基于数值模拟和频谱分析技术的中高纬度近海边界层极端风速研究

Offshore wind energy development and utilization plays an important role in haze governance and fulfilling the reduction commitments in advance. The reserve estimation of offshore wind resource in China is abundant enough to meet the basic needs from the exploitation of wind power. Recently, more and more attention is paid to the accurate description of offshore extreme winds, which impose an important effect on the wind turbine designs and operations. Different from the abundant study of the typhoon extreme winds, because of lack of the effective methods, it shows a significant deficiency in the study of offshore extreme winds over the mid-high latitude, which is also the key area for the exploitation of wind power. Therefore, based on numerical modeling and spectrum analysis, the project aims to develop a practical, reliable and robust method for 50-years extreme wind estimation that can be applied for other mid-high latitude offshore area in China, as well as process its uncertainty analysis, in order to improve the estimation ability of wind extreme over the mid-high latitude offshore area. Finally, together with the estimation results from extreme typhoon winds, the characteristics of 50-years extreme winds over the offshore area of interest (Jiangsu-Shanghai) will be investigated mainly based on the numerical modeling and spectrum analysis technique that developed. This study may not only provide a scientific basis of the design and operation of offshore engineering, such as offshore wind farms in the future, but also contribute to future understanding of the extreme climate events in China and the development of atmospheric boundary layer theory as well.

近海风能资源开发利用对雾霾治理和提前完成减排承诺具有重要作用。在近海平均风速基本满足风力发电需求的前提下，对我国海上风电开发而言，近海边界层极端风速的准确描述成为关注焦点。与低纬度近海台风极端风速的广泛研究不同，由于缺乏有效的技术手段，对于台风影响相对较少的中高纬度海域，也是我国海上风电场重点开发海域，极端风速的科学认识明显不足。因此，本项目拟综合应用中尺度数值模拟和频谱分析技术，通过合理估算数值模拟风速等效于10min间隔实测资料的能谱曲线（等效能谱），进而发展一套符合我国中高纬度近海气候特征的，并可推广应用于其他中高纬度地区的近海边界层极端风速分析技术，并联系苏沪近海实验区的大风天气特点，进行海上极端风速的综合应用研究。该研究不仅可以为我国近海风电场等海洋工程的开发设计及安全运行提供可靠的科学依据，而且有助于加深对我国极端气候事件的科学认识，也有助于大气边界层科学理论的发展。

在平均风速基本满足近海风力发电需求的前提下，考虑到我国海上风特性的复杂性，现有IEC国际风机设计标准不宜直接用于我国近海海域，因此开展以极端风速为指标的，适合我国近海气候特征的风特性研究成为关注热点。与低纬度海域台风极端风速的广泛研究不同，由于缺乏有效的技术手段，对于台风影响相对较少的中纬度海域，极端风速的科学认识明显不足。研究以江苏近海为例，通过频谱分析技术，定量刻画了数值模拟再分析风速资料能谱在高频波段的能量衰减和截断特征；进而利用测风塔高频风速（10分钟间隔）能谱曲线在频率域的积分及其对再分析风速能谱曲线在高频波段的补偿，实现无观测区域年最大风速的估算。与台风风场数值模拟技术相结合，综合考虑了我国中纬度海域受寒潮大风和热带气旋大风影响的复杂、特有气候特征，建立了一套可推广应用的近海大气边界层百米高度处极端风速估算的新方法。据此推算了江苏近海100m高度处50年一遇极端风速，结果表明：受寒潮大风影响，江苏北部海域的50年一遇风速超过40 m/s；少量北上的热带气旋则造成响水和如东附近海域40 m/s，甚至44 m/s以上的50年一遇风速；中部盐城附近海域的50年一遇风速则普遍低于35 m/s。.项目建立了一套基于频谱补偿和数值模拟技术的，并可推广应用于其他中高纬度地区的近海大气边界层极端风速分析方法。研究成果不仅可为近海风电工程、海上石油开发及近岸工程等海洋工程开发设计提供极值风速，减小海洋工程受大风影响时的风险系数，或根据极端风速的分布特点，找到受大风影响相对较小且风能资源丰富的开发区域，同时也有助于加深对我国极端气候事件的科学认识和大气边界层科学理论的发展。