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1、基于GIS的复杂地形风能资源模拟研究高阳华1王堰2邱新法2 陈志军1 陈艳英1 马力1 缪启龙2王中1(1.重庆市气象科学研究所，重庆 400017；2.南京信息工程大学）摘要:以ARCGIS为平台，利用1:25万DEM和气象台站资料，采用1/ r2和1/r2h32种插值方法分析了重庆市风速的分布，检验结果表明1/r2h3的效果较好，能较好的反映风速的分布趋势，可以应用于风能资源的研究和评价。关键词：风能资源 分布 模拟 重庆风能资源作为可再生的清洁能源，越来越受到政府、企业和社会公众的关注，风电已成为发展最快、最具发展潜力的新型能源。根据重庆气象台站的观测资料，重庆市大部地区风能资源贫乏。但
2、重庆市地形复杂，气候多样，具有立体气候突出、区域气候差异明显、小气候类型多姿多彩等特点1，风能资源的分布也非常复杂。从个别高海拔气象站和山地气候考察资料表明重庆市一些山地的风能资源比较丰富，预示着重庆市可能存在一些有潜在开发价值的风场。因此，研究复杂地形背景下风能资源的扩展方法，对揭示重庆市风能资源的分布状况、乃至风能资源的开发利用都有非常重要的意义。国内外在风速空间扩展方面开展了大量工作223，取得了一些有意义的结果，这些工作主要是采取数值模拟或风场的空间相关的方法进行推算，数值模式包含的物理过程多,对初始资料及计算机条件要求高,需要许多难以准确获取、只能假定的的边界条件；一些动力模式是用数
3、值方法求解具有特定边界条件的大气运动方程组,称为动力学初始化方法或预报方法，方程里的数值都是天气值，不能直接应用于气候值的计算；空间相关也受两地地形、气候条件差异的影响，因而这些方法所得结果的适用范围较小，有些只能用于定性的分析。都不适用于山脉、盆地这类大地形风场、特别是地形复杂的大型风场的分布。因此，研究适合复杂地形背景下的大地形风场扩展方法，对揭示重庆风场的分布、开展精细化的风能资源评价具有重要的意义，对其它地形复杂地区开展风能资源扩展研究也有很好的参考作用。1 研究方法与思路所谓大地形是泛指巨大的山脉、高原盆地等地形类别。大山脉对气流运动的作用主要有四方面：一是阻挡作用；二是风的爬坡效应
4、；三是风的绕流；四是狭管效应。风速同山地实际地形之间的作用变化复杂，很难用数学模式表示它的轮廓。任何带有很多假定条件的关于山地风速的理论模式一般都只能是定性地阐述山地某种特殊地形下风状况的基本特点，针对重庆市山区广布地形复杂的特点，我们选用了插值方法，并考虑高度变化对风的影响。以下是具体的分析方法：1.1风速插值方法常用的风场内插方法通常在诊断模型中使用得较多的内插方法为权重内插，即根据当时测得的气象资料，采用一定的权重函数内插求得未知点的风矢量。在权重函数W选取时主要考虑的因素是待求点与测站之间的距离的大小，如:（1）其中，为待求点与测站之间的距离；为影响半径，它表示超过这一距离的测站，对网
5、格点上的取值已经没有任何影响；m是大于1的整数。由所示权重函数可以看出，这类内插方法中，测站离待求点越近,权重越大。显而易见，上述仅以距离作为权重因子的插值方法，没有考虑地形的起伏变化对风场的影响。另外,YizhakFeliks等人22提出了一种优化的风场矢量内插的方法；余琦23利用此方法对局部地区风场进行了模拟，效果较要好；在这种方法中,除了在权重函数选取时主要考虑的因素是待求点与测站之间的距离的大小外,为了考虑地形起伏的影响,在权重函数中还增加了一个反映地形起伏变化程度的因子,即权重函数取如下形式: （2）其中的含义为待求点与测站之间的距离的大小,指数a和b为非负数, 则表示气象测点与待求
6、点之间地形高度变化的总量。假设在点1和5之间的地形起伏变化如图1所示，在它们之间还有4个网格点。若要求点1和点5之间的值，需要将这些点之间的地形高度变化值累加。若表示从点到点的高度变化总量，用表示点的高程，则的计算方法如下：其中 由和的定义可知,用和这两个量的大小,可以表示气象测点和待求点之间的地形起伏变化。根据地形起伏变化的大小,将气象测点分为如下几组：组：和都较小，表示与待求点距离很近且其间地形平坦；组：较大，较小，表示与待求点距离较远但其间地形平坦；组：较小，较大，表示虽然与待求点相距很近,但它们之间可能有陡坡；组：和都较大，表示与待求点相距较远，且其间地形起伏多变，也可能有陡坡。图1
7、两点间地形起伏示意图通过定性分析可以知道，上面4组测点与待求点的相关性应该是递减的。如果能用权重函数把它们的重要度区分开，就从一定程度上表示了地形起伏变化的大小。这一点可以通过式(2)所示的权重函数来实现。分析得知，通过该函数，可以将和两种情况与其他情况区分开来，对a和b的大小没有特殊要求；为了区别和两种情况，将距离因子和地形起伏因子归一化，式(2)所示权重函数变为如下形式： （3）其中和为所有和的最大值。为了使组测点的权重值小于组测点,采用式(3)形式的权重函数时,应取指数ba。综上所述,通过采用式(3)形式的函数并令ba，可以使得上述4组测点的权重依次减小。首先计算每个观测点的内插风矢量,
8、如式所示: ， (4)，其中、和、分别是实测和计算的每个点的水平风的两个分量（为东西分量，为南北向分量），为赋予每个参考点的权重,n为同未知点相关点的总数；下标为待求点的序号，下标为参考点的序号 。对于重庆市，各季最多风向的分布和年最多风向大体一致，地面盛行基本为北风，为此对整个重庆市取同一风向，这样的话插值计算过程中就简化如下形式即在插值的计算过程中就不需考虑风向，则方程（4）简化为： (5)1.2 插值方法比较我们用（1）式和（5）式对重庆市气象站点的实际观测风速值进行检验，分别用和方法，发现当叠代a=2，b=3时，计算结果如下表表示：误差在25%以内，比如：上述结果表明（5）式的方法是可
