達(dá)坂城河谷復(fù)雜地形風(fēng)工程參數(shù)特性研究

蘇小嵐，辛 渝，張宏杰，余行杰，趙逸舟，李元鵬

(1.新疆維吾爾自治區(qū)氣象服務(wù)中心，烏魯木齊 830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002；3.中國電力科學(xué)研究院，北京 100055；4.新疆氣候中心，烏魯木齊 830002；5.新疆維吾爾自治區(qū)氣象局，烏魯木齊 830002)

引 言

發(fā)展可再生能源是應(yīng)對氣候變化,優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),解決能源和環(huán)境問題的關(guān)鍵。風(fēng)能是一種可再生的清潔能源[1]，風(fēng)力發(fā)電作為無污染可再生能源，已逐漸成為許多國家能源戰(zhàn)略可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分[2]。為了科學(xué)開發(fā)利用好風(fēng)能資源，需要對當(dāng)?shù)仫L(fēng)的特性及其對風(fēng)電設(shè)備的影響開展分析研究。比如對風(fēng)區(qū)中諸如風(fēng)力機(jī)組選型設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)葉片的非定常載荷設(shè)計(jì)[3-8]等諸多規(guī)范中涉及的近地邊界層內(nèi)風(fēng)的湍流特征，以及與風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)換效率設(shè)計(jì)和抗疲勞設(shè)計(jì)有關(guān)的風(fēng)攻角等分布特征[6-9]及其對風(fēng)電工程的影響等需要開展科學(xué)分析研究。我國對類似大型圍欄、橋梁、風(fēng)機(jī)等抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子(Gu，下同)的估算，按平坦均勻下墊面4類動(dòng)力學(xué)粗糙度(z0，下同)條件估算出離地10-200 m各高度層順風(fēng)向平均湍流強(qiáng)度(Iu，下同)、離地面5-300 m各高度層的Gu[10]。其中z0的區(qū)分，又主要按地物高矮稀密程度定性給出[10]。實(shí)際案例表明，z0自由度大，由z0推算得出的Gu或湍流強(qiáng)度非常粗糙[11]。另外，目前對非定常、非均勻的復(fù)雜下墊面在劇烈天氣過程中對邊界層氣象要素影響的研究尚不成熟，相關(guān)的風(fēng)觀測研究及歷史資料的積累極少。部分沿海區(qū)域及內(nèi)陸對大風(fēng)天氣下的湍流研究，基本也僅基于單部測風(fēng)塔上某高度上的三維超聲風(fēng)資料，垂直方向上含多層渦動(dòng)相關(guān)的湍流觀測理論的研究很少。其中，內(nèi)陸復(fù)雜地形條件下或內(nèi)陸強(qiáng)風(fēng)風(fēng)區(qū)湍流及其影響的觀測更加薄弱[12-14]，許多僅是基于風(fēng)廓線雷達(dá)探測資料闡明強(qiáng)風(fēng)天氣發(fā)生發(fā)展的機(jī)理研究，無法滿足面向風(fēng)工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)中風(fēng)參數(shù)的設(shè)計(jì)要求[15-20]，因此有時(shí)需要借助CFD理想模型進(jìn)行設(shè)計(jì)[9]。其次，除風(fēng)攻角的計(jì)算方法在國際上統(tǒng)一外，各國針對不同應(yīng)用領(lǐng)域，對同一風(fēng)特性參數(shù)的計(jì)算也各異。這既反映了不同學(xué)科計(jì)算的風(fēng)參數(shù)表征的側(cè)重點(diǎn)不同[4-6]，也體現(xiàn)了實(shí)際風(fēng)場中由于受z0、地形變化及熱效應(yīng)影響，湍流強(qiáng)度的時(shí)空分布缺乏規(guī)律性。由于風(fēng)參數(shù)計(jì)算方法的多樣性，也決定了實(shí)踐中設(shè)計(jì)選擇的復(fù)雜性。可見，面對重大建設(shè)工程規(guī)劃，在參考各種規(guī)范或指南的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場案例觀測研究和驗(yàn)證，延拓和補(bǔ)充過去因我國觀測儀器限制而無法得到的風(fēng)參數(shù)[12,21]勢在必行。

