第51卷增刊（2）2020
年12月
人民长江Yangtze Ｒiver Vol．51，
Supplement （Ⅱ）Dec．，2020
收稿日期：2020－01－15作者简介：洪
畅，男，工程师，硕士，主要从事风电与光伏等新能源工程研究工作。E －mail ：hongchang@mail．com
文章编号：1001－4179（2020）S2－0290－04
洪
畅，胡
超，邓
超，刘
凯
（长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉430010）
摘要：为了明确台风期间风场空气密度变化范围及其变化规律，提出了一种较为准确的评估算法。通过获取目标位置周边气象站的高频数据，
对数据进行质量控制之后，利用典型气象要素插值方法，得到目标风场台风期间的空气密度极值以及变化规律，并将获得的结果与已建成的海上风电场台风期间的实测数据进行了对比。计算结果表明：①各气象要素有效地体现了台风期间气象变化规律，
计算结果与实测数据基本吻合；②选取不同样本进行分析后得到了不同强度及不同距离台风对目标位置空气密度的影响规律；③评估算法精度较好。该方法可在实测数据缺席的情况下为待建风电场的机组载荷安全性计算及发电量评估提供参考。关
键
词：空气密度；台风；空间插值；海上风电场
中图法分类号：P458．124
文献标志码：A
DOI ：10．16232/j．cnki．1001－4179．2020．S2．073
1研究背景
中国海岸线长达3．2万km ，沿海及其岛屿地区包
括山东、
江苏、浙江、福建、广东、广西和海南等省沿海近10km 宽的地带，
年风功率密度在200W /m 2
以上，具有巨大的风能发展潜力［1］
。在海上风电市场逐步
开发的同时，
沿海地区每年遭受台风侵袭的次数及强度有逐年增加的趋势
［2－4］
，近20a 登陆中国的台风数量变化情况如图1所示。场址附近登陆的台风将严重
威胁海上风电场的安全及经济效益，
因此，准确地评估台风影响下已建成或待建海上风电场的风资源情况，
则已成为业界重点关注的议题。
目前，国内外学者对台风影响的研究主要包括利用气象站数据进行空间插值以评估不同场址位置的极端风速［5］
，
基于实测数据分析风速风向变化、湍流强度及风切变等指定位置处风资源参数
［6－7］
等。现阶段大型海上风电场均为定制化设计，
作为风机载荷计算的重要输入参数之一的空气密度，
没有得到深入研究，在极端风速转换时，行业内普遍使用代表年的平均空气密度进行计算；在各工况载荷计算时，
也均采用年平均空气密度［8］
。台风期间风场空气密度值的准确性
不仅会影响到机组载荷计算结果，同时也会影响到风
机发电量的评估分析。
图120a 间登陆中国的台风数量
本文基于目标位置周边的气象站数据样本，使用
典型的气象要素空间插值方法，
计算得到了目标风电场台风期间的大气压、
温度以及空气密度时历变化曲线；通过运用空间插值试验与实测结果进行了验证对比，
旨在得到一种适用的台风期间空气密度算法，以便为海上风电场设计阶段提供有益参考。
增刊（Ⅱ）洪畅，等：台风期间海上风电场空气密度研究2资料处理
2．1资料来源
气象站数据来源于美国NOAA（国家环境信息中
心）网站，内置每小时全球气象站数据以供下载，主要
要素包括：风速风向、阵风、温度、露点、气压、天气及能
见度等。
台风生命周期及路径数据来源于浙江省水利厅开
发的台风路径实时发布系统（http：//typhoon．zjwater．
gov．cn/default．aspx###）以及日本北本朝展国立情报
学研究所（NII）下的数字台风网站（http：//agora．ex．
nii．ac．jp/digital－typhoon/index．html．en）。
2．2样本选择
珠海桂山风电场位于珠江河口的伶仃洋水域，场
址处于珠海市万山区青洲、三角岛、大碌岛、细碌岛、大
头洲岛与赤滩岛之间的海域；场址中心坐标东经
113ʎ41'27．24ᵡ，北纬22ʎ10'47．60ᵡ。该地区受台风影
响，夏秋季的4 9月为热带风暴活动季节，尤以7 9
月最为活跃；每年受台风影响平均为3．1次，其中影响
较大的风力达8级以上，即达到热带风暴等级的每年
有1．6次。
以珠海桂山风电场位置为圆心，200km为半径，
选取12个处于相同度带（高斯3ʎ划分）的气象站作为
分析资料，气象站点与风场相对位置关系如图2所示
。
图2气象站点与风场相对位置
