湖北省近地層風(fēng)切變特征

崔楊 陳正洪 何英杰 孟丹

(1 湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430205； 2 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049； 3 湖北省氣象能源技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，武漢 430205)

引言

近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)能資源的集中式開(kāi)發(fā)有效提高了能源替代速度。2016年國(guó)家發(fā)改委和能源局聯(lián)合發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[1]中指出，我國(guó)風(fēng)電開(kāi)發(fā)將逐步從“三北”地區(qū)的集中式開(kāi)發(fā)向用電消納集中的中東南部分散式風(fēng)電項(xiàng)目轉(zhuǎn)移。分散式風(fēng)電項(xiàng)目通常位于低風(fēng)速地區(qū)(低風(fēng)速是指標(biāo)準(zhǔn)空氣密度輪轂高度處年平均風(fēng)速不高于6.5 m/s，風(fēng)功率密度不高于320 W/m2的地區(qū)[2])，采用高塔筒大葉片風(fēng)電機(jī)組，輪轂高度通常在100 m以上甚至可達(dá)150 m。項(xiàng)目整體裝機(jī)規(guī)模較小，一般利用周邊已建成測(cè)風(fēng)塔結(jié)合再分析資料開(kāi)展風(fēng)能資源評(píng)估。而前期設(shè)立的測(cè)風(fēng)塔離地高度多集中在70 m以下，已無(wú)法滿足分散式風(fēng)能資源評(píng)價(jià)的實(shí)際需求。

風(fēng)切變指數(shù)能夠衡量風(fēng)速隨垂直高度變化的特征，與區(qū)域地形形態(tài)、海拔高度、地表粗糙度、天氣氣候條件等有著直接關(guān)系[3]，對(duì)于風(fēng)能資源評(píng)估、風(fēng)機(jī)選型、風(fēng)電場(chǎng)選址等具有重要意義[4]。許楊等[5]利用湖北省丘陵山區(qū)的12座70/80 m高測(cè)風(fēng)塔開(kāi)展風(fēng)能資源特征分析，并指出風(fēng)速隨高度的變化具有較大的差異性；龔強(qiáng)等[6]利用遼寧省26座10～70/100 m測(cè)風(fēng)塔研究了不同大氣穩(wěn)定度、季節(jié)等條件下的近地層風(fēng)切變特征，結(jié)果表明各測(cè)風(fēng)塔年風(fēng)切變指數(shù)變化范圍為0.024～0.405；劉敏等[7]利用湖北省3座70 m高測(cè)風(fēng)塔，研究了基于不同下墊面的風(fēng)速垂直變化特征，結(jié)果表明不同地形條件下的風(fēng)切變指數(shù)存在差異性；龔璽等[8]分析了我國(guó)基于不同下墊面和穩(wěn)定度條件下地面到100 m的風(fēng)切變指數(shù)變化情況，并指出如果按照風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中假設(shè)的風(fēng)切變指數(shù)0.2，一般會(huì)過(guò)高估計(jì)輪轂高度處的風(fēng)速；陳燕等[4]分析了江蘇省沿海地區(qū)的5座測(cè)風(fēng)塔，得到了不同地區(qū)及各高度層的風(fēng)切變指數(shù)變化規(guī)律。國(guó)外早有開(kāi)展上層風(fēng)切變指數(shù)的研究，Schwartz等[9]利用美國(guó)13座不同下墊面的50～110 m測(cè)風(fēng)塔，對(duì)比了多種風(fēng)切變指數(shù)計(jì)算方法的誤差與適應(yīng)性；Farrugia[10]研究了地中海氣候條件下的風(fēng)切變指數(shù)變化規(guī)律，并與傳統(tǒng)的固定取值1/7(約0.143)[11]做對(duì)比，結(jié)果顯示出較大的差異性；Dimitrov等[12]利用2個(gè)觀測(cè)站60～200 m的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了風(fēng)切變預(yù)測(cè)在風(fēng)機(jī)荷載同化中的應(yīng)用，并認(rèn)為陸面風(fēng)切變指數(shù)通常隨高度而變化，不應(yīng)盲目采用下層風(fēng)速推算上層風(fēng)速。Maeda等[13]以日本某處復(fù)雜地形為研究對(duì)象，通過(guò)冪指數(shù)率[11]計(jì)算方式將20～30 m高度處的風(fēng)速推算到100 m高度，結(jié)果實(shí)際風(fēng)速與推算風(fēng)速的誤差超過(guò)20%。

