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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[2~23]，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；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： Ⅰ组：和都较小，表示与待求点距离很近且其间地形平坦； Ⅱ组：较大，较小，表示与待求点距离较远但其间地形平坦； Ⅲ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； Ⅳ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 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Ⅰ和Ⅳ两种情况与其