臺(tái)風(fēng)“威馬遜”影響廣東期間近地層風(fēng)特性

程艷偉

（中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司廣東廣州510610）

臺(tái)風(fēng)“威馬遜”影響廣東期間近地層風(fēng)特性

程艷偉

（中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司廣東廣州510610）

臺(tái)風(fēng)是廣東沿海地區(qū)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。本文通過風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了2014年第9號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”影響廣東期間近地層風(fēng)特性，可用于指導(dǎo)評(píng)估該臺(tái)風(fēng)造成的風(fēng)電場(chǎng)災(zāi)害分析，同時(shí)可用于臺(tái)風(fēng)災(zāi)害預(yù)防具有借鑒意義。

臺(tái)風(fēng)；風(fēng)電場(chǎng)；近地層風(fēng)特性

廣東省地處亞熱帶、濱臨南海，沿海地區(qū)風(fēng)能資源較豐富。同時(shí)，廣東也是中國受臺(tái)風(fēng)影響最多、災(zāi)害最重的省份之一，平均每年登陸廣東的臺(tái)風(fēng)有3.7個(gè)，居全國之首，其中最多年份達(dá)7個(gè)。截至2014年底，廣東省并網(wǎng)風(fēng)電總裝機(jī)容量為2758MW，其中大部分位于沿海地區(qū)。

2014年第9號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”（國際編號(hào)：1409）7月18日15時(shí)30分在海南沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力17級(jí)（60m/s）。18日19時(shí)30分在廣東沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力17級(jí)（60m/s）。19日7時(shí)10分在廣西沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力15級(jí)（48m/s），為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別。受其影響，海南、廣東、廣西多地出現(xiàn)狂風(fēng)暴雨天氣，引發(fā)洪澇等災(zāi)害，海南、廣東等地多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組也不同程度受損。

廣東省徐聞縣東部和雷州市西部的兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔（編號(hào)分別為1#和2#）觀測(cè)記錄了臺(tái)風(fēng)“威馬遜”在廣東登陸期間近地層的風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等數(shù)據(jù)。1#和2#測(cè)風(fēng)塔均位于平坦開闊的地形，場(chǎng)地高程分別為45m和137m，安裝NRG測(cè)風(fēng)設(shè)備，記錄儀采樣間隔為1s，記錄間隔為10min，各儀器配置情況見表1。這2座測(cè)風(fēng)塔均位于“威馬遜”路徑右側(cè)，距臺(tái)風(fēng)中心最近距離分別為23.4km和25.3km。

表1　測(cè)風(fēng)塔儀器配置表

1#測(cè)風(fēng)塔臨近臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)，2#測(cè)風(fēng)塔臨近臺(tái)風(fēng)離岸點(diǎn)。本文通過對(duì)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”期間（文中指影響廣東期間的7月17日～20日時(shí)段）的1#和2#測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)分析，分析揭示臺(tái)風(fēng)“威馬遜”影響廣東期間近地層風(fēng)特性。

圖1　“威馬遜”路徑和測(cè)風(fēng)塔位置示意圖

1　氣壓特征

在臺(tái)風(fēng)期間，各測(cè)風(fēng)塔測(cè)得較低氣壓值。1#測(cè)風(fēng)塔測(cè)得最低氣壓為95.2kPa，時(shí)間為18日19時(shí)10分，此時(shí)距臺(tái)風(fēng)中心最近；2#測(cè)風(fēng)塔測(cè)得最低氣壓為93.5kPa，時(shí)間為18日23時(shí)30分，此時(shí)距臺(tái)風(fēng)中心最近。（2#測(cè)風(fēng)塔20日15時(shí)后氣壓傳感器故障。）

圖2　各測(cè)風(fēng)塔歷時(shí)氣壓

2　風(fēng)向特征

圖3所示為1#測(cè)風(fēng)塔80m高度及2#測(cè)風(fēng)塔100m高度10min平均風(fēng)向變化曲線。臺(tái)風(fēng)影響前，測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向?yàn)?20°～150°；臺(tái)風(fēng)臨近時(shí)，風(fēng)向角度逐漸減小至0°（360°），后又逐漸增大；距臺(tái)風(fēng)中心最近時(shí)的風(fēng)向?yàn)?0°～120°；臺(tái)風(fēng)經(jīng)過后，風(fēng)向角度速繼續(xù)增大至180°左右，然后小幅波動(dòng)（2#測(cè)風(fēng)塔20日10時(shí)后風(fēng)向波動(dòng)較大）。

圖3　各測(cè)風(fēng)塔歷時(shí)風(fēng)向

圖4　測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向玫瑰圖（單位：%）

3　風(fēng)速特征

3.1大風(fēng)

圖5所示為1#測(cè)風(fēng)塔80m高度及2#測(cè)風(fēng)塔100m高度10min平均風(fēng)速變化曲線。臺(tái)風(fēng)影響前，測(cè)風(fēng)塔平均風(fēng)速小于10m/s；臺(tái)風(fēng)臨近時(shí)，風(fēng)速逐漸增大，1#測(cè)風(fēng)塔80m高度錄得10min平均風(fēng)速最大47.6m/s，陣風(fēng)風(fēng)速最大為60.1m/s，時(shí)間為18日19時(shí)10分；2#測(cè)風(fēng)塔100m高度錄得10min平均風(fēng)速最大為44.9m/s，陣風(fēng)風(fēng)速最大為58m/s，時(shí)間為18日23時(shí)30分。臺(tái)風(fēng)經(jīng)過后平均風(fēng)速恢復(fù)到小于10m/s。