新疆風(fēng)能資源豐富[22]，在風(fēng)能資源開發(fā)利用中，開展過風(fēng)能資源數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)方法研究、標(biāo)量法下的湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變指數(shù)分析[23-25]，分析過新疆大風(fēng)區(qū)氣候變化趨勢[26]和中性層結(jié)下大風(fēng)區(qū)z0[27]；根據(jù)風(fēng)區(qū)參證站資料均一性檢驗(yàn)與訂正[28]，參證站與測風(fēng)塔同步測風(fēng)數(shù)據(jù)相關(guān)分析，以及不同時(shí)距間日最大風(fēng)速半經(jīng)驗(yàn)公式換算的確定等，重新推算了新疆各風(fēng)電場區(qū)域基準(zhǔn)風(fēng)壓[29]等。新疆達(dá)板城河谷呈“U”型，內(nèi)部地形地貌復(fù)雜[23-25]。寬為15～30 km不等，長約80 km，自西向東傾斜，漸次降低。河谷北側(cè)博格達(dá)最高峰高達(dá)5445 m，地勢較陡，為荒漠草原與草甸草原。南側(cè)為天山支脈依連哈比爾尕山尾閭部分，距離河谷最近的最高山峰高約2600 m，山腳多為沙地。河谷內(nèi)多灌木和半灌木荒漠、草甸和戈壁。內(nèi)有鹽湖、柴窩堡湖及四周的沼澤鹽堿地，以及零星的人工綠洲等鑲嵌其中(圖1)。以全國第四次風(fēng)能資源詳查時(shí)沿谷底中心布設(shè)的測風(fēng)塔為軸線，水平1 km分辨率的坡度角為1.5°～2.0°，柴窩堡氣象站的坡度則達(dá)4.2°[23-24]。這種復(fù)雜地形和非均勻地表在夏半年最易驅(qū)動(dòng)出強(qiáng)烈而特殊的局地風(fēng)場，對風(fēng)電場的安全運(yùn)營及鐵路、公路行車安全等將構(gòu)成巨大威脅，對風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)化投入也帶來不確定性。由于風(fēng)力機(jī)和輸電線路等在復(fù)雜山地又必須重視上升氣流的影響[7,9]，因此有必要先從大氣邊界層角度，摸清該地與風(fēng)工程緊密相關(guān)的參數(shù)的基本特征，勘驗(yàn)與我國推薦的行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范中的特異性及其適用性，為今后結(jié)合不同行業(yè)應(yīng)用需求，提高該地風(fēng)工程設(shè)計(jì)中的研究應(yīng)用水平奠定基礎(chǔ)。限于觀測資料，本研究將基于31003號(hào)[23-26]測風(fēng)塔70 m高度上三維超聲風(fēng)資料，初步給出陣風(fēng)因子、風(fēng)攻角、不同等級湍流強(qiáng)度的氣候特征。

1 資料來源及說明

1.1 觀測環(huán)境、觀測設(shè)置和儀器性能

31003(即D03)號(hào)測風(fēng)塔位置見圖1。與該風(fēng)區(qū)另外兩座測風(fēng)塔所處環(huán)境相比，該測風(fēng)塔所在環(huán)境最寬闊，但是離水體最近。31003號(hào)測風(fēng)塔在10、30、50、70、100 m高度上可觀測EL15型機(jī)械風(fēng)杯測量的風(fēng)向、風(fēng)速。10和70 m高度上觀測溫度、濕度。70 m高度上塔架的東側(cè)挑臂安裝英國Gill公司生產(chǎn)的WindMaster Pro型三維超聲風(fēng)向風(fēng)速傳感器(儀器性能見表1)，承受雨強(qiáng)300 mm·h-1，豎向風(fēng)速探頭安裝在挑臂上端1.2 m處。同高西側(cè)裝機(jī)械風(fēng)速風(fēng)向傳感器。2個(gè)挑臂長度均為3 m。8.5 m高度上安裝三維超聲風(fēng)向風(fēng)速儀數(shù)據(jù)采集設(shè)備、電池、氣壓傳感器等。

表1 WindMaster Pro型三維超聲風(fēng)向風(fēng)速傳感器關(guān)鍵特性

超聲風(fēng)數(shù)據(jù)采集器以UVW極坐標(biāo)方式輸出10 Hz頻率的三維瞬時(shí)風(fēng)速和聲速聲溫。采集處理器上有質(zhì)控判識(shí)碼，每日自動(dòng)生成一個(gè)數(shù)據(jù)文件。采用太陽能供電。通訊系統(tǒng)采用RS232、422、485等組網(wǎng)傳輸。

1.2 數(shù)據(jù)質(zhì)控方法

所用資料時(shí)段為2011年全年。按常規(guī)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)應(yīng)用需要，資料分析樣本長度均以連續(xù)10 min時(shí)距為一個(gè)樣本單元。先根據(jù)表1測量閾值和數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行“粗檢驗(yàn)”，剔除無效值，剔除降水期間與后期兩小時(shí)觀測值，然后以Eddypro為輔助軟件，進(jìn)行“野點(diǎn)”判斷標(biāo)識(shí)，線性去趨和坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)[30-31]；對于原始樣本單元資料有效率達(dá)98.0%以上的序列，利用超聲聲溫進(jìn)行插補(bǔ)訂正，否則不用。冬季受頻率高的降雪和低溫影響，資料利用率極低。

