湖北省近地層風切變特征

崔楊 陳正洪 何英杰 孟丹

(1 湖北省氣象服務中心，武漢 430205； 2 西安交通大學電氣工程學院，西安710049； 3 湖北省氣象能源技術開發中心，武漢 430205)

引言

近年來，我國風能資源的集中式開發有效提高了能源替代速度。2016年國家發改委和能源局聯合發布的《能源發展“十三五”規劃》[1]中指出，我國風電開發將逐步從“三北”地區的集中式開發向用電消納集中的中東南部分散式風電項目轉移。分散式風電項目通常位于低風速地區(低風速是指標準空氣密度輪轂高度處年平均風速不高于6.5 m/s，風功率密度不高于320 W/m2的地區[2])，采用高塔筒大葉片風電機組，輪轂高度通常在100 m以上甚至可達150 m。項目整體裝機規模較小，一般利用周邊已建成測風塔結合再分析資料開展風能資源評估。而前期設立的測風塔離地高度多集中在70 m以下，已無法滿足分散式風能資源評價的實際需求。

風切變指數能夠衡量風速隨垂直高度變化的特征，與區域地形形態、海拔高度、地表粗糙度、天氣氣候條件等有著直接關系[3]，對于風能資源評估、風機選型、風電場選址等具有重要意義[4]。許楊等[5]利用湖北省丘陵山區的12座70/80 m高測風塔開展風能資源特征分析，并指出風速隨高度的變化具有較大的差異性；龔強等[6]利用遼寧省26座10～70/100 m測風塔研究了不同大氣穩定度、季節等條件下的近地層風切變特征，結果表明各測風塔年風切變指數變化范圍為0.024～0.405；劉敏等[7]利用湖北省3座70 m高測風塔，研究了基于不同下墊面的風速垂直變化特征，結果表明不同地形條件下的風切變指數存在差異性；龔璽等[8]分析了我國基于不同下墊面和穩定度條件下地面到100 m的風切變指數變化情況，并指出如果按照風機設計標準中假設的風切變指數0.2，一般會過高估計輪轂高度處的風速；陳燕等[4]分析了江蘇省沿海地區的5座測風塔，得到了不同地區及各高度層的風切變指數變化規律。國外早有開展上層風切變指數的研究，Schwartz等[9]利用美國13座不同下墊面的50～110 m測風塔，對比了多種風切變指數計算方法的誤差與適應性；Farrugia[10]研究了地中海氣候條件下的風切變指數變化規律，并與傳統的固定取值1/7(約0.143)[11]做對比，結果顯示出較大的差異性；Dimitrov等[12]利用2個觀測站60～200 m的測風數據驗證了風切變預測在風機荷載同化中的應用，并認為陸面風切變指數通常隨高度而變化，不應盲目采用下層風速推算上層風速。Maeda等[13]以日本某處復雜地形為研究對象，通過冪指數率[11]計算方式將20～30 m高度處的風速推算到100 m高度，結果實際風速與推算風速的誤差超過20%。

風切變指數變化具有一定的時空差異性，利用傳統的固定值風切變指數推算上層風速會產生較大的誤差。目前國內少有針對近地層70 m以上風切變特征的研究，本文基于湖北省內27座離地高度為120～150 m的測風塔數據，分析風切變指數在不同時空、穩定度及風速段條件下的差異性，并結合數值模擬資料繪制了湖北省70～120 m風切變指數分布圖，以期為低風速地區分散式風能資源的開發利用和風電場發電功率預測提供技術指導。

1 資料與方法

1.1 資料

1.1.1 測風塔資料

以湖北省內離地高度120～150 m的27座測風塔為研究對象(表1) ，其中24座測風塔(P1～P24)主要分布在中部和東南部平原湖區，3座測風塔(M1～M3)位于丘陵山區(圖1)。27座測風塔整體觀測時間在2016年2月至2020年3月之間，每個塔至少有1年測風數據。為便于描述，文中將70 m以下高度層稱為下層，70～120 m稱為中層，120～140/150 m稱為上層。

圖1 湖北省27座離地120～150 m測風塔分布

表1 湖北省27座離地120～150 m測風塔信息

由于各測風塔所具有的高度層存在差異，為便于分析，在每個地形和氣候條件相近的地區，篩選出數據完整率和質量最好的塔作為典型測風塔，最終篩選出6座測風塔開展季節和日分析。表2為本文分析中所采用的測風塔數量。