風(fēng)切變指數(shù)變化具有一定的時(shí)空差異性，利用傳統(tǒng)的固定值風(fēng)切變指數(shù)推算上層風(fēng)速會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。目前國(guó)內(nèi)少有針對(duì)近地層70 m以上風(fēng)切變特征的研究，本文基于湖北省內(nèi)27座離地高度為120～150 m的測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，分析風(fēng)切變指數(shù)在不同時(shí)空、穩(wěn)定度及風(fēng)速段條件下的差異性，并結(jié)合數(shù)值模擬資料繪制了湖北省70～120 m風(fēng)切變指數(shù)分布圖，以期為低風(fēng)速地區(qū)分散式風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)利用和風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率預(yù)測(cè)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 資料與方法

1.1 資料

1.1.1 測(cè)風(fēng)塔資料

以湖北省內(nèi)離地高度120～150 m的27座測(cè)風(fēng)塔為研究對(duì)象(表1) ，其中24座測(cè)風(fēng)塔(P1～P24)主要分布在中部和東南部平原湖區(qū)，3座測(cè)風(fēng)塔(M1～M3)位于丘陵山區(qū)(圖1)。27座測(cè)風(fēng)塔整體觀測(cè)時(shí)間在2016年2月至2020年3月之間，每個(gè)塔至少有1年測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。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(cè)風(fēng)塔分布

表1 湖北省27座離地120～150 m測(cè)風(fēng)塔信息

由于各測(cè)風(fēng)塔所具有的高度層存在差異，為便于分析，在每個(gè)地形和氣候條件相近的地區(qū)，篩選出數(shù)據(jù)完整率和質(zhì)量最好的塔作為典型測(cè)風(fēng)塔，最終篩選出6座測(cè)風(fēng)塔開(kāi)展季節(jié)和日分析。表2為本文分析中所采用的測(cè)風(fēng)塔數(shù)量。

表2 風(fēng)切變指數(shù)特征分析采用的項(xiàng)目與測(cè)風(fēng)塔數(shù)量

依據(jù)文獻(xiàn)[14]對(duì)27座測(cè)風(fēng)塔原始數(shù)據(jù)及各觀測(cè)層數(shù)據(jù)的完整性、合理性和時(shí)空一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻(xiàn)[15]對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù)和無(wú)效數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)訂正，對(duì)于觀測(cè)不滿1年的測(cè)風(fēng)塔，在經(jīng)過(guò)風(fēng)速顯著性及相關(guān)性檢驗(yàn)后(通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn))，利用周邊參證氣象站或相鄰測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行異塔插補(bǔ)訂正，補(bǔ)充為完整年。最終，27座測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速的有效數(shù)據(jù)完整率均達(dá)到97%以上。

1.1.2 數(shù)值模擬資料

利用中國(guó)氣象局發(fā)布的全國(guó)陸地風(fēng)能資源的最新評(píng)估結(jié)果“全國(guó)風(fēng)能資源高分辨率評(píng)估(2014)數(shù)據(jù)集”，該產(chǎn)品采用中尺度模式WRF和CALMET模式系統(tǒng)共同完成。物理過(guò)程參數(shù)化有：濕微物理過(guò)程參數(shù)化、邊界層物理過(guò)程參數(shù)化、積云參數(shù)化、云輻射參數(shù)化、土壤溫度模式、淺對(duì)流。投影方式采用LAMBERT投影，邊界層物理過(guò)程參數(shù)化使用MRF方案。評(píng)估結(jié)果包括湖北省70～150 m的30年平均風(fēng)速模擬數(shù)據(jù)，水平分辨率為1 km×1 km，其中70 m平均風(fēng)速模擬如圖2所示。

圖2 湖北省70 m數(shù)值模擬平均風(fēng)速

1.2 方法

1.2.1 風(fēng)切變指數(shù)計(jì)算方法

風(fēng)切變指數(shù)能夠反映近地層風(fēng)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(jié)狀態(tài)。風(fēng)切變指數(shù)的計(jì)算方法可以采用指數(shù)律或?qū)?shù)律，目前大多數(shù)研究均推薦采用指數(shù)律方法[7,12,15]，具體表達(dá)式為：