對于EL15型機(jī)械式梯度風(fēng)數(shù)據(jù)中的“野點(diǎn)”數(shù)據(jù)判識(shí)方法，參見風(fēng)電場風(fēng)能資源測量方法(GB/T 18709-2002)[32]。

1.3 風(fēng)參數(shù)計(jì)算方法

三維超聲風(fēng)資料坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、平均量、各方向脈動(dòng)方差I(lǐng)i(i=u,v,w)、風(fēng)攻角α、陣風(fēng)因子Gu等的計(jì)算參見文獻(xiàn)[30,33-35]。EL15型平均風(fēng)計(jì)算方法見GB/T 18709-2002[32]。

陣風(fēng)因子Gu采用10 min樣本單位內(nèi)3 s平均風(fēng)速的最大值與同期水平平均風(fēng)速之比獲得[10]。風(fēng)攻角是指風(fēng)的來向與水平面的夾角，計(jì)算式見文獻(xiàn)[13]。具有攻角的風(fēng)，長期作用會(huì)加速結(jié)構(gòu)物的疲勞損傷和破壞，主要體現(xiàn)在強(qiáng)風(fēng)時(shí)受不均勻地形影響。

2 結(jié)果分析

2.1 平均風(fēng)速特征

2.1.1 不同等級平均風(fēng)速的概率密度(PDF)分布

圖2是基于超聲風(fēng)資料10 min時(shí)距平均風(fēng)速(a)和日最大平均風(fēng)速(b)的概率密度分布統(tǒng)計(jì)。由圖2可見，70 m高度上10 min平均風(fēng)速出現(xiàn)的概率呈雙峰型，10.0～15.0 m·s-1的平均風(fēng)速出現(xiàn)概率最高，約占40.0%，2.0～3.0 m·s-1的平均風(fēng)速約占13.0%，15.0 m·s-1以上的平均風(fēng)速約占20.0%。風(fēng)機(jī)切出頻率約達(dá)33.0%。日最大風(fēng)速的概率分布近似呈單峰型，以10.0～22.0 m·s-1的最多，約占84.5%，其中，10 min平均風(fēng)速≥17.0 m·s-1的大風(fēng)日數(shù)高達(dá)44.0%。日常這類高頻大風(fēng)對超長、高聳建筑的耐久性及人類生活的舒適性均構(gòu)成不利影響，同時(shí)對列車等交通運(yùn)營安全也有較大影響。針對風(fēng)機(jī)運(yùn)營而言，此處風(fēng)機(jī)切出風(fēng)速頻率也是較高的。

圖2 2011年達(dá)坂城31003號(hào)測風(fēng)塔70 m高度10 min時(shí)距平均風(fēng)速(a)與日最大平均風(fēng)速(b)的概率密度

2.1.2 不同等級平均風(fēng)速的風(fēng)向分布特征

圖3(a)為超聲風(fēng)觀測的≥1.5 m·s-1的10 min平均風(fēng)速在不同方向上的分布。同時(shí)結(jié)合不同等級風(fēng)速范圍對應(yīng)的風(fēng)向概率分布玫瑰圖(圖略)可見：任何級別風(fēng)速的風(fēng)向都以西北偏西風(fēng)或西北風(fēng)最多，東南風(fēng)次之，風(fēng)向轉(zhuǎn)換穩(wěn)定。大風(fēng)風(fēng)向與峽谷地形走向一致。盛行西北風(fēng)的風(fēng)速略大于次多風(fēng)向下的東南風(fēng)風(fēng)速。25 m·s-1以上的風(fēng)全是西北風(fēng)。西風(fēng)強(qiáng)風(fēng)風(fēng)力不亞于登陸臺(tái)風(fēng)。

2.2 風(fēng)攻角

本研究中風(fēng)攻角正、負(fù)方向與三維超聲風(fēng)垂直風(fēng)的觀測方向一致,即超聲風(fēng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)中，垂直風(fēng)速為負(fù)值時(shí)，為負(fù)攻角，否則為正攻角。對風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)失速和失速延遲模式設(shè)計(jì)而言，需要重點(diǎn)考慮正攻角對風(fēng)機(jī)氣動(dòng)升力系數(shù)的影響，風(fēng)攻角>5°的風(fēng)電場，機(jī)翼設(shè)計(jì)的升力系數(shù)須顯著提升[11]。可見，對于結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的抗風(fēng)設(shè)計(jì)而言，主要考慮大的正攻角影響。

