松花江谷地風(fēng)特征研究

魏 磊，孫鏌涵，鄭 紅

（黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱150030）

松花江谷地風(fēng)特征研究

魏 磊，孫鏌涵，鄭 紅

（黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

節(jié)能減排是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)基本國(guó)策和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃,其中開(kāi)發(fā)利用氣候資源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的保障；風(fēng)力資源就是綠色可再生的清潔能源，也是減少化石能源的可代替的有效能源之一，大力發(fā)展風(fēng)力資源是積極應(yīng)對(duì)氣候變化的重要措施。我國(guó)地域面積廣闊，風(fēng)能開(kāi)發(fā)潛力巨大，我國(guó)陸地上距地面10 m高處風(fēng)能資源理論儲(chǔ)量為43.5億kw。2008年底，我國(guó)累計(jì)風(fēng)電機(jī)組11600多臺(tái)，風(fēng)電裝機(jī)總量達(dá)到12.21 GW,位居世界第四,年增長(zhǎng)率高達(dá)106.6%，位居世界第一。預(yù)計(jì)2020年我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)總量將達(dá)到30 GW。

黑龍江省是一個(gè)風(fēng)電資源較豐富區(qū)之一，其中松花江谷地位于黑龍江省中部，松花江中下游，地形復(fù)雜，風(fēng)能資源的分布也非常復(fù)雜，因此進(jìn)行松花江谷地的風(fēng)資源研究對(duì)于風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)利用有著重要的意義。

2 資料

選取松花江谷地范圍內(nèi)6座測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)資料，1#至7#塔的位置分別處于依蘭、通河、七臺(tái)河、樺南、樺川和富錦6個(gè)區(qū)域。觀測(cè)數(shù)據(jù)為2011年完整一年的數(shù)據(jù)。測(cè)風(fēng)塔高度為70 m，觀測(cè)項(xiàng)目分別為10 m、30 m、50 m、70 m 高度的風(fēng)速數(shù)據(jù)和 10 m、50 m、70 m高度的風(fēng)向數(shù)據(jù)。

3 風(fēng)特征分析

風(fēng)速的大小是衡量風(fēng)能資源量的一個(gè)重要指標(biāo)，風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)輪轂高度一般為50-70 m，故此本文著重分析70 m高度上風(fēng)的變化特征。

3.1 風(fēng)速年變化

分析松花江谷地范圍內(nèi)70 m高度以上年平均風(fēng)速，在依蘭、通河區(qū)域風(fēng)速相對(duì)較大，年平均風(fēng)速分別為6.9 m/s和6.6 m/s。依蘭區(qū)域由于兩側(cè)山脈由西南偏西向東北偏東方向蔓延，與主導(dǎo)風(fēng)向一致，形成“狹管效應(yīng)”，風(fēng)在經(jīng)過(guò)時(shí)被加速，因此區(qū)域內(nèi)風(fēng)速大。富錦區(qū)域與依蘭環(huán)境相似，風(fēng)速較大，年平均風(fēng)速為6.7 m/s。七臺(tái)河區(qū)域由于四周山體的阻礙效應(yīng)，風(fēng)速偏小，年平均風(fēng)速均為5.9 m/s。

樺川、樺南區(qū)域地形復(fù)雜，風(fēng)的分布受地形影響強(qiáng)烈，由于地形的存在，山地風(fēng)速隨地形高度增加而增大，氣流遇到山體后出現(xiàn)繞流，并且在山的迎風(fēng)面出現(xiàn)阻礙現(xiàn)象，表現(xiàn)為在山的迎風(fēng)側(cè)出現(xiàn)相對(duì)小值區(qū)，山的背風(fēng)側(cè)風(fēng)速明顯減小，呈現(xiàn)尾流區(qū)的特征，樺川、樺南區(qū)域內(nèi)的4#和5#測(cè)風(fēng)塔明顯的反映了這一特征：西南側(cè)迎風(fēng)面的4#塔，年平均風(fēng)速為6 m/s，而北部背風(fēng)側(cè)的5#塔年平均風(fēng)速僅為5.3 m/s