台风样本方面，选择15级台风201713“天鸽”、12级台风201714“帕卡”、18级台风201822“山竹”共3场近年来显著影响珠三角地区的不同强度和路径的台风，3场台风登录时最大风速分别为42，33m/s和45 m/s。其中，帕卡与山竹登陆轨迹相似，但台风强度差异明显，天鸽与山竹台风登录时强度相近，但是登陆点离目标风场距离不同。2．3数据整理
对2017 2018年的气象站数据进行质量控制与分析后，检测到的样本台风如图3所示。各气象站的数据质量满足分析要求，图3中的红框显示出台风期间的风速剧增和气压骤降过程
。
图32017年和2018年观测到的台风
3空气密度
3．1空气密度计算方法
空气密度是指在一定的温度和压力下，单位体积空气所具有的质量。气象站可观测得到温度、压力的时程变化，因此可以采用理想气体状态方程估算空气密度的时程变化，其具体公式如下：
ρ=
P
Ｒ
g
T
（1）式中：P为10min平均压力，Pa；Ｒg为空气的气体常数，287．06J/（kg·K）；T为10min平均温度，K。3．2气象要素插值
气象要素空间数据内插就是根据一组已知的离散数据或分区数据，按照某种数学关系推求出其他未知点或未知区域数据的数学过程。目前气象学中最常用的插值方法有：简单直观计算效率高的反距离权重插值法（Inverse Distance Weighted）、采用3次多项式对采样曲线进行分段修匀的样条函数法（Spline）、基于变异函数理论结构分析且支持加入高程影响的克里格法（Kriging）。
根据气象站点信息，12个气象站样本与目标点之间距离不超过200km，高程差不超过70m，无需考虑复杂地形对结果的影响，因此本文在进行相关气象要素插值时，使用反距离权重插值法（IDW）进行。反距离权重插值法认为与目标点距离最近的若干个采样点
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民长江2020年
对目标点结果的贡献最大，其贡献与距离与反比
［9］
，可用下式表示：
Z =
Σn
i =11
D ()i p Z i
Σn
i =1
1D ()i
p
（2）
式中：Z 是估计值；Z i 是第i （i =1，
2，3，…，n ）个样本；D i 是距离；p 是距离的幂，它显著影响内插的结果，它的选择标准是最小平均绝对误差，在本文中权重指数p 固定取值为2。
3．3计算结果分析
针对201713“天鸽”
、201714“帕卡”、201822“山竹”
3场台风中的12个气象站数据样本进行逐时刻插值计算，
得到珠海桂山风电场位置处的大气压、温度以及空气密度。插值得到的大气压以及温度结果时历曲线如图4所示，
计算得到的珠海桂山风场空气密度如图5所示
。
图4
大气压以及温度结果历时曲线
从计算结果可以看出：在台风接近目标风电场过程中，
温度先于气压开始下降，在台风距离最近时温度以及气压值达到最低点，
随后在台风远离过程中开始回升恢复到正常水平。台风“天鸽”
期间珠海桂山风电场大气压强变化范围为99．1 101．0kPa ，
温度变化范围为25．8ħ 36．4ħ，
空气密度变化范围为1．124 1．170kg /m 3。“帕卡”期间风电场大气压强变化范
围为99．7 101．2kPa ，
温度变化范围为24．6ħ 33．1ħ，空气密度变化范围为1．114 1．182kg /m 3
。
“山竹”期间大气压强变化范围为97．6 101．1kPa ，温度变化范围为24．1ħ 34．5ħ，空气密度变化范
围为1．135 1．174kg /m 3
。
图53场台风空气密度历时曲线
3．5与实测数据对比
分析珠海桂山海上风电场2018年“山竹”期间的SCADA 数据，将风机实测结果与计算值进行对比，场址温度及大气压强对比结果如图6所示。由图6可以看出：温度计算结果与实测数据（红散点）的历时曲
线吻合较好，
峰值与变化规律一致，大气压强计算结果与实测数据（绿散点）吻合程度一般，
但历时曲线变化规律一致且计算结果有效包络实测大气压强极小
值。
按空气密度计算公式进行了计算对比，如图7所示。从对比结果可以看出：本文使用的空气密度算法
结果与现场实测数据的变化规律基本相同，
空气密度的极小值吻合较好，因此该空气密度计算方法的准确度满足工程应用要求。
4讨论与分析
图8为珠海桂山风场在3场不同轨迹不同强度台
风下的空气密度变化规律，
3场台风的路径均在风场位置左侧
，“天鸽”、“帕卡”、“山竹”3场台风与风场的最近距离依次为23．6，
52．0km 和52．8km 。如图8所示：横2
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增刊（Ⅱ）洪畅，等：
台风期间海上风电场空气密度研究
