蘇小嵐，辛 渝，張宏杰，余行杰，趙逸舟，李元鵬

(1.新疆維吾爾自治區(qū)氣象服務中心，烏魯木齊 830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002；3.中國電力科學研究院，北京 100055；4.新疆氣候中心，烏魯木齊 830002；5.新疆維吾爾自治區(qū)氣象局，烏魯木齊 830002)

引 言

發(fā)展可再生能源是應對氣候變化,優(yōu)化能源結構,解決能源和環(huán)境問題的關鍵。風能是一種可再生的清潔能源[1]，風力發(fā)電作為無污染可再生能源，已逐漸成為許多國家能源戰(zhàn)略可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分[2]。為了科學開發(fā)利用好風能資源，需要對當?shù)仫L的特性及其對風電設備的影響開展分析研究。比如對風區(qū)中諸如風力機組選型設計、風機葉片的非定常載荷設計[3-8]等諸多規(guī)范中涉及的近地邊界層內風的湍流特征，以及與風電機組轉換效率設計和抗疲勞設計有關的風攻角等分布特征[6-9]及其對風電工程的影響等需要開展科學分析研究。我國對類似大型圍欄、橋梁、風機等抗風設計中，湍流強度、陣風因子(Gu，下同)的估算，按平坦均勻下墊面4類動力學粗糙度(z0，下同)條件估算出離地10-200 m各高度層順風向平均湍流強度(Iu，下同)、離地面5-300 m各高度層的Gu[10]。其中z0的區(qū)分，又主要按地物高矮稀密程度定性給出[10]。實際案例表明，z0自由度大，由z0推算得出的Gu或湍流強度非常粗糙[11]。另外，目前對非定常、非均勻的復雜下墊面在劇烈天氣過程中對邊界層氣象要素影響的研究尚不成熟，相關的風觀測研究及歷史資料的積累極少。部分沿海區(qū)域及內陸對大風天氣下的湍流研究，基本也僅基于單部測風塔上某高度上的三維超聲風資料，垂直方向上含多層渦動相關的湍流觀測理論的研究很少。其中，內陸復雜地形條件下或內陸強風風區(qū)湍流及其影響的觀測更加薄弱[12-14]，許多僅是基于風廓線雷達探測資料闡明強風天氣發(fā)生發(fā)展的機理研究，無法滿足面向風工程抗風設計中風參數(shù)的設計要求[15-20]，因此有時需要借助CFD理想模型進行設計[9]。其次，除風攻角的計算方法在國際上統(tǒng)一外，各國針對不同應用領域，對同一風特性參數(shù)的計算也各異。這既反映了不同學科計算的風參數(shù)表征的側重點不同[4-6]，也體現(xiàn)了實際風場中由于受z0、地形變化及熱效應影響，湍流強度的時空分布缺乏規(guī)律性。由于風參數(shù)計算方法的多樣性，也決定了實踐中設計選擇的復雜性?？梢姡鎸χ卮蠼ㄔO工程規(guī)劃，在參考各種規(guī)范或指南的基礎上，結合現(xiàn)場案例觀測研究和驗證，延拓和補充過去因我國觀測儀器限制而無法得到的風參數(shù)[12,21]勢在必行。

