塔城地区老风口风能资源的分析与研究*

王 飞，刘红霞

（1.塔城地区气象局，新疆 塔城 834700；2.乌鲁木齐市气象局）

塔城盆地老风口地处托里县和额敏县之间，东南面为乌尔喀夏尔山和加依尔山，北面为塔尔巴哈台山，特殊地形形成一条三面环山的簸箕形、向西开口、东高西低的狭长谷地，东通准噶尔盆地，西连塔城盆地，西南与巴尔鲁克山向东北延伸的尾部相接，受大气环流和特殊地形影响，该区域常年多大风天气，气候条件恶劣，风区年均8级以上大风150余d，最多达180 d，最大风速高达40 m/s，与阿拉山口和达坂城并列为新疆三大风口，风能开发利用前景十分广阔。

1 资料来源

本文使用的数据资料为托里县气象局、额敏县气象局的常规气象资料和风电场70 m高测风塔资料，通过对塔城老风口风电场的开发潜力进行统计分析，得出老风口、玛依塔斯风电场的风能资源特性参数，以逐年平均风速、各月平均风速、风场高度测风塔同期的逐小时风速、十六方位风向资料、累年平均气温和气压数据及建站以来记录的最大风速、极大风速、极端气温、雷暴日数等，分析年测风序列中每个风速区间内风速出现的频率，绘制风速频率图，按照十六方位风向频率描述风向分布特征，统计时段内各方位风出现的次数占全方位风向出现总次数的百分比[1]，采用近30年（1981—2010）的气象整编资料，9年（2008—2012）老风口、玛依塔斯2个70 m高测风塔资料，统计老风口地区有效风能密度和风能可用时数，对该地区风电场风能资源进行统计分析与研究。

2 风向、风速气候特征

2.1 气象站风向、风速特征

老风口风电场少风年的风能与多风年风能的差距很大，多年连续观测的风速、风向、乃至风能的变化趋势、幅度大致相同。依据托里县气象局、额敏县气象局近30年的整编资料，应用平均风速公式进行计算：

通过数据计算出两站历年平均风速、年平均风速、逐月平均风速，结果表明：各项平均风速呈显著相关关系，相关系数分别达0.92和0.94；对两站年平均风速序列进行M-K突变检验，发现近30年两站均有2个突变点，其中，托里县1983年达波峰，然后开始减小，到1989年又开始缓慢回升，到1998年达最大；额敏县1985年达峰值，然后逐渐减小，到1998年为最小，然后在波动中缓慢回升，两站年平均风速均存在5~10年呈周期变化，其中，托里县 30年（1981—2010年）年平均风速为2.8 m/s，额敏县 30年（1981—2010年）年平均风速为2.2 m/s。托里县年平均风速较额敏县明显偏大，多年来两地平均风速比较稳定，年际间变化不大，呈现缓慢减小趋势。

图1 托里、额敏气象站风向、风速玫瑰图

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托里、额敏两站受特殊地形、地貌以及大气环流形势共同的影响，月际间平均风速存在明显变化，其中，月最大风速均出现在4月，月最小风速均出现在12~1月，月平均风速高值阶段集中在4~9月，从9月份开始风速逐渐减弱，到12月份进入低值阶段。分析两站逐月平均风速资料，得出两站从2000年以后秋季、冬季月平均风速缓慢增加，特别是11月、12月2个月月平均风速增加幅度最大，原因与近年来秋、冬季节极端大风、暴雪天气的增多有关。

由老风口、玛依塔斯风电场的十六方位风向、风速频率图 （图1）可以看出，额敏县常年盛行NE、ENE、E风，主导风向为ENE风，全年风向比较稳定，其中，春夏季（3~8 月）盛行 ENE、NE、WSW 风向；秋冬季（9月至次年 2月）盛行 ENE、E、NE风向；托里县常年盛行S、SSE、N风向。主导风向为S风，其中，春夏秋季（3~11 月）盛行 S、N、SSE 风向；冬季（12月至次年2月）盛行S、SSE风。主导风向频率在16%~21%之间。

2.2 测风塔风速、风向变化特征

利用2004—2012年老风口区域2个70 m测风塔资料，设定有效风速范围为3~25 m/s，不同风速区间以0.5 m/s为间隔，每个风速区间的数字代表中间值，统计各级风速出现的时数和频率。老风口、玛依塔斯不同高度风速频率最大值出现在4.0~4.5 m/s之间，风速频率众值出现在3.5~8.5 m/s之间，占有效风速分布的23%~46%。

