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行业专项成果综述-多源测风资料融合技术研究及其在风能资源评估中的应用

发布者:张岳   来源:   发布时间:2018/4/2 16:06:56   标签:   浏览次数:1049

项目编号GYHY201306050

研究周期20131—201512

国拨经费318万元(核减后292.6万元)

项目负责人】许遐祯

项目骨干成员黄敬峰、陈燕、王秀珍、郑有飞、吴荣军、张灵玲、杨杰、宗鹏程、张康宇、郭乔影、张运福、陈艳春、龚强、李正泉、刘焕彬、马旭林、朱玲、董旭光、王佳、汪宁、惠品宏、陈兵、项瑛、腾华超、顾正强、晁华、徐红、韩冰

项目承担单位】江苏省气候中心

项目协作单位】浙江大学、杭州师范大学、南京信息工程大学、浙江省气候中心、山东省气候中心、沈阳区域气候中心

主要研究成果

1)发展了基于合成孔径雷达卫星数据反演中国海面风场的方案

综合利用再分析资料、现场观测资料,系统性分析了国外三种同极化地球物理模型基于ENVISATRADARSAT-2星载雷达的VV极化数据反演我国海上风速的可靠性,确定了HH极化率模型和同极化地球物理模型的最优组合,深入研究了最新的交叉极化地球物理模型在我国海上风场反演的适用性,特别是给出了风速反演最优分辨率,通过比较分析和集成优化反演算法,建立合成孔径雷达数据反演我国海上风场的最优方案,即VV同极化数据反演我国海上风速的最佳模型为CMOD4HH同极化数据采用Kirchhoff极化比模型,结合三种地球物理模型均可得到均方根误差在2m/s以内的风速数据,VHHV交叉极化数据可以在不需要外部风向数据情况下,直接利用C-2PO模型获取较高精度的海面风速,风速反演最优分辨率为1KM

2)研发多源星载合成孔径雷达反演海面风场的批量并行处理技术

利用MATLAB语言开发了极化方式和定标参数提取模块、控制点信息提取模块、测量数据集提取模块,自动提取了风速反演所需的极化方法、定标参数、经度、纬度、雷达入射角和幅度值影像等信息。然后利用IDL+ENVI二次开发技术,开发了几何校正、辐射定标、极化比转化、陆地掩膜、船只去除、斑点滤波、均值采样等预处理模块,实现了将幅度值影像转化成SAR风场反演所需的后向散射系数影像的批量处理,并发展了利用SAR数据进行近海风速的反演并行计算技术。

3)多种卫星测风数据精度检验评价

利用1999-2009QuikSCAT散射计数据、2003-2015WindSAT辐射计数据、2007-2015ASCAT散射计数据与对应时空位置的1999-20158NDBC美国近岸浮标小时风场数据进行对比分析,得出QuikSCATWindSATASCAT在瞬时测风数据的精度检验结果和质量评价。评价结果表明,QuikSCATWindSATASCAT风矢量数据质量都很高,从风速数据精度来看,ASCAT的风速数据精度最高。

4)最优卫星及星地多源数据融合方法                                               

选择我国东部(辽宁、山东、江苏和浙江四省)近海海域作为研究区,利用QuikSCATWindSAT相同过境时间的风矢量数据进行空间融合,得到更为完整的空间风矢量数据集。分别对不同数据、不同方法得到的风场融合结果进行真实性检验。结果表明采用QuikSCAT+WindSAT融合数据集与地面气象测风数据并使用Kriging插值法的空间融合结果最优。

5)构建了近海长时间序列高分辨率的测风数据集

采用反距离加权插值法(IDW)和普通克里金插值法(Kriging)分别对QuikSCAT数据、WindSAT数据及QuikSCAT+WindSAT融合数据与地面气象测风数据进行空间融合,构建了中国东部近海范围内0.01°*0.01°空间分辨率的融合风速数据集。

6)同化QuikSCAT资料可提高WRF对于我国近海的风参数模拟性能

比较fnl再分析资料、Windsat资料和QuikSCAT散射计资料作为初值的精度,发现QuikSCAT散射计资料的精度高于其他两种资料,WRF同化QuikSCAT散射计资料后的整体模拟效果较未同化模拟好,而WRF同化Windsat辐射计资料后的整体模拟效果不如未同化模拟。在风速时间序列、线性回归、绝对误差和相对误差等方面,1月份QuikSCAT同化模拟效果最佳,Windsat同化模拟效果次之;4月份未同化和Windsat同化模拟效果均比QuikSCAT同化模拟好;7月份三种模拟方案的模拟效果比较接近,各有所优。10月,QuikSCAT同化模拟都比其他两个模拟试验更加贴近实况。整体而言,WRF同化QuikSCAT散射计资料后的风速模拟效果最佳。

7 星地多源测风融合资料同化模拟

以江苏近海为研究区域,对不同分辨率的多源测风融合资料以及QuickSCAT测风资料进行同化模拟试验,检验其对近地层风速的模拟效果。揭示出星地多源测风融合数据集稀疏化处理后的同化试验可以有效地改善研究区域风场的初始场质量,从而对风速模拟结果改进明显,同化与模式时间与空间分辨率较为接近的资料效果更好。