新疆風能資源豐富[22]，在風能資源開發(fā)利用中，開展過風能資源數(shù)值模擬和預報方法研究、標量法下的湍流強度、風切變指數(shù)分析[23-25]，分析過新疆大風區(qū)氣候變化趨勢[26]和中性層結下大風區(qū)z0[27]；根據(jù)風區(qū)參證站資料均一性檢驗與訂正[28]，參證站與測風塔同步測風數(shù)據(jù)相關分析，以及不同時距間日最大風速半經(jīng)驗公式換算的確定等，重新推算了新疆各風電場區(qū)域基準風壓[29]等。新疆達板城河谷呈“U”型，內部地形地貌復雜[23-25]。寬為15～30 km不等，長約80 km，自西向東傾斜，漸次降低。河谷北側博格達最高峰高達5445 m，地勢較陡，為荒漠草原與草甸草原。南側為天山支脈依連哈比爾尕山尾閭部分，距離河谷最近的最高山峰高約2600 m，山腳多為沙地。河谷內多灌木和半灌木荒漠、草甸和戈壁。內有鹽湖、柴窩堡湖及四周的沼澤鹽堿地，以及零星的人工綠洲等鑲嵌其中(圖1)。以全國第四次風能資源詳查時沿谷底中心布設的測風塔為軸線，水平1 km分辨率的坡度角為1.5°～2.0°，柴窩堡氣象站的坡度則達4.2°[23-24]。這種復雜地形和非均勻地表在夏半年最易驅動出強烈而特殊的局地風場，對風電場的安全運營及鐵路、公路行車安全等將構成巨大威脅，對風電機組設計的經(jīng)濟化投入也帶來不確定性。由于風力機和輸電線路等在復雜山地又必須重視上升氣流的影響[7,9]，因此有必要先從大氣邊界層角度，摸清該地與風工程緊密相關的參數(shù)的基本特征，勘驗與我國推薦的行業(yè)設計規(guī)范中的特異性及其適用性，為今后結合不同行業(yè)應用需求，提高該地風工程設計中的研究應用水平奠定基礎。限于觀測資料，本研究將基于31003號[23-26]測風塔70 m高度上三維超聲風資料，初步給出陣風因子、風攻角、不同等級湍流強度的氣候特征。

1 資料來源及說明

1.1 觀測環(huán)境、觀測設置和儀器性能

31003(即D03)號測風塔位置見圖1。與該風區(qū)另外兩座測風塔所處環(huán)境相比，該測風塔所在環(huán)境最寬闊，但是離水體最近。31003號測風塔在10、30、50、70、100 m高度上可觀測EL15型機械風杯測量的風向、風速。10和70 m高度上觀測溫度、濕度。70 m高度上塔架的東側挑臂安裝英國Gill公司生產(chǎn)的WindMaster Pro型三維超聲風向風速傳感器(儀器性能見表1)，承受雨強300 mm·h-1，豎向風速探頭安裝在挑臂上端1.2 m處。同高西側裝機械風速風向傳感器。2個挑臂長度均為3 m。8.5 m高度上安裝三維超聲風向風速儀數(shù)據(jù)采集設備、電池、氣壓傳感器等。

表1 WindMaster Pro型三維超聲風向風速傳感器關鍵特性

超聲風數(shù)據(jù)采集器以UVW極坐標方式輸出10 Hz頻率的三維瞬時風速和聲速聲溫。采集處理器上有質控判識碼，每日自動生成一個數(shù)據(jù)文件。采用太陽能供電。通訊系統(tǒng)采用RS232、422、485等組網(wǎng)傳輸。

1.2 數(shù)據(jù)質控方法

所用資料時段為2011年全年。按常規(guī)結構風荷載設計應用需要，資料分析樣本長度均以連續(xù)10 min時距為一個樣本單元。先根據(jù)表1測量閾值和數(shù)據(jù)標識碼進行“粗檢驗”，剔除無效值，剔除降水期間與后期兩小時觀測值，然后以Eddypro為輔助軟件，進行“野點”判斷標識，線性去趨和坐標旋轉[30-31]；對于原始樣本單元資料有效率達98.0%以上的序列，利用超聲聲溫進行插補訂正，否則不用。冬季受頻率高的降雪和低溫影響，資料利用率極低。

對于EL15型機械式梯度風數(shù)據(jù)中的“野點”數(shù)據(jù)判識方法，參見風電場風能資源測量方法(GB/T 18709-2002)[32]。

1.3 風參數(shù)計算方法

三維超聲風資料坐標旋轉、平均量、各方向脈動方差Ii(i=u,v,w)、風攻角α、陣風因子Gu等的計算參見文獻[30,33-35]。EL15型平均風計算方法見GB/T 18709-2002[32]。

陣風因子Gu采用10 min樣本單位內3 s平均風速的最大值與同期水平平均風速之比獲得[10]。風攻角是指風的來向與水平面的夾角，計算式見文獻[13]。具有攻角的風，長期作用會加速結構物的疲勞損傷和破壞，主要體現(xiàn)在強風時受不均勻地形影響。

