本发明属于海上风资源研究方法技术领域，具体涉及一种基于中性等效风速的海上风廓线模型。
背景技术：
我国海上风资源储量丰富稳定且靠近负荷中心，发展海上风电不占用土地。因此，海上风电成为近年来的发展热点，但是由于海上风资源气象属性较为复杂，且评估技术还处于初级研发阶段，可行性论证难度较大。因此，提高海上风资源评估的准确性是降低海上风电项目投资风险，提高核心竞争力的关键。海上大气边界层下垫面是变化复杂的海面，研究海洋表面状况参数化模型有助于深入认识海上大气边界层物理过程，从而提高海上风资源评估精度。
但是现有的针对海上风资源特性进行研究时，都采用单一参数描述，且部分研究直接用海面动力学粗糙度参数化模型拟合海上风廓线，忽略了模型中大气始终处于中性层结的假设，实际上，海洋表面状态时刻都在变化，且大气出现中性层结的时段很少，这种近似方式将带来风资源评估误差，导致整场发电量设计值与实际运行值的偏差，影响海上风资源评估的精度。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于中性等效风速的海上风廓线模型，以解决上述背景技术中提出的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于中性等效风速的海上风廓线模型，先通过莫宁-奥布霍夫相似理论得到近地面层风速的通量-廓线关系的积分形式：
假设uzn为满足中性条件的高度z处的风速，则有：
将上式与联立得到；
式中：ψm是风廓线稳定度修正函数，z0为海洋表面动力学粗糙度，u*为摩擦速度，k为冯卡门系数，取0.4，u(z)为测风高度z处任意时刻的实测风速；
然后将大气稳定度分类并将逐时刻的ψm代入上式，将逐时刻风速转化为中性状态下的等效风速，该等效风速对逐时刻的大气状态进行了中性等效转化；
假设u1n为高度z1对应的中性状态等效风速，z2,u2分别为需要外推的轮毂高度及风速，由于低层风速已经做了等效转化，即外推时用中性状态下的对数率，即为：
将其代入到
然后再将z0采用charnock模型，即得到：
即可完成基于中性等效风速的海上风廓线模型的建立。
进一步的，ψm是风廓线稳定度修正函数，具体与不同稳定度的关系为：
其中，
进一步的，charnock模型具体为：
其中，α＝0.0185。
一种基于中性等效风速的海上风廓线模型的使用方法，先输入两个高度层风速、温度、10米高度风速及轮毂高度，计算粗糙度，再计算莫奥长度，然后得到基于中性状态的等效风速u1n，即可得到外推轮毂高度风速，完成基于中性等效风速的海上风廓线模型的使用。
进一步的，基于雷诺应力关系，利用10m高度处平均风速u10及其对应的拖曳系数cd得到的摩擦速度计算式为：
拖曳系数cd与10m高度处平均风速u10的对应关系为：
进一步的，粗糙度与摩擦风速的关系为：
其中，α＝0.0185。
进一步的，莫奥长度l和梯度理查森数ri都是表征大气稳定度状态的稳定度参数，计算方法为：
式中，z1、z2为不同高度层，
δt为两个高度层的绝对温度差，
γd为干绝热减温率，
莫奥长度和梯度理查森数的关系如下：
上面为稳定状态，下面为不稳定状态。
进一步的，当-500≤l≤0时，ψm不稳定；
当-0<l≤500时，ψm稳定；
当500<l时，ψm中性。
进一步的，在实际应用中均方根误差rmse和平均绝对误差mae用来衡量预测值与真值之间的偏差，用这两个指标来评价模型的精确度，计算公式如下：
式中，v实测,i为第i次实测风速值，
v外推,i为第i次外推风速值，
