再分析、分析、卫星繁衍数据以及NWP模拟风与伊比利亚半岛海岸的浮标数据的比较外文翻译资料

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再分析、分析、卫星繁衍数据以及NWP模拟风与伊比利亚半岛海岸的浮标数据的比较

D. Carvalho a,⁎, A. Rocha a, M. Goacute;mez-Gesteira b, C. Silva Santos c

摘要：为了评估这些产品中的哪一个是现场海上测量风力资料的最佳替代方案，将从卫星测量中得到的离岸风数据（CCMP, QuikSCAT, NCDC混合海风和IFREMER混合风场），再分析资料（NCEP-CFSR, ERA-Interim, NASA-MERRA和 NCEP-RII），分析资料（NCEP-FNL和NCEP-GFS）和WRF模拟的海上风力与现场测量进行分析，并且将这些产品的风速和风向与沿着伊比利亚半岛大西洋沿岸停泊的五个浮标进行比较。

结果表明，WRF模拟的海上风力是现场测量的海上风电数据的最佳替代方案，他的时间精度最高（在给定时间内表示风速和风向的能力）并且海上风力通量的误差估计最低。但是，从CCMP获取的海上风力数据平均风速方面误差最低，并且与IFREMER-BWF的风时间精度仅次于WRF模拟。因此，一般来说，如果WRF高分辨率模拟海上风力不可以用的话，CCMP和IFREMER-BWF就可以被认为是WRF高分辨率模拟海上风力的最佳替代方案。除了专门用于海上风能资源评估，NCEP-CFSR再分析资料和NCEP-GFS分析数据也完全可以用于WRF建模数据的替代，它的风力通量估计比CCMP和IFREMER-BWF更精确。

尽管WRF高分辨率海上风能表现最佳，但这种建模任务需要相当大的计算资源和时间来获得预期结果。因此，不应忽视卫星繁衍风数据的价值。在寻找海洋区域的风信息的替代来源时，特别是对于具有实力的开放海洋地区，应该认真考虑这些遥感海上风测量。

关键词：交叉校准多平台海洋风（CCMP）； QuikSCAT； WRF； 风力模拟； NCEP-R2； ERA-Interim； NCEP-CFSR； NASA-MERRA； GFS； NCEP-FNL； 再分析； 分析； 海面风； 海上风能； 伊比利亚半岛； 葡萄牙； 西班牙

1:绪论

气候、大气和海洋建模应用需要准确的海洋表层风数据，实际上代表海洋强迫场和海气之间的相互作用。此外，关于海洋风的数据在海上风能的背景下是非常有价值的，预计这将构成未来整个风力发电能源的重要部分(Carvalho, Rocha, Goacute;mez-Gesteira, amp; Santos, 2012; Carvalho, Rocha, Santos, amp; Pereira, 2013) 。然而，众所周知，洋区严重缺乏测量风力资料，主要因为在这些场地安装风测量桅杆需要高成本以及技术方面的限制。即使在现场数据存在的情况下（在船上，船只，停泊浮标等上收集），他们在空间和时间上的可用性也有很大的变化，不能代表当地的风况(Risien amp; Chelton, 2006)。特别是对海上风能资源评估应用而言，精确的风力资料是关键因素，因为能量生产与风速立方成正比(Bruun, Koch, Horstmann, Hasager, amp; Nielsen, 2006) ，使得哪怕是很小的风速的不准确性 在预期的风力发电能源生产中也会产生巨大的差异。

因此，寻找和验证海域的原位测量风数据的可替代数据源变得至关重要。海上风电数据的这些可替代来源基本上包括卫星导出的测量数据，数值天气预报（NWP）模型和结合观测值和NWP模拟数据（主要是再分析和分析数据集）的产品模拟的数据。虽然卫星导出的风力数据在近全球范围内可以以时间连续的方式提供，但它们是间接测量（即它们来自其他测量并使用复杂的地球物理模型进行处理），并且经常遭受低空间或时间分辨率限制，以及大量丢失或者错误的数据差距（受雨水影响的数据记录，仪器故障等）。NWP模型，特别是区域流通模式（RCM，也称为中尺度模型），能够以高空间和时间分辨率以及相对较快的方式（取决于可用的计算资源 ，NWP模型配置，所需分辨率和空间/时间覆盖）为全球任何地区生成气象数据。近年来，NWP建模开发了很多致力于获取风信息用来研究气象和气候事件，推动海洋模型，以及对风能开发潜在场地的初步搜索和识别的应用。然而，与观测数据相比，NWP建模的风力资料通常显示出不可忽视的偏差，主要是由于它们无法准确地表述中小尺度气象过程(Carvalho, Rocha, Goacute;mez-Gesteira, 和 Silva Santos, 2014)。 再分析和分析产品将通过全球循环模型（GCM）模拟的数据与大量气象测量结合在一起，提供可持续和连贯的物理结构中可用的全球观测的完整和均匀的综合(Trenberth et al., 2010) 。但是，这些产品通常只能在在低空间分辨率（250至50公里）范围内可用，而不足以准确地表征当地风况并充分表现中小尺度气象特征。

