文摘

风垂直剖面的特点在科托努的海岸风对流昼夜循环进行了探讨研究。风数据离地面10米和无线电探空仪数据低60米的表面边界层被使用在此期间从2013年1月至2016年12月。基于Monin-Obukhov理论,对数和权力法律允许描述风速剖面。估计误差的均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE),分别评估为0.025;0.016 (RMSE;美)和0.018;0.015。科托努的现场气氛通常是不稳定的从上午9点到18:00 MST稳定了剩下的时间。风切变的年度平均值系数估计为0.20和地面摩擦表面粗糙度长度和速度,分别为0.007米、0.38米·s−1。风外推模型之间的比较研究和数据是为了在我们的研究网站上测试他们的可靠性。这样做的结果是,无论今年的时候,只有模型提出(最佳拟合方程)总是在良好的协议与数据与其他模型进行评估。最后,从模型适用于我们的网站、风对流的昼夜循环风的外推法得到的数据以从地面10米。平均风速在这个周期因此评估8.07 m·s−18月是风大的月,4.98 m·s−1至少有风的月(11月)60米的地面。考虑这些结果,我们可以认为该网站科托努沿海可能适合风力涡轮机的安装。

1。介绍

风资源可以在中心高度的风力涡轮机(超过10米)通常被安装大型塔或更昂贵的设备如激光雷达或声雷达进行测量。也使用其他方法,昂贵的计算,如再分析数据降尺度数值模型(1),统计技术如自回归和移动平均模型(2),或人工神经网络3,4]。这些计算方法从而提高风能项目的成本往往使他们在经济上不可行5]。

应对这个困难,还有其他简单的风速外推方法,基于[6和适用的只在表层7- - - - - -9]。这些权力和对数法给出了一个更好的风速和开发的一些作者等(6,10- - - - - -24]。然而,在其他网站上的测试他们的可靠性,作者的25- - - - - -27已经达到了不确定的结果。预测的平均风速在不同的高度,从而准确地预期风能产出,增加知识风切变加强可靠性模型出现在风能领域投资者面临的一个关键问题(5]。使用这些法律(权力和对数)需要的知识风切变地面的粗糙度长度等参数,风的摩擦系数,摩擦速度,这是特定于每个站点。没有快速、可靠、通用模型更好地估计风速在高海拔无关的网站。的一个更好的解决方案,因此将本研究的主题为每个网站建立一个特定的模型从数据的角度来看,正如前面提出的由Poje和Cividini [26]。

在我们的研究区域,风力发电机的风力数据中心高度不可用,除了无线电探空仪数据记录每天10:30 MST的空中导航安全机构在非洲和马达加斯加(ASECNA)。不幸的是这些数据不包括至少一天的昼夜循环。之前的工作评价的风力资源的作者(28- - - - - -30.]因此限制在10米的海拔数据测量每10分钟,平均每个01 h。解决这个问题缺乏风力数据有关的网站科托努海拔高于10米,无线电探空仪的数据已经被用来评估和验证风速外推的两种技术(电力和对数律法)。然后确定模型参数,模型之间的比较研究的文献和数据。网站最合适的模型被用来推断再生的垂直剖面风对流昼夜循环的数据以从地面10米。在这项研究中,我们没有兴趣在夜间的循环风由于缺少无线电探空仪的数据在这个周期。大气中部分为本研究选择(低60米的表面边界层)相当合理的对像我们这样的发展中国家,仍处于早期阶段的风能实验。

2。材料和方法

2.1。介绍研究区域和使用数据

无线电探空仪、风速和空气温度测量是气象台的空中导航安全机构在非洲和马达加斯加(ASECNA /国家贝宁气象机构)位于南部贝宁科托努机场。这个地区的纬度范围从6°10′N 6°40′N及其经度从1°40′E和2′45°E是有界的水晶准平原在贝宁北部、中部大西洋在南方,尼日利亚在东方、西方和多哥。它是沿海沉积盆地的一部分。它的气候是一个subequatorial-type气候和两个旱季和两个雨季31日]。由于它的位置在热带地区,贝宁有温暖和潮湿的气候。气温不断高,平均25°C的整个国家。8月3月记录的最高温度和最低的(32]。温度变化在该国北部高于沿海地区。一年一度的热变化的地区5到6°C在沿海地区(32]。图1概述研究的领域。


