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洪泽湖区域风能资源评估.pdf
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15
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洪泽湖区域风能资源评估
洪浩源1，缪启龙2，许遐祯3**
（1. 南京信息工程大学大气科学学院，南京 210044；
2. 南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044；
3. 江苏省气候中心，南京 210008）
摘要：利用洪泽湖周边气象站 1978—2010 年的逐时平均风速、风向、温度、气压、水汽压、
10 分钟最大风速等和湖岸边梯度观测塔 2009—2010 年自动观测的相关资料，对洪泽湖区域
风能资源进行分析。结果表明：龙集镇 10 m 杆附近地区 70 m 高度上风功率密度达到 250
W/m²，具有开发风能的潜力；同时也对该区域不同高度 50 年一遇最大风速进行估算，运用
回归订正法与筛选大风速数据进而使用幂函数拟合风切变指数相结合的手段，主要推算风机
轮毂高度（70m）50 年一遇最大风速分布特征，为今后的风电场的建设提供参考；最后利用
Arcgis 空间插值和绘图功能对洪泽湖区域风能资源的分布进行区划。
关键词：气候资源；风能资源评估；风切变指数；50 年一遇最大风速
中图分类号：[P425.6+3]
wind energy resource assessment over Hongze lake region
HONG Haoyuan1, MIAO Qilong2, XU Xiazhen3
(1. School of Atmospheric Sciences,NUIST, NanJing 210044;
2. College of Applied Meteorology,NUIST, NanJing 210044;
3. Jiangsu Climate Center, NanJing 210008)
Abstract: Use of Hongze lake surrounding meteorological station from 1978 to 2010，the hourly
mean wind speed，wind direction，temperature，atmospheric pressure，water pressure，maximum
wind speed 10 minutes and the lake shore gradient observation tower 2009 ~ 2010 automatic
observation of the relevant information，analysis of wind energy resources in Hongze Lake region.
The results show that，the area near the dragon rod 10 meters 70 meters altitude wind power
density reached 250W/m²,with the development of wind energy potential; also on the different
height of 50 years maximum wind speed estimation，using the regression correction method and
screening of high speed data and then using the power function fitting of wind shear index
method,the main calculation of wind turbine hub height（70 m）50 years maximum wind speed
distribution characteristics,provide the reference for the future construction of wind farm;
regionalization using Arcgis powerful spatial interpolation and drawing function distribution of
wind energy resources in Hongze Lake region.
Keywords: climatic resources; Wind energy resource assessment; Wind shear index; the
maximum wind speed in 50 years
0 引言
目前中国乃至全世界都非常关注气候变化以及人类与自然的可持续发展，节能减排、低
碳环保成为当今社会的主题。能源问题是全世界所面临的亟须解决的重要问题之一。风能资
源作为气候资源的一种，拥有无污染、可再生等特点越来越成为全球能源重要的来源。江苏
省目前处于经济快速发展之中，能源紧缺而风能资源丰富，政府也一直致力于推进风电事业
的发展，而对某个地区的风能资源评估是风电场建设的前提和基础。
国内外许多学者在风能资源评估和抗风系数方面进行大量的研究。李泽椿等[1]对风能资