图6
温度与大气压计算结果与实测对比
图7空气密度计算结果对比
轴零点代表风场与台风中心距离最近时刻，负值代表台
风接近过程，
正值代表台风离去过程，台风中心空气密度由相关气象资料与估测的温度值计算得到。不同情
况下的台风对场址空气密度的影响情况如表1所示
。
图8空气密度随距离变化曲线
表1
空气密度影响因素分析
台风编号登录时中心气压/hPa 最近
距离/km 台风中心空气密度极小值/（kg ·m －3）风场空气密度变化
幅值/（kg ·m －3）
201713
96023．61．09570．04620171497852．01．14400．015201822
95552．81．0956
0．039
台风中心空气密度与风场空气密度变化规律基本
一致，
呈现先降低再升高曲线，其中，“山竹”监测时间段内空气密度变化曲线没有峰谷变化是因为该台风在
登陆前强度已经开始明显减弱，
中心空气密度呈升高趋势。在不同台风强度下，
风场处空气密度极小值相比台风中心空气密度极小值之间的差值在0．015 0．040kg /m 3范围内，随不同距离与不同台风强度变
化。由图8可以看出
：“天鸽”期间的空气密度变化曲线显示，
台风生命周期中的气压最低时刻不一定处于距离风场最近位置，
因此两者的空气密度变化趋势大概率有不同步的现象。
表1列出了不同台风影响下各参数对空气密度的影响程度。分析结果表明：不同台风在登陆时中心气压
近似（如201713
“天鸽”和201822“山竹”）的情况下，台风中心距离风场越近，
风场位置的空气密度越小，但距离缩短引起的变化幅度较小，
因此距离对风场空气密度的影响较为微弱。对于登陆时与风场距离接近，
但台风强度或者登陆时中心气压不同（如201714“帕卡”
、201822“山竹”）的情况下，台风登陆时中心气压越低，风
场空气密度的变化幅值越大，
且影响较为显著。5结论
（1）本文提出了一种基于反距离权重插值法IDW
的台风期间风电场空气密度计算方法，并通过与风场实
测数据进行对比，
验证了该方法的准确性。结果显示：各气象要素插值结果有效地体现了台风期间气象变化
规律，
计算结果与实测数据规律与数值基本吻合，该空气密度计算方法的准确度满足工程应用要求。
（2）针对不同台风样本，通过上述风电场空气密
度计算方法，
分析了台风接近与离去过程中的气象要素变化规律，
在台风接近过程中，温度先于气压开始下降，
在台风距离最近时温度以及气压值达到最低点，随后在台风远离过程中开始回升恢复到正常水平。风场的空气密度变化受到台风过境衰减的影响可能不呈现明显峰谷变化。
（3）本文分析了不同台风参数对风场空气密度的影响，
分析结果表明：台风中心与风场间距离对空气密度的影响较为微弱，
台风强度或者登陆时中心气压对空气密度的影响则较为显著。
（下转第360页）
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站采用1台泵机浇筑蜗壳内侧及阴角部位的混凝土、1台泵机浇筑蜗壳外侧混凝土，浇筑方案可行。
（2）阴角部位采用自密实混凝土浇筑+注浆机注入砂浆的方式，保证了该部位混凝土浇筑的质量。
（3）采用先浇筑蜗壳外侧、后内侧、高低泵管搭配浇筑，保证了内侧浇筑的密实度，减小了自密实混凝土的用量。
（4）蜗壳自密实混凝土和常规混凝土冷却水管各自独成系统，通水采取个性化方式，完成初期通水、且闷温结果满足要求后，即可进行冷却水管回填。
（5）蜗壳施工过程抬动监测方法可行，蜗壳混凝土浇筑过程得到了有效控制。
（6）蜗壳底部采用拔管和出浆盒两套灌浆系统，确保了蜗壳底部灌浆质量。
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（编辑：赵秋云）
引用本文：余章兴．卡洛特水电站厂房蜗壳混凝土施工与质量控制研究［J］．人民长江，2020，51（增2）：
櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅
354－360．
（上接第293页）
上述结论可以为台风多发地区待建风电场的机组载荷安全性及发电量评估提供有益参考。
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（编辑：赵秋云）
引用本文：洪畅，胡超，邓超，等．台风期间海上风电场空气密度研究［J］．人民长江，2020，51（增2）：290－293，360．063
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