新疆百里風(fēng)區(qū)近地層垂直風(fēng)切變指數(shù)特征

孫淑芳，張廣興

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002）

20 世紀(jì)50 年代以來，由于航空的發(fā)展、高層建筑的修建和城市大氣污染的發(fā)生，風(fēng)隨高度的廓線直接影響近地面層生活的人們，地學(xué)界開始重視大氣邊界層的研究。最具劃時代意義的工作是Monin和Obukhov[1]1954 年提出了Monin-Obukhov 相似性理論，建立了近地層湍流統(tǒng)計量和平均量之間的聯(lián)系。Wyngaard[2]1971 年提出了局地自由對流近似，補充了近地面層相似理論。Dyer[3]等1982 年利用1976年在澳大利亞國際湍流實驗（ITCE）的數(shù)據(jù)對近地面層相似理論進(jìn)行了完善，使得該理論具有了極好的應(yīng)用價值。Neuwstadt[4]1984 年研究了穩(wěn)定的夜間邊界層的湍流結(jié)構(gòu)。Shao[5]1990 年研究了水平均勻邊界層的局部相似關(guān)系，進(jìn)一步探究了全邊界層的相似性理論。我國的胡隱樵等[6]開展了野外實驗，驗證了局地相似性理論，并建立了各種局地相似性理論之間的關(guān)系。張強[7]等對局地相似性理論在非均勻下墊面近地面層的適應(yīng)性做了一些研究。隨著研究的深入相似性理論也成了大氣邊界層氣象學(xué)中最主要的分析和研究手段之一。而相似性理論最重要的應(yīng)用就是近地面層平均風(fēng)速廓線分布，由此導(dǎo)出的風(fēng)切變指數(shù)在高層建筑物的荷載，風(fēng)電渦輪機的結(jié)構(gòu)和輸電線路的選址、架設(shè)運維方面得到了廣泛應(yīng)用，也是本文撰寫的理論基礎(chǔ)。有了風(fēng)切變指數(shù)，就可把一般氣象站標(biāo)準(zhǔn)10 m 高度測風(fēng)推算出高架設(shè)施高度的風(fēng)速；另一方面目前的WRF 模式采用σ坐標(biāo)，模式底部一般為30～60 m，就需要利用邊界層Monin-Obukhov 相似性理論的方法插值到10 m 風(fēng)向桿標(biāo)準(zhǔn)高度，風(fēng)切變指數(shù)就是風(fēng)廓線的風(fēng)速高度關(guān)系式，目前，區(qū)域數(shù)值模式對大風(fēng)區(qū)的10 m 風(fēng)速預(yù)報偏小[9]，部分原因是模式中適合大部分區(qū)域的風(fēng)廓線插值方案不能代表大風(fēng)區(qū)的風(fēng)廓線。

由此可見，α 是一個具有實際預(yù)報和工程建設(shè)應(yīng)用價值的重要參數(shù)，因此，往往在重要的區(qū)域建設(shè)鐵塔來觀測近地層風(fēng)廓線并計算風(fēng)切變指數(shù)，這方面各地做了不少工作。王志春等[8]計算了廣東省湛江市位于沿海徐聞?wù)镜娘L(fēng)切變指數(shù)。杜燕軍和馮長青[10]研究了內(nèi)蒙古地區(qū)不同地形地貌以及地面粗糙度條件下的風(fēng)切變指數(shù)；彭懷午等[11]分析了內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)的日和月時間變化；賀志明等[12]指出鄱陽湖區(qū)風(fēng)切變指數(shù)較平原地區(qū)明顯偏小。楊興華等開展的近地層、邊界層研究為本文提供了很好的參考[13-16]。金莉莉等[17]分析了烏魯木齊市近地層每座塔各層間風(fēng)切變指數(shù)以及主要特征，為本文提供了地理位置最近的參考范例。

中亞是寒潮冷空氣的關(guān)鍵區(qū)，冷空氣東移南下受天山阻攔易形成天山準(zhǔn)靜止鋒[18]，但冷空氣在天山山脈的博格達(dá)山與巴里坤山之間的七角井埡口可以翻山，在埡口南面的蘭新鐵路紅旗坎站至了墩站間123 km 寬度的背風(fēng)坡坡腳形成大風(fēng)區(qū)域，即通常所稱的“百里風(fēng)區(qū)”，地表為風(fēng)蝕戈壁地貌，最大風(fēng)速可達(dá)64 m·s-1，是12 級風(fēng)底限值的近兩倍[19]。該風(fēng)區(qū)具有風(fēng)速高、風(fēng)期長、季節(jié)性強、風(fēng)向穩(wěn)定、起風(fēng)速度快等規(guī)律[20]，也有大風(fēng)爆發(fā)迅速，低空風(fēng)速強勁的特點[21]。在百里風(fēng)區(qū)這樣的大風(fēng)區(qū)研究風(fēng)切變指數(shù)無論是預(yù)報理論還是工程實用都有意義，但目前研究尚少。