图1
贝宁的沿海地区的地理情况。非洲地图上的位置(30.]。

无线电探空仪数据记录和ASECNA气象站提供的位于6°21′N和1°40′E期间从2013年1月至2016年12月被用于这项研究。使用无线电探空数据的系列是由风速和温度在60米最低表面边界层(10到60米高出地面的步骤5)。无线电探空仪观察每天10:30 MST进行。风速数据使用相同的测量期间记录每10分钟,平均每1小时。这些数据从一个杯风速计测量放在桅杆在从地面10米。环境温度也以每1小时。在图2给出了测风数据的设备高度和表面。

(一)
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图2
材料测量风参数。(一)无线电探空仪数据站和地面检查。(b)发布的调查和气球。(c)杯风速计和风向标位于10米的桅杆。(d)实验网站在科托努海岸,贝宁。
2.2。方法
2.2.1。风速垂直外推的方法

根据研究[13,33,34),表面粗糙度和不同大气稳定性条件对风的垂直剖面有很大的影响,必须考虑在高空风的估计。风速外推的两个方法考虑到这两个参数和使用(17,18,24,35)首先是一个相似的模型函数的对数线性法其次幂律。这两个法律(对数线性法和幂律)因此评估为了选择最好的可以适当繁殖的垂直剖面风在我们的研究网站。他们是部分2.2.1.1和2.2.1.2中给出。

(1)对数线性法。对数线性法是一个函数的摩擦速度,粗糙长度,Obukhov长度。根据研究Monin和Obukhov [6),它被定义为以下表达式: 在哪里 是Obukhov长度, 粗糙度长度, m·s的摩擦速度−1, 是稳定校正函数, 卡门常数应该等于0.4 的高度。根据对保尔森的研究(36,37用校车接送学生报道[35),我们有以下方程一个不稳定的大气条件 : 在哪里

两种方法被利用来确定Obukhov长度特征表层稳定的状态。第一个是基于表达式从研究Monin和Obukhov6]: 在哪里 这也代表了热流密度指的是垂直风组件的协方差和环境空气的温度 , 是风的垂直分量在地面10米, 是重力, 卡门常数, 是平均温度。 计算从cauchy - schwarz不等式基于协方差的数学性质。所以我们有 在哪里 空气温度和的方差吗 垂直风分量的方差。

根据(38),垂直的标准差 可以从参数估计 描述风的水平标准偏差。最好的估计量是由 在哪里 是杯风速计的水平风速记录在地面10米。第二种方法是基于梯度的方法。据兰格的研究等。39],Kasbadji报道[13), 确定的理查森数( )。据估计使用风速梯度和空气温度,基于两个不同海拔之间。因此,根据的研究40]报告[19), 在哪里 和 是10米的高度。 从动荡的极限值是转变为层流。理查森数是由(20.]: 在哪里 是空气温度离地面10米, 两个层次之间的温度变化, 两个层次之间的风速的变化, 是干绝热温度递减率, 是根据海拔梯度的空气温度。后者的表达 是一个函数的参数更容易通过无线电探空仪测量。获得的结果由方程(4)在昼夜周期中被用来证实该方法通过无线电探空仪数据和描述每日循环。表1介绍了不同大气稳定类根据Obukhov长度。