2 結果分析

2.1 平均風速特征

2.1.1 不同等級平均風速的概率密度(PDF)分布

圖2是基于超聲風資料10 min時距平均風速(a)和日最大平均風速(b)的概率密度分布統(tǒng)計。由圖2可見，70 m高度上10 min平均風速出現(xiàn)的概率呈雙峰型，10.0～15.0 m·s-1的平均風速出現(xiàn)概率最高，約占40.0%，2.0～3.0 m·s-1的平均風速約占13.0%，15.0 m·s-1以上的平均風速約占20.0%。風機切出頻率約達33.0%。日最大風速的概率分布近似呈單峰型，以10.0～22.0 m·s-1的最多，約占84.5%，其中，10 min平均風速≥17.0 m·s-1的大風日數(shù)高達44.0%。日常這類高頻大風對超長、高聳建筑的耐久性及人類生活的舒適性均構成不利影響，同時對列車等交通運營安全也有較大影響。針對風機運營而言，此處風機切出風速頻率也是較高的。

圖2 2011年達坂城31003號測風塔70 m高度10 min時距平均風速(a)與日最大平均風速(b)的概率密度

2.1.2 不同等級平均風速的風向分布特征

圖3(a)為超聲風觀測的≥1.5 m·s-1的10 min平均風速在不同方向上的分布。同時結合不同等級風速范圍對應的風向概率分布玫瑰圖(圖略)可見：任何級別風速的風向都以西北偏西風或西北風最多，東南風次之，風向轉換穩(wěn)定。大風風向與峽谷地形走向一致。盛行西北風的風速略大于次多風向下的東南風風速。25 m·s-1以上的風全是西北風。西風強風風力不亞于登陸臺風。

2.2 風攻角

本研究中風攻角正、負方向與三維超聲風垂直風的觀測方向一致,即超聲風坐標旋轉后的坐標中，垂直風速為負值時，為負攻角，否則為正攻角。對風機的動態(tài)失速和失速延遲模式設計而言，需要重點考慮正攻角對風機氣動升力系數(shù)的影響，風攻角>5°的風電場，機翼設計的升力系數(shù)須顯著提升[11]?？梢?，對于結構風工程的抗風設計而言，主要考慮大的正攻角影響。

圖3(b)為超聲風觀測的≥1.5 m·s-1的10 min平均風速與風攻角的分布?？梢?，風攻角離散度與10 min平均風速大小有關。風速越大，風攻角的散布范圍和風攻角的絕對值就越小。大的風攻角主要出現(xiàn)在相對低的風速段上。負攻角多于正攻角。特別是當風速超過25.0 m·s-1時，即西北風時，全為負攻角，在0～-3°變化。風速越大，風攻角絕對值的變率就越小，但非無限減小，而是趨于一定范圍內的“平穩(wěn)值”。

圖3 2011年達坂城31003號測風塔70 m高度≥1.5 m·s-1的10 min平均風速在不同風向上的分布(a)及攻角分布(b)

為進一步區(qū)分平均風速、風向與風攻角的關系，本研究也分析了10 min平均風速≥1.5 m·s-1、≥4.0 m·s-1、≥6.0 m·s-1、≥8.0 m·s-1、≥10.0 m·s-1、≥12.0 m·s-1、≥15.0 m·s-1、≥18.0 m·s-1、≥20.0 m·s-1、≥25.0 m·s-1等不同等級風速下風向角和風攻角的分布特征。限于篇幅，也由于結構風工程中更多關注大風情況下的正攻角影響，在此僅遴選出10 min平均風速≥6.0 m·s-1、≥8.0 m·s-1、≥10.0 m·s-1、≥12.0 m·s-1時的風攻角分布(圖4)。由圖4可見，隨著風速增加，風攻角大小隨風向的分布漸次逼近與河谷走向一致的東南風和西北風2個方向上。東南大風時，正攻角頻次達95.0%以上，西北大風時，負攻角頻次達95.0%以上。這種正負顯著差異主要是由2種截然不同的天氣系統(tǒng)造成的。當出現(xiàn)東南大風時，主要由南、北疆之間的氣壓差造成，平均氣流沿河谷向上游吹；而西北大風主要由自西向北入侵的冷空氣受“狹管效應”影響，使流線加密產(chǎn)生，且疊加了高空氣流沿傾斜度約1.5°～2.0°的河谷下沉造成[22-24,26]，使西北極端強風下對應高概率的負攻角。