表2 風切變指數特征分析采用的項目與測風塔數量

依據文獻[14]對27座測風塔原始數據及各觀測層數據的完整性、合理性和時空一致性進行檢驗，剔除無效數據。根據文獻[15]對缺測數據和無效數據進行插補訂正，對于觀測不滿1年的測風塔，在經過風速顯著性及相關性檢驗后(通過0.01顯著性檢驗)，利用周邊參證氣象站或相鄰測風塔進行異塔插補訂正，補充為完整年。最終，27座測風塔風速的有效數據完整率均達到97%以上。

1.1.2 數值模擬資料

利用中國氣象局發布的全國陸地風能資源的最新評估結果“全國風能資源高分辨率評估(2014)數據集”，該產品采用中尺度模式WRF和CALMET模式系統共同完成。物理過程參數化有：濕微物理過程參數化、邊界層物理過程參數化、積云參數化、云輻射參數化、土壤溫度模式、淺對流。投影方式采用LAMBERT投影，邊界層物理過程參數化使用MRF方案。評估結果包括湖北省70～150 m的30年平均風速模擬數據，水平分辨率為1 km×1 km，其中70 m平均風速模擬如圖2所示。

圖2 湖北省70 m數值模擬平均風速

1.2 方法

1.2.1 風切變指數計算方法

風切變指數能夠反映近地層風速的垂直分布情況，主要取決于地表粗糙度和低層大氣的層結狀態。風切變指數的計算方法可以采用指數律或對數律，目前大多數研究均推薦采用指數律方法[7,12,15]，具體表達式為：

(1)

其中，V1和V2分別為高度Z1和Z2處的平均風速(m/s)，α為風切變指數。為了綜合反應風切變狀況，將式(1)兩邊取對數，進而得到式(2):

(2)

(3)

本文利用式(3)計算70～100 m、70～120 m、70～140/150 m、120～140/150 m間的風切變指數。

1.2.2 大氣穩定度劃分方式

大氣穩定度可以表征大氣湍流的強度，與風切變指數密切相關。本研究采用Pasquill提出的分類法[16]，將大氣穩定度分為強不穩定(A)、不穩定(B)、弱不穩定(C)、中性(D)、較穩定(E)和穩定(F)6個等級。大氣穩定度的分類方法有多種，本文采用基于云量、太陽高度角的分類方式。首先，計算出太陽高度角h0[17-18]，根據表3結合云量查出太陽輻射等級數，再根據太陽輻射等級數和地面風速按照表4查找出對應的大氣穩定度等級。

表3 基于云量與太陽高度角的太陽輻射等級

表4 基于地面風速與太陽輻射等級的大氣穩定度等級

2 近地層風切變特征分析

考慮到風切變指數受不同地形、垂直高度及氣候條件的影響具有一定的變化特征，為了便于分析，綜合27座測風塔所處區域的氣候和地形條件，在每一個地形和氣候條件相近的地區，篩選出數據完整率和質量最好的塔作為典型測風塔，最終篩選出6座測風塔開展季節和日分析，并針對上、中、下層的風速變化特征展開對比分析。

2.1 風切變的時間變化特征

2.1.1 年、季風切變指數變化

由圖3a可以看出，各測風塔的年風切變指數差異較大，變化范圍是0.05～0.39。結合圖1和表1可見，位于平原湖區的測風塔年平均風切變指數普遍高于山區，且各地區風切變指數具有明顯的差異性。3座山區測風塔年平均風切變指數變化范圍是0.05～0.16，整體年平均為0.12；其他24座平原湖區測風塔年平均風切變指數變化范圍是0.17～0.38，整體年平均為0.27。由圖3b知除M2外，其他5座典型測風塔春夏季風切變指數普遍略高。各地區位于中層的四季風切變指數具有一定差異性，且山區的風切變指數明顯低于平原湖區，在沒有實測數據的情況下，需謹慎使用固定經驗值進行風速推算。

圖3 湖北省近地層測風塔年(a)、季(b)平均風切變指數

2.1.2 風切變指數的日變化

圖4所示為6座典型測風塔70～120 m年風切變指數日變化。可以看出，不同地區的風切變指數具有明顯的日變化特征，除位于山區的M2、M3測風塔日變化趨勢較為平緩外，其他4座測風塔的風切變指數均為白天小，夜間大。這是由于白天近地面上下層間的湍流交換作用較夜間頻繁和劇烈，導致上下層間的風速差較小。山區測風塔的日風切變指數明顯低于平原地區，且地處海拔高度超500 m的M2和M3白天和夜間的風切變指數差異較小，這或許是因為復雜地形條件有利于加劇近地層大氣湍流的交換，導致垂直風切變指數整體較小。

