蒙古高原风速预测及其对风能资源和沙尘暴灾害影响研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 王梦 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 王卷乐 |
| 关键词 | 风速预测 风能资源评估 沙尘暴 蒙古高原 可持续发展目标 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 蒙古高原地处亚洲中北部，属典型的温带大陆性气候带，地势开阔，季节性和区域性风力强劲。在风能资源丰富地区发展风力发电，有助于本区域的气候资源开发利用，但同时，强劲的风力也是本区域沙尘暴频发的重要推动因素之一，造成了严重的生态环境问题。全面认识风力要素在蒙古高原区域可持续发展中的正面和负面双重作用，不仅能促进绿色可再生能源利用，而且能有效应对生态环境挑战，助力实现蒙古高原区域可持续发展。以往研究大多关注在其中一个方面，例如单一的风能资源研究或专门的沙尘暴研究，二者之间缺乏联系。然而二者在气象要素上是极为相关的，尤其是风速指标，它不仅影响到风电厂的潜力评估和短期开关机的优化配置，而且影响到沙尘暴的起沙临界条件及其传输过程。频繁的沙尘暴也将导致风机磨损、致使风电场发电效率下降。因此，如何科学认识蒙古高原的风力特点，尤其是风速特征，并针对蒙古高原的特殊地理和气候条件进行精确的风能资源评估和风与沙尘暴的影响关系分析，是当前的主要科学难题。为此，本研究提出蒙古高原风速预测及在其影响下的风能资源和沙尘暴灾害正负面影响分析。主要开展基于深度学习的蒙古高原地区风速时间序列预测方法建模研究，构建适合于大区域尺度的数据订正与降尺度技术提升蒙古高原风能资源评估的准确性，探悉蒙古高原沙尘暴传播过程中风与其他多源气象因素驱动作用，并结合以上正负面影响，综合分析面向联合国可持续发展目标SDG7（经济适用的清洁能源）和SDG13（气候行动）的建议路径。主要研究认识和发现如下： （1）提出一种改进的深度学习风速预测模型，该模型结合条件局部卷积结构（CLC）和循环神经网络（RNN），旨在更好地捕捉多维气象特征并提升预测精度。首先，通过整合温度、气压、露点等多维气象数据，改进原有的CLC结构，并与风速、风向进行协同计算，使其有效地捕捉局部点之间的多维气象特征，从而提高预测精度。其次，选取中国内蒙古北部作为实验区域，利用2019年至2021年逐三小时的气象站观测数据对模型进行训练与验证，并探索其在多个时间步长预测的衰减特点。验证结果表明，模型的局部卷积权重的空间分布与内蒙古已知的西北-东南风向模式高度一致。改进后的模型通过整合多维气象变量，在12小时内、24-72小时时间步长风速预测中均取得了最佳的预测精度，同时也获得了蒙古高原风力风速的规律性科学认识。基于改进的风速预测模型进行内蒙古东部典型风电场地区风速启停模拟验证，验证了模型对蒙古高原瞬变风场动态也具有较好的鲁棒性。 （2）基于ERA5历史数据与CMIP6未来气候情景数据，生成适用于蒙古高原复杂地形的高分辨率长时间序列（1950-2100年）风能资源数据集。首先利用1950至2023年ERA5历史月度数据计算有效风功率密度，揭示当前蒙古高原风能资源的空间分布特征；其次，结合XGBoost模型与Delta混合校正方法，以ERA5观测数据为基准，对2015至2100年CMIP6五种模式各情景下的未来预测数据进行数据校正与降尺度处理，生成蒙古高原区域高精度长时间序列风速数据集，分析风速变化趋势；最后计算未来预测阶段的有效风功率密度，构建覆盖1950至2100年的蒙古高原长时序、高分辨率有效风功率密度数据集。结果表明，在1950-2023年历史时期蒙古高原区域风能资源整体呈现上升趋势，区域东南部地区（内蒙古东北部地区）较为适合风能资源开发利用。2030至2100年未来时期，在高辐射强迫情景下，蒙古高原大部分地区的风速及风功率密度出现轻微下降，而在低辐射强迫情景下，风能资源维持相对稳定，蒙古高原东南部区域风能资源保持较高水平。这些变化趋势表明，风能资源的分布受到气候变化的显著影响，尤其在高辐射强迫下，部分风速较高区域可能面临风能资源减少的风险。 （3）分析风等多种气象因素在单次典型蒙古高原沙尘暴事件传播中的作用，结合MODIS和ERA5数据，揭示单次沙尘暴传播过程的气象驱动成因。在2023年3月和4月期间，多起发源于蒙古高原区域的沙尘暴事件席卷中国北方地区，其中在3月19日至24日席卷中国北方的这一次强沙尘暴事件中，蒙古高原区域的粉尘贡献率达到最高，约占63%。因此，本研究选取2023年3月19日至24日这一次蒙古高原粉尘贡献率最高的极端沙尘暴事件，使用Mann-Kendall 检验方法与后向轨迹聚类方法分析研究区6个气象因素（气温、露点温度、降水量、地面气压、风速、风向）的时空变化趋势。结果表明，露点温度下降和空气干燥是沙尘暴初期传播的重要条件，低压系统的出现加速了沙尘暴的扩散，强风是推动沙尘暴传播的核心动力。降水的增加在沙尘暴事件结束时起到了促进沙尘沉降的关键作用。使用改进的风速预测模型，验证模型在本次极端沙尘暴事件下的预测能力，结果证明改进CLCRN模型在极端天气下仍能维持较好的稳定预测能力。 （4）综合分析风力影响下的蒙古高原风能资源开发和沙尘暴灾害抑制对于本区域实现联合国2030可持续发展目标的影响。针对SDG7（经济适用的清洁能源）目标，定量分析在SDG7目标提出至现在期间（2015-2023）及中国政府提出的“双碳”目标达成时期（2030s和2060s）期间未来可能的风力变化对蒙古高原风能资源开发的影响。针对SDG13（气候行动）目标，结合蒙古高原沙尘暴高发区域图，分析2000-2021年沙尘暴高发区与风速大小时空分布的关联分析，并结合2030-2100年不同辐射强迫情景下的10m风速预测数据，进行未来沙尘暴高发区与风速大小时空分布展望。总体上，未来几十年，风速的变化将对蒙古高原地区的风能开发和沙尘暴发生产生重要影响。蒙古高原东南部地区虽然风速将逐渐降低，但仍具备较大的沙尘暴发生潜力，风能资源也将在未来继续支撑能源结构转型。相较之下，蒙古高原西部和北部地区的风速减小有助于减少沙尘暴的发生，促进生态环境恢复。结合以上分析，提出兼顾SDG7和SDG13的中蒙绿色能源开发和沙尘暴防治的跨境区域协同和分级管控可持续发展建议。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 138 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217334]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王梦. 蒙古高原风速预测及其对风能资源和沙尘暴灾害影响研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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