“蘇迪羅”臺(tái)風(fēng)影響期間不同下墊面風(fēng)特性分析

文|陳秋陽(yáng)，李陽(yáng)春，杜偉安，鄭海，高峰

近年來(lái)全球海上風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展迅速，2018年，歐洲海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)265萬(wàn)千瓦，我國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的165.5萬(wàn)千瓦。相比歐洲，我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展面臨著西北太平洋熱帶氣旋的考驗(yàn)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)選址、機(jī)組設(shè)計(jì)和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行也提出了更高的要求，因此對(duì)熱帶氣旋相關(guān)的氣候規(guī)律、風(fēng)參數(shù)變化特征等進(jìn)行研究就顯得十分重要。

目前已有很多關(guān)于臺(tái)風(fēng)以及其對(duì)風(fēng)電工程影響的研究成果，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31519－2015《臺(tái)風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組》也于2015年正式發(fā)布。研究表明，臺(tái)風(fēng)影響過(guò)程中極端風(fēng)速、異常湍流和突變風(fēng)向是風(fēng)電機(jī)組易受破壞的主要原因。臺(tái)風(fēng)期間極端風(fēng)速大且風(fēng)速變化快，臺(tái)風(fēng)中心附近近地層的湍流強(qiáng)度可異常增大到0.6～0.9，且臺(tái)風(fēng)中心靠近時(shí)底層和高層的湍流強(qiáng)度變化并不同步。但現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)速風(fēng)向的變化率、湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變指數(shù)等的量化描述還不夠完善，對(duì)臺(tái)風(fēng)期間不同下墊面的風(fēng)特性對(duì)比分析還缺乏更細(xì)致的研究。

本文基于臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”期間位于不同區(qū)域、不同下墊面的3座測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)臺(tái)風(fēng)期間不同下墊面的近地層風(fēng)速風(fēng)向變化率、湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變指數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)的變化特征進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)近地層風(fēng)特性與不同下墊面之間的關(guān)系進(jìn)行討論，得出具有一定代表性的結(jié)論和變化規(guī)律，以期為海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃選址、風(fēng)電機(jī)組抗臺(tái)設(shè)計(jì)和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行提出合理化建議。

數(shù)據(jù)說(shuō)明

一、臺(tái)風(fēng)實(shí)例和觀測(cè)數(shù)據(jù)選取

臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”于2015年8月8日晚22時(shí)10分以中心附近最大風(fēng)力13級(jí)（38m/s）在福建省莆田市秀嶼區(qū)登陸，隨后進(jìn)入福建和江西境內(nèi)，強(qiáng)度逐漸減弱。有2座位于福建近海海島的測(cè)風(fēng)塔，以及1座位于浙江南部復(fù)雜山地的測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)到了本次臺(tái)風(fēng)期間的風(fēng)況數(shù)據(jù)。

圖1 臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”與測(cè)風(fēng)塔相對(duì)位置示意圖

表1 測(cè)風(fēng)塔基本信息

1#測(cè)風(fēng)塔位于福建莆田平海灣的海島上，周圍為平坦的洋面，周邊10km內(nèi)無(wú)陸地或島嶼影響；2#測(cè)風(fēng)塔位于福建平潭的小島上，其南側(cè)約2km處為最高海拔超過(guò)200m的大練島，東南側(cè)約5.5km處為平潭縣，當(dāng)南部來(lái)風(fēng)時(shí)測(cè)風(fēng)塔受大練島的影響較大；3#測(cè)風(fēng)塔位于浙江南部復(fù)雜山地的山脊上，測(cè)風(fēng)塔周圍2km內(nèi)海拔落差約700m，坡度較大，地形復(fù)雜，地表植被為茂密的樹(shù)林。臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”的移動(dòng)路徑與3座測(cè)風(fēng)塔的相對(duì)位置如圖1所示，3座測(cè)風(fēng)塔的基本信息如表1所示，測(cè)風(fēng)塔周圍的地形特征如圖2－圖4所示。

