河西走廊风能资源立体分布研究
４期王毅荣等：河西走廊风能资源立体分布研究
４５１
河西走廊风能资源立体分布研究
王毅荣１’２，林
纾２，王海荣３
（１．中国气象局北京城市气象研究所，北京１０００８９；２．中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与
减灾重点实验室，兰州７３００２０；３．甘肃省安定区农业广播电视学校，定西７４３０００）
摘要：利用河西走廊地区１９７０～２００４年气象站风速气候资料和２００４年９月～２００５年８月周年风塔精细资料，对风速采取气候订正和即时风速订正，给出接近区域的自然（实际）风速，依次研究了该区域近地面７０ｍ层内风能分布变化。结果表明：河西走廊风能存在明显日变化和月变化，６～８时风能相对较小，１６．１９时较大，高层风能极值时间滞后于低层；一年中２。６月风能较大，秋季最小。空间分布大致由北向南递减，存在两个风能大值中心；１０—７０ｍ层内风能随高度以线形关系增大，１０ｍ高度风能大多地方在１５０ｗ，ｍ２以上，７０ｍ高度风能基本在３００ｗ／秆以
上。河西走廊区域７０ｍ层内总风能年储量在１．５×１０１５ｋ删矗以上，风能储量相当丰富。
关键词：河西走廊；风速订正；风能；立体分布
中图分类号：嘞１
文献标识码：Ａ
０
引言
上的风塔资料为主，辅以３０多年的气候资料，着重研究了河西走廊近地面７０ｍ层内风能资源潜力。
河西走廊地处祁连山脉以北、合黎山和龙首山以南、乌鞘岭以西，海拔约１１００～１５００ｍ，大部分地方１资料与方法
为祁连山北麓冲积构成的山前倾斜平原，扇形地上１．１资料
部多由砾石组成，形成砂碛、戈壁、荒滩，扇形地中下本文利用分布于安西、玉门、金塔、鼎新戈壁（荒部地面物质较细，多为黄土状物质，便于引用河水灌漠）中７座风塔（分布图略）资料，选取２００４年９月～溉，因而形成了武威、张掖、酒泉３大绿洲农业区。２００５年８月一周年内每１０ｍｉｎ距地面７０、６０、５０、４０、地势平坦、光照充足、土地资源相对丰富，是重要的３０、２０、１０ｍ等层平均风速和同期（２００４年９月。２００５农业生产基地。河西走廊大部分地方为荒漠、戈壁年８月）风塔附近气象观测站气压、水汽压、气温等
和草原，其独特的地理环境具有强烈的狭管效应，形日平均资料和３０Ｉｎｉｎ风速自计资料，敦煌、金塔、酒
成了中国乃至世界特有的风能资源富聚集带，开发泉、高台、张掖、民乐、山丹、武威、民勤、安西、玉门前景广阔。
镇、永昌、古浪、鼎新、马鬃山、乌鞘岭、临泽、肃南、肃自１９８０年以来对我国风能储量的研究不断深北等１９个气象观测站１９７０一２００４年月平均风速资入【１卅４Ｉ，以往研究受资料所限，大多利用气象观测站料（距地面１０ｍ高）。
的风速资料，以１０ｍ地面风估算风能。在河西走廊１．２方法
气象观测站大多建在绿洲之内，据实地勘测显示绿风能密度是气流（大气）垂直通过单位面积（风洲与空旷戈壁（荒漠）问风速相差甚大；此外，绿洲所轮面积）的风能，是表征一个地方风能资源多少的一占面积很小，绿洲内风能难以代表广袤戈壁（荒滩、个指标，将风轮面积定义为１ｍ２时风能具有的功率草原）；同时，风速是随机性很强、受下垫面地形影响埘（简称为风能密度）为：
十分明显的变量，直接以气象观测站风速资料计算ｌ
该区域风能储量显然不妥。为此，本文以建在戈壁
伽２
３
ｉｌＤ￡Ｉ
收稿日期：２００５．１２－２９
基金项目：国家科技攻关计划（２００４ＢＡ９０ｌＡｌ６）；北京
城市气象科学研究基金资助项目（ｕ硼啦２００５０５）
万方数据
４５２
太阳能学报２８卷
１．２７６
／ｐ一０．３７８ｅ＼
ｒ一１＋０．００３６６ｔ＼１０００
／
式中，叫——风能密度，Ｗ／ｍ２；口——风速，ＩＩｌ／ｓ；』Ｄ——空气密度，ｋｇ，ｍ３；Ｐ——气压，１１Ｐａ；ｅ一水汽压，ｈＰａ；￡——气温，℃。