源评估技术方法进行研究，说明了数值模拟技术与风能资源测量相结合是风能资源评估的有
作者简介：洪浩源，（1985-），男，硕士研究生，气候资源。
通信联系人：缪启龙，（1944-），男，教授，博导，主要从事气候系统与全球变化方面研究。E-mail:
miaoqilong@126.com
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效技术手段。Ahmet[2]对风能资源的方法和风电发展现状进行概括总结。赵彦厂等[3]运用基
于区域气候模式的江苏省风能评估试验得到江苏中南沿海海面适合建造风电场。杨宏青等[4]
采用统计的方法对湖北省风能资源进行评估。高阳华等[5]采用 GIS 技术对复杂地形的风能资
源模拟研究。贺志明[6]等引入区域边界层模式对鄱阳湖区域风能资源数值模拟。Kavak 等[7-8]
比较了 weibull 模式和 Rayleigh 模式研究风速和风能的变化情况，并对 Elizag 区域的风能参
数进行分析。陈正洪等[9]对武汉阳逻长江公路大桥设计风速值的研究得出桥位区不同重现期
（100、50、30 a）10m 高度处 10 分钟平均年最大风速。呼津华等[10]提出 5 d 最大 10 分钟
平均风速取样法，用 I 型极值概率分布来估算风电场不同高度 50 年一遇最大风速。
洪泽湖地处江苏省北部，具有开发风能资源的潜力，为了满足当地对能源需求的日趋增
多，有必要对洪泽湖的风能资源进行评估。因此，利用周边气象站与洪泽湖湖岸边梯度观测
塔的观测资料，对洪泽湖区域的风能资源进行分析评估，以期为风电场开发、建设提供参考。
1 观测资料
1.1 气象站资料
气象站观测资料由江苏省气候中心提供的地面气象月报表数据文件进行筛选，选取洪泽
湖周边气象站：泗洪县、盱眙县、金湖县、洪泽县、宝应县、楚州县、淮阴区、泗阳县等
1978-2010 年逐时平均风速、风向、温度、气压、水汽压、10 分钟最大风速等相关资料。
1.2 测风塔的地理位置
洪泽湖泗洪区域的 5 个测风塔地理位置如下表 1 和图 1 所示，其中太平镇周嘴村 10 m
杆位于湖岸边，龙集镇龙集居委会 10 m 杆也位于湖岸边，半城镇安河口新建村 10 m 杆离湖
岸 2—3 km，临淮镇 60 m 塔离湖堤约 500 m，有部分房屋和树木，龙集镇东嘴居委会 70 m
塔距离湖岸约 200 m，后两个观测塔位于湖中半岛上。
45
50
55
60
65
表 1 观测塔地理位置
Tab. 1 The location of observation tower
塔名
太平镇 10 m 杆
龙集镇 10 m 杆
半城镇 10 m 杆
临淮镇塔 60 米
龙集镇 70 m 塔
塔号 观测高度/m
塔 A
塔 B
塔 D
塔 E
塔 C
10
10
10
60
70
地理位置
33°30′29″N，118°29′32″E
33°25′8″N，118°32′40″E
33°20′55″N，118°26′15″E
33°14′27′N，118°24′48″E
33°21′12″N，118°39′32″E
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泗洪县
●
34°0'0"N
33°40'0"N
33°20'0"N
33°0'0"N
32°40'0"N
泗阳县
●
塔A
●
淮阴区
●
楚州县
●
塔B
●
塔D
●
塔E
●
盱眙县
●
塔C
●
洪泽湖
●
洪泽县
宝应县
●
金湖县
●
118°0'0"E
118°20'0"E
118°40'0"E
119°0'0"E
119°20'0"E
119°40'0"E
Fig. 1 The location of Sihong weather station and observation tower at Hongze Lake
图 1 洪泽湖泗洪区域气象站和观测塔位置
1.3 观测仪器
为了确保观测的一致性，各观测点均采用相同的风向风速观测仪器。选取天津气象仪器
厂生产的 EL15-1A 杯式风速传感器和 EL15-2A 风向传感器，两种传感器的主要性能指标相
近。数据采集、存储系统采用南京金子辰科技有限公司开发的数据采集传输系统。各测风点
采用自动观测、自动存储，数据采用 GPRS 无线传输。在江苏省气候中心架设各测点运行监
控系统，24 小时不间断监控观测系统运行情况，以保证数据的完整和有效。
1.4 观测内容及时间
各风观测塔观测内容：逐日 24 次正点 10 分钟平均风速、风向；逐日 10 分钟平均最大
风速、风向及风时；逐日瞬时最大风速、风向及风时。观测时间：2009 年 6 月 30 日 20 时
至 2010 年 6 月 30 日 19 时。
2 计算方法
70
75
80
85
2.1 平均风速(
EV )
在风能资源评估中，平均风速按下式[11]计算：
∑
V E
=
V
i
1
n
n
1i
=
EV 为平均风速， iV 为风速观测序列，n 为平均风速计算时段内（年、月）风速序列个
数。
90
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2.2 风能方向频率
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风能方向频率（ F ）：根据风速、风向逐时观测资料，按不同方位（16 个方位）统计