二、臺(tái)風(fēng)期間樣本選取

當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)先后遭遇臺(tái)風(fēng)前部的外圍大風(fēng)區(qū)、臺(tái)風(fēng)眼、臺(tái)風(fēng)后部的外圍大風(fēng)區(qū)時(shí)，風(fēng)速一般呈雙峰型，臺(tái)風(fēng)登陸后強(qiáng)度快速減弱，臺(tái)風(fēng)后部峰值會(huì)不明顯，風(fēng)速呈單峰型；當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)位于臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)路徑的右側(cè)時(shí)，風(fēng)向整體呈順時(shí)針變化，變化角度超過(guò)150°。氣壓呈漏斗狀，登陸期間最低。

臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”經(jīng)過(guò)期間3座測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速、風(fēng)向變化時(shí)序圖如圖5－圖7所示。從風(fēng)速變化趨勢(shì)來(lái)看，1#和2#測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速呈雙峰型，但第二個(gè)波峰都較弱，波谷處10min平均風(fēng)速分別為11.9m/s和17.6m/s，分析判斷1#測(cè)風(fēng)塔的觀測(cè)數(shù)據(jù)包含了臺(tái)風(fēng)中心眼區(qū)和外圍大風(fēng)區(qū)；2#測(cè)風(fēng)塔獲取的數(shù)據(jù)受臺(tái)風(fēng)眼區(qū)影響較小；3#測(cè)風(fēng)塔由于距離臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑較遠(yuǎn)，僅受外圍大風(fēng)區(qū)影響，風(fēng)速整體先升后降，下降過(guò)程中出現(xiàn)多次明顯的大幅振蕩，主要原因是其所處的山地地形復(fù)雜，隨著風(fēng)向的變化會(huì)存在不同的地形加速效應(yīng)。從風(fēng)向變化趨勢(shì)來(lái)看，3座測(cè)風(fēng)塔都位于臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)路徑的右側(cè)，風(fēng)向均呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度基本在170°～190°之間。

據(jù)此，本文將基于3座測(cè)風(fēng)塔受臺(tái)風(fēng)影響期間約72小時(shí)的數(shù)據(jù)，對(duì)其風(fēng)速風(fēng)向變化速率、湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變指數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)等近地層風(fēng)參數(shù)進(jìn)行分析。

圖2 1#測(cè)風(fēng)塔周圍地形示意圖

圖3 2#測(cè)風(fēng)塔周圍地形示意圖

圖4 3#測(cè)風(fēng)塔周圍地形示意圖

臺(tái)風(fēng)影響期間風(fēng)特性分析

一、風(fēng)速和風(fēng)向變化率

極端風(fēng)速和風(fēng)向突變是臺(tái)風(fēng)影響過(guò)程中風(fēng)電機(jī)組易受破壞的主要原因，對(duì)3座測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速、風(fēng)向10min變化率的最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2和表3所示。

圖5 1#測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速風(fēng)向變化時(shí)序圖

圖6 2#測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速風(fēng)向變化時(shí)序圖

圖7 3#測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速風(fēng)向變化時(shí)序圖

表2 測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速10min變化極值信息

表3 測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向10min變化極值信息

（1）3座測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)瞬時(shí)極大風(fēng)速分別為50.2m/s、49.0m/s和43.8m/s，10min平均最大風(fēng)速分別為41.5m/s、40.2m/s和31.6m/s。極大風(fēng)速均出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)中心抵達(dá)前七級(jí)風(fēng)圈內(nèi)的風(fēng)速上升段，也即風(fēng)速的第一個(gè)波峰值。

（2）3座測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速10min變化的最大值均發(fā)生在氣壓的上升段，即臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過(guò)之后，此時(shí)風(fēng)速處于減弱階段，說(shuō)明臺(tái)風(fēng)后段風(fēng)速下降的速率較前段上升的速率快；此外，1#測(cè)風(fēng)塔對(duì)應(yīng)的風(fēng)向10min偏轉(zhuǎn)角度達(dá)35.3°，即風(fēng)速急劇下降的同時(shí)，風(fēng)向也發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)。