表1
根据Obukhov长度(大气稳定类41]。

从Monin-Obukhov理论方程(1),粗糙长度决定根据不同类型的大气稳定知道风的垂直剖面。事实上通过改变变量,然后我们

方程的形式(1),那么就

调整对数回归,参数 和 测定。摩擦速度代表湍流气团的强度运动地面由于目前粗糙的表面

和粗糙长度 代表的气动影响表层是由地形要素

(2)幂律。对数线性法所需的信息并不总是可用的(35),这种方法并不总是容易使用通用工程研究(42]。这就是为什么在研究[10),作者更喜欢将风速随高度的增加表层的幂律。本法是提出的43和报告的14,44- - - - - -46] 在哪里 风速度10 m。本法只取决于一个参数 摩擦或赫尔曼指数,也称为风切变系数。它的价值取决于几个因素如大气稳定,地面地形和粗糙度等特征 (7,47),给的信息根据高度风强度的变化。考虑对数的性质,方程(14)成为

基于方程(15),系数 可以通过下面的方程:

的研究(36)和一个不稳定的气氛, 也可以计算吗 在哪里

这两个法律(对数线性和幂律)的函数参数 在幂律方程(14))和参数 , 包括线性日志法(方程(11))。评估他们的表现我们的学习网站,我们已经确定数据的月度和年度拟合方程基于这些法律。的参数α,A, B因此获得从这些调整。的参数 已经决定从方程(16), , 通过对数回归方程(11)。取代在先前的法律这些计算参数的值,我们获得这些特定的研究区域拟合方程。从统计检验提出了部分2.2。2,最好的调整方程已经被选中了。

2.2.2。模型验证测试

均方根误差( )措施的平均大小犯下的错误预测。它是最常用的指标之一。对于每个预测日期, 与风速的预测计算在整个研究期间使用下面的公式,像许多作者等(48,49]: 在哪里 代表观察, 不同的估计或预测, 风速观测的总数。其值越小,越接近为零,模型越好(48]。另一个测试使用,被认为是更可靠,因为最重要的预测误差是影响较小的平均绝对误差(MAE)用于研究[34,50]:

3所示。结果和讨论

获得的结果关于风的特征表面边界层的研究区域如下。

3.1。垂直剖面的风速和温度的空气

图3显示垂直的概要文件的日常风速和空气温度每月无线电探空仪的规模从原始测量数据。

(一)
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(b)
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图3
两个气象大小的垂直廓线。(a)每日风速的垂直廓线在每月规模和(b)每日每月的环境温度的垂直廓线规模(2013 - 2016)。

图的分析3(一个)表明这个概要文件几乎是混在8月和7月风大几个月。平均风速分别等于7.9 m·s−1和7.85 m·s−1离地面60米。考虑到至少几个月的11月和12月风的月,平均风速,分别估计在5.8 m·s−1和5.65 m·s−1在离地面60米。这个风速剖面的变化可以解释为热带锋的位置(ITF)研究区域。事实上,纬向北迁移ITF的低层大气,这标志着雨季的到来,突然发生在6月下旬,从一个几乎静止的位置在5°N在5月- 6月到另一个稳定的位置在10°N[7 - 8月51]。后者,在研究区,增加了当地的微风在大陆,更确切地说在研究网站。这样的结果是,风速增加在此期间。11 - 12月刊的期间,ITF开始向南移动。东北信风(没那么强烈的研究区)主导季风的存在。因此,有一个减少风力强度在此期间。

图3 (b)显示了每日的环境温度垂直剖面每月规模。2月,3月,4月是今年最热的一个月的气温分别估计为29.97°C, 29.88°C,和29.85°C在离地面10米和28.62°C, 28.69°C, 28.7°C在60米。八月是最炎热的月份估计温度为25.74°C在离地面10米和24.57°C在60米。图4表示风的垂直剖面上的误差数据。这些误差计算的4年,代表在每个高度测量的标准偏差从10到60米。


图4
风的垂直廓线与误差记录在一段4年。误差线代表测量的标准偏差的样本1440年数据为每个高度的水平。

在图4后我们注意分析,错误的风速测量从无线电探空仪数据变化从0.73到0.87 m·s−1。测量误差最低记录从地面10米,最高35米。这些获得的值表明这样的一小部分的风速测量误差最低60米表面边界层研究网站。图5显示风速的垂直廓线的拟合曲线为一个典型的天月规模从权力和对数律法。参数的值 和 每月调整展示在表后获得2。