计算各方位具有的能量，其与总能量之比作为该方位的风能频率。例如，按下式[11]计算年
风能方向频率：
95
F
东
=
1
2
1
2
m
∑
ρ
∑
ρ
1i
=
n
1j
=
3
V
i
V
3
j
（1）
为一年内东风所具有的能量占总能量的比值。其中， i =1，…， m ； m 为风向为东
风的小时数； j =1，…n；n=8760 或 8784（平年为 8760，闰年为 8784）。
2.3 风功率密度
风功率密度蕴含风速、风速分布和空气密度的影响，是风电场风能资源的综合指标。平
100
均风功率密度（DWP）能够很好的反映一个地区的风能情况，其计算式[11]为
D
wp
1
νρ∑=
2
3
i
）（（）（
mW
/
（2）
2
）
式中，n 为在计算时段内的记录数；ρ为月平均空气密度，
风速（m/s）值的立方。
空气密度的估计值计算式[11]为
kg/m ； 3
3
iν 为第 i 记录的
105
110
115
（ρ
=
/05.353
eT
）
−
.0
034
(
Tz
/
)
(kg/m³) （3）
式中，z 为风场的海拔高度，m；T 为年平均空气开氏温标绝对温度（℃+273）。
2.4 50 年一遇最大风速
风机轮毂高度 70 m 及以上 50 年一遇的最大风速，对风能的实际开发和利用中的安全性
和稳定性至关重要，因此需要推算洪泽湖 50 年一遇 10 分钟平均最大风速。观测塔位于洪泽
湖的西岸湖边，且只有 1 年的观测资料，没有 30 年以上长期 10 分钟平均年最大风速观测资
料，不具备作概率统计的条件。文中，综合借鉴风速重现期的计算方法[12]，结合当地实际
地理环境和气候特征，首先计算附近气象站 50 年一遇的最大风速，然后再根据两地现有同
期观测年日最大风速资料，找出两地之间的统计关系和相关性，最后将气象站 50 年一遇的
最大风速换算到观测区域。而不同高度的最大风速的推断，则是通过对风速随高度变化的拟
合得出的在大风速情况下的风切变指数，从而推断到风机轮毂高度 70 m 及以上 50 年一遇的
最大风速。
气象站 50 年一遇的年最大风速采用极值 I 型分布计算，具体方法[11]如下：风速的年最
大值 x 采用极值I型的概率分布，其分布函数为：
)(
xF
=
{
exp
−
[
exp
−
(
α
]
}ux
−
（4）
120
式中，u 为分布的位置参数，即分布的众值；α为分布的尺度参数。分布的参数与均值
μ和标准差σ的关系按以下公式确定：
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μ
=
1
n
∑
n 1
i
=
iV
，
σ
=
1
−
1
n
n
∑
i
1
=
iV
(
−
2)
μ
，
α 1c
σ
= ，
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u
μ 2c
−=
α
（5）
其中， iV 为连续n 个年最大风速样本序列（
15≥n
）； 1c 和 2c 为计算系数（表 2）。
125
表 2 50 年一遇最大风速计算系数 1c 和 2c
Tab. 2 The calculation of the coefficient
C2
C1
C1
C2
1c and
2c of maximum wind speed in 50 years
n
60
70
80
90
100
250
500
1000
0.552 08
0.554 77
0.556 88
0.558 60
0.560 02
0.568 78
0.572 40
0.574 50
1.174 65
1.185 36
1.193 85
1.206 49
1.206 49
1.242 92
1.258 80
1.268 51
0.495 20
0.518 20
0.523 55
0.530 86
0.536 22
0.540 34
0.543 62
0.546 30
0.949 70
1.020 57
1.062 83
1.091 45
1.112 38
1.128 47
1.141 32
1.151 85
n
10
15
20
25
30
35
40
45
测站 50 年一遇最大风速 max
_50V
按下式计算：
V
_50
max
−=
u
ln1
α
⎡
⎢⎣
ln(
50
50
−
)
⎤
⎥⎦
1
（6）
130
2.5 风能资源分布
135
140
由于文中是基于气象站点和观测塔的风能资源评估，考察洪泽湖整个区域的风能分布特
征需要通过空间插值这一手段来实现。根据附近气象站和观测塔的经纬度资料，运用 Arcgis
软件，采用反距离权重法[13]（IDW）对风能资源参数结果进行空间内插计算。最后依据表 3
给出的等级标准进行风能区划。
表 3 我国风能区划等级标准[14]
Tab. 3 Wind energy division level standards
丰富区
较丰富区
可利用区
贫乏区
有效风功率密/（
/W m ）
2
>200
200—150
150—50
<50
年有效小时数/h
>5 000
5 000—4 000
4 000—3 000
<2 000
3 结果分析
3.1 风速
泗洪气象站观测期间 2009 年 7 月至 2010 年 6 月和长期（1956-2008）各月风速变化情
况和见下图 2，以及泗洪气象站 1979-2008 历年年平均风速，总体上看，观测的这段时间各