9、行的，而且加入了地形起伏高差因子，较更符合起伏地形的风速差值。因此，我们可以以地理信息系统DEM数据为数据处理平台，利用网格点上的高程值，以及网格点的经纬度来实现距离，来实现方法的差值。同时用Arcgis里直接提供的反距离平方法来获得普通的插值，这样我们就可以得到不同插值的结果。由于插值是适合在同一平面上的，我们没有考虑海拔高度的变化，而风速随高度是变化的，即风速随海拔高度的变化，还需要考虑海拔高度的影响。表1 风速实测和计算值的比较观测站点实测点（m/s）方法计算值（m/s）方法计算值（m/s）有效参考点云阳2.32.942.76奉节、开县、万州丰都0.91.341.062石柱、垫江、长寿、
10、涪陵、武隆、彭水1.3 海拔高度的影响在山地，坡地上的风是随着地方海拔高度抬升而增大的。为了反映纯粹海拔高度的影响，一些文献分析了山区风速与海拔高度的关系，并给出了关系式。李兆元、傅抱璞选取了全国16个附近有平地观测站作对比的山顶观测站的风速资料，求出山顶风速与山下平地风速的比值上与二者相对高差H的关系，得到方程：。对式中的、三个经验常数在不同山区，由于地形、气候等因素的影响而有不同。如 （6）如 （7）文献认为气流在近地气层中运动，由于受下垫面摩擦和热力条件的作用，是高度湍流性质的。在对于较高的一层（譬如说100米以上），是符合简单的乘幂律式，所以我们采取（8）式来描述风速高度变化的廓线方程
11、，即：幂指数模式： （8）、分别为、高度上的风速，在为的插值结果，在取重庆市所有测站平均海拔高度为300m，这里研究的气候平均值是重庆市实测风的气候平均资料，取同一坡向随高度变化的风速来拟合，得到幂指数=0.64 ，这同有关文献对值在浙江大和、河南竹园沟风的幂指数分别为0.5、0.6，相比基本一致。由此，在分析计算重庆市100m100m网格风速分布时由（3）、（5）式与（8）式构成重庆市风速分布式模型，其流程图如图2。其中是已知点分别同其它最近点之间的起伏因子大小，由于我们选取五个插值点，在计算过程中求取（3）式即每个网格点上起伏程度的因子是最为困难而复杂的过程，在此我们根据实际气象台站的分布
12、情况来选取与未知点距离最近的5点,采取以上幂指数函数的形式来计算风速。数字高程模型网格点高程网格点经纬度已知测站点测站点的经纬度测站点的高程cheng程测站点的风速R最小的5个点输出类平面未知点风速u0输出起伏地形下的点风速u0选取图2 起伏地形下风速扩展流程图2 模拟结果分析2.1 模拟结果按照上述方法，利用重庆市的35个气象台站30年平均风速资料、相邻的四川省和湖北省8个气象台站30年平均风速资料，及重庆市1：25万DEM数据（网格点大小为100m100m），采用考虑地形的插值方法，再根据风随海拔高度的变化，计算了重庆市1、2、12月，各月平均风速的空间分布，图3-图5给出了重庆市复杂地形
13、背景下的冬（一月）、夏（七月）两季和年平均风速的100m100m细网格分布图。图3 重庆市一月份平均风速空间分布 （单位：0.1m/s）从图3可以看出：重庆市一月份风场分布，风速为0.56.6米/秒，西部、中部丘陵地带及其它低海拔地区风速较小，其风速一般在1.02.0米/秒之间，局部地区可以达到3.0米/秒左右；3.0米/秒以上地区主要分布在重庆市东北部和中南部高海拔地带，风随高度增加的趋势比较明显。 图4 重庆市七月份平均风速空间分布 （单位：0.1m/s） 图5 重庆市年平均风速空间分布 （单位：0.1m/s）从图4可以看出：七月份风速比一月份增大，风速的分布趋势与一月基本一致；其风速的变
14、化范围为0.5 8.1米/秒，但风速大值区域还是主要存在于重庆市东北部和中南部高海拔地带，范围变化不大。从图5可以看出：年平均风速大小范围为0.67.8米/秒之间，大部分地区风速在2.0米/秒以下,这与分布于城镇附近的34个气象台站30年平均风速为1.15 m/s的结果是一致的；重庆市东北部和中南部高海拔地带风速较大，与金佛山气象站、铁峰山山地气候考察点及新设的加密观测资料也是一致的。2.2 误差分析根据以上不同方法，即在arcgis里提供的直接的插值法，和考虑地形起伏因子的插值法，分别计算出重庆市所有气象台站点的风速大小，同台站点的实际大小来计算重庆每个台站点的拟合误差，对重庆整个地区的台站
15、点拟合误差进行平均计算得到以下结果：表2 重庆市平均拟合误差的比较月份相对误差相对误差10.4105630.2466840.32750.24404770.3465690.237579100.3604660.239931年0.39650.245105从上表可以见看出，采取的插值法是有效的，其误差大小在23%25%之间，总的控制在25%之内，相反法误差却较大其最小误差为32%，最大误差达到41%，所以的方法对复杂地形是可用的。3 重庆市风功能密度分布按照国家发改委全国风电场建设前期工作管理办法及有关技术规定汇编的规定，没有风自记观测，年（月）风功能密度的计算方法如下：待添加的隐藏文字内容2首先计算
16、威布尔（weibull）参数k、c （9） （10）其中，T=365246=52560；19712000年30年年（月）平均风速；19712000年年（月）最大风速。然后计算年（月）风功能密度 （11）其中，年（月）平均风功能密度； 年（月）平均空气密度。根据（9）（11）和前述方法得到的全市年平均风速计算得到全市年平均风功能密度，其分布如图6所示。从图6可以看出，重庆市年平均风功率密度在0.12200.65W/m2之间，空间分布上与起伏地形下年平均风速分布基本一致，风功率密度较大的集中分布区域主要在重庆东北部大巴山、巫山和东南部七曜山，其它如大娄山北缘地区、有方斗山和华蓥山等山区也有一些零星