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(左)
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图5
(l)调整每日的是风速的垂直廓线的月度规模从1月到12月(2013 - 2016)。
表2
调整参数的对数线性法和幂律模型在科托努网站。

调整系数( , , )获得,哪些是风切变的函数参数不同于其他和显示一个月的风的垂直廓线不存在相同的海拔变化函数。参数的值 表示在图6(一)。风的每月的拟合方程概要文件也在图中指定5。

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图6
风切变指数参数。(一)平均剪切系数。(b)平均粗糙度长度。(c)平均Obukhov长度。(d)平均摩擦速度(2013 - 2016)。

图的分析5表明,风速的垂直剖面调整的幂律和对应的对数法测量任何一年的时间。的RMSE值和梅系数和总结在表3很低,非常接近。这些低值因此让我们来验证这些不同的拟合方程基于幂律模型和对数法随着风速模型的外推法在科托努的网站。这两个法律因此可以用来模拟垂直风速剖面在我们的研究站点如前所述的研究(52,53]。我们还要注意一个重要地面附近的风速的变化,由于粗糙度的影响和遇到的障碍在地面上,减少的高度。

表3
均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)值不同的法律符合相应的60 m外推范围(2013 - 2016)。

图7显示了年度风通过应用垂直廓线的拟合曲线法和拟合方程。平均速度离地面10米使用的数据是5.03±0.73 m·s−1和6.71±0.86 m·s−1在60米。估计(RMSE;美)这两个法律和数据之间的误差,分别等于0.018;0.015和0.025;0.016对权力和对数法。这些较低的值表明,这两种法律也非常适合评估年度日常风垂直剖面的研究网站。


图7
调整每日是风速的垂直廓线的年度规模(2013 - 2016)。
3.2。模型参数

图6显示了月平均风切变参数的变化。这些是风切变系数、表面粗糙度长度,Obukhov长度,风摩擦速度。

在数据6(一),6 (b),6 (d),平均风切变系数、平均表面粗糙度长度,摩擦速度出现在相同的季节性变化。这些变化清楚地表明,这三个参数强烈相关。风切变系数之间的相关系数和摩擦速度,粗糙度和摩擦速度,风切变系数和粗糙度估计,分别为0.91,0.94和0.93。粗糙度是风切变和地面摩擦速度的递增函数在地表附近。个月的2月和9月期间,这三个参数的值最高,分别估计为0.258;0.10米;0.54 m·s−1和0.257;0.09米;0.62 m·s−1。今年7月,风切变的最低价值系数和平均表面粗糙度长度,分别评估为0.11;3.7×10−4m。摩擦速度的最小值是12月观察和估计为0.30 m·s−1。年平均表面粗糙度长度是7×10−3m。至于摩擦速度,一年一度的价值估计为0.38 m·s−1。低粗糙度的值观察可以解释为特征的变化的地面站点(草原)封面(图相比2)。风向也对这种可变性产生重大影响,尤其是相比,在现场遇到的各种障碍(建筑物、构筑物),这将是高的原因值观察2月和9月。指研究[54- - - - - -57]报告[58,59],赫尔曼的价值系数类似的网站与我们的范围在0.09和0.20之间为一个不稳定的气氛。这些值对应于我们的结果表明,剪切系数从0.11到0.26在相同大气稳定性条件。观察到的差异是由于一些建筑物的存在我们的研究离机场不远的地方。通过利用的研究60),粗糙长度的值表示为沿海地区估计5×10−3m。这个结果是接近我们在我们的研究发现网站的平均估计7×10−3m。发现有关摩擦速度非常接近了(61年,62年]在沿海站点和分别估计为平均0.55 m·s−1和0.43 m·s−1。

