利用ERA5再分析数据评估毛里塔尼亚大西洋沿岸海上风能资源

《Wind》：Offshore Wind Resource Assessment Along the Mauritanian Atlantic Coast Using ERA5 Reanalysis

　　

本研究评估了毛里塔尼亚大西洋沿岸的海上风能资源，重点关注十个离岸区域和高达100米的轮毂高度。主要目标是表征风资源的空间变异性，并提供离岸能源潜力的初步评估。使用威布尔（Weibull）分布参数、风功率密度（wind power density, WPD）和基于涡轮机的能源产量估算，对来源于ERA5的风速数据进行了分析。为支持初步确定合适的海上风电场址，研究还考虑了水深条件、海洋空间约束、初步岩土工程方面和不确定性分析。结果显示，风速随高度系统性增加，且沿岸存在显著的南北梯度。1号区域（努瓦迪布）的年平均风功率密度为740.84 W/m²，6月观测到的月最大值为1237.27 W/m²，证实了北部离岸区域卓越的风况条件。水深分析表明，北部和中部区域通常更适合固定式基础，而较深的离岸区域可能需要漂浮式风电技术。尽管这些发现提供了对离岸风能潜力的可靠初步评估，但在确认所识别场址的适宜性之前，还需要进一步的地球物理和岩土工程调查，以及环境和技术经济评估。总体而言，这项工作为毛里塔尼亚大西洋沿岸有前景的离岸风区的初步识别和比较提供了第一个技术框架。

海上风电在全球能源转型中地位日益重要，非洲风电装机容量也持续增长，但西非地区的海上风资源评估仍存在显著空白。毛里塔尼亚拥有约700公里大西洋海岸线，陆上风速可达7 m/s以上，且已建成多个陆上风电场，然而海上风电开发尚未系统开展。现有研究多集中于风特征描述，缺乏对理论潜力与工程约束的区分，也缺少多区域一致性的比较。为此，研究人员利用2020–2024年逐小时ERA5再分析数据，对毛里塔尼亚大西洋沿岸十个离岸区域进行了初步海上风资源评估，结合多种统计分布拟合、风功率密度计算、涡轮机能量模拟，并辅以水深、空间约束、岩土工程和不确定性分析，构建了第一个用于初步筛选和比较离岸风区的技术框架。研究结论发表在《Wind》。

该研究采用的主要技术方法包括：基于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5再分析数据，空间分辨率0.25°×0.25°，通过幂律外推和风切变指数（α=0.1）将风速换算至10–100 m高度；采用最大似然法拟合Weibull分布，并与Gamma和对数正态分布对比；利用Weibull参数计算风功率密度、理论年发电量（AEP）和容量因子；选取Siemens Gamesa SG 8.0-167、Vestas V164-10.0 MW和GE Haliade 150-6 MW三款商用海上风机进行产能模拟；结合GEBCO水深数据、Natural Earth行政边界、海洋保护区及专属经济区（EEZ）数据，在QGIS中完成缓冲区和空间约束分析。

3.1 各区域综合对比分析：通过合并十个区域的气候、统计和能量指标，发现风资源呈显著南北梯度。Zone 1平均风速最高（9.71 m/s），风功率密度达740 W/m²，理论AEP为95,384 MWh/年；Zone 10平均风速降至7.72 m/s，AEP仅33,784 MWh/年。即使在10%和20%损失情景下，区域排序保持不变。

3.2 季节变化与风稳定性：季节数据分析显示，Zone 1–3的Weibull形状参数k≥3.3，变异系数（CV）较低（0.335–0.389），风况更稳定；南部区域CV升高，稳定性下降。

3.3 不同类型风分布的比较：通过RMSE、MAE和R2指标评估，Weibull分布拟合最佳，R2多在0.88–0.99，Gamma分布居中，对数正态分布最差，因此Weibull被选为参考模型。

3.4 频率直方图：对十个区域四季直方图检验表明，Weibull模型在冬季和春季精确捕捉峰值和尾部，夏季对数正态对高风速段拟合略好，但整体Weibull仍最可靠。

3.5 风玫瑰图：四季风玫瑰显示主导风向为北–东北（N–NE），季节变化主要影响风速强度而非方向，冬季和春季风速多为8–14 m/s，夏季略降至6–12 m/s，风向全年稳定，反映东北信风影响。

3.6 风功率密度的月度和季节分析：月度WPD显示Zone 1–3在6月达最高值（如Zone 1为1237.27 W/m²），北部全年高值，南部峰值较低且月际波动更大。

3.7 涡轮机能量性能：三种涡轮机模拟结果与资源评估一致，Zone 1的SG 8.0-167年发电量达74.75 GWh，容量因子52.8%；Zone 10仅为27.68 GWh和35.3%。与摩洛哥和尼日利亚相关研究比较，毛里塔尼亚北部风资源相近或略优，但方法差异需注意。

讨论部分综合了水深、空间约束和电网整合等因素。水深分析表明，离岸10 km内水深多小于50 m，适合固定式基础；20–50 km外水深逐渐超过100 m，可能需要浮式风机。海洋空间约束主要包括Banc d’Arguin国家公园、航道、渔场和港口设施，应在早期规划中纳入。岩土工程方面因缺少现场勘探数据，仅基于区域地质资料做了初步推断，需进一步调查。电网整合方面，建议优先开发靠近Nouadhibou、Boulenouar和Nouakchott的区域，并采取分阶段接入策略，必要时引入储能和动态无功补偿。结论部分指出，北部离岸区域是毛里塔尼亚海上风电开发的最优选址，南部区域尽管潜力较低但在技术上仍可行；未来需补充地球物理、岩土、技术经济和环境评估，以支撑具体项目设计和实施。