月的平均风速都比气象站长年平均值低，历年年平均风速也属于小风速年。不过风速总体年
变化趋势是一致的，冬季和春季的月平均风速比夏季和秋季大，其中 3 月份最大，10 月份
最小。另外，观测期间各月风速明显小于历史平均值，即观测期间属风速较小的时间段。
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4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
）
s
/
m
（
速
风
1
2
3
泗洪气象站观测年
泗洪气象站长期
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
）
s
/
m
（
速
风
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145
150
155
6
5
4
9
时间（月）（a）
7
8
10
11
12
1977
1980
1983
1986
1989
1992
1995
1998
2001
2004
2007
2010
年份（年）（b）
图 2 泗洪气象站风速变化
（a）泗洪气象站(2009 年 7 月-2010 年 6 月)和长期(1956-2008 年)风速月变化 （b）泗洪气象站 1979-2008
历年年平均风速变化
Fig. 2 Wind speed change at Sihong weather station
(a)Wind speed monthly change in (july 2009-june 2010 and long-standing (1956-2008 year) at Sihong weather
station (b) Annual average wind speed change in (1979-2008) at Sihong weather station
图 3（a）和（b）分别给出了洪泽湖西岸临淮镇 60 米塔和龙集镇 70 米塔不同高度的风
速各月变化曲线，两个观测塔不同高度上的风速均表现为 3 月份风速最大，而 10 月则最小，
与泗洪气象站多年平均的月风速变化规律大致相同。图 3（c）为洪泽湖西岸 3 个 10 米杆与
气象站的风速年变化曲线，通过计算分析可知半城镇、龙集镇、太平镇（10 米杆）都是春
季 3、4 月份平均风速较大，风速值分别为 4.3m/s，5.6m/s，5.2m/s；秋季 10 月份风速较小，
风速值分别为 1.8m/s，2.9m/s，3m/s，冬季和春季的风速比夏季和秋季风速大。
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
）
s
/
m
（
速
风
龙集镇 塔10米
龙集镇 塔30米
龙集镇 塔50米
龙集镇 塔70米
泗洪 气象站
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
时间（月）（b）
临淮镇 塔10米
临淮镇 塔30米
临淮镇 塔50米
临淮镇 塔60米
泗洪 气象站
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
时间（月）（a）
10.0
9.5
9.0
8.5
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
）
s
/
m
（
速
风
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）
s
/
m
（
速
风
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
半城镇10米杆
龙集镇10米杆
太平镇10米杆
泗洪气象站
7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月 6月
时间（月）（c）
图 3 两个观测塔和三个观测杆、泗洪气象站的风速月变化
（a）临淮镇 60m 塔和（b）龙集镇 70m 塔（c）三个 10m 杆和泗洪气象站
Fig. 3 The monthly variation of two tower and three handle and Sihong weather station
(a) 60m tower at Linhuai town (b) 70m tower at Longji town (c) three 10m handle and Sihong weather
station
3.2 风能方向频率
风能方向频率代表了各方向所蕴含能量的比重，频率越大，该方向的风能资源越多。结
合该区域的风向分布情况进行对比分析，了解洪泽湖区域风能空间分布的情况有助于风机的
架设，使风功率密度能够最大化的体现。10 米高度上，太平镇和龙集镇 10 米塔附近地区风
能主要集中在 N 和 NNE，频率分别达到 34.5%和 29.3%，半城镇地区则主要集中在 NE 和
ESE，频率达到 31.7%。通过临淮镇 60 米塔和龙集镇 70 米塔的实测资料可知：临淮镇 60
米高度风能主要集中在 E 频率，达到 17.8%，龙集镇 70 塔米高度风能主要集中在 ESE，频
率达到 12.3%如下图 4 所示。
160
165
170
）
%
（
率
频
14
12
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