据图分析6 (c),因此,在整个测量期间,获得的值Obukhov长度属于大气稳定类基于来自表的值1。因此,大气不稳定的这一时期。这些结果的大量的这方面的研究如(21,63年)表明,大气的白天是不稳定的。至于[64年)而言,他们断言06:00时和18:00之间MST,大气中通常是不稳定的和几个温度反演在下午晚些时候。在早些时候,[65年)已经相信一个不稳定的分层发生在有很多表面变暖,导致日对流运动在地表附近。同时,该参数的季节性变化。最低的值记录在1月,2月,3月和9月的旱季期间研究区域(31日),分别等于2.52−−3.32米,−3.68 m,−4.31米。最高的值记录在4月,5月,6月,7月和10月,雨季时期(31日),分别等于1.17−−1.45米,−2.4米,−1.07 m,−1.5米。这些结果表明,白天时候地面温度高如旱季,气氛更加不稳定是由于强烈的对流的空气质量。这一发现是一致的断言21,63年- - - - - -65年]。然而,在8月,11月,12月,旱季期间,接近的值记录在雨季。他们估计−1.34米,−1.62 m,分别和−1.48 m。这可以解释为,今年八月是最暖和的月份由于特定的大气环流盛行与冷水位的上升在大西洋66年]。因此,也就更少的对流运动。另一方面,在几个月的11月和12月,值可以获得合理的进步到来的守卫者在研究区大气冷却。图8显示了平均每月根据多年来这些参数的变化。

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图8
风切变指数参数后。(一)剪切系数。(b)粗糙度长度。(c)摩擦速度。(d) Obukhov长度(2013 - 2016)。

在图8,我们注意到四个参数,即风切变系数、粗糙度长度、摩擦速度、长度Obukhov季节和年际变化。图8(一个)显示了风切变的变异系数。它变化从0.08到0.34(2013年7月和2015年5月2015年2月。在图8 (b)最低的粗糙长度的值被记录在7月和2013年4月以及2015年5月。最高的价值,等于0.33米,2015年2月获得。在图8 (c)地面的摩擦速度变化在0.15 m·s−1获得2013年4月,0.85 m·s−12015年2月。在图8 (d)的变异Obukhov长度显示。我们注意到,不管今年的时期是什么,大气不稳定期间的数据测量。−−7.52和7.17的值不同,分别在2013年6月2014年10月和2014年6月−0.45。

简而言之,原来是2月的月时期剪切系数、粗糙度长度,摩擦速度达到最高价值观。所有这些结果,这部分在图吻合6,确认风的大变化。因此,一个更好的评估风力资源的网站,研究风参数在几年因此至关重要。

3.3。风外推模型的比较研究

数据9和10显示比较一些风力外推模型在文献(和应用是没有以前的校准或拟合过程),与该模型(最佳拟合方程)和数据。应该注意的是,我们网站上获得的风切变参数被用于这些推断模型。基于获得的两个最佳拟合方程的两个法律几乎相同的性能在我们的网站,在比较研究中,我们使用最好的拟合方程基于幂律,因为它需要更少的调整参数。

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图9
每月对风速垂直外推模型进行比较(l) (2013 - 2016)。

图10
年度比较风速垂直外推模型(2013 - 2016)。

美值之间的经验数据和可用的模型计算表4。

表4
模型之间的平均绝对误差(MAE)和测量相应的60 m外推范围(2013 - 2016)。

分析结果表明,该模型(最佳拟合方程)给风的最佳调整垂直剖面。这个模型得到美值最低的表4。至于其他调整模型,一般而言,他们不对应措施。他们低估或高估的经验数据根据月考虑。通过考虑一年一度的风速剖面,所有可用的模型,利用本研究低估了数据如图10。然而,应该注意的是,在2月和11月的模型12,67年分别)给一个好的调整的数据。错误的估计美= 0.08和0.07。同样的模型13)获得在阿尔及利亚也给了一个好的近似的风速剖面5月和8月。这些个月梅值估计,分别等于0.05和0.03。