圖4 湖北省近地層測風塔風切變指數的日變化

2.2 風切變指數的空間變化特征

2.2.1 風速隨高度整體變化特征

大氣邊界層的風場分布不僅受大型天氣系統的影響，還受不同地形和下墊面引起的熱力作用影響，從而使風場具有不同的水平、垂直結構以及時間變化特征[19]。圖5為6座典型測風塔年平均風速垂直廓線，可以看出，各測風塔風速隨高度變化具有一定的差異性，基本遵循冪指數規律，下層風速受到下墊面的影響導致風切變較上層偏大。且不同的海拔高度也會影響風速隨高度的變化程度，如地處山區且海拔相對較高的M2，高度超過50 m后，風速隨高度變化較小，M3各層風速明顯高于其他測風塔。P19在140～150 m處出現負切變。一般情況下，近地層風速因地形原因被加速，而更高層的風速未受到加速或加速較少，導致風速隨高度增高而增大的效應不明顯。

圖5 湖北省近地層測風塔年平均風速垂直風廓線

2.2.2 70 m以上風切變特征

分析27座測風塔70～100 m、70～120 m、70～140/150 m及120～140/150 m高度間的風切變指數變化特征(圖6)可以看出，除P24外，70 m至各高度層的風切變指數基本隨高度的增加而降低。各測風塔70～100 m的風切變指數范圍是0.09(M2)～0.42(P10)，70～120 m的變化范圍是0.005(M2)～0.37(P8)，70～140/150 m為0.13(P16)～0.33(P10)，120～140/150 m為0.08(P16)～0.35(P10)。

圖6 湖北省近地層70 m以上不同高度范圍風切變指數變化

2.3 不同穩定度下的風切變指數

為更有針對性地研究低風速地區中層高度不同大氣穩定度下風切變指數分布情況，分析了6座典型測風塔在不同穩定度下風切變指數α的分布情況(圖7)?？紤]到《風電場風能資源評估方法》[14]中將風切變指數取值為1/7(約0.143)，因此將風切變指數分為4個等級?？梢钥闯觯猎谳^穩定狀態下的頻率最高，為59%(P19)～75%(M3、P24)，除P7外，其他5座測風塔在不穩定條件下α<1的頻率最高；M3、P7、P24在中性條件下的頻率次高，而M2、P1、P19在較不穩定條件下的頻率次高；各測風塔在不穩定條件下的頻率最低(均不超過5%)；穩定等級的頻率次低，在1%(M3)～9%(P19)之間。通過圖8可以看出，除位于山區的M3外，其他5座測風塔均在穩定條件下風切變指數最大，不穩定條件下最小。說明在不穩定條件下大氣湍流作用強、垂直動量交換較大，造成上下層間的風速差小。其中，M2在該條件下出現負值，更進一步說明了上下層混合交換強烈情況下，會出現低層風速大于高層風速的情況。

圖7 湖北省近地層低風速地區不同大氣穩定度下整體風切變指數頻率分布

圖8 湖北省近地層低風速地區不同穩定度條件下的風切變指數

2.4 不同風速段下的風切變指數

考慮到目前主流陸地風機機型的切入風速在3.0 m/s左右，額定風速在10.0 m/s左右，因此將各測風塔70 m高度處的平均風速劃分為3.0 m/s以下、3.0～10.0 m/s之間及10.0 m/s以上3段[20]，分別計算出3個風速段下各測風塔中層風切變指數(圖9)?？梢钥闯觯齈12外，大部分測風塔的風切變指數均在70 m風速小于3.0 m/s時最低。3.0～10.0 m/s風速段的風切變指數變化趨勢與年平均最接近。

圖9 湖北省近地層不同風速段下的風切變指數

以各測風塔70 m高小時平均風速≥10.0 m/s的風速為樣本，單獨分析大風條件下的中層風切變特征，滿足該條件的樣本數為2886個(圖10)。可以看出，70 m高度處的最大風速為19.4 m/s，對應中層風切變指數為0.17。所有樣本風切變指數的變化范圍是-0.17～0.70，主要集中在0.05～0.35之間，且具有一定的離散性，可見風速的垂直變化具有很強的復雜性，這一范圍隨風速的增加逐漸向中間區域聚攏，在風速>16.0 m/s以后，不再有負切變出現。

