典型沿海丘陵地區風場變化特性實測研究

吳強 傅軍 徐煜佳 李潔 潘云鋒

浙江理工大學建筑工程學院

沿海丘陵地區受其獨特的地理位置影響，風環境相較于其他地區更為復雜，同時風能資源也更為豐富，基于實地觀測數據對其風場特性進行科學的評價，對于建筑規劃、風資源利用都具有重要參考意義。目前已有學者基于各類測風儀或塔架裝置的實測資料，研究了沿海地區[1-3]及山谷地區[4-5]的風場特性，本文針對東南沿海丘陵地區的復雜地形，利用新型激光測風雷達配合手持自動氣象站，在奉化黃賢村進行氣象數據的觀測及統計分析，研究了該區域不同氣候及地勢條件下的風速風向和風剖面等因素的變化特征，探討了不同地點風場變化的影響因素及其影響程度。

1 實測概況

1.1 區域地形及氣候特點

奉化黃賢村南臨象山港海域，氣候類型為北亞熱帶季風氣候，夏季盛行東南風。其主體居民區位于南北走向的Y 型山谷中央，主要交通要道——曹黃線由南向北延伸，地勢則由南向北逐漸上升，山體坡度平緩，最高的山體海拔在200 m 左右，是典型的沿海丘陵地貌。

1.2 實測方案

1.2.1 測點選取

測點的選取應具有代表性，包括山頂、山谷、聚居區及地形急劇變化等地帶，經過對黃賢村各處地勢、交通的考察，并針對其南面臨海特點，將該地區分為沿海地帶和丘陵地帶進行數據采集。位于黃賢村東南方向有當地氣象站布設的風速風向傳感器，此次實測獲取了該設備 8 月 29 日 0:00～31 日 20:00 的數據，作為沿海地帶風場特性分析的依據。對于丘陵地帶，選擇在圖1 中 A1～D1、A2～D2 八個點上進行觀測，測點周邊地勢見表1。

圖1 黃賢村三維地形

表1 丘陵地帶測點選取概況

1.2.2 時間及設備安排

實測使用的新型多普勒激光測風雷達和手持自動氣象站由佐格設備公司提供，分別用于丘陵地帶 50～1000 m 對流層及 1.5 m 行人高度的數據采集，時間安排和設備分配見表2。

表2 測量時間安排及設備分配

2 實測結果分析

2.1 沿海地帶風速風向日變化特征

當地氣象站的風速風向傳感器所記錄的沿海地帶風速日變化如圖2～3 所示。圖2 顯示，受陰雨天氣影響，8 月 29 日平均風速最低，8 月 30 日、8 月 31 日天氣晴朗，氣溫升高，風速有所提升。三天內風速日變化具有相同趨勢，且晝夜風速相差較大，0:00～7:00 及 18:00～23:00 風速較低，7:00～17:00 風速隨時間推移呈先增長后下降趨勢，較高風速更多集中在下午。圖3 顯示，8 月29 日0:00～7:00 風速偏差較小，7:00～17:00 風速偏差高于0.5 m/s，且呈先上升后下降趨勢，隨后 19:00 至第二天 7:00，風速偏差又在 0.5 m/s 以內徘徊，8 月30 日、8 月31 日的變化依然符合這個規律，偏差最大值基本都出現在上 9:00～11:00 的時間段內，而平均風速的變化趨勢與標準偏差基本相同。

圖4 黃賢氣象站逐時平均風速

圖5 逐小時平均風速與標準偏差對比

從圖 4 中可以看出，受降雨期間云層帶來的冷空氣影響，氣流由高密度區流向南邊海域的低密度區，導致8 月29 日主導風向為東北偏北風，8 月30 日和8 月31 日處于晴空天氣下，主導風向為東南偏東風，風速分布在2.5～4.5 m/s 范圍內。

圖4 黃賢氣象站風速風向玫瑰圖

可見：1）沿海地帶夏季風速風向隨時間的變化具有日周期性，全天較高風速基本分布在 11:00 至 17:00 時間段內。2）該區域平均風速值越大，風速變化越劇烈，風速值越小，變化越溫和。3）象山港海面與陸地的熱力差造成的大氣對流運動，導致夏季盛行東南風，但受降雨等天氣影響，其變化規律又有差異。4）且沿海地帶地勢平坦，風向受地形影響程度很小，一天中主導風向比較穩定。

2.2 丘陵地帶風場特征分析

黃賢村主體區域內部山脈綿延，建筑群遍布于山谷盆地之中，不同地點處的地理環境各有特點，從沿海地帶風場特征的分析中可知，氣流主要是從南、北兩個方向灌入該區域。表3 為各測點近地面平均風速及標準偏差。

表3 各測點近地面平均風速及標準偏差

結合表3 及圖5 分析，8 月29 日氣流由東北偏北方向而來，并從 Y 型山谷的兩個分叉口分別流經D1、C1 點。D 1 點周邊地勢較為起伏，使得該處形成了小范圍的局部繞流，風向分散于西南，西北以及東北方向，相較之下C1 點風向更為集中，其位處南北走向的連續山脊上，山脊海拔由北向南逐漸降低，氣流經過山谷后到達C1 點，風向穩定，風速較高。A1、B1 兩點周圍均有建筑物或綠植環繞，風向分散，此外 A1 點的西北偏北方正對上山的巷道口，玫瑰圖上所示這個方向風向占比較大，風速較高，為 1.4～1.6 m/s。

