樣本量。

3 漂浮式激光雷達測風可靠性分析

為保證分析結果的可靠性，本研究利用上述數據預處理方法，對測風塔的測量數據進行預處理，對于不合理的數據進行剔除，結果見表3。在此基礎上，我們對測風塔測量結果進行塔影效應分析。從圖3 可以看出，漂浮式激光雷達與固定式測風塔的風速偏差（雷達測值-測風塔測值）在140°～190°風向范圍內異常顯著。考慮到本研究所用的測風塔風速計布置在335°方向上（見圖2b），來自相對方向的自由來流受塔架的干擾，導致測量結果出現較大的偏差。因此，可判定140°～190°為受塔影效應影響顯著的風向范圍，因此我們在后續分析中對這部分數據予以剔除。經數據預處理后的數據總量為11 319條。

表3 測風塔數據合理性檢驗Tab.3 Rationality test of the meteorological mast results

圖3 漂浮式激光雷達與固定式測風塔風速測量偏差隨不同風向的分布情況圖Fig.3 Distributions of wind speed deviations with different wind direction between the floating lidar system and meteorological mast

3.1 漂浮式激光雷達測風數據完整性

表4為漂浮式激光雷達從各觀測高度獲取的測風數據完整率。在整個對比測試周期內，漂浮式激光雷達獲取的150 m 以內各個觀測高度的測風數據的完整率均在98%以上，數據完整率隨觀測高度增加而降低，300 m 測量高度處的數據完整率下降顯著。考慮到當前海上風機的輪轂高度普遍在150 m以內，因此漂浮式激光雷達觀測數據的完整率總體滿足當前風資源評估的應用需求。

表4 漂浮式激光雷達測風數據完整率Tab.4 The integrality of the floating lidar system results

3.2 漂浮式激光雷達測風準確性

本研究對比了各觀測高度下漂浮式激光雷達與固定式測風塔測量結果的差異。結果表明，激光雷達觀測的平均風向、平均風速和極大風速的測量值相對于測風塔觀測值的MRE 均在7%以內，平均風速和風向的MAE分別在0.5 m/s和5°以內，表明漂浮式激光雷達與固定式測風塔的測風精度基本一致。圖4 為100 m 高度的漂浮式激光雷達與測風塔平均風向（見圖4a）、平均風速（見圖4b）、極大風速（見圖4c）和湍流強度（見圖4d）的同步觀測時序圖。從圖中可以看到，漂浮式激光雷達風速和風向的測量值與測風塔測量值具有較高的一致性，即使在風速為極值或風速和風向發生快速轉變時，漂浮式激光雷達也具有很好的觀測能力。漂浮式激光雷達測量的湍流強度與測風塔結果的整體趨勢基本一致，但在湍流強度較大時部分測量結果存在一定的偏差（見圖4d）。

圖4 100 m高度處漂浮式激光雷達與測風塔測量結果對比的時間序列圖Fig.4 The comparative analysis of measurement results between the floating lidar system and meteorological mast at 100 m height

本研究對各高度處漂浮式激光雷達與測風塔的測風數據進行相關性分析。表5為各高度處測風數據的線性回歸計算結果，圖5a—c為100 m高度處測風數據的相關性分析圖。

表5 漂浮式激光雷達與測風塔測風相關性分析Tab.5 Correlation analysis between the floating lidar system and meteorological mast

（1）平均風速相關性

各觀測高度處漂浮式激光雷達與測風塔平均風速測量值的相關性強，且偏移量很小，均在0.05 m/s以下。回歸方程擬合效果好，R2均超過了0.98。圖5a 為100 m 高度處平均風速相關性圖，從圖中可以看到，大部分數據均在回歸方程預測結果一定的偏差范圍內。圖5d為利用100 m內各觀測高度平均風速均值繪制的風廓線對比圖。從圖中可以看出，50 m高度處測風塔的風速測量值略高于激光雷達，60 m以上高度處測風塔的風速測量值略低于激光雷達。

圖5 100 m高度處漂浮式激光雷達與測風塔相關性分析圖Fig.5 Correlations of the measurement results between the floating lidar system and meteorological mast at 100m height

（2）平均風向相關性

漂浮式激光雷達與測風塔的平均風向在50 m和100 m 高度處同樣表現出很好的相關性，相關系數均接近1，偏移量在4°左右。回歸方程擬合效果好，R2均超過了 0.99。圖 5b 為 100 m 高度處平均風向相關性圖，從圖中可以看出，回歸方程的預測偏差基本在±10°內。