圖4 2011年達坂城31003號測風塔70 m高度10 min平均風速≥6.0 m·s-1(a)、≥8.0 m·s-1(b)、≥10.0 m·s-1(c)、≥12.0 m·s-1(d)時風攻角隨風向的分布

4 m·s-1以內的低風速段，偶爾存在風攻角大于15°的罕見現(xiàn)象，約占0.1%(圖略)。對于風機機翼設計而言，結合圖4各等級風速下不同風向的風攻角分布也可見，平均風速為3.0～15.0 m·s-1的風機啟動風速內，風攻角大于5°的比例也較高，盛行風向與次多風向都存在這種大攻角。因此，對風機制造者而言，需要從技術上提高此處風機的氣動升力系數(shù)及風力轉換率，降低風機的老化速度。風攻角大于5°的概率，總計約占1.0%;平均風速≥6.0 m·s-1的風速段，風攻角大于3°的比例，高達5.7%?？傊_坂城平均風速≥6.0 m·s-1時伴隨的正攻角，對此處風力機的使用壽命影響最大。

2.3 風的湍流參數(shù)特征

2.3.1 陣風因子Gu

圖5為2011年達坂城31003號測風塔70 m高度陣風因子與>1.5 m·s-1的10 min平均風速的概率分布。由圖5可見，與風攻角和平均風速之間的關系類似，Gu的離散度隨著風速的增加而降低。平均風速越大，Gu變率就越小，也是直到減小到某一范圍內的“穩(wěn)定值”為止。結合不同等級風速下Gu分布概率密度圖(圖略)也可知，當平均風速≥4.0 m·s-1、≥6.0 m·s-1、或≥8.0 m·s-1時，Gu在1.0～1.4變化的概率最高；平均風速≥10.0 m·s-1、≥12.0 m·s-1、或≥15.0 m·s-1時，Gu在1.0～1.2變化的概率最高；平均風速≥18.0 m·s-1時，Gu在1.1～1.2變化的概率最高?？傮w而言，平均風速為10.0 m·s-1以上時，各等級風速Gu隨風速增加而變化的范圍多數(shù)為1.1～1.7；在平均風速≥20.0 m·s-1的“極端強風風速[25]”下，Gu變化范圍多數(shù)為1.0～1.4。圖6給出了10 min平均風速≥10.0 m·s-1、≥15.0 m·s-1、≥20.0 m·s-1、≥25.0 m·s-1等風速下不同風向的Gu分布特征。由圖6可見，風速越大，Gu的相對大值集中在盛行風與次多風向上的概率越高。沿盛行風向(西到西北扇區(qū))的Gu總比次風向(東到東南扇區(qū))偏大，特別是平均風速≥12.0 m·s-1(圖略)時，這種差異更加明顯。當平均風速≥25.0 m·s-1時，Gu大多為1.1～1.2，約占94.6%；1.3～1.4的Gu約占5.0%；最大達1.7，對應10 min平均風速高達26.6 m·s-1；平均風速達21.0 m·s-1以上、且陣風因子高于我國《建筑結構荷載規(guī)范》B類下墊面設計值(1.52)[36]的現(xiàn)象分別出現(xiàn)在2010年12月11日22時40分和2010年12月24日04時30分的強風樣本中。可見，該處陣風因子按B類設計可能偏于不安全。

圖5 2011年達坂城31003號測風塔70 m高度Gu與>1.5 m·s-1的10 min平均風速的概率分布

圖6 2011年達坂城31003號測風塔70 m高度10 min平均風速≥10.0 m·s-1(a)、≥15.0 m·s-1(b)、≥20.0 m·s-1(c)、≥25.0 m·s-1(d)時Gu隨風向的分布