本次研究的目的是评估和比较几种海上风力资料的替代来源与原位海洋表面风测量，其主要目标是确定哪些海上风力资料的替代来源最能描述选定浮标位置的当地风力状况，那样的替代方案才可以被认为是原位测量海上风力数据的最佳替代方案。为此，将一整年的卫星衍生的风力资料，NWP建模和再分析/分析产品与伊比利亚半岛大西洋海岸（加的斯湾，西加利西亚和北加利西亚海岸）离岸的五个浮标收集的现场海上风力测量进行比较。为研究区域运行海上风力模拟所选择的NWP是天气研究与预报（WRF）中尺度模型。本研究中使用的卫星衍生的近海风力资料的来源是：安装在QuikSCAT卫星平台上的NASA的SeaWinds散射仪（以下称为QuikSCAT）; 国家气候数据中心混合海洋风（NCDC-BSW）; 法国海洋混合风场开发研究所（IFREMER-BWF）; 和交叉校准的多平台海洋表面风矢量（CCMP）。本研究考察的再分析和分析是：国家环境预测再分析中心2（NCEP-R2）; 欧洲中期天气预报中心（ECMWF）临时再分析（ERA-Interim）; 国家环境预测中心气候预测系统再分析（NCEP-CFSR）; NASA的研究与应用现代回顾分析（NASA-MERRA）;国家环境预测全球预报中心（NCEP-GFS）和国家环境预测最终分析中心（NCEP-FNL）。所有这些海上风力资料来源的主要特点如表1所示，第2.1,2.2和2.3节提供了有关这些数据的附加信息。