平均风能密度是对时间积分后的平均，也可利用风频分布函数计算。由于风速采样是不连续量，风速频率（简称风频）是在一段时间内不同风速出现次数占总次数的百分率，文中时问段取一周年，统计年内每间隔１０“ｎ的风速次数；有效风速是指切人风速到切出风速之间的风力。采用ＥＯＦ［１５３（经验正交分解函数）提取风速变化的主要时空信息。区域平均采用经纬度加权平均¨６。。
２河西走廊风速订正
２．１风速比较
对河西走廊除乌鞘岭（偏远高山）、马鬃山（戈壁滩）气象站以外的１７个绿洲内气象站年均风速序列进行ＥＯＦ分解。第一空间型解释了７９．８４％方差，已概括了河西走廊绿洲地带风速年际变化的主要信息。风速ＥＯＦｌ空间分布（图１）最主要的特征是场内数值符号一致，数值较大，最大值在玉门（ｏ．９８）一
带，表明了河西走廊绿洲地带风速年际变化具有较高的空问一致性，玉门站对绿洲区域具有较好的代
表性。
图１河西走廊绿洲地带年均风速ＥｏＦｌ空间分布
Ｆｉｇ．１
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选取河西走廊最西北的马鬃山（Ｎ４１０４８７，Ｅ９７０
０２’）和最东南的乌鞘岭（Ｎ３７。１２’，Ｅ１０２。５４７）荒原气象站，河西走廊穿经而过。
马鬃山、乌鞘岭年均风速在１９７０～２００４年间相关系数为０．４４１６，两站风速（图２）演变十分相似，变化趋势基本遵循上凹２次方程：’，＝Ｏ．０００８２２—０．０４９２戈＋５．３７２４（方程与原风速序列问相关系数
万方数据
在ｏ．６７２以上，相关显著），基本反映出了河西走廊无绿洲阻挡区自然风速的演变特点。处于绿洲中的玉门风速却呈现出直线下降，其线性趋势方程’，＝一ｏ．０６７５石＋４．９５０９（方程与原风速序列问相关系数在０．９７１９，相关显著）反映出，绿洲地带风速平均每
１０ａ减小０．７ｎ１／ｓ。
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ｄｅｐｕｔｙｓｔａｔｉ叽ｓｄ面ｎｇ
１９ｒ７０～２００４
图３给出玉门气象站风速与设在附近戈壁滩的３座风塔风速对比。从图３看到月平均风速（距地面１０ｍ高处）戈壁高出绿洲１．９。３．３“ｓ，平均在２．６ｌＩｌ／ｓ左右；其中６～１０月间相差最大（在３ｍ／ｓ以上），１２月一３月相差较小（在２“ｓ以下），这一年内阶段性差别与该地区作物、植被等生长期吻合，体现出绿洲生长植物对地面风的作用。
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月份
图３玉门站（绿洲）与风塔（戈壁）１０ｍ高月平均风速
（２００４年９月一２００５年８月）
Ｆｉｇ．３
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ｓｅｐ．２００４
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ＡＩｌｇ．２０Ｑ５
图４给出玉门站即时风速（间隔３０ｒｎｉｎ采样）与戈壁风塔风速差距的关系，在样本容量为１７５２０统计显示出：两者存在ｙ＝一０．３８１９算＋４．８４４显著的
统计关系（相关系数为Ｏ．２１７９）。其中，ｙ——绿洲内外风速差值；搿——绿洲内外气象站风速。反映出风
速越小绿洲内外差距越大，反之，风速越大绿洲内外
４期王毅荣等：河西走廊风能资源立体分布研究
４５３
相差越小，风速大致超过１３ＩＩｌ／ｓ后内外差距已不够明显。表现出绿洲植物等障碍物对自然风（戈壁风速）消减具有一定规律。
类似分析安西、金塔、鼎新等地的月风速和即时风速，也存在类似的衰减规律。
图４玉门站（绿洲）与戈壁风塔１０ｍ高１０ｌＩｌｉｎ风速关系