n为测量总次数。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明提出的基于中性等效风速的海上风廓线模型，是基于风切变指数、大气稳定度、湍流强度的因素对海上风资源的影响得到，与传统外推方法相比，模型得到的轮毂高度年平均风速及风功率密度更接近实测值，风速均方根误差及平均绝对误差分别为0.43m/s和0.28m/s，且有效反映出海面动力学粗糙度及大气稳定度变化对海上风速垂直分布的影响，弥补了传统风切变公式的不足，为近海风资源评估及海上风电场的前期规划提供了依据。
附图说明
图1是本发明实施例中的模型流程图；
图2是本发明实验例中大气稳定度逐时刻的分类情况图；
图3是本发明实验例中不同季节大气稳定度的分类情况图；
图4是本发明实验例中不同高度层的风切变指数图；
图5是本发明实验例中不同稳定度下风廓线图；
图6是本发明实验例中不同稳定度下湍流强度图；
图7是本发明实验例中风速逐时刻均方根误差图；
图8是本发明实验例中风速逐时刻平均绝对误差图；
图9是本发明实验例中风功率密度逐时刻均方根误差图；
图10是本发明实验例中风功率密度逐时刻平均绝对误差图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，本发明提供一种技术方案：一种基于中性等效风速的海上风廓线模型，先通过莫宁-奥布霍夫相似理论得到近地面层风速的通量-廓线关系的积分形式：
假设uzn为满足中性条件的高度z处的风速，则有：
将上式与联立得到；
ψm是风廓线稳定度修正函数，具体与不同稳定度的关系为：
其中，
联立得到；
式中：z0为海洋表面动力学粗糙度，u*为摩擦速度，k为冯卡门系数，取0.4，u(z)为测风高度z处任意时刻的实测风速；
然后将大气稳定度分类并将逐时刻的ψm代入上式，将逐时刻风速转化为中性状态下的等效风速，该等效风速对逐时刻的大气状态进行了中性等效转化；
假设u1n为高度z1对应的中性状态等效风速，z2,u2分别为需要外推的轮毂高度及风速，由于低层风速已经做了等效转化，即外推时用中性状态下的对数率，即为：
将其代入到
然后再将z0采用charnock模型，charnock模型具体为：
其中，α＝0.0185
即得到：
即可完成基于中性等效风速的海上风廓线模型的建立。
实施例2，如图1所示，一种基于中性等效风速的海上风廓线模型的使用方法，先输入两个高度层风速、温度、10米高度风速及轮毂高度；
其中基于雷诺应力关系，利用10m高度处平均风速u10及其对应的拖曳系数cd得到的摩擦速度计算式为：
拖曳系数cd与10m高度处平均风速u10的对应关系为：
计算粗糙度，粗糙度与摩擦风速的关系为：
其中，α＝0.0185；
再计算莫奥长度，莫奥长度l和梯度理查森数ri都是表征大气稳定度状态的稳定度参数，计算方法为：
式中，z1、z2为不同高度层，
δt为两个高度层的绝对温度差，
γd为干绝热减温率，
莫奥长度和梯度理查森数的关系如下：
上面为稳定状态，下面为不稳定状态。
进一步的，当-500≤l≤0时，ψm不稳定；
当-0<l≤500时，ψm稳定；
当500<l时，ψm中性；
然后得到基于中性状态的等效风速u1n，即可得到外推轮毂高度风速，完成基于中性等效风速的海上风廓线模型的使用。
在实际应用中均方根误差rmse和平均绝对误差mae用来衡量预测值与真值之间的偏差，用这两个指标来评价模型的精确度，计算公式如下：
式中，v实测,i为第i次实测风速值，
v外推,i为第i次外推风速值，
n为测量总次数。