8)研发多源测风资料海上风能评估系统

收集整理了海上风能资源评估相关资料及技术方法,构建了各类风能共数据集,从而建立了一套高质量、多类型海上风能资源数据库。基于海上风能资源数据库,研发风能业务应用系统,实现监测观测、数据融合、数值模拟、参数计算、资源分析、资源评估等功能,为海上风能资源开发利用提供科学依据。

9)辽宁、山东、江苏、浙江四省近海风特征分析

总体来看,我国东部地区风速从沿海到内陆递减,沿海地区风速等值线较为密集,是风速变化最剧烈的地区。辽宁、浙江省近海区域风速大于山东、江苏。同时观测高度越高风速值也就越大,离海岸线越远风速值也越大。平均风速最大值出现在150m高度山东省东部海域。平均风功率密度的分布特征和年平均风速较为相似。平均风功率密度自沿海向内陆递减,辽宁、浙江省近海地区大于山东、江苏省,空间分布不均匀。海岸线附近地区等值线较密集,风功率密度由海面向陆地迅速减小。高度层越高风功率密度越大。

10)辽宁、山东、江苏、浙江四省近海风能储量分析

总体来说,四个试点省份的近海海上风能资源均十分丰富。辽宁、浙江省近海区域风速大于山东、江苏地区,风功率密度也较大。70米高度上,辽宁、山东、江苏、浙江各省近海区域的风能资源储量分别为260GW225GW119.04GW156GW。从风资源年平均状态来看,我国东部地区平均风速和平均风功率密度分布较为相似,均从沿海到内陆递减,沿海地区风速等值线较为密集,是风速和风功率密度变化最剧烈的地区。从50m高度来看,辽宁省近海区域平均风速为6.3-7.5m/s,其中以渤海湾中部及东部地区风速较大,风功率密度为320-420W/m2,风功率密度等级可达4级,风能状况好。山东省近海区域风功率密度总体略低于辽宁省东部海域,大部分海域的风功率密度等级为3级,风能状况较好,平均风功率密度为260-350W/m2。江苏盐城北部和连云港近海区域的风能资源略少,风功率密度等级接近3级,平均风功率密度为280-370W/m2,风功率密度等级为3级,风能状况较好。浙江省整体风能资源较为丰富,平均风功率密度为390-490W/m2,风功率密度等级为4级,其中舟山地区平均风速可达8m/s以上,风功率密度达到520W/m2,风功率密度等级达到5级。

 

成果应用情况

1) 成果转化和应用情况

研发了一套完整成熟的多源卫星遥感测风数据融合技术,构建了各类风能共享数据集,从而建立了一套高质量、多类型海上风能资源数据库。基于海上风能资源数据库,研发风能业务应用系统,实现了从数据收集到结果输出的自动化界面操作,能够有效提高数据统计分析查询效率,达到基本的业务应用水平且可移植性强,目前已在四个省级中心开展业务试用。

本项研究,本着边研究、边应用、边改进提高的方针,积极将项目成果在辽宁、山东、江苏、浙江四省中推广应用。自2013年以来,项目组以风能评估报告、科研内参等形式,积极将阶段性成果应用于业务中,并依托项目成果申请软件著作权6项、专利3项。依托项目研究发展了一套完整成熟的多源卫星遥感测风数据融合技术,构建了各类风能共享数据集,从而建立了一套高质量、多类型海上风能资源数据库。基于海上风能资源数据库,研发风能业务应用系统多源测风资料海上风能评估系统”V1.0,实现了从数据收集到结果输出的自动化界面操作,能够有效提高数据统计分析查询效率,达到基本的业务应用水平且可移植性强,目前已在四个省级中心开展业务应用。

       2) 对业务进步的贡献与效果

本项目研发的多源测风资料海上风能评估系统2015-2017年先后完成了系统数据库建设风能资源评估业务系统建设,在江苏、浙江、山东、辽宁、广东等省级气候中心开展了业务应用,提升了各省海上风能资源评估的业务服务能力,使各省海上风能评估业务和产品制作更加规范、准确、高效,为各省气候资源开发利用提供了技术支撑,已成为各试点省份风能资源分析评估的重要平台。

江苏、浙江气候中心基于海上风能评估系统分析了江苏和浙江海上风能资源时空变化特征及未来变化趋势,结合目前江苏、浙江海上风电开发现状提出了相应的对策建议,分别为江苏省政府、江苏省能源局以及浙江省能源局提供了决策服务材料,获副省长批示,为江浙两省海上风电开发建设,提供了参考依据,为积极应对气候变化、节能减排、绿色低碳发展起到了积极的推动作用。

广东省气候中心依据项目研究成果编制了“广东省海上风能资源评估”报告,向广东省发展和改革委员会、广东省海洋与渔业厅等部门以及广东省东明阳风电产业集团有限公司等风电企业提供了专项报告与服务,收到政府、企业的一致好评,为风险开发利用企业在厂址预选、规划设计于建设施工等方面,带来了较大的社会经济效益,为推动广东省海上风能资源开发利用起到了重要作用。

      3) 转化应用中存在的主要问题

    本项目在应用时,需要应用到卫星遥感风场资料,并将其应用到数值模拟中,以获得近海风场的分布特征。各种卫星遥感资料的获取、风场反演、数值模拟,所需时间较长。今后,如果获得新的各种资料后,需要定期重新开展评估时,需充分考虑时效要求。

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