從大風(fēng)持續(xù)時(shí)間看，兩個(gè)測(cè)風(fēng)塔20m/s以上10分鐘平均風(fēng)速持續(xù)時(shí)間約為14.2h～15.3h，40m/s以上風(fēng)速持續(xù)時(shí)間約為1.3h～2.3h。

圖5　測(cè)風(fēng)塔歷時(shí)10min平均風(fēng)速風(fēng)速

從圖6所示的各風(fēng)向平均風(fēng)速看，1#測(cè)風(fēng)塔N和E方向平均風(fēng)速最大，2#測(cè)風(fēng)塔NE和N方向平均風(fēng)速最大。

圖6　測(cè)風(fēng)塔各風(fēng)向平均風(fēng)速圖（單位：m/s）

3.2陣風(fēng)系數(shù)

在IEC 61400-1中，陣風(fēng)系數(shù)為3秒鐘極大風(fēng)速與10min平均風(fēng)速的比值，并且極端風(fēng)速模型中采用的陣風(fēng)系數(shù)為1.4。1#和2#測(cè)風(fēng)塔記錄儀的采樣間隔均為1s，此處采用1s極大風(fēng)速計(jì)算陣風(fēng)系數(shù)值，結(jié)果見圖7。

在臺(tái)風(fēng)影響期間，1#測(cè)風(fēng)塔80m及2#測(cè)風(fēng)塔100m高度陣風(fēng)系數(shù)平均值分別為1.29和1.28，最大值分別為1.97和2.38，17日8時(shí)和20日15時(shí)前后陣風(fēng)系數(shù)較大。陣風(fēng)系數(shù)與平均風(fēng)速和風(fēng)向變化的關(guān)系不顯著。

圖7　測(cè)風(fēng)塔歷時(shí)陣風(fēng)系數(shù)圖

根據(jù)兩個(gè)測(cè)風(fēng)塔最大風(fēng)速時(shí)間差，結(jié)合臺(tái)風(fēng)路徑，估算臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)速度約為19km/h。

3.3風(fēng)速垂直切變

采用切變指數(shù)α描述風(fēng)速垂方向變化規(guī)律，冪律計(jì)算公式為：

其中，V1和V2分別為h1和h2高度的風(fēng)速值。

統(tǒng)計(jì)兩個(gè)測(cè)風(fēng)塔80m和60m高度之間風(fēng)速垂直切變指數(shù)，結(jié)果見圖7。1#測(cè)風(fēng)塔切變值最大為1.17，最小為-0.14，平均值為0.12；2#測(cè)風(fēng)塔切變值最大為0.70，最小為-0.13，平均值為0.24。

圖8　測(cè)風(fēng)塔80m/60m之間歷時(shí)切變指數(shù)

4　湍流強(qiáng)度特征

湍流強(qiáng)度Ti描述風(fēng)速隨機(jī)變化的幅度，是決定機(jī)組設(shè)計(jì)等級(jí)的重要參數(shù)。采用10分鐘平均風(fēng)速V和均方差風(fēng)速σ計(jì)算湍流強(qiáng)度，公式為

各測(cè)風(fēng)塔歷時(shí)湍流強(qiáng)度變化見圖8，各風(fēng)速段湍流強(qiáng)度見圖9。

在臺(tái)風(fēng)影響期間，1#測(cè)風(fēng)塔80m及2#測(cè)風(fēng)塔100m高度湍流強(qiáng)度平均值分別為0.113和0.109，最大值分別為0.348和0.396，17日12時(shí)和20日15時(shí)前后湍流強(qiáng)度較大。湍流強(qiáng)度與平均風(fēng)速和風(fēng)向變化的關(guān)系不顯著。

在15m/s風(fēng)速條件下，測(cè)風(fēng)塔湍流強(qiáng)度分別為0.108和0.107，為相對(duì)較小湍流強(qiáng)度。

圖9　測(cè)風(fēng)塔歷時(shí)湍流強(qiáng)度

5　結(jié)語

在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”影響廣東期間，近地層風(fēng)特性主要通過距離臺(tái)風(fēng)中心23.4km～25.3km處的測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)數(shù)據(jù)予以揭示，主要為：（1）氣壓較低。測(cè)風(fēng)塔氣壓最小值為93.5kPa。（2）風(fēng)速較大。測(cè)風(fēng)塔80m～100m高度10分鐘平均最大風(fēng)速為44.9m/s～47.6m/s。（3）風(fēng)向變化較緩和。（4）陣風(fēng)系數(shù)、垂直切變指數(shù)、湍流強(qiáng)度等指標(biāo)隨風(fēng)速變化波動(dòng)變化不顯著。

[1]繆旭明,高拴柱,張靜.超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”成因及應(yīng)對(duì)[J].中國應(yīng)急管理,2014,9.

程艷偉（1980—），男，漢族，河北遷安人，工程師，從事風(fēng)能資源評(píng)估工作。