（２００４年９月～２００５年８月）
Ｆｉｇ．４Ｒｅｌ撕ｏｎｏｆ埘ｎｄｓｐｅｅｄｏｆａｖｅｍ驴
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ｓｅｐ．２００４ｔｏ
Ａｕｇ．２００５
２．２风速订正
马鬃山、乌鞘岭探测环境变化较小，其风速的演变更接近于河西走廊自然风速（绿洲外）的实际气候
变化，利用马鬃山、乌鞘岭气候演变函数将河西地区
其他气象站的风速进行气候订正，依此订正出各站的年平均风速，认为订正后的风速更接近于自然风速。利用玉门等地绿洲内外即时风速的统计关系，对各气象站３０ｒｎｉｎ自计风速予以订正，这样经订正后的风速更接近于自然风的即时风速；利用订正后的即时风速统计出年平均值，与采用气候趋势订正出的年均值比较，两种订正结果相差±０．８７“ｓ，其中在河西走廊西部差距较小，东部较大。可见，如此订正具有一定的可靠性。
３风能变化
３．１风速垂直变化
由安西、玉门、金塔、鼎新戈壁滩中７座风塔资料，计算表明距地面Ｏ．５～７０ｍ高度层风速随高度增加（图略），明显遵循自然对数关系（ｙ＝０．７６９６ｌｎ并＋３．５９６，ｙ：风速值，戈：距地面高度；统计相关系数为Ｏ．９８６８），１０ｍ高度以下风速随高度递减最明显（高低层相差接近５“ｓ），４０—７０ｍ间高低层相差不足１ＩＩｌ／
Ｓｏ
３．２风能垂直分布
由风塔资料给出河西风能密度随高度变化曲线
万方数据
（图５），从图５看到在近地面层（距地面８ｍ以下）存在显著的２次多项式关系（ｙ＝一１．２５８７戈２＋２０．９１３石一１１．５６９），风能随高度下降衰减迅速；在１０～７０ｍ高度层风能变化量与高度存在较好的线形关系（ｙ＝２．８∞戈一２３．４６２），即每上升１０ｍ风能密度大
致增加２８Ｗ／ｍ２。
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ｂ．高层
图５河西走廊风能密度随高度变化关系
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Ｃｏ耐ｄｏｒ
４河西走廊风能分布
４．１风能空间分布
通过以上分析和订正方法，计算河西走廊各站风速气候态均值（１９７０—２０００年），比较看到２００４年风速年均值与气候均值相差±０．１４耐ｓ，十分接近；因此选取２００４年各站全年每隔３０Ｉｎｉｎ订正风速，利用风能功率密度关系式得到河西走廊近地面１０ｍ处风能，依据前面分析的风能与高度的关系得到２０、
３０、４０、５０、６０、７０ｍ层区域风能分布。图６给出河西
走廊１０ｍ和７０ｍ高度风能密度空间分布（其余各层图略），看到河西走廊风能分布大致由北向南减小，安西、乌鞘岭一古浪是两个风能大值中心，由低到高各层空间分布基本相似。
距地面１０ｍ层内风能密度都在１００Ｗ／ｍ２以上，
大部分地方在１５０ｗ／ｍ２以上，大值中心地带在
２００Ｗ／ｍ２以上；２０ｍ层内风能密度大多在２００Ｗ／ｍ２
太阳能学报２８卷
图６河西走廊风能密度分布
Ｆｉｇ．６
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Ｈ商ＣｏｒＴｉｄｏｒ
以上，３０ｍ层内风能密度大多在２２５Ｗ／ｍ２以上，４０ｍ层内风能密度大多在２５０Ｗ，矗以上；５０ｍ层内风能密度大多在２７５Ｗ／ｍ２以上，一半的区域在３００Ｗ／ｍ２以上；６０ｍ层内风能密度大多在３００Ｗ／岔以上；７０ｍ层内风能密度基本在３００Ｗ／ｍ２以上，一半的区域在３５０ｗ／ｍ２以上。河西走廊戈壁荒漠面积在１×１０１０平方米以上，７０ｍ层内区域总风能年储量在１．５×１０１５ｋｗｈ／ｍ２以上，风能储量丰富。４．２风能月、日分布
