青海共和盆地风能资源形成机理研究

刘军涛，陈 彬，徐 栋

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710000)

0 前 言

青海省位于青藏高原东北部，高海拔、高原气候以及特殊的局部地形，使得青海省具备丰富的风能资源。截止2021年底，青海省电力装机达4 286万kW，其中，水电装机1 263万kW、光伏装机1 656万kW、太阳能热发电装机21万kW、风电装机953万kW，清洁能源装机占比90.83%，新能源装机占比61.36%，持续保持全国最高。青海省东北部的共和盆地中上部地区已建、在建风电项目总装机容量约461.4万kW，占全省风电装机的48%。随着《青海打造国家清洁能源产业高地行动方案(2021-2030年)》《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》以及国务院关于同意《海南藏族自治州建设国家可持续发展议程创新示范区的批复》，海南州这片热土将再次成为青海省新能源建设主战场。

在开发海南州共和盆地风能资源的过程中，对其风的成因的剖析至关重要，其形成机理也很复杂，部分学者及从业者开展了相关研究。方韵等[1]通过研究高原地区的纬向环流，发现由于高原热力作用，青藏高原上空的纬向环流有明显的季节突变现象。陈宗颜等[2]利用共和盆地茶卡、共和、贵南三站2012—2015年的测风资料，分析了盆地风向、风速的变化特征，研究得出盆地冬春季在蒙古高压和羌塘高压的影响下形成西北风系，年平均、季节平均和月平均风速都有自盆地西北部向东南部变小的趋势。针对青藏高原或其东北边缘的共和盆地，各类研究以气候气象变化等方面研究居多，区域及典型区域的风能资源形成机制和变化规律研究较少，特别是大型水体(如青海湖、茶卡盐湖、龙羊峡水库等)、特殊地形(昆仑山脉、祁连山脉、狭管地形等)因素对局部风能资源的影响的研究还未见到报道。

为了高质量地推进青海共和盆地风能资源开发，本文主要从风能特征、风能成因、影响因素等方面，利用共和盆地多座气象站、测风塔实测数据，运用统计学方法计算、分析了该地区年内风向、风速及风切变变化规律，并结合大气环流、海陆热力差、狭管效应及坡度影响，分析该地区风能形成机理，为共和风电基地开发提供支撑。

1 共和盆地风能特性

共和盆地位于青海省东北侧，青海湖南侧，是以共和县为中心的盆地，西北部为乌兰县，南部为贵南县和兴海县，面积为1.38万km2。共和盆地地形呈喇叭状，主要受北侧青海南山和南侧鄂拉山"两山夹一谷"加速效应影响，使得盆地上部风速增大；中、下部由于地势逐渐开阔，气流膨胀，使得风速总体减弱，盛行风向也发生明显的变化。

1.1 气象站资料分析

从青海共和盆地上中下部3个区域气象站数据分析来看，茶卡气象站风速最大、共和气象站次之、贵南气象站最小。该地区3—5月风速较大，8—10月风速较小，即春季风大，秋季风小。从茶卡至贵南，冬春季盛行风向自西(W)向西北(NW)逐渐偏转；夏秋季自东东南(ESE)向南东南(SSE)逐渐偏转。各气象站地理位置示意见图1，气象站风速、风向变化分别见图2～5。

图1 共和盆地各气象站地理位置分布

图2 气象站近30 a平均风速变化

图3 气象站近30 a各月平均风速变化

图4 各气象站近30 a风向玫瑰图

1.2 测风塔数据分析

1.2.1风 速

本次基于10座测风塔90 m高度风速数据对共和盆地风能变化特征进行分析，各塔均订正至同一水平年，可以视为平风年。各测风塔位置关系示意见图5，年平均风速统计见表1。

图5 共和盆地各测风塔地理位置

表1 共和盆地各测风塔90 m高度平均风速统计表

通过分析可以看出，盆地内部风速变化特征表现为：自西北至东南，上部、中部风速高于下部，且分别自中部至上部、中部至下部风速有减小的变化趋势；自中部至下部风速快速下降，特别是龙羊峡水库北侧共和县城区域风速较小；盆地中部、上部区域的东侧风速最大，中间风速次之，西侧风速最小。