(1)

其中，V1和V2分別為高度Z1和Z2處的平均風(fēng)速(m/s)，α為風(fēng)切變指數(shù)。為了綜合反應(yīng)風(fēng)切變狀況，將式(1)兩邊取對(duì)數(shù)，進(jìn)而得到式(2):

(2)

(3)

本文利用式(3)計(jì)算70～100 m、70～120 m、70～140/150 m、120～140/150 m間的風(fēng)切變指數(shù)。

1.2.2 大氣穩(wěn)定度劃分方式

大氣穩(wěn)定度可以表征大氣湍流的強(qiáng)度，與風(fēng)切變指數(shù)密切相關(guān)。本研究采用Pasquill提出的分類法[16]，將大氣穩(wěn)定度分為強(qiáng)不穩(wěn)定(A)、不穩(wěn)定(B)、弱不穩(wěn)定(C)、中性(D)、較穩(wěn)定(E)和穩(wěn)定(F)6個(gè)等級(jí)。大氣穩(wěn)定度的分類方法有多種，本文采用基于云量、太陽(yáng)高度角的分類方式。首先，計(jì)算出太陽(yáng)高度角h0[17-18]，根據(jù)表3結(jié)合云量查出太陽(yáng)輻射等級(jí)數(shù)，再根據(jù)太陽(yáng)輻射等級(jí)數(shù)和地面風(fēng)速按照表4查找出對(duì)應(yīng)的大氣穩(wěn)定度等級(jí)。

表3 基于云量與太陽(yáng)高度角的太陽(yáng)輻射等級(jí)

表4 基于地面風(fēng)速與太陽(yáng)輻射等級(jí)的大氣穩(wěn)定度等級(jí)

2 近地層風(fēng)切變特征分析

考慮到風(fēng)切變指數(shù)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(cè)風(fēng)塔所處區(qū)域的氣候和地形條件，在每一個(gè)地形和氣候條件相近的地區(qū)，篩選出數(shù)據(jù)完整率和質(zhì)量最好的塔作為典型測(cè)風(fēng)塔，最終篩選出6座測(cè)風(fēng)塔開(kāi)展季節(jié)和日分析，并針對(duì)上、中、下層的風(fēng)速變化特征展開(kāi)對(duì)比分析。

2.1 風(fēng)切變的時(shí)間變化特征

2.1.1 年、季風(fēng)切變指數(shù)變化

由圖3a可以看出，各測(cè)風(fēng)塔的年風(fēng)切變指數(shù)差異較大，變化范圍是0.05～0.39。結(jié)合圖1和表1可見(jiàn)，位于平原湖區(qū)的測(cè)風(fēng)塔年平均風(fēng)切變指數(shù)普遍高于山區(qū)，且各地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)具有明顯的差異性。3座山區(qū)測(cè)風(fēng)塔年平均風(fēng)切變指數(shù)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(qū)測(cè)風(fēng)塔年平均風(fēng)切變指數(shù)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(cè)風(fēng)塔春夏季風(fēng)切變指數(shù)普遍略高。各地區(qū)位于中層的四季風(fēng)切變指數(shù)具有一定差異性，且山區(qū)的風(fēng)切變指數(shù)明顯低于平原湖區(qū)，在沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，需謹(jǐn)慎使用固定經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行風(fēng)速推算。

圖3 湖北省近地層測(cè)風(fēng)塔年(a)、季(b)平均風(fēng)切變指數(shù)

2.1.2 風(fēng)切變指數(shù)的日變化

圖4所示為6座典型測(cè)風(fēng)塔70～120 m年風(fēng)切變指數(shù)日變化?？梢钥闯?，不同地區(qū)的風(fēng)切變指數(shù)具有明顯的日變化特征，除位于山區(qū)的M2、M3測(cè)風(fēng)塔日變化趨勢(shì)較為平緩?fù)猓渌?座測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)切變指數(shù)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(dǎo)致上下層間的風(fēng)速差較小。山區(qū)測(cè)風(fēng)塔的日風(fēng)切變指數(shù)明顯低于平原地區(qū)，且地處海拔高度超500 m的M2和M3白天和夜間的風(fēng)切變指數(shù)差異較小，這或許是因?yàn)閺?fù)雜地形條件有利于加劇近地層大氣湍流的交換，導(dǎo)致垂直風(fēng)切變指數(shù)整體較小。