老风口70 m高度风速主要集中在3.5~9.3 m/s之间，2004—2012年实测年平均风速为7.8 m/s；50 m高度风速集中在3.5~8.7 m/s之间，年平均风速为7.5 m/s；30 m高度风速集中在3.5~8.0 m/s之间，年平均风速为7.0 m/s；10 m高度风速集中在3.5~7.0 m/s之间，年平均风速为6.7 m/s。

玛依塔斯70m高度风速主要集中在3.5~9.5m/s之间，2004—2012年实测年平均风速为7.8 m/s；50 m高度风速集中在3.5~8.9 m/s之间，年平均风速为7.5 m/s；30 m高度风速集中在3.5~8.3 m/s之间，年平均风速为7.3 m/s；10 m高度风速集中在3.5~7.6 m/s之间，年平均风速为6.8 m/s。

老风口地区风能主要集中在3.5~7.5 m/s之间；不同高度风速频率曲线均符合Weibull分布，随着测风高度的增加，风能资源越来越好，但增加趋势很平缓；该地区年平均风速在6.8~7.8 m/s之间，风能资源非常丰富。

通过统计分析老风口、玛依塔斯测风塔70 m、10 m高度十六方位风向频率，同时筛选风速3.0~25 m/s作为风向分析的有效数据样本进行统计。老风口10 m高度主导风向为E风，盛行风向为ENE和ESE，风向频率为10.6%~28.7%；70 m高度主导风向为SSE，盛行风向为SE和NW，风向频率在10.8%~22.2%之间。玛依塔斯10 m高度主导风向为W，盛行风向为E和ENE，风向频率在15.3%～21.1%之间；70 m高度主导风向为SE和NW，其中，SE风向频率达27.3%，NW风向频率为25.4%。老风口地区全年风向稳定，风能密度分布比较集中，其中，老风口风能密度主要集中为SE和NW风向，风能密度分布比较集中。

3 风能特征指标计算

选取平均风能密度和有效风能时数相结合的方法对老风口平均风能密度进行计算：

（2）式中W为该时段平均总风能密度，Vi为任意时刻风速，i为Vi出现次数占V>0 m/s总次数的频率。

通过计算可得，老风口测风塔70 m、10 m高度处年平均风速分别为7.8 m/s和6.7 m/s；年平均有效风能密度分别为681 w/m2和523 w/m2；玛依塔斯测风塔70m、10m高度处年平均风速为7.8m/s和6.8m/s；年平均有效风能密度分别为692w/m2和530w/m2。

风能密度与风速的3次方和空气密度成正比，可以认为风能密度的概率分布特征主要取决于风速的概率分布特征，以1 m/s为一个风速区间，每一个风速区间的数字代表中间值，单位时间内气流通过与气流垂直的单位面积的风能，称为风能密度，是评价一个地区风能资源最直接、最方便的指标。

4 结论

（1）老风口、玛依塔斯2个测风塔年平均有效风能密度均在200w/m2以上，年有效风能时数在5000h以上，属于风能资源丰富地区，但夏季多雷暴，要注意防范；（2）不同等级风速的频率分布特征是决定该地区风能大小的重要因素，不同高度风速与风能密度具有高度一致性[2]，不同高度风速出现高频区域主要集中在3.5～9.3 m/s之间，有效风能密度高值区也集中在3.5～9.3 m/s之间，占60%～80%，年平均风速的变幅在5.0～8.5 m/s范围内，有效风能密度的变幅在387～692 w/m2之间，风能资源随高度的增加而增大；（3）老风口风能有效时数小于玛依塔斯风能有效时数，近地层风速明显小于玛依塔斯，这与近年来老风口生态治理、大面积植树造林、下垫面发生变化有关；（4）通过测风塔实测资料和附近气象台站资料统计分析与研究发现，老风口风区风能资源丰富，风能利用的潜力巨大，该地区地势平坦，满足扩大建设大型风电场的基本条件。

[1]龚强，袁国恩，汪宏宇，等.辽宁沿海地区风能资源状况及开发潜力初步分析[J].地理科学，2006，26（4）：483-489.

[2]赵媛，梁中，袁林旺，等.能源与社会经济环境协调发展的多目标决策— 以江苏省为例[J].地理科学，2001，21（2）：6-8.