2.3.2 湍流強度

圖7(a)(b)(c)分別為2011年達坂城31003號測風塔70 m高度Iu、Iv、Iw與>1.5 m·s-1的10 min平均風速的概率分布。由圖7可見，各方向湍流強度隨平均風速的變化與陣風因子、風攻角等的散布特點也相似：隨著風速的增加，各方向湍流強度及其離散程度均呈下降趨勢，風速越大，變率越小；當平均風速增加到20 m·s-1以上時，各方向湍流強度略呈增加趨勢，這一點與風攻角和陣風因子隨風速增加而減小的趨勢略有不同。平均風速≥10 m·s-1時，順風向偶爾還會出現(xiàn)大的湍流強度；平均來講，1.5 m·s-1以上平均風的湍流強度在3個方向的相對比值為Iu∶Iv∶Iw=1.00∶0.85∶0.54，平均Iu=0.10。而我國風荷載規(guī)范推算為Iu∶Iv∶Iw=1.00∶0.88∶0.50，平均Iu=0.14。可見，平均的橫風向湍流強度比順風向偏弱的幅度比風荷載規(guī)范推算的偏小，而豎直方向機械湍流或熱力湍流強度比規(guī)范估算的偏強。工程上需重點考慮順風向與豎直方向的湍流尺度和湍流功率密度的影響。從不同等級風速下各方向湍流強度分布的概率密度(圖略)可見，當平均風速超過4.0 m s-1時，Iu、Iv和Iw分別超過0.20、0.10和0.08的概率都很小，Iu、Iv和Iw出現(xiàn)頻率最高的分別在0.08～0.10、0.05～0.10和0.05～0.10的區(qū)間，即順風方向的湍流強度變率最大，這一點可從圖7的對比中看到。在極端強風條件下，順風向湍流強度隨平均風速的分布特征與陣風因子的變化完全吻合：當平均風速≥25.0 m·s-1時，Iu大多為0.05～0.08，約占94.6%，其余的為0.14～0.19，出現(xiàn)了明顯的非連續(xù)現(xiàn)象。

圖7 2011年達坂城31003號測風塔70 m高度Iu(a)、Iv(b)、Iw(c)與>1.5 m·s-1的10 min平均風速的概率分布

圖8(a)(b)為2011年達坂城31003號測風塔70 m高度Iv/Iu和Iw/Iu與>1.5 m·s-1的10 min平均風速的概率分布。由圖8可見，與上述相似，各方向湍流強度比值Iv/Iu和Iw/Iu的離散度也很大。低風速時，Iv/Iu和Iw/Iu值大于高風速時的比值。隨著風速增加，各方向湍流強度及其離散程度都呈下降趨勢。大風時的大湍流強度主要體現(xiàn)在順風向上。當平均風速在10.0 m·s-1以下時，Iv/Iu和Iw/Iu比值偶爾會出現(xiàn)分別超過4.0和1.5的現(xiàn)象，主要是因為在這個風速段上除了盛行由南北疆之間的氣壓梯度力作用下的“東南大風”影響外，還受局地“湖陸風效應”影響：距此測風塔西南方位近4 km的地方，有一個大約28 km2的湖泊——達坂城“柴窩堡湖”，當主導天氣系統(tǒng)偏弱，局地以熱成風為主的“湖陸風環(huán)流”為主導因素時，橫風向的湍流強度就比順風向的偏強。

圖8 2011年達坂城31003號測風塔70 m高度Iv/Iu(a)、Iw/Iu(b)與>1.5 m·s-1的10 min平均風速的概率分布

多數(shù)情況下，Iv/Iu和Iw/Iu的值小于1.0，分別約占65.0%、95.0%。平均風速小于7.0 m·s-1時，Iv/Iu隨風速增加，比值略呈下降趨勢；平均風速介于7.0～11.0 m·s-1時，比值為0.90～0.92；平均風速介于11.0～24.0 m·s-1時，隨著風速的增加，比值由0.88下降到0.66；平均風速>24.0 m·s-1時，比值波動范圍為0.59～0.72。風速越大，順風方向的湍流強度相對就越強。Iw/Iu在各等級風速下的比值隨風速增加而變化的情形略有不同：風速<27 m·s-1時，比值隨風速的增加呈下降趨勢；風速≥27 m·s-1時，隨風速的增加，比值反而略呈上升趨勢，由0.40上升到0.44。再一次說明出現(xiàn)極端強風時，豎向湍流也在增強。