（3）從風(fēng)向的整體偏轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)和偏轉(zhuǎn)角度來(lái)看，測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向的變化速率隨著與臺(tái)風(fēng)中心距離的增加呈逐漸減小的趨勢(shì)。1#測(cè)風(fēng)塔距離臺(tái)風(fēng)中心最近，其風(fēng)向的10min偏轉(zhuǎn)角度最大達(dá)54.2°，而距離臺(tái)風(fēng)中心相對(duì)較遠(yuǎn)的2#和3#測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)向10min偏轉(zhuǎn)角度均不超過(guò)20°。由此可知，距離臺(tái)風(fēng)中心越近，其風(fēng)向突變?cè)矫黠@，對(duì)風(fēng)電機(jī)組在強(qiáng)風(fēng)下的變槳和偏航等控制能力要求越高。

二、湍流強(qiáng)度

大氣湍流強(qiáng)度表示瞬時(shí)風(fēng)速偏離均值的程度，是評(píng)價(jià)氣流穩(wěn)定程度的指標(biāo)。湍流強(qiáng)度與地理位置、地形、地表粗糙度和天氣系統(tǒng)類型等因素有關(guān)。測(cè)風(fēng)儀湍流強(qiáng)度的計(jì)算方法如下：

式中，V為10min平均風(fēng)速（m/s），σv為該10min內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差。3座測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的湍流強(qiáng)度分布如圖8－圖10所示，測(cè)風(fēng)塔湍流強(qiáng)度超過(guò)IEC曲線的數(shù)據(jù)比例如表4所示。

對(duì)比3座測(cè)風(fēng)塔在臺(tái)風(fēng)期間的實(shí)測(cè)湍流強(qiáng)度大小，發(fā)現(xiàn)位于海面的1#測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)湍流強(qiáng)度在0.05～0.18之間，位于海島的2#測(cè)風(fēng)塔在0.08～0.3之間，位于復(fù)雜山地多植被區(qū)域的3#測(cè)風(fēng)塔在0.1～0.5之間。說(shuō)明對(duì)于粗糙度較小的海洋下墊面，臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的湍流變化較小；下墊面粗糙度越大，湍流增加越明顯，尤其是復(fù)雜的山地地形，其增幅更大。對(duì)于受周邊海島影響的海上風(fēng)電場(chǎng)，在前期評(píng)估時(shí)應(yīng)充分考慮臺(tái)風(fēng)可能帶來(lái)的不利影響，而復(fù)雜山地的陸上風(fēng)電場(chǎng)，對(duì)于臺(tái)風(fēng)的風(fēng)險(xiǎn)影響評(píng)估需更加慎重。

此外，受臺(tái)風(fēng)影響期間全風(fēng)速段湍流呈現(xiàn)隨風(fēng)速增大“上翹”或“異常突起”的特征，因此對(duì)于海上風(fēng)電項(xiàng)目，在風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算時(shí)若僅采用15m/s的代表湍流強(qiáng)度，勢(shì)必會(huì)存在一定的局限性或不確定性。

圖8 1#測(cè)風(fēng)塔湍流強(qiáng)度時(shí)序變化圖（左）和隨風(fēng)速分布圖（右）

圖9 2#測(cè)風(fēng)塔湍流強(qiáng)度時(shí)序變化圖（左）和隨風(fēng)速分布圖（右）

圖10 3#測(cè)風(fēng)塔湍流強(qiáng)度時(shí)序變化圖（左）和隨風(fēng)速分布圖（右）

圖11 1#測(cè)風(fēng)塔風(fēng)切變變化趨勢(shì)圖

圖12 2#測(cè)風(fēng)塔風(fēng)切變變化趨勢(shì)圖

圖13 3#測(cè)風(fēng)塔風(fēng)切變變化趨勢(shì)圖

表4 測(cè)風(fēng)塔湍流強(qiáng)度超過(guò)IEC曲線的數(shù)據(jù)比例

圖14 陣風(fēng)系數(shù)隨高度變化趨勢(shì)圖

圖15 陣風(fēng)系數(shù)隨風(fēng)速變化趨勢(shì)圖

三、風(fēng)切變指數(shù)

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，采用冪指數(shù)公式計(jì)算分析風(fēng)速隨高度的變化：

式中，u為z高度處的風(fēng)速，u1為z1高度處的風(fēng)速，α為風(fēng)切變指數(shù)。3座測(cè)風(fēng)塔不同高度層之間綜合風(fēng)切變指數(shù)的時(shí)序分布如圖11－13所示。

