瓜州风电场建设中环境气象要素对比分析

王晓 曹华 郭良才

摘 要：通过在瓜州电厂区域建立60m测风塔与瓜州气象站展开为期1a的同步观测，利用两地同步气象资料对比分析，重建电厂厂址近10a气象资料，揭示电厂所在地气候特点。同时利用瓜州1971-2010年40a气象资料，采用相关分析法，订正得到电厂地面历年气象要素值的特征。通过对比分析，解决了空冷电厂环境气象条件分析中气象资料重建、典型年选取、风温分析等关键技术，满足了电厂空冷机组气象条件分析的需要，为该地风电场的空冷系统的安装、设计、运行提供更科学的依据。

关键词：瓜州风电场；高低空；气象要素

中图分类号 X820.3 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）02-119-05

Comparison Analysis of Meteorological Parameters based on the Construction of Wind Farm in Guazhou

Wang Xiao et al.

（Meteorological Bureau of Jiuquan City，Jiuquan 735000，China）

Abstract：Through the 60 meter wind tower of Guazhou regional power plant and Guazhou meteorological station，start the simultaneous observations for one year，with the synchronous meteorological data and the meteorological data for 10 years in where the power plant will reconstruct，reveal the climate characteristics.Through meteorological data for 1971-2010，the characteristic of meteorological element was obtained in the power plant over the years. And through the comparative analysis，the key technologies including reconstruction of meteorological data，selection of typical year，and wind temperature analysis were solved，to meet the needs of meteorological condition analysis of air cooling unit in power plant，providing a more scientific basis for the installation，design and operation of the air cooling system of the wind farm.

Key words：Guazhou wind farm；High altitude；Meteorological factors

甘肃酒泉瓜州县素有世界风库之称，是甘肃省风能储量最大的地区之一。特定的地形、地貌使其自然风速较大，风向较为恒定，年均风速3.0m/s，最大风力8～10级，极大风力可达12级。瓜州县风能资源可利用面积近1万km2，年风能资源可开发量2 000万kW以上；风力发电气候环境好，极限低温不低于-30℃，空气湿度低，没有冰冻、电线结冰、烟雾等自然灾害。瓜州县风能利用的前景十分广阔，是风能资源有效利用的良好基地。气象参数分析研究是风电场建设的先导，不仅为空冷工程提供气象参数设计指标，而且涉及到未来的气候变化和生态环境影响评估。本文介绍了高低空气象参数对比分析在瓜州电厂建设中的运用。

1 气象参数对比分析方法和目的

根据风电场建设对气象条件精确度的要求，气象数据的准确性会直接影响电厂空冷系统设计精度。限于电厂区域气象资料贫乏，在电厂附近建一座60m风塔，利用瓜州县气象站长时间序列的气象资料，与电厂项目建设所在地的气象资料进行水平、垂直结构的对比分析，得出它们之间的对应关系，对项目所在地的资料进行修正，确定电厂空冷系统设计气象条件的方案。

2 参证站选取

根据气候可行性论证的要求，参证站的气象资料必须具备代表性、准确性、连续性。瓜州气象站与厂区均属于典型的大陆性气候，其主要特点是降雨少、蒸发大、光照时间长，冬春季干旱多风沙天气。由于两地地形、地貌无大差异，两地的气候特征不存在明显的差异。距电厂最近的气象站是瓜州县气象站，距离电厂的直线距离为54.2km。而且瓜州县气象站于1937年建站，位于40.32°N，95.47°E，海拔高度為1 170.9m，有超过70a的连续气象记录，观测年限长，资料序列代表性好，因此，选择瓜州县气象站作为对比气象站。

3 电厂区域临时气象站的建立

在电厂厂址所在地建立了一座60m测风塔，并进行为期1a的现场观测。观测项目如下：地面1.5m、10m、30m和60m高度的干球温度、风速和相应风向。

4 气象站气象参数的变化趋势分析

4.1 温度变化趋势 从瓜州县气象站1963-2012年年平均气温线性变化趋势线来看（图1），瓜州县年平均气温在近50a在波动中呈抛物线性趋势升高。主要表现在：20世纪60～80年代气温变化比较平稳，自20世纪80年代后期开始平均气温开始波动升高，目前还处在上升期。

图1 瓜州县气象站1963-2012年年平均气温变化曲线

4.2 风速变化趋势 从瓜州县气象站1963-2012年年平均风速的线性变化趋势来看（图2），平均风速呈多项式演变，20世纪60～70年代中期风速偏大，之后呈缓慢下降期，21世纪初降到最低，目前处于缓慢上升阶段。

4.3 风向变化 瓜州县气象站多年各个风方位的出现频率结果表明，该站以偏东风为主，偏西风次之。在未来气温升高、风速缓慢增加的大气候背景下，风向的变化与基准时段基本一致，无大变化。

5 观测期间厂址处和气象站气象要素对比分析

5.1 气温 从图3可看出，常乐电厂厂址与瓜州县气象站1～12月平均气温变化趋势一致，常乐电厂厂址比瓜州县气象站年平均气温仅偏低-0.2℃，四季平均气温除秋季相对偏高外，其余均偏低。这种两地平均气温差别的原因主要是受地理环境的影响。

5.2 风相关性分析

5.2.1 厂址与气象站月平均风速对比分析 从常乐电厂厂址与瓜州县气象站逐月平均风速变化图可以看出，2地月平均风速变化趋势基本一致（图4）。常乐电厂厂址的风速明显大于瓜州县气象站，月平均风速偏大2.4～4.0m/s，全年平均风速常乐电厂厂址比瓜州县气象站大3.2m/s。