1.2.2风 向

根据各测风塔数据分析，盆地上部主风向为西西北(WNW)；中部受山脊走势及通道变窄影响，主风向略有偏转，为西西北(WNW)～西北(NW)；下部通道突然拓宽后，风向变化复杂，由北向南风向从西西北(WNW)向西北(NW)偏转，而龙羊峡水库东岸区域主风向则为东东北(ENE)，共和盆地主风向变化见图6。

图6 盆地主风向变化

1.2.3切 变

风切变是指风速在垂直于风向平面内的变化。根据GB/T 18710-2002《风电场风能资源评估方法》[3]，通常用于描述风速剖面线形状的幂定律指数即为风切变指数。各测风塔不同高度风速随高度变化的拟合曲线见图7，可以看出，盆地中部、至下部龙羊峡水库西岸区域风切变指数大于盆地上部风切变，下部龙羊峡水库东岸区域风切变指数最小。

图7 各测风塔不同高度风速随高度变化的拟合曲线

2 共和盆地风能机理研究

2.1 大气环流

大气环流形成的原因：一是太阳辐射不均匀；二是大气受地转偏向力影响发生偏转；三是地球表面海陆分布不均匀；四是大气内部南北之间热量、动量的相互交换。以上各种因素构成了地球大气环流的平均状态和复杂多变的形态。使得大气在赤道低气压区、副热带高气压区、副极地低气压区和极地高气压区之间形成了3个环流，共和盆地位于北半球副热带高气压带与副极地低气压带间的西风带，冬季盛行偏西风、夏季盛行偏南风。

2.2.1冬季环流

青藏高原对西风气流产生明显的阻挡作用。冬季，50 kPa等压面上，中纬度西风气流经过青藏高原发生分支，北支绕过天山以后折向南下，形成强大的新疆高压脊[4]；南支经过印巴大陆、过孟加拉湾后折向北，形成宽广的孟加拉湾低压槽[5]。

高原北支西风急流南下，部分气流越过阿尔金山脉到达柴达木盆地，形成冷空气堆积，当冷空气足够强后越过鄂拉山进入共和盆地，受南侧昆仑山脉和北侧祁连山脉的走势影响，继续向西流动；南支西风急流虽有部分气流越过喜马拉雅山脉进入高原，但均表现为弱风，因此，共和盆地冬季上空盛行偏西风。青藏高原50 kPa等压面冬季环流示意如图8所示。

图8 青藏高原50 kPa等压面冬季环流

2.1.2夏季环流

夏季由于太阳直射点北移，西风带气流也退至青藏高原以北。50 kPa等压面上高原以东和以西分别是西太平洋副热带高压西伸脊[6]和伊朗高压东伸脊[7]，高原主体位于副热带高压的断裂带中。在高原上空是西风气流和季风气流直接汇合形成的50 kPa切变线[8]，其上常有次天气尺度的50 kPa低涡活动。高原以北低空仍是一连串的反气旋涡旋，而高原以南为印度季风槽和季风低压，在高原背风坡的川西地区西南低涡活动频繁。青藏高原50 kPa等压面夏季环流示意如图9所示，可以看出共和盆地上空夏季盛行偏南风[9]。

图9 青藏高原50 kPa等压面夏季环流

2.1.3高原季风

高原季风的成因是冬、夏季高原大气具有相反的热力作用。冬(夏)季高原上大气是冷(热)源，因此在高原近地层为反气旋(气旋)式环流，则高原临近地区的大气环流就呈现出冬、夏季反向的盛行风。青藏高原近地层等压面冬、夏季环流示意分别如图10、11所示。

图10 青藏高原近地层等压面冬季环流

图11 青藏高原近地层等压面夏季环流

2.2 海陆热力差

海陆热力差异是造成季风气候的主要原因，共和盆地位于青海湖南侧，约为青海湖总面积的3倍，中间为青海南山，比共和盆地高约600 m，由于比热容的巨大差异，青海湖和共和盆地之间会形成明显的海陆热力差，产生湖陆风效应。冬季，受青海湖和区域地势影响，部分在共和盆地南部堆积的冷高压，翻过青海南山南侧山脉流向湖面，并在共和盆地南部盛行偏西风。夏季，北上气流经过湖面有加速流出的效应；从黄河河谷进入共和盆地的气流受河谷北侧拉脊山、鄂拉山南侧山脉近东-西走向影响，共和盆地南部夏季盛行偏东风。国内学者杨伟[10]、曹渐华[11]做过类似研究，分别对洞庭湖、鄱阳湖等周边气象台站的观测资料分析，同样发现了较为明显的湖陆风效应。共和盆地与青海湖位置关系见图12，共和盆地与青海湖区域近地层等压面冬、夏季环流示意分别见图13～14。