（3）湍流強度相關性

漂浮式激光雷達湍流強度測量的擬合效果相對較差，各對比高度上的R2均在0.6～0.65 之間，MAE 均在0.012～0.014 內。通過分析發現，低風速區（3 m/s 以下）漂浮式激光雷達測得的湍流強度平均值高于測風塔，而在中高風速區兩者測得的湍流強度差別不明顯（見圖5c）。進一步計算發現，各觀測高度下低風速區湍流強度測量值的MAE 均在0.035～0.039 之間，中高風速區湍流強度測量值的MAE均在0.011～0.012之間。

綜合上述分析結果可知，漂浮式激光雷達在平均風速、平均風向和極大風速的測量方面準確性高，但對于湍流強度的測量還有進一步提升的空間。值得注意的是，低風速區漂浮式激光雷達的湍流強度測量值比測風塔大，而在中高風速區二者的測量差異并不明顯。

4 漂浮式激光雷達測風偏差影響因素及特性

4.1 環境要素對漂浮式激光雷達測風的影響

4.1.1 降雨

降雨會影響多普勒激光雷達的測量精度[15]。我國海域特別是東南沿海多降雨天氣，因此有必要評估降雨條件下漂浮式激光雷達的測量精度。在對比測試周期內共有251 條降雨記錄數據，利用這些數據進行偏差分析，結果見表6。從表中可以看出，除湍流強度外，降雨條件下漂浮式激光雷達在各觀測高度的平均風速、平均風向以及極大風速測量偏差均有不同程度的增大，表明降雨在一定程度上會影響漂浮式激光雷達的測量精度。由于有降雨時的測風數據樣本量較小，因此還需要收集更多的觀測數據進行更全面的分析。

表6 降雨對測量偏差的影響分析Tab.6 Analysis of the effect of rainfall on measurement bias

4.1.2 波浪

除降雨外，波浪引起漂浮式平臺復雜的搖擺和運動也可能會影響漂浮式激光雷達的性能[14]。為此，我們利用對比測試周期內收集到的平均波高數據，分析研究波浪對漂浮式激光雷達性能的影響。由于測風塔收集到的平均波高數據較少，因此我們在分析時采用漂浮式平臺獲取的平均波高數據。圖6中藍線和黃線分別為漂浮式平臺和座底式聲學測波設備獲取的平均波高同步觀測時序圖。從圖中可以看到，漂浮式平臺測得的平均波高數據存在明顯的系統偏差。經測試，以漂浮式平臺和座底式聲學測波設備獲取的平均波高數據分別作為自變量和因變量，利用線性回歸算法進行擬合，可以較好地修正前者數據中存在的系統偏差。圖6中綠線為修正后的漂浮式平臺的平均波高數據，經計算，修正后平均波高的MRE 為9.67%，而修正前的MRE 為51.45%，測量偏差有明顯改善，可用于進一步的分析研究。

圖6 漂浮式平臺和座底式聲學測波設備獲取的平均波高同步觀測時序圖Fig.6 The time series of mean wave height measured by seabed-based acoustic wave gauge and floating lidar system

剔除有降雨記錄的數據后，進一步計算100 m高度處漂浮式激光雷達在不同平均波高下測得的平均風速、極大風速和湍流強度的MAE 和MRE，結果見圖 7。圖 7a、7c 和 7e 分別為 100 m 高度漂浮式激光雷達測得的平均風速、極大風速和湍流強度的MAE關于平均波高和測風塔平均風速的散點圖，圖7b、7d 和7f 為對應的MRE 關于平均波高及測風塔平均風速的散點圖，散點顏色代表各觀測記錄對應的測風塔平均風速大小，顏色越淺代表風速越高（最大風速為18.29 m/s，最小風速為0.45 m/s）。從圖中可以看到，漂浮式激光雷達的測量偏差與平均波高之間并無明顯的相關關系，相同風速條件下不同平均波高處測量偏差的分布無明顯差異，說明波浪對漂浮式激光雷達的測量精度無明顯影響。值得注意的是，圖7b 和7d 顯示低風速區平均風速和極大風速測量值的MRE 較高，圖7e 和7f 顯示低風速區湍流強度測量值的MRE 和MAE 均較高，說明風速可能對漂浮式激光雷達的測量精度（特別是湍流強度）存在影響，其原因還需進一步分析。

圖7 100 m高度處不同風速及波浪條件的測量偏差分布圖Fig.7 Distributions of deviations from different wind speed and wave conditions at 100 m height

4.2 漂浮式激光雷達測風誤差特性

表7為不同測量高度處漂浮式激光雷達測量結果的偏差分析。從表中可以看到，100 m 觀測高度以內隨著測量高度的增加，漂浮式激光雷達的平均風速、極大風速、平均風向的MRE及MAE均略有降低，但基本可以忽略。此外，分析結果表明漂浮式激光雷達湍流強度的測量結果基本不受測量高度的影響。綜合上述分析可知，漂浮式激光雷達的測風性能基本不受測量高度的影響。

表7 漂浮式激光雷達與固定式測風塔在不同高度下的測風數據偏差Tab.7 Wind speed deviations between floating lidar system and meterological mast at different height