圖5 8 月29 日各測點風速風向玫瑰圖

圖6 8 月30 日各測點風速風向玫瑰圖

8 月30 日，東南風由開闊的沿海地帶匯聚于黃賢村入口，A2 點處于其中地勢急劇變化處，東側有海拔為60 m 左右的山脈阻隔，導致氣流至此速度有所減緩，平均風速為1.5 m/s，主導風向為東南偏東風，從玫瑰圖（圖 8）上也可看出存在部分較分散的風向，可見地形對該處風場已經產生了一定影響。氣流進入聚居區后，地勢變得開闊，民居沿曹黃線規律排列于兩側，該交通要道由南向北貫穿中心廣場，并經過廣場中的 B2 點，玫瑰圖上顯示出實測期間，B2 點的曹黃線來流方向風速為3.5～4 m/s，相對較高，該特征與 A1 點類似，說明氣流通過狹長通道時，由于空氣不能大量堆積而產生了加速效應。之后向左延伸至山谷中，C2 點處于山谷入口處，氣流主要從南邊開闊地區匯聚于 C2 點，再加速沿山谷流至D2 點。

綜合以上分析，本地區狹長山谷中的平均風速相較于地勢較低的聚居區要大，且該類型山谷對氣流具有一定的導向和加速作用，比如 D2 點所處區域。C1 點所在山脊坡度平緩，地勢起伏小，當日風向集中，風加速效應也很明顯，在今后的風電工程中，此處適合作為參考點進行風能評估。低矮建筑布局中的通道效應會造成局部風速加快，但建筑群整體會對來流造成削弱。聚居區地形呈現南北兩端狹窄而中間寬闊的特點，夏季盛行氣流進入之后速度會有所減弱，且其中建筑布局井然有序，經實地考察，民居大部分朝向南方，最大限度地利用了當地風場特性，使得建筑通風性達到了理想的狀態。

2.3 風剖面特征分析

利用激光測風雷達 50～1000 m 高度范圍內的無間斷氣象數據，可以較方便地分析丘陵地區近地面的風剖面的特點。我國現行規范推薦采用指數分布律[6]計算方法，其表達式為：

式中：ui、u0分別為zi、z0高度層上的風速；α為風切變指數。

按式（1）計算結果見表4：

表4 A2、B2 點各時段平均α

以 50 m 高度層的風速作為計算基準。我國建筑荷載規范[7]中給出B 類地貌的α 參考值為 0.15，根據計算結果，B2 點平均α 值為 0.178，接近我國現行荷載規范，也與我國其他丘陵地區觀測值相近[8-9]，但小于美國、加拿大的標準值。A2 點α值為0.082，遠小于其他丘陵地區，分析其原因主要是 A2 點受當日主風向東南風影響較大，導致風速波動程度較小，表明α值同時受到風向影響，主風向所占當日風向比例越大，對 風剖面的影響就越大。

圖7 風速——α 值散點圖

圖8 A2 點α 值隨高度的變化

圖9 B2 點α 值隨高度的變化

兩測點 10 min 平均風速與平均α值見圖 7，圖中散點均呈松散到密集趨勢，風速值分布于 3～5 m/s 內，α隨風速的提高而增大。圖8、9 分別為A2、B2 測點在對應的三個相同時段內α值隨高度的變化，A2 點α值在離下墊面 200 m 左右高度內以較快的速率增長，到達最大值后開始下降，B2 點基本在300 m 高度處開始呈下降趨勢，分析其原因，主要是由于丘陵地區下墊面粗糙度較大，起伏程度劇烈的地表及建筑群對進入山谷的氣流產生了粘滯作用，造成了上下層空氣流速的差異，且隨高度上升，差異越大，表現為α值急速增長，到達一定高度后，下墊面的粘滯作用已經無法影響到氣流的運動，這種情況下風剖面則由大氣層結的穩定度決定。

3 結語

針對奉化黃賢村這一典型沿海丘陵地區的整體風場特性，進行氣象數據的現場實測及統計分析，研究具有代表性的幾個地點的風速風向及風剖面的變化規律，得到如下結論：

1）該地區沿海平坦地帶風環境主要受當地氣候特點——海陸風的影響，受地形影響較小，風速、風向變化具有日周期性，白天風速值較夜晚大，風速變化幅度也更為劇烈。

2）丘陵地帶風速、風向的日變化較沿海平坦地帶更為復雜，不同地點的風場特征受多種因素的影響，也有一定的規律。風速變化特征與風速大小、地勢有關，其變化幅度同樣隨平均風速的提升而增長。風向受地形影響較大，狹長型山谷，山脊及巷道對風向有較強的穩定作用，處于此類地形的 C1 點具有較大的風電選址評估的意義。

3）由于聚居區地形特點使得海陸風進入山谷之后風速減弱，這類地形給強臺風時期沿海丘陵地區居民提供了天然的屏障。此外，黃賢村典型的沿海氣候條件，以及獨特的南北延伸的山谷地形，使得其中建筑群的規劃布局也有一定的規律可循。

4）復雜地形中，風剖面主要受主導風向、風速等級及下墊面粗糙度的影響，風速小范圍波動時，α值隨風速升高而增大。且不同地勢條件，風剖面受影響的高度范圍也不同。

激光測風雷達場外觀測受陰雨天氣影響，會造成一定的數據缺失，這也是本次實測沒能采集到 A1、B1 兩點完整雷達數據的原因。此外，本次實測研究基于低等級風速環境進行了風場特征分析，在今后的研究中，有望展開強風環境下沿海丘陵地區氣象觀測工作。