图12 共和盆地与青海湖位置

图13 共和盆地与青海湖区域近地层等压面冬季环流

3 共和盆地风能影响因素

风是由水平气压梯度力、地转偏向力和摩擦力共同作用形成，其中摩擦力和水平气压梯度力影响风力的大小，地转偏向力仅影响风的方向。地表下垫面条件(山体、植被、裸地、岩石、水体、建筑等)都会对热量的分布、能量的损失造成影响，进而影响风力大小。

图14 共和盆地与青海湖区域近地层等压面夏季环流

3.1 狭管效应与窝风效应

共和盆地在北侧青海南山、南侧鄂拉山的地形构造下，形成西北-东南走向的狭长山谷，且呈现出上窄下宽的喇叭型地形。当柴达木盆地冬季大气环流翻越鄂拉山后进入盆地，在盆地最北端和鄂拉山背风坡一侧，由于空气需要克服地形阻力使得动量损失，流入盆地时风速较小，随着空气连续流入，并顺着山体走势往下风向流动，经过喇叭型地形上端狭窄地形的狭管效应[12]加速后(如图15所示)，风速会逐渐增大；但是至喇叭型地形出口后，因为空气膨胀、气压减小，导致风速逐渐减弱。

图15 共和盆地狭管效应

同样因为地形构造作用，在共和盆地上部形成如图16所示的窝风区，当上游西北风流入窝风区，受前方较长山体的阻挡，形成堆积，消耗气流部分动能后，气压减小、风向也发生变化，转为西西北风或者西风流出窝风区，且风速减小。同理，在夏季，偏南风流入共和盆地也会产生类似狭管效应或窝风效应。

图16 共和盆地窝风效应

3.2 坡度影响

共和盆地的上、中部总体地势为中间低、两侧高的近似“U”型峡谷断面，且盆地内部东侧坡度略大于西侧坡度，其坡度空间分布见图17。

图17 共和盆地坡度分布

峡谷内的风速主要受相对谷深H/L(其中H表示谷深，L表示谷宽)、气流与峡谷走向的夹角θ等因素的影响[13-14]。当谷宽L相同，谷深H越大，H/L就会越大，从图17可以看出，盆地中上部相对谷深大，风速大，其中中部更大，盆地下部谷深比小，风速小，基本与1.2.1节结果相同。

4 结 论

(1)共和地区地区风能年内分布规律为春季大、秋季小，冬春季盛行风向自西(W)向西北(NW)逐渐偏转；夏秋季自东东南(ESE)向南东南(SSE)逐渐偏转，这一特征主要受大气环流和海陆热力差影响。

(2)在青海南山、鄂拉山的地形构造下，共和盆地形成了西北-东南走向的狭长山谷，与区域盛行风向近似平行，产生“狭管效应”，加速大气流动。另外，盆地呈现近似“U”型峡谷断面，中上部相对谷深大，风速大；下部谷深比小，风速小。

(3)在特殊的地形构造作用下，盆地内风速变化特征表现为：自西北至东南，上部、中部风速高于下部，且分别自中部至上部、中部至下部风速有减小的变化趋势；自中部至下部风速快速下降，特别是龙羊峡水库北侧共和县城区域风速较小；盆地中部、上部区域的东侧风速最大，中间风速次之，西侧风速最小。

(4)由于盆地呈现上窄下宽的喇叭型狭长地形，当风速流出喇叭口后，因为空气膨胀、气压减小，导致风速逐渐减弱；而且临近龙羊峡水库西岸区域海拔较低，所以风速较小。而东岸的东部区域地势较高，风能资源较好，具备一定的开发潜力。