5.2.2 观测期间厂址和气象站风向分析 由图5可看出，2站点的主导风向以偏东风为主，厂区最多风向较瓜州站向北偏30°左右，造成厂区最多风向的最主要原因是地形因素影响。

6 观测期间厂址各层气象要素对比分析

6.1 气温 从表1可看出，厂址地面、10m、30m、60m处年平均气温分别为9.3℃、10.0℃、10.1℃、10.1℃。除夏季外，60m平均气温均高于其它高度的气温，即气温的垂直分布特点为温度由低向高处递增。

6.2 风速

6.2.1 观测期间厂址10m、30m、60m高度月平均风速对比分析 由图6可以看出：10～60m，各月风速随高度增加，30m较10m高度偏大0.4～0.7m/s，60m较30m高度亦偏大0.4～0.7m/s；各高度月平均风速曲线变化趋势基本一致，9月风速最小，10m、30m、60m风速分别为5.8m/s、6.4m/s、7.0m/s。

6.2.2 观测期间厂址10m、30m、60m高度日平均风速对比分析 图7为观测期间，10m、30m、60m高度日平均风速图。由图7可见，观测期间绝大部分时间日平均风速随高度增大。30m比10m高度风速大0.6m/s，60m高度比30m高度风速亦偏大0.6m/s。

7 厂址处近10a历史资料的重建

7.1 技术方法 利用瓜州县气象站近10a逐时气象要素值，采用一元线性回归订正法，计算厂址近10a逐时气象要素值。即：假设x代表瓜州县气象站、y代表厂址、2014年3月1日至2015年2月28日作为观测期，以厂址、瓜州县气象站观测期间相应月份逐时气象要素资料系列建立回归方程：y=a+bx，回归系数用最小二乘法确定，求得厂址近10a历年各月逐时气象要素订正值。

7.2 气温反演 利用厂区、瓜州县气象站2014年3月至2015年2月观测期间，瓜州站地面与厂区各高度气温资料计算得出各月回归方程、相关系数，其相关系数除1月<0.90外，其它>0.90，均通过0.001的相关系数显著性检验。从厂址和瓜州县气象站气温的相关性分析看（表2），相关性好，相关系数显著，表明下垫面性质接近，下垫面热力作用造成的温度差异相对较小。利用瓜州县气象站近10a历年各月逐时气温资料及相应月份回归方程可求得厂址30m、60m高度近10a历年各月逐时气温。

7.3 风速与风向反演

7.3.1 风速线性相关分析 以气象站逐时风速为自变量，以厂址观测点的逐时风速为因变量，建立厂址与气象站各月逐时风速的相关关系，得出各月相关系数r、回归方程系数（a、b）及各月回归方程。从计算结果可以看出，以观测期内厂址10m、30m和60m高各月逐时风速资料与瓜州县气象站同期资料计算得出的各月回归方程相关系数除10m高度个别月份外，绝大部分在0.95以上，相关很显著。

7.3.2 风向相关分析 根据观测期内电厂厂址10m、30m、60m高度和瓜州县气象站10m高度各月逐时风向资料，首先分析两站的风向变化是否一致。观测期内，常乐电厂厂址、瓜州县气象站两地风向分布差异较小。常乐电厂厂址10m高度最多风向以E、NE为主，瓜州站的主导风向为E和ESE，根据两地风速和风向的比较分析，说明这两地是位于同一风场中，可以采用相关分析的方法，找出其相关规律性。主导风向的相关分析，通过风向频率玫瑰图来表示，所依据的基础资料是两地逐风向实测数据。

8 空冷气象参数的分析统计

根据代表厂址60m高度实际情况的近10a反演气温资料，分别按照以某年年平均气温与近10a平均气温和近5a平均气温进行比较，选择其中较不利年份，若出现几个典型年年份，以最近年份作为典型年的选取原则，分别选出近10a和近5a的典型年，比较2个典型年，以对应气温分级统计结果的累积小时数为200h时相应温度较高的年份作为最终的典型年。通过此方法，确定2011年为典型年。

9 结论

通过瓜州气象资料和电厂区域气象资料的对比分析，可以得出以下结论：

（1）常乐电厂厂址与瓜州县气象站逐月、逐日、逐时平均气温变化趋势一致，但常乐电厂厂址月平均气温与瓜州县气象站除10月厂区偏高0.8℃外，其它月份偏低-0.2～-0.7℃，常乐电厂厂址气温年平均日较差比瓜州县气象站小0.2℃。9月至次年4月中旬，地面和30m间存在贴地逆温，11～12月30m和60m间易形成低悬逆温。

（2）常乐电厂厂址与瓜州县气象站逐月平均风速变化趋势基本一致。常乐电厂厂址年平均风速为5.8m/s，月平均风速最大出现在4月；瓜州县气象站年平均风速为2.6m/s，月平均风速最大出现在2月和4月。常乐电厂厂址的风速明显大于瓜州县气象站，全年平均风速偏大3.2m/s。10m、30～60m，各月风速随高度升高而增加；各高度月平均风速变化趋势基本一致。

（3）观测期内，常乐电厂厂址、瓜州县气象站两地风向分布差异较小。常乐电厂厂址10m高度最多风向以偏东东北风为主。常乐电厂厂址、瓜州县气象站两地的主导风向以偏东风为主，厂区最多风向较瓜州站向北偏30°左右，造成厂区最多风向的最主要原因是地形因素影响。

（4）通过瓜州气象资料和电厂区域内气象资料的平行、垂直结构的对比分析，解决了空冷电厂环境气象条件分析中气象资料重建、典型年选取、风温分析等关键技术；满足了电厂空冷机组气象条件分析的需要，为该地风电场的空冷系统的安装、设计、运行提供更科学的依据。

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（责编：张宏民）