1 資料與方法

1.1 資料

百里風(fēng)區(qū)十三間房的測風(fēng)塔上測風(fēng)儀器分別安裝在10、30、50、70、100 m 共5 層。2009 年5 月（建塔并開始正常觀測）至2011 年1 月（停止觀測）20 個月逐時風(fēng)速資料，每層共14 000 個樣本，在統(tǒng)計上屬于大樣本，統(tǒng)計量具有代表性。取逐時10 min 平均風(fēng)速資料，對測風(fēng)塔原始數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行各層時間序列上一致性判斷，再進(jìn)行各層間的一致性判斷。然后再用十三間房氣象站（43°13′N，91°44′E；海拔高度721.4 m）經(jīng)過中國氣象局審核的資料進(jìn)行極值比對和合理性判斷，以此對所用資料進(jìn)行了質(zhì)量控制。10 min 平均風(fēng)速以時為統(tǒng)計單位，給出各層平均風(fēng)速，避免反復(fù)平均導(dǎo)致精度降低。

1.2 計算方法

在近地層中，風(fēng)速隨高度變化顯著。造成風(fēng)在近地層中垂直變化的原因有動力因素和熱力因素，前者主要來源于地面的摩擦效應(yīng)，即地面的粗糙度，后者主要是近地層大氣垂直穩(wěn)定度所致。當(dāng)大氣層結(jié)為中性時，湍流將完全依靠動力原因來發(fā)展，這時風(fēng)速隨高度變化服從普朗特[22]經(jīng)驗公式：

式中，k 為馮卡門（von Karman）常數(shù)，k=0.4；u*為摩擦速度，τ 為表面剪切應(yīng)力，ρ 為空氣密度。

圖1 測風(fēng)塔位置和測場地形地貌

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，實測數(shù)據(jù)檢驗結(jié)果表明，冪指數(shù)公式比對數(shù)公式能更精確地擬合風(fēng)速的垂直廓線，我國新修訂的《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[23]和《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》[24]（GB／T18710—2002）均推薦使用冪指數(shù)公式，其表達(dá)式為：

由公式（4）變形得到：

公式（6）用來計算各層間的風(fēng)切變指數(shù)α。

2 結(jié)果與分析

2.1 整層風(fēng)切變指數(shù)

圖2 十三間房（#31005）測風(fēng)塔風(fēng)廓線圖

風(fēng)切變指數(shù)不僅受周圍地形粗糙度的影響，更多的是受大氣層穩(wěn)定度影響。大氣層穩(wěn)定度隨著季節(jié)和天氣過程相關(guān)的氣象條件而變化。相較于其他地區(qū)，本文研究區(qū)域，晴天日數(shù)多，太陽輻射是最主要的因子。一日之內(nèi)，隨著日出，太陽高度角的增大，大氣層穩(wěn)定度由夜間的穩(wěn)定變?yōu)橹行院筒环€(wěn)定，湍流增強，上下層大氣混合，上下層風(fēng)速大小差別減少，根據(jù)公式（3）風(fēng)切變指數(shù)α 則變小。圖3 顯示一天內(nèi)風(fēng)速≥3 m·的風(fēng)切變指數(shù)和太陽輻射強度在時間上同步，這與沿海地區(qū)的結(jié)論較為一致[27，28]，也與金莉莉在烏魯木齊的研究結(jié)論一致[17]。8：00 左右日出后，隨著太陽高度角增大α 緩慢變小，14：00 α 最小，一直維持最小值到20：00 太陽落山，可以看到α 迅速增大，這和戈壁的地理環(huán)境相關(guān)。而大風(fēng)期間的α 值沒有明顯的日變化，因為，該地是大風(fēng)區(qū)，大風(fēng)的發(fā)生頻率較高，大風(fēng)及以上風(fēng)速湍流很強，其強度遠(yuǎn)超太陽輻射引起的湍流日變化，進(jìn)而導(dǎo)致α 值日變化不顯著。

圖3 風(fēng)切變指數(shù)日變化

圖4 給出了兩個風(fēng)速段的風(fēng)切變指數(shù)α 各月的值，代表了季節(jié)變化。可以看出，對于啟動風(fēng)速段，3—10 月α 維持較小值，究其原因，夏季氣溫高、日照時間長、湍流強、α 值小，物理意義與上一節(jié)分析的白天α 值小的原因一致。春秋，該地地處風(fēng)區(qū)風(fēng)口，寒潮強冷空氣活動頻繁，風(fēng)力強勁，使得這兩季風(fēng)切變指數(shù)α 值較小。1—2 月和11—12 月是該地的冬半年，天氣寒冷，太陽高度角變小，日照時間變短，湍流變?nèi)?，同時該地為吐鄯托盆地，冬季盆地特有的冷湖效應(yīng)使得邊界層內(nèi)100 m 塔高這一層大氣較為穩(wěn)定，因此α 值較大。在一年內(nèi)，該地風(fēng)切變指數(shù)α 最低的月份不僅和太陽輻射最高的月份吻合，也與當(dāng)?shù)氐睦淇諝饣顒酉嚓P(guān)，可見大風(fēng)區(qū)的風(fēng)切變指數(shù)α 要比一般沿海地區(qū)復(fù)雜。本文計算的風(fēng)切變指數(shù)α 的月和日變化規(guī)律與郭曉寧和保廣裕[29]在青海省格爾木站分析的太陽輻射特征有較好的反向相關(guān)性，說明本文的推論是正確的。