NNW
N
NNE
NW
NE
WNW
W
WSW
ENE
E
ESE
SW
SE
SSW
S
SSE
175
图 4 龙集镇 70m 高度风能玫瑰图
Fig. 4 Wind energy rose chart at 70m height in Longji town
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3.3 风功率密度
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气象站的年平均风功率密度采用同期观测年即 2009 年 7 月-2010 年 6 月这一年的时间。
经过计算得到洪泽湖区域 10 米高度风功率密度如下表 4 所示，洪泽湖西岸观测塔地区风功
率密度比其它地区大， 其中龙集镇 10 米杆地区风功率密度最大达到 90.6 W/m2。两个观测
塔观测时间内不同高度的各月平均风功率密度如图 5 所示。
180
Tab. 4 Each month and annual average wind power density with 10m height at Hongze Lake (W/m2)
表 4 洪泽湖 10m 高度各月及年平均风功率密度（W/m2）
站号 站点
1 月 2 月
3 月
4 月
5 月 6 月 7 月
8 月
9 月 10 月 11 月
12 月 年平均
58135 泗洪县
16.1
21.9
37.0
25.4
11.9
9.1
10.5
8.5
58138 盱眙县
13.6
21.0
30.5
23.7
13.6
11.4
58139 洪泽县
13.2
13.8
25.9
21.0
10.9
58132 泗阳县
7.1
13.3
20.7
17.8
9.5
5.7
6.1
8.4
7.2
7.9
58148 宝应县
16.0
19.5
31.9
26.4
20.0
14.0
14.6
58145 楚州县
13.4
24.5
36.8
29.8
18.2
11.3
12.6
58141 淮阴县
18.8
29.0
48.6
43.2
23.5
14.5
15.3
58147 金湖县
13.5
25.2
37.9
21.5
10.9
7.9
3.6
10.5
8.1
12.0
14.2
15.2
16.7
3.4
4.7
9.0
4.6
6.1
10.5
8.9
9.2
2.1
塔 A
61.5
90.7
143.6
128.4
68.0
61.5
53.3
102.2
53.7
塔 B
69.3
97.3
165.9
138.2
81.6
78.9
60.4
110.6
64.1
塔 C
55.0
64.9
113.5
95.3
44.7
35.3
29.2
塔 D
25.7
44.0
74.8
60.0
28.8
32.0
18.7
塔 E
18.6
30.4
50.4
38.7
20.3
17.9
13.3
56.8
27.7
23.0
31.8
18.1
12.2
185
）
2
m
/
W
（
度
密
率
功
风
250
200
150
100
50
0
10米
30米
50米
60米
7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月 6月
时间（月）（a）
）
2
m
/
W
（
度
密
率
功
风
350
300
250
200
150
100
50
0
20
10
15.1
21.1
11.0
14.9
20.0
8.7
12.0
11.9
6.0
10.3
19.6
10.0
17.0
24.2
12.5
17.8
24.1
15.4
22.2
13.5
10.2
12.7
125.9
50.4
80.9
130.7
56.3
90.6
95.8
50.0
68.1
25.7
20.6
31.9
22.5
18.6
23.0
6.1
5.1
5.2
4.6
7.2
6.2
7.8
2.5
32.1
34.0
22.3
7.0
6.7
10米
30米
50米
70米
7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月 6月
时间（月）（b）
图 5 各月的平均风功率密度变化
（a）临淮镇 60m 塔 (b)龙集镇 70m 塔 ( 2009 年 7 月至 2010 年 6 月)
Fig. 5 The each month average wind power density change
(a) 60m tower at Linhuai town (b) 70m tower at Longji town (july, 2009-june, 2010)
目前全国气象站的大多数观测高度一般都为 10 米左右，而风能的开发和利用的轮毂高
度一般在 70--100 米，由于全国各地下垫面和大气稳定度的差异，导致各地风速随高度变化
不尽相同，为了提高对不同高度风速变化预测的精确性，因此有必要对不同区域的风切变指
数进行研究和探讨。
190
195
假设混合长度随高度变化有简单指数关系，由此推导的风切变指数律[15]的形式如下：
(
Z
Z
r
)α
U =
U
r
（7）
式中:U ——距地面高度 Z 处的平均风速，单位:
1-ms
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