风能开发中的几个关键科学问题

《科学网》2008年5月14日报道 风能开发的重要性已无可争辩，进行大规模风能开发必须首先解决一系列关键科学问题。

国家气候中心副主任、中国气象局风能太阳能资源评估中心主任罗勇研究员和中国科学院大气物理所研究所研究员胡非在接受《科学时报》采访时，不约而同地强调了这一观点。

那么，风能资源开发究竟面临哪些与大气科学有关的关键性科学问题呢？

建立风能资源精细化评估模型

“就像开发矿产资源要先找矿一样，开发风能资源就必须先找风，但是风能和矿产资源又不同，不是有了风就一定能开发出风能。”胡非说，必须建立一套有效的科学方法进行风能资源的详查。这些科学方法包括改进和发展国际上已有的风能资源评估理论和方法、建立适合于中国气候和地形特点的风能资源精细化评估模型。

从大气科学的角度来讲，风力发电主要利用的是近地层中风的动能资源（风力发电机轮毂高度一般不超过120米），因此，必须详细了解在中国风机高度范围内（120米以下）的风能资源总储量是多少，哪里是中国风能资源的宏观丰富区。

罗勇则向记者介绍，以往的中国风能资源评估主要采用的是气象台站10米高度上的常规测风资料和少量测风塔资料，受气象台站空间分布密度、测风塔资料序列较短以及尚未建立适应中国季风气候特征和地形特点的精细化评估理论和方法等因素的限制，尚不能准确地给出风机高度上的风能资源总储量以及精细化（水平分辨率达1公里，垂直分辨率达10米；下同）的地区分布特征。因此，要实现中国风能资源的大规模可持续开发利用，必须首先详细了解中国风机高度上的风能资源的具体分布区域。

罗勇进一步强调，要在风能资源宏观丰富区内科学指导风电场的微观选址，还需建立适合于中国季风气候特征和地形特点的风电场微观选址模型，才能实现风能资源的精细化评估，其结果才能更好地应用于风电场的设计和建设。

为了进行风能资源的精细化评估，同时也可为风电场的动力学设计和风电量预报提供技术支撑，还需要有风电场和风机尺度的微小尺度数值模式。

“总之，我们的目的是要真正实现多尺度的风场模拟和预报，这也是我们要攻克的关键技术难题之一。”胡非说。

极端气候对风能开发的影响

“2003年13号台风‘杜鹃’、2006年1号台风‘珍珠’和8号台风‘桑美’分别造成了广东汕尾红海湾风电场、南澳风电场和浙江苍南鹤顶山风电场的风机严重损毁。”谈到极端天气气候对风能资源开发的影响时，罗勇说，以前，在设计风电场的时候，对极端天气气候的影响讨论不多，例如东南沿海的台风究竟有多强，会对风电场造成多大的影响。现在这些问题却成为风能资源开发必须首先解决的关键问题，尤其要考虑极端天气或气象灾害的影响，如强沙尘暴、强风、强台风、覆冰、雷击等。


胡非同样指出，如何根据极端气候环境条件指导风电场建设的宏观布局和重点地区，如何科学评估不同地区风电场建设的气候风险（主要是因极端气候环境条件对风电场造成破坏的几率）是目前风能开发中的重要科学问题。例如，热带气旋、龙卷风、爆发性温带气旋、低温、风暴潮、海冰等恶劣气候环境会严重影响风电场的安全运营，其中热带气旋的影响最甚。

胡非举例说，目前，对大气边界层中风机高度范围内的热带气旋风特性仍缺乏深入的了解，不能为沿岸和近海风电场设计提供可靠的空气动力学参数，风电场规划和建设缺乏气候风险分析依据。

“在全球气候变化的大背景下，只有在科学认识中国风能资源的过去变化事实及其成因，并对未来可能的变化趋势作出较为准确的预测的基础上，才能实现中国风能资源的大规模可持续开发利用，为风电场的宏观布局和微观选址提供科学依据。如，中国的风能资源过去是如何变化的？未来演变趋势如何？能否可持续地利用？”胡非说。

风能资源监测和预报系统

由于风能的广泛利用，越来越多的风电企业需要准确的预报服务。风电企业对风能短期预报的需求是：需要发电量的预报而不是风速的预报；提前一天发布36～48小时内的逐时预报；给出预报可信度；提前几天的中期预报对规划和管理维护十分重要。

“现在的天气和气候模式基本上都还不能对风电场尺度的风速分布作出精细的预报。”胡非说，要大规模建设风力发电场必须提高已建风电场的风电量短期预报水平。

罗勇也指出，由于电网电力调度的需要，风电上网需要估计其可发电量。在这方面，中国现有的风电场主要是根据天气预报结合当地的气候条件开展了一些风电预报工作。2006年6月，中国气象局成立风能太阳能资源评估中心。该中心已开始做一些风电量预报方面的工作。“我们正在和两个风电场合作作一些风电量预报系统的建设和开发。”

“不过这些还远远不够，目前亟须建立专门服务于风电场风电上网调配的风能资源监测、预报系统。”罗勇指出。