对河西走廊区域风能采取面积加权平均，给出１０～７０ｍ层风能的逐月（图７ａ）和日分布（图７ｂ）。一年内２～６月是风能密集阶段，秋季风能最小。日变化中距地面１０ｍ高处风能在７时前后处于低值，从８时以后不断增大，到１８时前后达到日最大，然后逐渐减小，２１时前后出现次谷值，Ｏ时前后出现次峰值；４０ｍ以上高度层风能日变化与１０ｍ层类似，次峰（谷）值出现时间也大致相同，不同之处是日最大（小）风能较１０ｍ层滞后２ｈ左右。
５结论
河西走廊风能区域分布由北向南递减，大中心在走廊的东西两端；风能随高度呈线性关系增大；存
万方数据
在明显的季节差异和日变化。风能全区普遍较高，区域平均风能在近地面１０ｍ处大多在１５０ｗ／ｍ２以上，７０ｍ基本在３００ｗ／ｍ２以上。河西走廊７０ｍ层内区域总风能年储量在１．５×１０１５ｋｗｈ／ｍ２以上，风能储量十分丰富。
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ｂ．日分布
图７河西走廊风能月、日分布
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资料订正会存在一定的误差，有待进一步优化订正方法和加密观测点。
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万方数据
河西走廊风能资源立体分布研究
作者：作者单位：
王毅荣， 林纾， 王海荣， Wang Yirong， Lin Shu， Wang Hairong
王毅荣,Wang Yirong(中国气象局北京城市气象研究所,北京,100089;中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,兰州,730020)， 林纾,Lin Shu(中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,兰州,730020)， 王海荣,Wang Hairong(甘肃省安定区农业广播电视学校,定西,743000)太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA2007，28(4)4次
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相似文献(1条)
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利用河西走廊地区1970-2004年风速气候资料和2004年9月-2005年8月周年风塔精细资料,采用气候订正和即时风速订正,得到接近自然的风速,依此研究了该区域近地面70 m层内风能分布.结果表明:河西走廊区域风速变幅较小、气候变化趋势较稳定;有效风速(≥3 m/s)时数在6 000 h/a,10 m高度风能大多在150 w/m2以上,风能随高度线形增长(在70 m高度层内),平均每升高10 m风能增加28 w/m2;10～70 m层内总风能年储量相当丰富,普遍在
1.5×1016kWh/m2(千瓦时/平方米)以上,潜在年产值达千万亿元.河西走廊风能存在明显周日和月季变化,风能和有效风速时数存在空间差异,其时空差异与河西走廊独特的戈壁下垫面关系密切.
引证文献(4条)
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2. 刘海燕. 方创琳. 蔺雪芹 西北地区风能资源开发与大规模并网及非并网风电产业基地建设[期刊论文]-资源科学2008(11)
3. 张智. 林莉. 梁旭 贺兰山风电场风能资源特性分析研究[期刊论文]-宁夏工程技术 2008(2)
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