《Wind》：Development of a Wind Speed Forecasting Model Using Observed Data and Machine Learning Approaches
Paula Rose de Araújo Santos,
Louise Pereira da Silva,
Susane Eterna Leite Medeiros and
Raphael Abrah?o
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森林通过改变湍流强度和垂直风切变，在影响气流方面起着至关重要的作用。由于风力涡轮机对这些条件敏感，准确刻画森林环境中的气流对于确保结构可靠性和真实的能量产量评估至关重要。在拉脱维亚，约51.3%的领土被森林覆盖，风力涡轮机在此类区域部署的可能性相当大。然而，森
森林通过改变湍流强度和垂直风切变，在影响气流方面起着至关重要的作用。由于风力涡轮机对这些条件敏感，准确刻画森林环境中的气流对于确保结构可靠性和真实的能量产量评估至关重要。在拉脱维亚，约51.3%的领土被森林覆盖，风力涡轮机在此类区域部署的可能性相当大。然而，森林内部及上方的风行为复杂且受冠层效应强烈影响，这进而影响尾流动力学、结构疲劳和电力生产。因此，推进该领域的研究对于提高风资源评估的准确性和支持基于证据的工程解决方案至关重要，从而促进风能的可持续发展。研究人员使用NORA3再分析数据评估了风况。采用Jensen尾流模型模拟尾流效应，以估算年能量产量（AEP），进而用于计算不同轮毂高度下的平准化能源成本（LCOE）。结果显示明显的季节性变化，并表明增加轮毂高度由于更高的风速和更低的湍流，导致更高的AEP和更低的LCOE。对于0–25米的森林高度，AEP损失从7.8%（轮毂高度=199米）增加到22.9%（轮毂高度=114米）。较高的轮毂高度对冠层引起的变异性也不那么敏感，从而减少了森林相关湍流对能量生产的影响。
**论文解读：森林冠层对风电场能量产量与经济性的综合影响——以拉脱维亚为例**
**研究背景与问题**
风能发展是全球脱碳战略的关键组成部分，然而在森林覆盖区域（如拉脱维亚，约51.3%领土被森林覆盖），风能项目的部署面临特殊挑战。森林冠层显著改变大气边界层结构，导致湍流强度增强、垂直风切变加剧，进而影响风力涡轮机的气动载荷、尾流恢复及能量产量。现有研究多聚焦于单一因素（如尾流模型或地表粗糙度），但缺乏对冠层高度、冠层类型、森林清除面积及轮毂高度敏感性进行综合技术经济评估的整合分析。此外，拉脱维亚森林地区的风资源评估与项目经济性（如平准化能源成本，LCOE）之间的关联尚不明确，这限制了风电场选址与设计的优化。因此，本研究旨在量化森林相关参数和季节性风况对年能量产量（AEP）和LCOE的影响，为森林主导地形下的风能可持续开发提供基于证据的工程解决方案。论文发表在《Wind》。
**关键技术与方法**
研究人员采用以下关键技术：
1. **NORA3再分析数据**：由挪威气象研究所开发的高分辨率（3 km）区域大气再分析数据集，用于获取1999年1月至2025年7月期间的风速、风向等历史气象数据。
2. **WindPRO软件（版本4.1.292）**：用于模拟气流和尾流效应，集成Jensen尾流模型（Jensen wake model）计算尾流扩张及速度亏损，并评估年能量产量（AEP）。
3. **LCOE经济模型**：基于固定充电率（FRC）、资本支出（CapEx）、运营支出（OpEx）和净AEP，计算平准化能源成本，以评估不同轮毂高度和项目寿命下的经济性能。
4. **地表粗糙度参数化**：采用六类粗糙度系统（0–5级），并基于Lettau公式（z? = 0.5·h·S/AH）对森林冠层高度和密度进行参数化。
样本队列来源：拉脱维亚东北部森林区域（坐标57.632220° N, 25.8520° E），参考涡轮机为Vestas V172-7.2 MW，轮毂高度范围为114–199米。
**研究结果**
**3.1 季节性风况对能量产量的影响**
基于NORA3数据（1999–2025年）的月度分析显示，冬季（如1月、2月、12月）平均风速约9.0–9.3 m/s，能量产量达2900–3100 MWh；夏季（如6月）平均风速仅5.8 m/s，能量产量降至1200 MWh。冬季发电量约为夏季的两倍，表明风资源存在显著季节性差异，与北欧及波罗的海区域冬季大气环流增强有关。
**3.2 冠层高度对年能量产量的影响**
以25米基线树高为基准（系数1.0），当冠层高度从0米变化至35米（系数0.0–1.4）时，AEP变化幅度随轮毂高度增加而减小。轮毂高度114米时，AEP变化范围为+22.9%至?8.6%；轮毂高度199米时，范围缩小至+7.8%至?3.6%。低轮毂高度（114米）下，部分转子叶片处于粗糙度子层（高度约冠层顶部两倍范围内），导致湍流增强；高轮毂高度（164–175米及以上）则显著降低冠层敏感性。
**3.3 森林冠层类型对年能量产量的影响**
以密集针叶林在114米轮毂高度下的AEP为基准（相对AEP=1），稀疏冠层森林在所有轮毂高度下均产生最高AEP，混合林次之，密集针叶林最低。随轮毂高度从114米增至199米，各冠层类型的AEP系统性增加，且差异在199米时最为显著：混合林比密集针叶林高约10–15%，稀疏冠层林高15–20%。这一差异源于不同冠层结构导致的气动粗糙度变化——密集针叶林因高密度和针状叶增加动量吸收，削弱风速。
**3.4 森林清除面积对年能量产量的影响**
模拟从0.25公顷到完全清除森林的矩形清除区，结果显示清除面积增大（即减少地表粗糙度）使AEP稳定增加，且低轮毂高度（114米）的增量更显著。例如，清除10公顷时，114米轮毂高度的AEP提升约6%，而199米轮毂高度仅提升约2%。这表明高轮毂高度对森林清除的敏感性较低，能量输出更一致。
**3.5 基于平准化能源成本（LCOE）的经济效率评估**
针对25台Vestas V172-7.2 MW涡轮机的风电场（拉脱维亚北部森林，平均树高25米），采用5%贴现率进行LCOE计算。结果显示：轮毂高度增加和项目寿命延长均降低LCOE。例如，25年寿命时，199米轮毂高度的LCOE比114米低约15–20%；寿命从10年延长至35年，LCOE从约80–85 EUR/MWh降至40–45 EUR/MWh。敏感性分析表明，项目寿命和CapEx对LCOE影响最大，利率和容量因子影响中等，OpEx影响可忽略。
**讨论与结论**
研究人员总结指出，森林地形对风电场发电量和LCOE的影响需综合考虑冠层高度、密度、清除面积等参数。主要结论包括：
- 高轮毂高度（≥164米）可显著降低冠层引起的AEP变异，并减少森林清除需求，从而提高能量稳定性和经济性。
- 稀疏冠层森林比密集针叶林或混合林更有利于风能开发，AEP增益可达15–20%。
- LCOE随轮毂高度和项目寿命增加而降低，例如25年寿命下，199米轮毂高度比114米降低约15–20%。
- 研究局限性包括：未考虑长期树木生长与砍伐循环、森林清除成本未纳入CapEx、NORA3数据需与实地测量验证。未来研究应整合森林动态和清除成本，并通过本地观测数据增强结果稳健性。