各區(qū)域風(fēng)速年變化趨勢(shì)大體相同，風(fēng)速均為夏季7月份最低，夏季黑龍江省處于東北低壓區(qū)，低壓強(qiáng)度不大，太平洋副熱帶高壓對(duì)黑龍江省影響弱，高低壓之間梯度不大，故黑龍江省夏季是一年中大風(fēng)最少的季節(jié)。由于春季的氣旋和冬季的寒潮影響，春、冬風(fēng)速都比較大，樺南區(qū)域最大風(fēng)速出現(xiàn)在春季4月份，其他區(qū)域最大風(fēng)速出現(xiàn)在冬季1月份。

3.2 風(fēng)速日變化

在沒(méi)有特殊天氣系統(tǒng)時(shí)，風(fēng)速的日變化呈明顯的周期性。風(fēng)速的日變化主要與下墊面有關(guān)。松花江谷地范圍內(nèi)風(fēng)速日變化有兩種趨勢(shì)，第一種是白天風(fēng)速大于夜間，1#、2#、3#、4#、5# 五座測(cè)風(fēng)塔，位于松花江上游，張廣才嶺北部的谷地，最大風(fēng)速均出現(xiàn)在14-16時(shí)，夜間0-6時(shí)風(fēng)速較小，這是由于白天太陽(yáng)輻射強(qiáng)，地面溫度較高，對(duì)流旺盛，高層動(dòng)量下傳，湍流交換強(qiáng)，使風(fēng)速加大，午后溫度下降地面逐漸冷卻，氣層趨于穩(wěn)定，因而風(fēng)速較小；另一種變化趨勢(shì)則是夜間風(fēng)速大于白天，6#測(cè)風(fēng)塔最小風(fēng)速出現(xiàn)在中午11-14時(shí)，夜間22時(shí)-凌晨2時(shí)左右風(fēng)速最大。

3.3 風(fēng)向變化特征

各測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)年風(fēng)向如圖1，在大范圍環(huán)流的影響下，松花江谷地各個(gè)測(cè)風(fēng)塔均以WNW至SW方向之間。

圖1 各測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向

3.4 風(fēng)速垂直結(jié)構(gòu)

近地層風(fēng)速的垂直分布主要取決于地表粗糙度和低層大氣的層結(jié)狀態(tài)。在中性大氣層結(jié)下，對(duì)數(shù)和冪指數(shù)方程都可以較好地描述風(fēng)速的垂直廓線，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果表明，冪指數(shù)公式比對(duì)數(shù)公式可以更精確地?cái)M合風(fēng)速的垂直廓線，我國(guó)新修訂的《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》也推薦使用冪指數(shù)公式，其表達(dá)式為：

式中，V2為高度 Z2處的風(fēng)速（m/s）；V1為高度 Z1處的風(fēng)速 （m/s），Z1一般取10 m高度；α為風(fēng)切變指數(shù)，其值的大小表明了風(fēng)速垂直切變的強(qiáng)度。

各測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)年風(fēng)切變指數(shù)見(jiàn)表1，從表中可以看出，3#測(cè)風(fēng)塔風(fēng)切變指數(shù)偏大，為0.352，3#測(cè)風(fēng)塔位置均處于山腰處，山體對(duì)地處風(fēng)速有阻礙作用，因此風(fēng)切變指數(shù)偏大。典型的松花江山谷地形造成了其復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)特征，風(fēng)速垂直切變較平原地區(qū)偏大，說(shuō)明河谷地形下，距離山體愈近，其風(fēng)的湍流和擾動(dòng)就會(huì)增加，風(fēng)場(chǎng)就會(huì)越不穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）風(fēng)的時(shí)空分布受地形影響明顯，不同地形的風(fēng)變化特征有著明顯的不同，山谷地形的 “狹管效應(yīng)”對(duì)風(fēng)的影響很大，會(huì)形成大風(fēng)區(qū)域。山體的阻礙會(huì)使迎風(fēng)面、山頂和背風(fēng)面的風(fēng)速出現(xiàn)中、大、小的明顯不同。

（2）在山谷地形中，由于山的走勢(shì)會(huì)對(duì)風(fēng)向產(chǎn)生不同程度的影響。

（3）山體對(duì)風(fēng)的垂直分布有很大影響，離山體越近風(fēng)切變指數(shù)越大。

1002－252X(2017)03－0017－02

2017－6－1

魏 磊(1985-),男，黑龍江省哈爾濱市人，成都信息工程大學(xué)，碩士生，工程師.