简而言之,这比较研究表明在给定网站开发的模型并不总是适应其他网站。同样的观察已经由(25- - - - - -27),这些经验公式的可靠性测试后,达到了不确定的结果。风的建立经验模型的外推法为每个网站因此适当为了减少估计错误,提出(26]。

3.4。风的垂直剖面昼夜循环

图11显示Obukhov长度在周日和夜间的变化周期。Obukhov长度是由方程(4)。


图11
周日和夜间活动的周期变化Obukhov长度为一个典型的天月时间尺度(2013 - 2016)。

指表1,这个图的图表的分析表明,从上午9点到18:00 MST,大气中通常是不稳定的。这个结果证实了一个与无线电探空仪数据获得10:30 MST与[63年- - - - - -65年]。其他时期的天,它是稳定的。基于这些观察,提出了平均风的垂直廓线在昼夜循环09:00 - 18:00 MST图12。需要较少的参数的幂律方程(14)和(17))的风切变和风数据记录在从地面10米,我们已经确定这个概要文件由外推。

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图12
每月平均风对流昼夜循环的垂直廓线的规模。(一)1月到3月,(b) 4月到6月,(c) 7月到9月,(d) 10月至12月(2013 - 2016)。

在图12的垂直剖面风对流昼夜循环通常确认大量的观测和分析由图3。在这个周期,风大的个月8月,7月和3月平均速度计算,分别为8.07 m·s−1,7.81 m·s−1和7.13 m·s−1在从地面60米。最低风速值被记录在11月,10月和12月,分别为4.98 m·s的值−1,5.14 m·s−1和5.25 m·s−1在60米。风切变系数评估在这个周期在0.20。因此这些风速值数据库的投资者在风能领域决策的第一步为了次区域发展可再生能源的来源。

4所示。结论

在这项研究中,无线电探空仪的数据从科托努机场网站被用来评估不同的技术来推断风速。因此法律权力和对数模型评估大气不稳定类。这些模型的参数估计研究的网站。这些模型与模型可用的参考书目。网站最合适的模型被用来推断的垂直剖面风对流昼夜循环的数据测量从地面10米。我们研究的主要结果总结如下:(我)的力量和对数法给最好的年平均风速的调整。错误估计RMSE和梅分别评估为0.018;0.015和0.025;0.016。(2)在现场,气氛通常是不稳定的从上午9点到18:00 MST稳定其他时期。年平均风切变系数对流昼夜循环期间估计为0.20,表面粗糙度长度在7×10−3m,摩擦速度是0.38 m·s−1。(3)风的外推模型之间的比较研究和全年数据显示,只有该模型(最佳拟合方程)总是同意数据。最低的RMSE和梅值获得了该模型与其他模型。中遇到这些经验公式给出的参考书目和成立于气象条件(有利于使用Monin-Obukhov理论)和特定的网站显示限制在另一个类似的网站。因此,我们建议每个站点的建立具体模型考虑。(iv)最后,在昼夜循环风的垂直剖面(上午9点至18:00 MST)确定外推的风速测量10米幂律的参数需要少于对数律法。平均风速估计为8.07 m·s−1风大的月(8月)和4.98 m·s−1至少有风的月(11月)从地面60米。

因此这些结果有助于投资者在风能领域为了利用适当这个次区域的能量来源。在未来,权力和对数法律调整的性能将会检查其他大气稳定条件,特别是稳定条件,通常发生在夜间活动的周期。

数据可用性

无线电探空/风在10米/环境温度数据用于支持本研究的发现是由空中导航安全机构在非洲和马达加斯加(ASECNA /贝宁代表)在许可证,所以不能免费提供。请求访问这些数据应该ASECNA /贝宁表示,英国石油公司96年和08年- 179年,科托努,电话:(229)21 92 01 61/48 21 30 14 13/02;传真:(229)21 30 08年39岁。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

这项研究是与所有作者合作完成。

确认

本文的作者衷心感谢空中导航安全机构在非洲和马达加斯加(ASECNA)有了无线电探空仪测深数据,数据被用来开展这项研究工作。