圖4 湖北省近地層測(cè)風(fēng)塔風(fēng)切變指數(shù)的日變化

2.2 風(fēng)切變指數(shù)的空間變化特征

2.2.1 風(fēng)速隨高度整體變化特征

大氣邊界層的風(fēng)場(chǎng)分布不僅受大型天氣系統(tǒng)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(fēng)場(chǎng)具有不同的水平、垂直結(jié)構(gòu)以及時(shí)間變化特征[19]。圖5為6座典型測(cè)風(fēng)塔年平均風(fēng)速垂直廓線，可以看出，各測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速隨高度變化具有一定的差異性，基本遵循冪指數(shù)規(guī)律，下層風(fēng)速受到下墊面的影響導(dǎo)致風(fēng)切變較上層偏大。且不同的海拔高度也會(huì)影響風(fēng)速隨高度的變化程度，如地處山區(qū)且海拔相對(duì)較高的M2，高度超過(guò)50 m后，風(fēng)速隨高度變化較小，M3各層風(fēng)速明顯高于其他測(cè)風(fēng)塔。P19在140～150 m處出現(xiàn)負(fù)切變。一般情況下，近地層風(fēng)速因地形原因被加速，而更高層的風(fēng)速未受到加速或加速較少，導(dǎo)致風(fēng)速隨高度增高而增大的效應(yīng)不明顯。

圖5 湖北省近地層測(cè)風(fēng)塔年平均風(fēng)速垂直風(fēng)廓線

2.2.2 70 m以上風(fēng)切變特征

分析27座測(cè)風(fēng)塔70～100 m、70～120 m、70～140/150 m及120～140/150 m高度間的風(fēng)切變指數(shù)變化特征(圖6)可以看出，除P24外，70 m至各高度層的風(fēng)切變指數(shù)基本隨高度的增加而降低。各測(cè)風(fēng)塔70～100 m的風(fēng)切變指數(shù)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(fēng)切變指數(shù)變化

2.3 不同穩(wěn)定度下的風(fēng)切變指數(shù)

為更有針對(duì)性地研究低風(fēng)速地區(qū)中層高度不同大氣穩(wěn)定度下風(fēng)切變指數(shù)分布情況，分析了6座典型測(cè)風(fēng)塔在不同穩(wěn)定度下風(fēng)切變指數(shù)α的分布情況(圖7)?？紤]到《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》[14]中將風(fēng)切變指數(shù)取值為1/7(約0.143)，因此將風(fēng)切變指數(shù)分為4個(gè)等級(jí)?？梢钥闯?，α在較穩(wěn)定狀態(tài)下的頻率最高，為59%(P19)～75%(M3、P24)，除P7外，其他5座測(cè)風(fēng)塔在不穩(wěn)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(wěn)定條件下的頻率次高；各測(cè)風(fēng)塔在不穩(wěn)定條件下的頻率最低(均不超過(guò)5%)；穩(wěn)定等級(jí)的頻率次低，在1%(M3)～9%(P19)之間。通過(guò)圖8可以看出，除位于山區(qū)的M3外，其他5座測(cè)風(fēng)塔均在穩(wěn)定條件下風(fēng)切變指數(shù)最大，不穩(wěn)定條件下最小。說(shuō)明在不穩(wěn)定條件下大氣湍流作用強(qiáng)、垂直動(dòng)量交換較大，造成上下層間的風(fēng)速差小。其中，M2在該條件下出現(xiàn)負(fù)值，更進(jìn)一步說(shuō)明了上下層混合交換強(qiáng)烈情況下，會(huì)出現(xiàn)低層風(fēng)速大于高層風(fēng)速的情況。

圖7 湖北省近地層低風(fēng)速地區(qū)不同大氣穩(wěn)定度下整體風(fēng)切變指數(shù)頻率分布

圖8 湖北省近地層低風(fēng)速地區(qū)不同穩(wěn)定度條件下的風(fēng)切變指數(shù)