圖10 湖北省近地層70 m高度小時平均風速≥10.0 m/s的中層風切變指數

3 數值模擬結果對比與應用

將27座測風塔中層實際風切變指數與計算出的相應位置模擬風切變指數做對比(表5)。平原湖區24個測風塔位置中，雖然實測值與模擬值相關系數高，通過了信度99%的顯著性檢驗，但實測值明顯高于模擬值，偏差范圍是-0.06～0.14，平均偏差為0.04。實測值大于模擬值的有18處，占比75%，其中東部地區(P17～P22，P19除外)、中部地區(P1～P5，P3除外)的模擬結果普遍最好，中部平原有6座測風塔的實測與模擬風切變指數偏差接近或超過0.1，原因:①中部平原的模擬風速普遍較實際偏大，②個別測風塔的實際風切變指數與周圍測風塔差異較大，這可能與觀測年、儀器測量誤差或局地小氣候特征有關。另外3座山區測風塔的模擬結果與實測非常接近，偏差不超過0.03。

利用湖北省數值模擬70～120 m風速推算出全省風切變指數分布。根據表5實測與模擬風切變指數對比結果，以111°30′E為界線，以西地區的山區以及湖北省北部桐柏山、南部通山一帶的山區不做風切變指數訂正。利用中部平原地區的實測中層風切變指數訂正模擬圖中的結果，采用IDW插值方法[21]繪制出湖北省70～120 m風切變指數分布(圖11)。從圖中可以看出，鄂中平原地區風切變指數最大，鄂西、鄂南部以及鄂北桐柏山一帶，風切變指數較低，在海拔較高的鄂西恩施地區風切變指數出現負值。

表5 湖北省近地層70～120 m實測與模擬風切變指數對比

圖11 湖北省近地層70～120 m風切變指數分布

對比以往風切變指數變化規律的研究，總結出表6。通過表6可以看出，盡管已有針對湖北省的風切變指數變化規律研究，但研究高度均在70/80 m以下，對現有的實際工程應用指導意義較小。本研究從實際應用的角度出發，開展了70～120/150 m高度風切變指數變化規律的研究，繪制出了湖北省70～120 m風切變指數分布圖。對于湖北省內低風速區域風能資源評價、風機選型、政府決策和企業選址具有重要意義。本研究對于其他省份開展分散式風能資源評價亦有指導意義，在無法新建測風塔開展實施觀測的情況下，應充分利用項目周邊測風塔70 m以上的實測數據結合數值模擬產品對中上層風速進行推算，必要時應對測風塔數據開展長年代分析，并對數值模擬結果進行修正，以進一步精確推算結果。

表6 風切變指數α特征研究對比

4 結論與討論

利用湖北省27座120 m以上測風塔為研究對象，研究了湖北省平原湖區和部分山區中層及上層風切變特征。

(1)風切變指數具有明顯的日變化特征，為夜間大白天小；四季中，中層風切變指數普遍在秋冬季最小，在春夏季最大。

(2)70 m以上風廓線較10～70 m變化更為復雜，且隨高度的增加，風切變指數逐漸減小，上層風切變指數明顯小于中層。山區中層平均風切變指數為0.12(0.05～0.16)，明顯低于平原湖區0.27(0.17～0.38)。

(3)中層風切變指數在較穩定狀態下的頻率最高，在不穩定條件下的頻率最低。穩定狀態下的風切變指數最大，不穩定狀態下最小。

(4)3.0 m/s以下、3.0～10.0 m/s及10.0 m/s以上3個風速段，風切變指數基本在70 m風速小于3.0 m/s時最低，在3.0～10.0 m/s與年平均最接近，山區10.0 m/s以上風速段的風切變指數最高。當風速大于10.0 m/s時，所有樣本中層風切變指數的變化范圍主要集中在0.05～0.35之間，且具有一定的離散性，隨著風速的增大，離散性越強。

(5)利用中國氣象局全國陸地風能資源的最新評估結果計算出27座測風塔中層模擬風切變指數，結果表明，模擬與實測風切變的偏差具有一定波動性，偏差范圍是-0.06～0.14。

湖北省70 m以上風切變指數具有一定的個體差異性，在推算不同高度層的風速時，不易采用單一的均值化風切變指數，且采用下層風速(低于70 m高度層)推算上層風速會導致誤差的增大。部分地區120 m以上風切變指數明顯減小，在140 m以上甚至出現負切變，因此在實際工程應用時，尤其是針對低風速風能資源較好的區域，不應盲目布設高塔筒風機。此外，由于目前收集到的丘陵山區地形測風塔數量有限，本文中的3座山區測風塔尚不足以代表鄂西、鄂西南等高海拔地區，未來將繼續收集新建測風塔數據，以完善該區域的模擬結果。