大風(fēng)風(fēng)速段風(fēng)切變指數(shù)α 值各月差異較小，但也可以看出冬季較大，其他三季較小，最小在8 月，其原因與上一節(jié)分析的一致，因為百里風(fēng)區(qū)的大風(fēng)天氣過程是高頻率事件且風(fēng)速很大，湍流很強，打破了太陽輻射季節(jié)的影響，使得風(fēng)切變指數(shù)α 季節(jié)特征不顯著。

2.2 層間風(fēng)切變指數(shù)分布特征

圖4 風(fēng)切變指數(shù)季節(jié)變化

實際的風(fēng)電場與輸電線路以及其他如高鐵經(jīng)過風(fēng)區(qū)的設(shè)施建設(shè)與運維，不僅要獲得總的風(fēng)切變指數(shù)α 值，以方便用常規(guī)的10 m 觀測的風(fēng)速計算出其他高度的風(fēng)速。更需要知道各層間的α 值，以便了解風(fēng)切變強度，避開風(fēng)速強切變層。由表1 可見，啟動風(fēng)速段的各層間的α 值，最小出現(xiàn)在100～70 m間，最大出現(xiàn)在50～30 m；大風(fēng)風(fēng)速段，最小出現(xiàn)在70～50 m，無獨有偶，最大也出現(xiàn)在50～30 m。這不是巧合，說明十三間房站，50～30 m 有一個風(fēng)速切變，也就是這兩層風(fēng)速差異較其他各層要大。

表1 十三間房測風(fēng)塔各層間風(fēng)切變指數(shù)

夜間和白天的各層間風(fēng)切變指數(shù)α 值平均后繪制圖5。由圖5a 可見白天各層間的α 值沿著高度逐步減小，說明白天由于太陽輻射使得大氣層趨于中性和不穩(wěn)定，湍流加強，上下層混合使得層間風(fēng)速差異減少，相對應(yīng)α 值各層較為均一，風(fēng)切變不顯著。而夜間，在50～30 m 間α 值出現(xiàn)最大值，表明在這一層有一個風(fēng)速切變。

由圖5b 可見，冬季的風(fēng)切變指數(shù)α 極值位于70～50 m，主要是因為盆地的冬季逆溫層較厚，使得70～50 m 和100～70 m 兩個層間α 值均較大。而夏季的極值在50～30 m。與圖5a 白天的極值出現(xiàn)原因相近，不再贅述。需要注意的是50～30 m 這一層，無論是日變化還是季節(jié)變化均存在一個拐點。

3 結(jié)論

利用吐鄯托盆地百里風(fēng)區(qū)的十三間房測風(fēng)塔僅有的一年半觀測資料，分析了風(fēng)區(qū)山盆地形和戈壁地貌條件下，啟動風(fēng)速段和大風(fēng)風(fēng)速段，整層和層間風(fēng)切變指數(shù)α 的分布規(guī)律以及日變化和季節(jié)變化特征，得到以下結(jié)論：

（1）啟動風(fēng)速段整層風(fēng)切變指數(shù)α 為0.084 5，大風(fēng)風(fēng)速段整層風(fēng)切變指數(shù)α 為0.036 4。2 個風(fēng)速段的各個層間風(fēng)切變指數(shù)α 最大值均出現(xiàn)在50～30 m，分別是0.109 6 和0.056 9。風(fēng)切變指數(shù)α 與風(fēng)速成反比關(guān)系，即風(fēng)速較小時風(fēng)切變指數(shù)α 較大，風(fēng)速較大時風(fēng)切變指數(shù)α 較小，較好體現(xiàn)了風(fēng)速越大垂直湍流交換越強，上下風(fēng)速更趨一致，進(jìn)而風(fēng)切變指數(shù)α 越小。

圖5 層間風(fēng)切變指數(shù)變化

（2）啟動風(fēng)速段的風(fēng)切變指數(shù)α 白天較小，夜間較大。隨著日出風(fēng)切變指數(shù)α 緩慢變小，直至當(dāng)?shù)貢r間正午，達(dá)到最小值。日落后α 迅速變大，在日落2 h 達(dá)到夜間的較大值。一日內(nèi)對應(yīng)于日出日落，α 日變化曲線接近一個正弦波形。各層間風(fēng)切變指數(shù)α 白天較為均一，夜晚在50～30 m 有一個極大值拐點，對應(yīng)夜晚在該層有一個風(fēng)速切變。大風(fēng)風(fēng)速段幾乎沒有日變化。

（3）風(fēng)切變指數(shù)α 無論啟動風(fēng)速段還是大風(fēng)風(fēng)速段均呈現(xiàn)出冬季大，夏季小的季節(jié)特征，但啟動風(fēng)速段季節(jié)特征更顯著。各層間的風(fēng)切變指數(shù)α 值，冬季的最大值在70～50 m，而夏季的極值在50～30 m，且存在顯著的拐點。