2.4 不同風(fēng)速段下的風(fēng)切變指數(shù)

考慮到目前主流陸地風(fēng)機(jī)機(jī)型的切入風(fēng)速在3.0 m/s左右，額定風(fēng)速在10.0 m/s左右，因此將各測(cè)風(fēng)塔70 m高度處的平均風(fēng)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(jì)算出3個(gè)風(fēng)速段下各測(cè)風(fēng)塔中層風(fēng)切變指數(shù)(圖9)。可以看出，除P12外，大部分測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)切變指數(shù)均在70 m風(fēng)速小于3.0 m/s時(shí)最低。3.0～10.0 m/s風(fēng)速段的風(fēng)切變指數(shù)變化趨勢(shì)與年平均最接近。

圖9 湖北省近地層不同風(fēng)速段下的風(fēng)切變指數(shù)

以各測(cè)風(fēng)塔70 m高小時(shí)平均風(fēng)速≥10.0 m/s的風(fēng)速為樣本，單獨(dú)分析大風(fēng)條件下的中層風(fēng)切變特征，滿足該條件的樣本數(shù)為2886個(gè)(圖10)?？梢钥闯?，70 m高度處的最大風(fēng)速為19.4 m/s，對(duì)應(yīng)中層風(fēng)切變指數(shù)為0.17。所有樣本風(fēng)切變指數(shù)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(jiàn)風(fēng)速的垂直變化具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，這一范圍隨風(fēng)速的增加逐漸向中間區(qū)域聚攏，在風(fēng)速>16.0 m/s以后，不再有負(fù)切變出現(xiàn)。

圖10 湖北省近地層70 m高度小時(shí)平均風(fēng)速≥10.0 m/s的中層風(fēng)切變指數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比與應(yīng)用

將27座測(cè)風(fēng)塔中層實(shí)際風(fēng)切變指數(shù)與計(jì)算出的相應(yīng)位置模擬風(fēng)切變指數(shù)做對(duì)比(表5)。平原湖區(qū)24個(gè)測(cè)風(fēng)塔位置中，雖然實(shí)測(cè)值與模擬值相關(guān)系數(shù)高，通過(guò)了信度99%的顯著性檢驗(yàn)，但實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)值大于模擬值的有18處，占比75%，其中東部地區(qū)(P17～P22，P19除外)、中部地區(qū)(P1～P5，P3除外)的模擬結(jié)果普遍最好，中部平原有6座測(cè)風(fēng)塔的實(shí)測(cè)與模擬風(fēng)切變指數(shù)偏差接近或超過(guò)0.1，原因:①中部平原的模擬風(fēng)速普遍較實(shí)際偏大，②個(gè)別測(cè)風(fēng)塔的實(shí)際風(fēng)切變指數(shù)與周圍測(cè)風(fēng)塔差異較大，這可能與觀測(cè)年、儀器測(cè)量誤差或局地小氣候特征有關(guān)。另外3座山區(qū)測(cè)風(fēng)塔的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)非常接近，偏差不超過(guò)0.03。

利用湖北省數(shù)值模擬70～120 m風(fēng)速推算出全省風(fēng)切變指數(shù)分布。根據(jù)表5實(shí)測(cè)與模擬風(fēng)切變指數(shù)對(duì)比結(jié)果，以111°30′E為界線，以西地區(qū)的山區(qū)以及湖北省北部桐柏山、南部通山一帶的山區(qū)不做風(fēng)切變指數(shù)訂正。利用中部平原地區(qū)的實(shí)測(cè)中層風(fēng)切變指數(shù)訂正模擬圖中的結(jié)果，采用IDW插值方法[21]繪制出湖北省70～120 m風(fēng)切變指數(shù)分布(圖11)。從圖中可以看出，鄂中平原地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)最大，鄂西、鄂南部以及鄂北桐柏山一帶，風(fēng)切變指數(shù)較低，在海拔較高的鄂西恩施地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)出現(xiàn)負(fù)值。