另外，從不同風速段Iv/Iu和Iw/Iu的概率分布密度圖(圖略)也可看出，平均風速≥4.0 m·s-1時，Iv/Iu和Iw/Iu分別超過1.3和0.8的概率很小。對于Iv/Iu，平均風速分別≥1.5 m·s-1、≥4.0 m·s-1和≥6.0 m·s-1時，發(fā)生概率最大的值均約為0.75；≥8.0 m·s-1時，發(fā)生概率最大的值約為0.70。對于Iw/Iu，平均風速分別>1.5 m·s-1、>4.0 m·s-1和>6.0 m·s-1時，發(fā)生概率最大的比值均約為0.45；≥8.0 m·s-1時，發(fā)生概率最大的比值約為0.40?！案唢L”時沿順風方向的湍流強度比橫向風的高得多，且無論哪個風速量級，計算的Iu∶Iv∶Iw均不滿足風荷載規(guī)范推薦采用的Iu∶Iv∶Iw=1.00∶0.88∶0.50。

2.4 平均風的垂直變化特征

由于近地層較薄，可以近似地認為動量、熱量和水汽的垂直湍流輸送量幾乎不隨高度變化及風向也不隨高度變化的常值通量層，故在此不對風向隨高度的變化進行分析，僅分析5層梯度風觀測高度上平均風速隨高度的變化特征(圖略)。10 m高度上的平均風速高達8.0 m·s-1以上。100 m以下，平均風速隨高度的增加而增加，基本符合中性條件下，風隨高度呈冪指數(shù)變化的規(guī)律，但在50-70 m高度上有一“拐點”：平均風速隨高度稍變。這在風能資源開發(fā)利用中，對風機輪轂高度或者風機葉根長度的最佳設計時，值得高度關注，同時基于目前對該地邊界層的平均厚度認識不清，或邊界層厚度與湍流的關系尚無定量化的前提下，無須盲目提高風機輪轂高度。

3 結論與討論

本研究根據(jù)2011年全年三維超聲風資料和5層梯度風資料，給出了該地近地層風參數(shù)的基本特征：

(1)70 m高度上10 min平均風速出現(xiàn)的概率呈雙峰型，10.0～15.0 m·s-1的平均風速出現(xiàn)概率最高，約占40.0%，2.0～3.0 m·s-1的平均風速約占13.0%，15.0 m·s-1以上的平均風速約占20.0%，風機切出頻率約達33.0%。日最大風速以10.0～22.0 m·s-1占絕大多數(shù)，約84.5%。其中，10 min平均風速≥17.0 m·s-1的大風日數(shù)高達44.0%。西北盛行風向與東南次多風向概率相當。100 m以下，平均風速隨高度增加而增加，但在50-70 m高度上，平均風速隨高度少變，風機輪轂高度不宜盲目提高。

(2)平均風速≥25.0 m·s-1時，陣風因子大多為1.1～1.2，約占94.6%；達1.3～1.4的陣風因子，約占5.0%；最大的達1.7，對應10 min平均風速為26.6 m·s-1。順風向湍流強度大多為0.05～0.08，約占94.6%，其余的為0.14～0.19，出現(xiàn)了明顯的非連續(xù)現(xiàn)象。陣風因子與湍流強度在21.0 m·s-1以上極端強風情況下，表現(xiàn)出了與風速大小關系不大的現(xiàn)象，且觀測期內兩度出現(xiàn)陣風因子比我國《建筑荷載規(guī)范》B類下墊面70 m高度上的設計值偏高現(xiàn)象。

(3)風攻角正負變化的位相與盛行風向與次多風向的轉換一致，且負攻角多于正攻角。平均風速為3.0～15.0 m·s-1的風機啟動風速內，盛行風向與次多風向的風攻角大于5°的概率約占1.0%，對風機制造者而言，需考慮提高此處風機的升力系數(shù)，降低風機老化速度，提高功率輸出。

(4)平均的脈動風湍流強度遵循Iu∶Iv∶Iw=1.00∶0.85∶0.54，平均Iu=0.10。這與我國風荷載規(guī)范推算的Iu∶Iv∶Iw=1.00∶0.88∶0.50，平均Iu=0.14，略有不符。平均順風向湍流強度與沿海受臺風影響區(qū)域的相當，需重點考慮順風向湍流參數(shù)影響。