（表1）

考虑到的海上风电数据集的主要特点

NCDC-BSW使用NCEP-R2风向数据，但不将再分析或分析风场与遥感数据进行混合

已发表的文献包括将NWP海上风力模拟与观测值进行比较的一些研究(例如: Berge, Byrkjedal, Ydersbond, amp; Kindler, 2009; Carvalho, Rocha, amp; Goacute;mez-Gesteira, 2012; Carvalho, Rocha, Goacute;mez-Gesteira, amp; Silva Santos, in press-a,b; Jimeacute;nez, Durante, Lange, Kreutzer, amp; Tambke, 2007; Ohsawa et al., 2007; Shimada amp; Ohsawa, 2011; Shimada, Ohsawa, amp; Yatsu, 2009) ，或将卫星衍生的海上风力与浮标测量值进行比较的一些研究(例如: Ebuchi, Graber, amp; Caruso, 2002; Moore, Pickart, amp; Renfrew, 2008; Pensieri, Bozzano, amp; Schiano, 2010; Pickett, Tang, Rosenfeld, amp; Wash, 2003; Saacute;nchez et al., 2007; Satheesan, Sarkar, Parekh, Ramesh Kumar, amp; Kuroda, 2007; Tang, Liu, amp; Stiles, 2004) 还有研究将卫星衍生、再分析和/或混合卫星衍生的近海风力与测量结果进行比较(例如: Kent, Fangohr, amp; Berry, 2013; Li et al., 2013; Ruti, Marullo, DOrtenzio, amp; Tremant, 2008) ，以及重点比较NWP和卫星衍生的近海风力与观测值的研究(例如: Accadia, Zecchetto, Lavagnini, amp; Speranza, 2007; Karagali et al., 2013; Wallcraft et al., 2009) 。从这些研究中，有证据表明，结合卫星数据和NWP数据的产品，特别是CCMP，与个别卫星记录相比，可以提供改进。然而，卫星导出的记录通常比再分析/分析更准确。此外，NWP衍生的数据，特别是通过中尺度NWP模型获得的数据，与卫星衍生的风相比似乎在风力变率方面表现更好，但是偏差却更大了。特别是对现在的研究区域，应强调下面的这些研究：Penabad et al. (2008) 将QuikSCAT的4年（2002-2005年）和两个NWP（MM5和ARPS）风力模型与在加西亚海岸附近收集测量的风力资料进行了比较，认为模型和卫星数据之间没有明显差异。Otero和Ruiz-Vilarreal（2008）通过与2002年秋季的西北和北部伊比利亚观测风相比，评估了不同气象模型的可靠性，显示了风力资源模型数据产品之间的显着差异。Carvalho，Rocha，Goacute;mez-Gesteira，Alvarez和Silva Santos（2013年）将3种不同的QuikSCAT产品（网格L3和带宽25和12.5公里的条带L2B）和CCMP与本研究中使用的相同浮标中收集的测量风进行比较，发现在同一时期内（2008），高分辨率QuikSCAT L2B产品对风速变化和风向指标展现了最好的结果，而CCMP显示风速和风向变化的最佳结果。Alvarez，Gomez-Gesteira，deCastro和Carvalho（2013年）将来自六个数据库（NCEP-R2，ERA-Interim，NASA-MERRA，NCEP-CFSR，QuikSCAT和CCMP）10年间的（2000-2009年）风力资料与停泊在比斯开湾的最南端的四个浮标收集的风的测量数据相比较，发现测风产品的空间分辨率越高，效果越好，特别是在近海地区。Sousa，Alvarez，Vaz，Gomez-Gesteira和Dias（2013）通过停泊在加利西亚海岸附近的三个浮标收集的原位测量报告对1年的QuikSCAT和WRF模式风进行了对比评估，发现QuikSCAT和WRF的风速在沿海并没有显示出明显差异。虽然已经有了上述这些研究，但是并没有将这些海上风力数据来源的联合比较研究，没有研究能够通过一个综合比较客观评价出这些产品中的哪一个是现场离岸风测量的最佳替代品，不仅仅是研究区域，也不是全球任何其他地区。这些发现对于没有现场海上测量数据可用的地区（或可用数据不足和/或不足以达到预期目的）而言可能是非常有价值的，因此，必须找到有效的替代方案。 本文所要研究的地区就是这样，伊比利亚半岛由于其有吸引力的风力条件，所以成为了世界各地人均安装在陆上风电的比例最高的地区之一。这一得天独厚的风力条件与其长长的海岸线相结合，使得该地区未来安装海上风电场发展潜力巨大。

2:数据和方法

2.1.卫星风数据

NASA搭载在1999年发射的QuikSCAT卫星上的散射计，由通过测量海洋表面反向散射检测风场的微波散射仪组成，纬度和经度的空间分辨率为0.25°，每天收集两次测量（相当于约6 AM为升序，6 PM为降档）。更多细节参考Hoffman and Leidner（2005）和NASA的喷气推进实验室物理海洋分布式活动存档中心（JPL-PO.DAAC）网站(http://podaac.jpl.nasa.gov/ OceanWind/QuikSCAT) 。QuikSCAT风力数据根据其处理等级有三种不同的产品(Dunbar et al., 2006)。Carvalho, Rocha, Goacute;mez-Gesteira, et al. (2013) 比较了所有QuikSCAT不同产品在本文研究区域内的数据（仅限JPL-PO.DACC提供的官方和原始QuikSCAT数据），发现L2B处理级高分辨率（12.5公里）QuikSCAT产品与测量数据相比精度更高。因此，目前工作选择L2B高分辨率QuikSCAT数据库。尽管使用QuikSCAT的效果很好，使其成为卫星测量海上风电数据中中最有名和最常用的来源之一，但在有雨存在的情况下就会显示出很大的局限性（有雨时会人为地增加海洋表面粗糙度从而导致测量的反向散射）引起海表风速的过高估计和风向偏差。另外众所周知，在低风（5 m·s -1以下）或强风（15 m·s-1以上）的情况下，QuikSCAT数据会受到影响。此外，对于距离海岸不到25-30公里的沿海地区，由于地面掩蔽效应，QuikSCAT无法准确地表示风场的空间和时间变异性。最后，QuikSCAT仪器在2009年11月损坏了，结束了为期十年的使命。NCDC混合海风数据库由海洋表面风矢量的6小时（0,6,12和18小时）网格化的全球数据集组成，纬度和经度的空间分辨率为0.25°。风速是通过混合来自多颗卫星的观察结果产生的：几个SSM / I任务（SSM / I F08，F10，F11，F13，F14，F15和F17），QuikSCAT,热带降雨测量卫星微波成

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