17、的风功率密度大值区，年平均风功率密度大于50W/m2，特别是地处大巴山、巫山的巫溪县和巫山县的一些地方年平均风功率密度可达150200W/m2之间。实际考察初步结果表明，计算结果与风能资源的实际分布基本一致。2005年12月重庆市设置了10个70米测风塔，仅从冬季到初春的实际测风数据来看，除两个点受交通条件限制，选点不当致使风速偏小外，其它8个点的平均风速都在4.885.95 m/s之间，平均风功能密度在155.87265.68 w/m2之间。图6 重庆起伏地形下年平均风功率密度分布图4 结语综合金佛山站气象资料、铁峰山山地气候考察资料及正在进行的加密气象观测资料和实地考察情况证实，模拟结果与
18、重庆市风速的实际分布趋势基本一致。在实际测风资料严重缺少的情况下，通过数值模拟获得了比较准确的、与实际情况基本吻合的高分辨率风能资源分布，在复杂地形风能资源扩展方面取得重要进展，对指导重庆市风能资源评价、风电场规划及风电场建设和运行都具有重要作用。需要指出的是，采用的1：25万（100m100m）地理信息格距较大，对地形的平滑作用明显，对模拟结果的精度有较大影响，使风能资源模拟结果较实际值偏小，如：金佛山、铁峰山因特殊的地形、地貌使其年平均风速模拟值比实际值明显偏小。其结果必然导致风能资源极丰富/丰富区、较丰富区、一般区的面积较实际明显偏小，贫乏区的面积较实际偏大。若能采用1：5万（25m25
19、m）地理信息，其模拟精度将进一步提高，对提高风能资源评价的准确性和风电场建设及开展运行气象服务都有重要作用。参考文献：1高阳华.三峡库区气候资源开发利用途径研究.李黄等，长江三峡工程生态与环境监测系统局地气候监测评价研究C.北京：气象出版社，2003：172178.2Taylor, P.A. and Gent, P.R.,A model of atmospheric boundarylayer flow above an isolated twodimensional hill; an example of flow above gentle topography, BoundaryLayer
20、 Meteor.,1974,7,P.349 362.3Jackson,S. and Hunt, J.C.R., Turbulent wind flow over a flow hill , Quart. J. Roy. Meteor. ,1975, 101.4Estoque，M.A.，1996.A theoretical investigation of the sea breeze. Q.J.R. Meteorol. Soc., Vol.87,136146.5McPherson,R.D.,1970.A numerical study of the effect of a coastal ir
21、regularity of the sea breeze,J.Appl.Meteor.,Vol,9,767 777.6Pielke,R.A.,1974,A three dimensional numerical model of the sea breeze over South Florida,Mon.Wea.,Vol.102,115139.7Anthes R.A，Warner T T. Development of hydrodynamic model suitable for air pollution and other mesometeorological studies J. Mo
22、n Wea Rev,1978,106:10451078.8Machrer Y, Pielke R A. The numerical study of the airflow over mountains using the university of Virginia mesoscal model J. Atmos Sci,1975,32:2144 2155.9Machrer Y, Pielke R A. The numerical simulation of airflow over Barbados J. Mon Wea Rev,1976,104:1392 1402.10Walmsley
23、J L,Tayor P A,Salmon J R. Simple guidelines for estimating wind speed variations due to smallscale topographic featuresan update J. climate Bull,1989,23(1): 314.11Mannouji,N,1982,A numerical experiment on the mountain and valley winds,J. Meteor,Soc.Japan,Vol.60,1085 1105.12San,Jiangguo and E.R.Reite
24、r,1983,Numerical model for a large.13蒋维楣,曹文俊,蒋瑞宾.空气污染气象学教程.北京:气象出版社,1993.317328.14王卫国,蒋维楣.山地露天矿气流与湍流研究.高原气象,1996,15(4):464471.15袁春红、杨振斌、薛 桁 等.复杂地形风速数值模拟，太阳能学报，2002，VOL.23 NO.3：374 377.16王卫国、蒋维楣.青岛地区边界层结构的数值模拟.大气科学.VOL20 No.2：229234.17 陈启新，地形高差对风速影响的探讨，山西水利科技 2002 No.1：1012.18张尚印、祝昌汉，陈正洪.森林火灾气象环境要素和重