表5 湖北省近地層70～120 m實(shí)測(cè)與模擬風(fēng)切變指數(shù)對(duì)比

圖11 湖北省近地層70～120 m風(fēng)切變指數(shù)分布

對(duì)比以往風(fēng)切變指數(shù)變化規(guī)律的研究，總結(jié)出表6。通過(guò)表6可以看出，盡管已有針對(duì)湖北省的風(fēng)切變指數(shù)變化規(guī)律研究，但研究高度均在70/80 m以下，對(duì)現(xiàn)有的實(shí)際工程應(yīng)用指導(dǎo)意義較小。本研究從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，開(kāi)展了70～120/150 m高度風(fēng)切變指數(shù)變化規(guī)律的研究，繪制出了湖北省70～120 m風(fēng)切變指數(shù)分布圖。對(duì)于湖北省內(nèi)低風(fēng)速區(qū)域風(fēng)能資源評(píng)價(jià)、風(fēng)機(jī)選型、政府決策和企業(yè)選址具有重要意義。本研究對(duì)于其他省份開(kāi)展分散式風(fēng)能資源評(píng)價(jià)亦有指導(dǎo)意義，在無(wú)法新建測(cè)風(fēng)塔開(kāi)展實(shí)施觀測(cè)的情況下，應(yīng)充分利用項(xiàng)目周邊測(cè)風(fēng)塔70 m以上的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值模擬產(chǎn)品對(duì)中上層風(fēng)速進(jìn)行推算，必要時(shí)應(yīng)對(duì)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)開(kāi)展長(zhǎng)年代分析，并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行修正，以進(jìn)一步精確推算結(jié)果。

表6 風(fēng)切變指數(shù)α特征研究對(duì)比

4 結(jié)論與討論

利用湖北省27座120 m以上測(cè)風(fēng)塔為研究對(duì)象，研究了湖北省平原湖區(qū)和部分山區(qū)中層及上層風(fēng)切變特征。

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

(2)70 m以上風(fēng)廓線較10～70 m變化更為復(fù)雜，且隨高度的增加，風(fēng)切變指數(shù)逐漸減小，上層風(fēng)切變指數(shù)明顯小于中層。山區(qū)中層平均風(fēng)切變指數(shù)為0.12(0.05～0.16)，明顯低于平原湖區(qū)0.27(0.17～0.38)。

(3)中層風(fēng)切變指數(shù)在較穩(wěn)定狀態(tài)下的頻率最高，在不穩(wěn)定條件下的頻率最低。穩(wěn)定狀態(tài)下的風(fēng)切變指數(shù)最大，不穩(wěn)定狀態(tài)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(gè)風(fēng)速段，風(fēng)切變指數(shù)基本在70 m風(fēng)速小于3.0 m/s時(shí)最低，在3.0～10.0 m/s與年平均最接近，山區(qū)10.0 m/s以上風(fēng)速段的風(fēng)切變指數(shù)最高。當(dāng)風(fēng)速大于10.0 m/s時(shí)，所有樣本中層風(fēng)切變指數(shù)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(fēng)速的增大，離散性越強(qiáng)。

(5)利用中國(guó)氣象局全國(guó)陸地風(fēng)能資源的最新評(píng)估結(jié)果計(jì)算出27座測(cè)風(fēng)塔中層模擬風(fēng)切變指數(shù)，結(jié)果表明，模擬與實(shí)測(cè)風(fēng)切變的偏差具有一定波動(dòng)性，偏差范圍是-0.06～0.14。

湖北省70 m以上風(fēng)切變指數(shù)具有一定的個(gè)體差異性，在推算不同高度層的風(fēng)速時(shí)，不易采用單一的均值化風(fēng)切變指數(shù)，且采用下層風(fēng)速(低于70 m高度層)推算上層風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致誤差的增大。部分地區(qū)120 m以上風(fēng)切變指數(shù)明顯減小，在140 m以上甚至出現(xiàn)負(fù)切變，因此在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，尤其是針對(duì)低風(fēng)速風(fēng)能資源較好的區(qū)域，不應(yīng)盲目布設(shè)高塔筒風(fēng)機(jī)。此外，由于目前收集到的丘陵山區(qū)地形測(cè)風(fēng)塔數(shù)量有限，本文中的3座山區(qū)測(cè)風(fēng)塔尚不足以代表鄂西、鄂西南等高海拔地區(qū)，未來(lái)將繼續(xù)收集新建測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，以完善該區(qū)域的模擬結(jié)果。