可以看出，1#和2#測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)切變受臺(tái)風(fēng)影響不大，平均風(fēng)切變分別為0.071和0.070，風(fēng)切變較正常時(shí)期差異不大，其中位于海島的2#測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)切變?cè)谑芘_(tái)風(fēng)中心影響時(shí)略有升高；位于復(fù)雜山地地形的3#測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)切變?cè)谂_(tái)風(fēng)中心遠(yuǎn)離期間明顯變大，最大超過(guò)0.7，平均風(fēng)切變?yōu)?.198。說(shuō)明平坦簡(jiǎn)單地形的下墊面，臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)切變未呈現(xiàn)明顯的變化；而復(fù)雜山地地形，臺(tái)風(fēng)會(huì)引起風(fēng)切變的突變，極端切變很大。

四、陣風(fēng)系數(shù)

陣風(fēng)系數(shù)是10min時(shí)間段內(nèi)最大瞬時(shí)風(fēng)速（3s）與平均風(fēng)速之間的比值，陣風(fēng)系數(shù)是表征風(fēng)速脈動(dòng)特征的參數(shù)，可以簡(jiǎn)單直觀地表征臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)的陣性特點(diǎn)，其計(jì)算公式為：

式中，G為陣風(fēng)系數(shù)，V10min為10min平均風(fēng)速，max(V3s)為最大瞬時(shí)風(fēng)速（3s）。3座測(cè)風(fēng)塔的陣風(fēng)系數(shù)隨高度的變化以及隨風(fēng)速的變化如圖14和圖15所示。由此可知：

（1）測(cè)風(fēng)塔的陣風(fēng)系數(shù)一般隨著高度的上升逐漸減小，隨風(fēng)速的增加也有逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)速增大到某一閾值后，陣風(fēng)系數(shù)基本穩(wěn)定在一定幅度內(nèi)。

（2）對(duì)比3座測(cè)風(fēng)塔臺(tái)風(fēng)期間陣風(fēng)系數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)位于海洋下墊面的1#測(cè)風(fēng)塔不同高度陣風(fēng)系數(shù)在1.15～1.2之間，2#海島測(cè)風(fēng)塔則在1.25～1.3之間，3#復(fù)雜山地地形測(cè)風(fēng)塔在1.3～1.55之間，說(shuō)明下墊面粗糙度越小，陣風(fēng)系數(shù)越??；反之，粗糙度越大，地形越復(fù)雜，陣風(fēng)系數(shù)變化越大，增加明顯。

（3）由于下墊面粗糙度的差異，陣風(fēng)系數(shù)隨風(fēng)速的變化趨勢(shì)也呈現(xiàn)出不同特征。海洋下墊面陣風(fēng)系數(shù)隨風(fēng)速的變化基本呈平緩趨勢(shì)；對(duì)于海島下墊面，低風(fēng)速段陣風(fēng)系數(shù)較大，隨著風(fēng)速的增大趨于平緩；對(duì)于山地復(fù)雜地形，不同風(fēng)速下的陣風(fēng)系數(shù)波動(dòng)變化明顯。

結(jié)論

本文基于臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”影響期間位于不同下墊面的3座測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)臺(tái)風(fēng)期間不同下墊面的近地層風(fēng)特性變化特征進(jìn)行了分析。臺(tái)風(fēng)期間極端風(fēng)速大，風(fēng)速、風(fēng)向變化快，湍流強(qiáng)度等受下墊面的影響也較大。基于此，在風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃和選址時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合周圍地形充分考慮臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)參數(shù)急劇變化帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)；在風(fēng)電機(jī)組抗臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮極端風(fēng)況下部件的受載能力、控制策略的執(zhí)行力等；在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維過(guò)程中，應(yīng)積極做好臺(tái)風(fēng)預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)。

因本文采用的臺(tái)風(fēng)實(shí)例樣本量較少，且收集到數(shù)據(jù)精度有限，分析結(jié)果和變化規(guī)律僅具有一定的代表性。下一步需要對(duì)更多的實(shí)測(cè)樣本案例以及更為精細(xì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)和完善，以得到更具普適性的結(jié)論、規(guī)律和分析方法。