25、大林火研究.自然灾害学报.2000.vol 9 no.2：111117.19林务荣 何华庆，估算灾区最大风速的一种方法 气象 VOL 22 NO.11：535720孟庆珍、杜建. 成都地面风速年极值的4种分布函数拟合结果的比较，成都信息工程学院学报，Vol 16 No.2：97104.21曹宗胜、郑钢铁等，最大地面风速的预测研究，应用力学学报，Vol 18 No.2：2026.22Yiahak Feliks, Ehud Gavze,Reuven Givati.Optional Vector Interpolation of Wind Fields. Journal of Applied Met
26、eorology,1996.35:115323余琦，刘原中.复杂地形上的风场内插方法. 辐射防护 vol.21.4 2001Study On Wind Energy Resource SimulationOver the Rugged Terrains Based On GISGao Yang Hua1,Wang Yan2 , Qiu Xin Fa2 , Chen Zhi Jun1 , Chen Yan Ying1, Ma Li1 , Miao Qi Long2 , Wang Zhong1(1.Chongqing institute of meteorological science ,Cho
27、ngqing ,411472. Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing, 210044)Abstract: Based on the 1:250000 DEM and the meteorology observation data, the article analyzed the distribution of wind speed in Chongqing with two interpolation methods of 1/ r2 and 1/r2h3. The result of test s
28、howed that the way of 1/r2h3 is better, and it can reflect the trend of wind speed distribution better and can be applied to the wind energy study or assessment.Key words: Wind Energy Resource, simulation, distribution, Chongqing Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photogra
29、pher. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first
30、satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Y
31、et the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule
32、 hanging from a crane in the New Mexico desert.Its like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tue
33、sday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me be
34、cause I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me
35、from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost
36、grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The super
37、sonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the low
38、er level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosse
39、s the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something
40、resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shal
41、low end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him comp
42、letely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deplo
43、y this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it wont. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass ou
44、t, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.