实验例1，以大连庄园某海上风电场测风塔数据为例，测风塔位于黄海北部大南岛附近海域；数据采集时间为2015年11月13日0时—2016年11月12日24时，采样周期为10min。数据包括每个通道内平均值、最大值、最小值和方差。原始数据完整率较高，达到95％以上，根据国家标准gb/t18710-2002及行业标准nb/t31147-2018，经数据插补后完整率为100％，表1为测风塔基本信息。
表1测风塔基本信息
(1)大气稳定度是造成风速垂直变化的主要热力因素，将大气状态进行分类。
表2大气稳定度分类标准
为了验证大气稳定度分类的准确性，保证外推计算的精度，统计了大气状态分类情况，具体如图2中大气稳定度逐时刻的分类情况和图3中不同季节大气稳定度的分类情况。
可以看出，无论是什么时间尺度，中性状态的比例都不高，在图2中，中午时刻不稳定占的比例高于其他时刻，夜里稳定时刻所占的比例更高，综合来看，全年大气处于不稳定状态比例更多。
一般情况下近地层中气温随高度的升高而降低，而气温随高度的升高而升高的现象称为逆温。当陆地较暖的空气平流至较冷的海面时，海面上就可能形成逆温层。逆温层的存在阻止气流的垂直运动，使大气处于稳定状态，且逆温层越厚，影响就越大。在图3中，春季稳定状态所占的比例明显高于其他季节，分析其成因，计算统计了出现逆温现象的时刻在各个季节的分布情况，由表3可以看出，春季出现逆温的比例明显要高于其他季节，因此春季稳定状态占的比例较高可能是逆温现象引起的，同时也说明大气稳定度分类基本准确。
表3不同季节出现逆温的比例
(2)风切变指数，空气运动因受湍流粘性和下垫面摩擦的影响，风速随高度的增加而增加的变化规律用风切变指数来表征，风切变指数是确定风电场风力发电机组选型及其安装高度的重要依据，其大小反映风速随高度增加的快慢。
计算了不同高度层的风切变指数，具体如图4中不同高度差的风切变指数所示，该风电场全场平均风切变指数仅为0.0532，明显低于陆上大部分风电场，不同高度差之间的风切变指数变化趋势基本一致，但是12月和1月部分高度出现了负切变，且由于大气状态较稳定，各高度之间风切变指数相差较大。
(3)湍流强度，湍流强度是10min内风速随机变化幅度的大小，反映的是风速的波动情况。产生湍流的原因主要有两个，一个是气流流动时，会受到海面粗糙度的摩擦或者阻滞作用，另一个是空气密度和大气温度差引起的气流垂直运动。这两个原因正好对应海面动力学粗糙度和大气稳定度影响，具体如图5中不同大气稳定度下的风廓线和图6中不同稳定度下的湍流强度所示。
该风电场90m年平均风速和年平均湍流强度分别为6.122m/s，0.108。由图5和图6可以看出，大气稳定度影响风速及湍流强度的垂直分布，综合来看，风速和湍流强度随高度的变化规律正好相反，且均受大气稳定度影响，在稳定情况下，由于各层之间气流的垂直交换少，导致湍流强度的变化不全符合高度越高，湍流强度越小的变化规律，中性情况下风速及湍流强度的垂直分布与全年平均水平最为接近，这是传统风资源评估假设大气状态均为中性的依据。
为了验证本文提出的基于中性等效风速的海上风廓线模型的实际应用效果，分别用两种方法外推轮毂高度的风速，并与实际轮毂高度风速比较，利用选定的评价指标评价不同方法的准确性，设轮毂高度为90m，并用70米风速外推。
方法一：目前风资源评估中常用外推方法，即用全场平均风切变指数外推轮毂高度风速；
方法二：用实施例1中的基于中性等效风速的海上风廓线模型外推轮毂高度风速。
表4为分别用两种方法得到的平均风速及用最小二乘法拟合的风速威布尔分布参数。
表4用不同方法外推得到的海上风资源参数
由表4中数据可以得到，方法一和方法二外推得到的年平均风速都比较接近实测值，方法二虽更接近，但是差别很小。
方法二的优势主要体现在风功率密度及风速分布参数的计算上，与年平均风速相比，方法二计算得到的平均风功率密度与实测值拟合度更高，而在海上风电场发电量计算中，风功率密度是更为重要的因子，因此方法二能较好地模拟海上风资源垂直分布。
