国家气候中心高级工程师常蕊：基于频谱补偿和数值模拟技术的江苏近海大气边界层极端风速研究

2019年10月21-24日，2019北京国际风能大会暨展览会（CWP2019）在北京隆重召开，大会主题“风电助力‘十四五’能源高质量发展：绿色、低碳、可持续”。自2008年首次在北京举办以来，已连续举办11届，成为北京金秋十月国内外风电行业争相参与的年度盛会。

10月22日下午，举办了“风资源精细化评估”论坛。国家气候中心高级工程师常蕊发表了题为《基于频谱补偿和数值模拟技术的江苏近海大气边界层极端风速研究》的主旨演讲。

以下为发言内容：

常蕊：各位同行大家下午好，很高兴能跟大家分享一下，前面各位专家讲的都是整个行业领域工程应用方面比较前面的一些论点，我这个相当于比较窄，接着刚才蔡总的问题，怎么做50年一遇的极端风速？陆地上用各种概率分布可以很容易推出，但是对于海上的风电场难以获取长序列的一个最大风速，这就制约了50年一遇极端风速到底怎么推算？我这个空间范围限定在江苏近海，江苏这个地区跟南方不一样，南方的风电场台风很多，如果你有十年、二十年的台风序列，那么这个年最大风速很容易能建出来。那么对于江苏来讲的话有影响，但不那么多，因为他们台风个例特别小。那么到底在江苏这种中维度的地区怎么做这个50年一遇最大风呢？

我们可以看一下，对于近海风电来讲，以前做的比较是资源的储量，就是说这个地区风资源储量有多少，是总量的概念，对于风资源品质，包括它极端风包括湍流风，它这些评估是比较少的，常见比较多的就是以前气象局的一位老师做的，他做的在江苏以南这些区域，受台风影响比较多，主要是基于台风一个风场模型，把台风最大风速算出来，再用概率分布的序列做50年一遇极端风。这是我刚才讲的问题，它适用于维度偏南的，台风影响比较多的区域，但是对于中维度的区域，良态风，也就是区别于台风冬季的冷空气大风，也称之为良态风，就是这种良态风场它的年最大风速到底怎么来估算，这是我今天的一个问题。

这里我们做了一个方法，只要有一个中尺度的年序列20年或者30年无所谓，你哪怕是用再分析的资料也行，这里我用是我们NCC自己模拟了一套覆盖整个江苏近海，包括陆地区域内左边这个图，这上面我打的全是散点，它每一个格子上是时间序列，是从1995年到2016年，有20多年逐小时的序列，那么我只要有这么一个风速序列，大家说了，你用这个风速序列做年最大风速显然是不合理的，因为它中尺度时间序列，已经在小时尺度上了，它把高于小时尺度的一个高频补的东西，全部都平滑掉了，也就是说你看不到高频一个部分，你显然是低估了，这是大家的一个共识。

那么我怎么能来定量刻划到底低估了多少？如果我能定量刻划它到底低估了多少，那么我就可以来用这个中尺度的序列估算它年最大风速，这是一个问题。另外除了中尺度一个序列或者你的再分析数据的系列也行，同时我们对中尺度序列我们大概进行了一个检验，在我们自己模拟的这套序列，在江苏沿海找了14座测风塔来看，我们中尺度模拟序列平均风速是基本可靠，它年风速误差在5%以内，也就是说平均场是基本可靠的，也少说明我这个中尺度的序列是在，在平均风速的刻画中是合理的。那么我在它的基础上同时，这里我有两个测风塔，这两个海上测风塔我是能收集到一整年10分钟的风速序列，那么这个风速序列是我后面接下来要做平补订正要用的，也就是说其中一个测风塔做切变，就是把每个时次的切变给它，因为它那个高度不一样，我这里最终关注的是轮毂大概就是100米的高度，所以我把所有的风速序列都给你放到100米高度上来讨论，这是做的一个资料预处理。

另外最关键的一个我有一个测风塔完全年10分钟的序列，也就是说我用10分钟序列是用作数值模拟频谱的一个订正，这里就是说这个方法我是把横坐标是频率的一个坐标，纵坐标是功率图，也就是说你有一个一整年时间序列风速序列，你是10分钟风速序列也好，是一小时的风速序列也好，你把它在频率上展开，就是说最左边比较低频的部分，比如说年变化、月变化，天的变化，越往右边它的频率越高。大家可以看这个实线，这个绿线，就是我拿到中尺度的数据，它的时间尺度是一小时的，所以它在频率上，到这个地方就截至了，它在高频部分是没有数据的也就是说它在高频部分它是没有能量的，但是这个散点是我们拿到10分钟测风塔的数据，我评估展开了以后你发现，它不仅在低频的部分是有能量，有频谱特征，它在高于一小时的部分，从一小时到10分钟这称之为高频，高频部分也是能刻划出它的一个能量特征的。也就是说反过来说我如果，因为它们两个刻划的都是同一个地方，那么我如果把这个观测一是到10分钟这一段高频部分的能量补充到我的中尺度小时尺度以上的部分，也就是说我能把中尺度、小时尺度高频缺失的这一部分能补偿出来，这就是我整个方法最核心的一个部分。