鑒于風力發電的實際需求及4.1 節的分析結果，我們剔除有降雨記錄的數據后對測風塔獲取的平均風速進行區間劃分，并進一步分析不同風速條件下漂浮式激光雷達的測量精度。由于16 m/s及以上風速區間的樣本總量較少，分析結果不具有代表性，因此在本研究中只分析15 m/s 以內風速段的結果。

圖8a—c 分別記錄了各觀測高度處漂浮式激光雷達在不同風速區間平均風速、極大風速和湍流強度測量值的MAE 和MRE 折線圖。從圖中可以看出，不同高度下平均風速和極大風速測量值的MAE均隨風速的增加而增大，MRE均隨風速的增加而減小，MAE 的變化范圍分別為 0.1～0.6 m/s 和 0.2～1 m/s。通過具體分析后發現，漂浮式激光雷達測得的平均風速和極大風速在12 m/s 以內的MAE 變化均不大，但由于3 m/s以內低風速區的風速測量值較低，從而導致其MRE偏大；同樣，雖然12 m/s以上的高風速區的MAE 偏大，但由于風速測量值較大，從而導致實際MRE較低。此外，不同高度下湍流強度測量值的MAE 和MRE 均隨風速的增加而減小，特別是3 m/s以內的低風速區的MAE和MRE均較大。綜上分析可知，漂浮式激光雷達湍流強度的測量受風速的影響較大，主要表現為低風速區湍流強度測量偏差較大，而平均風速和極大風速的測量受風速的影響較小。

圖8 各高度不同風速區間內平均風速、極大風速和湍流強度的偏差分布Fig.8 Distributions of mean wind speed，maximum wind speed and turbulence intensity measurement deviations in different wind speed intervals at different heights

由于風速超過12 m/s的區間的觀測數據僅占觀測總數據量的5%左右，分析結果在一定程度上可能無法準確反映測風激光雷達在高風速段的觀測偏差特性，后續需要收集更多的觀測數據進行驗證。

5 總結與討論

本文利用廣東省陽江海域某海上風電場址內固定式測風塔的同期觀測數據，對漂浮式激光雷達在海上測風的可靠性進行了系統地檢驗評估，并在此基礎上分析了漂浮式激光雷達海上測風的主要誤差特性。結論如下：

（1）漂浮式激光雷達測量的風場數據完整率隨觀測高度的增加略有下降，但150m以內均超過98%。平均風速、平均風向和極大風速的測量結果與測風塔基本一致，各測量高度平均相對偏差均在7%以內，平均風速和平均風向的平均絕對偏差分別在 0.5 m/s 和 5°以內，R2均超過 0.98；湍流強度測量偏差在低風速區相對較大，各測量高度處平均絕對偏差在0.012～0.014 之間。綜合來看，漂浮式激光雷達的風場測量結果相對準確可靠，可滿足當前海上風能資源評估要求。

（2）影響漂浮式激光雷達測量精度的主要環境因素是降水，而波浪和測量高度對漂浮式激光雷達測量精度的影響較小。

（3）與固定式測風塔相比，漂浮式激光雷達的風測量偏差主要集中在3 m/s以下低風速段，主要表現為低風速區激光雷達測得的湍流強度顯著高于測風塔測量結果，這可能與測風塔本身在低風速區的測量精度有關。

本文的研究結果在一定程度上證明了漂浮式激光雷達在海上風能資源測量中的性能相對準確和可靠，可滿足當前風資源評估的要求，但本文的分析研究還存在一些不足。例如，由于12 m/s 以上高風速區的測量樣本量較少，后續需要針對漂浮式激光雷達在高風速段的偏差特性開展進一步分析；在分析降水對漂浮式激光雷達的影響時也受到降水時間段數據量較少的限制，未來需要收集更多的降水觀測數據進行更全面的測量誤差分析；需要進一步考慮不同影響因素之間的聯合效應對測量誤差的影響。

值得注意的是，本研究主要是針對漂浮式激光雷達與固定式測風塔的測量結果比較，由于測風塔的測量精度本身存在一定誤差，因此，兩種設備在3 m/s 以下低風速段的對比結果偏差并不能完全歸因于激光雷達的測量精度偏差。考慮到海上風能資源評估主要關注的是能帶來發電效益的風速段測量結果，因此3 m/s以下低風速段的測量偏差對風能資源評估結果的影響較小。

綜上所述，通過與海上固定式測風塔的對比，漂浮式激光雷達對主要風能資源測量要素的觀測精度基本滿足海上風電的應用需求。針對本研究存在的不足，后續將進一步收集數據、改進研究方法并補充測風塔可靠性檢驗，以提升研究結果的可靠性和準確性，為漂浮式激光雷達的提升優化提供科學依據。