而方法一结果不太理想的主要原因是全场平均风切变指数忽略了大气稳定度及海面动力学粗糙度等因素的影响。
图7至图10分别为风速和风功率密度均方根误差及平均绝对误差
如图7-图10所示，实施例1中的基于中性等效风速的海上风廓线模型在外推轮毂高度风速时精度比传统方法更高，风速及风功率密度的逐时刻均方根误差及平均绝对误差均低于方法一，且风速年平均均方根误差和平均绝对误差分别为0.43m/s，0.28m/s，预测值较传统方法更接近于实测值。
综合来看，基于中性等效风速的海上风廓线模型在实际外推过程中取得了较理想的计算效果，为更精确的海上风资源评估提供了参考依据。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
1.一种基于中性等效风速的海上风廓线模型，其特征在于，先通过莫宁-奥布霍夫相似理论得到近地面层风速的通量-廓线关系的积分形式：
假设uzn为满足中性条件的高度z处的风速，则有：
将上式与联立得到；
式中：ψm是风廓线稳定度修正函数，z0为海洋表面动力学粗糙度，u*为摩擦速度，k为冯卡门系数，取0.4，u(z)为测风高度z处任意时刻的实测风速；
然后将大气稳定度分类并将逐时刻的ψm代入上式，将逐时刻风速转化为中性状态下的等效风速，该等效风速对逐时刻的大气状态进行了中性等效转化；
假设u1n为高度z1对应的中性状态等效风速，z2,u2分别为需要外推的轮毂高度及风速，由于低层风速已经做了等效转化，即外推时用中性状态下的对数率，即为：
将其代入到
然后再将z0采用charnock模型，即得到：
即可完成基于中性等效风速的海上风廓线模型的建立。
2.根据权利要求1所述的一种基于中性等效风速的海上风廓线模型，其特征在于，ψm是风廓线稳定度修正函数，具体与不同稳定度的关系为：
其中，
3.根据权利要求1所述的一种基于中性等效风速的海上风廓线模型，其特征在于，charnock模型具体为：
其中，α＝0.0185。
4.根据权利要求1所述的一种基于中性等效风速的海上风廓线模型的使用方法，其特征在于，先输入两个高度层风速、温度、10米高度风速及轮毂高度，计算粗糙度，再计算莫奥长度，然后得到基于中性状态的等效风速u1n，即可得到外推轮毂高度风速，完成基于中性等效风速的海上风廓线模型的使用。
5.根据权利要求4所述的一种基于中性等效风速的海上风廓线模型的使用方法，其特征在于，基于雷诺应力关系，利用10m高度处平均风速u10及其对应的拖曳系数cd得到的摩擦速度计算式为：
拖曳系数cd与10m高度处平均风速u10的对应关系为：
6.根据权利要求4所述的一种基于中性等效风速的海上风廓线模型的使用方法，其特征在于，莫奥长度l和梯度理查森数ri都是表征大气稳定度状态的稳定度参数，计算方法为：
式中，z1、z2为不同高度层，
δt为两个高度层的绝对温度差，
γd为干绝热减温率，
莫奥长度和梯度理查森数的关系如下：
上面为稳定状态，下面为不稳定状态。
7.根据权利要求6所述的一种基于中性等效风速的海上风廓线模型的使用方法，其特征在于，当-500≤l≤0时，ψm不稳定；
当-0<l≤500时，ψm稳定；
当500<l时，ψm中性。
8.根据权利要求4所述的一种基于中性等效风速的海上风廓线模型的使用方法，其特征在于，在实际应用中均方根误差rmse和平均绝对误差mae用来衡量预测值与真值之间的偏差，用这两个指标来评价模型的精确度，计算公式如下：
式中，v实测,i为第i次实测风速值，
v外推,i为第i次外推风速值，
n为测量总次数。
技术总结