那么这一套方法仅仅适用于良态风场，不适用台风风场，就是说非台风影响时段下，在良态风，也就是说带满足高斯分布的情况下，你这个年序列的风速是要满足高斯分布的情况下，它的年最大风速是可以通过如下公式进行计算的，这个有一整套推理方法，我暂时不在这儿讲，大家直接看这个结论就行，如果有兴趣的话我们可以再讨论，我我直接讲这个结论，这里边最关键的就是所谓的M0和M2，分别就是我们拿到风速序列的0节谱和2节谱，这两个节谱要在频率上进行一个积分，就是我这边这个公式，进行了一个积分了以后，你定量的能算出M0和M2，你算出来以后，这个是你序列的一个平均值，直接计算一个平均值，这个是它的方差，这个T0就是你要算的年最大风速的话，这个地方就是365天。按照这个公式你所有东西都是已知的，我只要有这两个谱，这两个谱就是刚才那两个谱的变换谱，一个是0节谱，一个是2节谱，我只要把这个谱，它有一个曲线，把这个曲线在这个频率上进行一个积分，当然你积分的时候，中尺度的时候一定要在高频谱的部分，要用观测来进行一个补偿，计算完了以后，我就可以算出年最大风速。简单来讲，我只要某一个地方，虽然没有长序列的观测，但是我只有一个中尺度的时间序列或者在分析数据的一个时间序列，再加上有一个一整年测风塔10分钟观测序列，我只要这两个序列，我就可以计算出它20多年的一个年最大风速的序列。我们检验了一下，我用2号测风塔它10分钟一个序列，它10分钟序列是一整年，有一个年最大风速，它实际观测年最大风速是21.2，但是我们用上面的这个频谱分析，假装我不知道它这个年最大风速，我用中尺度数据来进行频谱的补偿，补偿了以后我们算出年最大风速是21.8，跟它是非常接近的，也就是说这个方法是比较可靠的。

那么在这样的一个方法基础上，也就是说基于这个方法我是能算出良态风一个年最大风速，江苏这个地区，除了受良态风影响以外还受台风影响，把1995年到2016年经过江苏近海100千米范围内对它有影响的，所有的台风都列的在这儿，大家可以看出，1995年、1999年都有，但是其中有好多年都是没有台风的，也就是说这些年份，台风影响的年份可以用台风年鉴资料，依靠台风年鉴资料再加上台风一个风场模型，用你们经常用的模型，用哪个模型都可以，就可以算出台风影响下那一年的一个最大风速。回到我刚才的问题，如果仅仅依靠这个台风来测算江苏这近海区域年最大风速的话，是这样的，我拿出了一年2012年，它这一年有一个台风的影响，但是它影响的范围是这样子的，如果基于台风一个模型，模拟了2012年年最大风速的分布是这样的，也就是说台风最大风速的分布，你可以把北边算出来，但是南边这些台风的范围没有波及到的这些范围，相当于每个波点是空的，也就是说你南边这些区域是没有值的，没有年最大风速的，但是我们用良态风的一个模型，就可以推算出每一个格点上的一个年最大风速。

在北边这些点上，2012年就有两个年最大风速，一个是良态风的年最大风速，一个是台风的一个最大风速，两者取最大，一个综合，能得出综合条件下2012年江苏所有，就是近海格点上一个年最大风速，每一年都这么算。相当于是2012年我这么算，其他年份我都这么算，算完了以后，我就能得到一个从1995到2016年，我取了某一个隔点，每个隔点大概就是9公里一个点，9公里一个点，我取了某一个隔点，从1995到2016年的年最大风速，这个蓝色就是每年一个值的，就是我用平谷分析的算法算出年最大风速，绿色的这些是用台风模型算最大风速，台风模型没有全覆盖，有些年是没有的，所以这两个进行一个综合，在两个都有的时候取最大，就得出了这个黑色的曲线，这样得到一个年最大风速的系列，那么我在这个系列上再进行50年一遇最大风速的一个推算，就能最终给出近海区域9公里格点上，发一个格点上一个50年一遇最大风速，那么这个就是我进行的一个比较，这是最终的一个结果，仅仅依赖良态的话，你推算50年一遇，大概就是这么一个情况，但是因为还有一些台风的影响，我把两个风进行一个结合，最后推出来江苏近海50年一遇风速就是这样的，而且这个图是9公里的分辨率，这样一个结果相当于这是最终的一个结果，但是这个方法大家可以进行一个推广，它基本上是做小时尺度，就是在时间上从小时尺度到10分钟，如果能拿到秒级的数据，你也可以把秒级的观测序列也同样做一个频谱，你就可以延续到更高尺度的能量谱，那个更精确，这是在时间上进行这么一个处理。

这个方法相当于可以实现，缺乏了观测区域点，任意格点、任意高度的推算，你只要有一个再分析的序列就行。那么这个就是，而且它这个，我们得到50年一遇极端风速的推算，它这个结果，它这个空间分辨率是跟你的中尺度格点或者再分析数据的格点是一致的，你那个属于有3公里的格点，理论上来讲，我这个就能算出3公里50一遇的风速来，同时再有一个拓展就是我们这个是在时间维上的频谱分析，如果在空间上做，前面有好多专家讲湍流，湍流它实际上是一个尺度非常小的，它是在空间上讲，如果说我有这样一个平面，我的风速数据是平面面的一个空间面，如果我在空间上做这么一个展开，理论上来讲尺度比较大的，越往左是尺度非常小的，这种方法对不同涡可以进行分解。我基本上就这么多，感谢大家。

肖罗生：谢谢，海上风电的确是一个比较热的点，常博士主要是对近海风电的研究，大家有没有什么问题？

女2：关于沿海山地地形当你有一个测风塔，测报有台风，你要推机位点，但你测风塔不是最高位置，这样的话怎么推算会更好一点？推最大风速。

常蕊：我这个方法来做的话跟你的本身海拔差异，在空间位置上海拔差异在中尺度数据上已经刻划了，在空间上差异是两个中尺度数据是可以解决的，你只是用测风塔10分钟在高频数据的能量，你的这种差异是在中尺度隔点上的差异，在小尺度是可以直接挪过去的，你直接把高频部分拿过来就行了，低频就用你这个机位点来做。

（根据演讲速记整理，未经演讲人审核）