圖3(b)為超聲風(fēng)觀測的≥1.5 m·s-1的10 min平均風(fēng)速與風(fēng)攻角的分布?？梢姡L(fēng)攻角離散度與10 min平均風(fēng)速大小有關(guān)。風(fēng)速越大，風(fēng)攻角的散布范圍和風(fēng)攻角的絕對值就越小。大的風(fēng)攻角主要出現(xiàn)在相對低的風(fēng)速段上。負(fù)攻角多于正攻角。特別是當(dāng)風(fēng)速超過25.0 m·s-1時(shí)，即西北風(fēng)時(shí)，全為負(fù)攻角，在0～-3°變化。風(fēng)速越大，風(fēng)攻角絕對值的變率就越小，但非無限減小，而是趨于一定范圍內(nèi)的“平穩(wěn)值”。

圖3 2011年達(dá)坂城31003號(hào)測風(fēng)塔70 m高度≥1.5 m·s-1的10 min平均風(fēng)速在不同風(fēng)向上的分布(a)及攻角分布(b)

為進(jìn)一步區(qū)分平均風(fēng)速、風(fēng)向與風(fēng)攻角的關(guān)系，本研究也分析了10 min平均風(fēng)速≥1.5 m·s-1、≥4.0 m·s-1、≥6.0 m·s-1、≥8.0 m·s-1、≥10.0 m·s-1、≥12.0 m·s-1、≥15.0 m·s-1、≥18.0 m·s-1、≥20.0 m·s-1、≥25.0 m·s-1等不同等級風(fēng)速下風(fēng)向角和風(fēng)攻角的分布特征。限于篇幅，也由于結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中更多關(guān)注大風(fēng)情況下的正攻角影響，在此僅遴選出10 min平均風(fēng)速≥6.0 m·s-1、≥8.0 m·s-1、≥10.0 m·s-1、≥12.0 m·s-1時(shí)的風(fēng)攻角分布(圖4)。由圖4可見，隨著風(fēng)速增加，風(fēng)攻角大小隨風(fēng)向的分布漸次逼近與河谷走向一致的東南風(fēng)和西北風(fēng)2個(gè)方向上。東南大風(fēng)時(shí)，正攻角頻次達(dá)95.0%以上，西北大風(fēng)時(shí)，負(fù)攻角頻次達(dá)95.0%以上。這種正負(fù)顯著差異主要是由2種截然不同的天氣系統(tǒng)造成的。當(dāng)出現(xiàn)東南大風(fēng)時(shí)，主要由南、北疆之間的氣壓差造成，平均氣流沿河谷向上游吹；而西北大風(fēng)主要由自西向北入侵的冷空氣受“狹管效應(yīng)”影響，使流線加密產(chǎn)生，且疊加了高空氣流沿傾斜度約1.5°～2.0°的河谷下沉造成[22-24,26]，使西北極端強(qiáng)風(fēng)下對應(yīng)高概率的負(fù)攻角。

圖4 2011年達(dá)坂城31003號(hào)測風(fēng)塔70 m高度10 min平均風(fēng)速≥6.0 m·s-1(a)、≥8.0 m·s-1(b)、≥10.0 m·s-1(c)、≥12.0 m·s-1(d)時(shí)風(fēng)攻角隨風(fēng)向的分布

4 m·s-1以內(nèi)的低風(fēng)速段，偶爾存在風(fēng)攻角大于15°的罕見現(xiàn)象，約占0.1%(圖略)。對于風(fēng)機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)而言，結(jié)合圖4各等級風(fēng)速下不同風(fēng)向的風(fēng)攻角分布也可見，平均風(fēng)速為3.0～15.0 m·s-1的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速內(nèi)，風(fēng)攻角大于5°的比例也較高，盛行風(fēng)向與次多風(fēng)向都存在這種大攻角。因此，對風(fēng)機(jī)制造者而言，需要從技術(shù)上提高此處風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)升力系數(shù)及風(fēng)力轉(zhuǎn)換率，降低風(fēng)機(jī)的老化速度。風(fēng)攻角大于5°的概率，總計(jì)約占1.0%;平均風(fēng)速≥6.0 m·s-1的風(fēng)速段，風(fēng)攻角大于3°的比例，高達(dá)5.7%?？傊_(dá)坂城平均風(fēng)速≥6.0 m·s-1時(shí)伴隨的正攻角，對此處風(fēng)力機(jī)的使用壽命影響最大。

2.3 風(fēng)的湍流參數(shù)特征

2.3.1 陣風(fēng)因子Gu

圖5為2011年達(dá)坂城31003號(hào)測風(fēng)塔70 m高度陣風(fēng)因子與>1.5 m·s-1的10 min平均風(fēng)速的概率分布。由圖5可見，與風(fēng)攻角和平均風(fēng)速之間的關(guān)系類似，Gu的離散度隨著風(fēng)速的增加而降低。平均風(fēng)速越大，Gu變率就越小，也是直到減小到某一范圍內(nèi)的“穩(wěn)定值”為止。結(jié)合不同等級風(fēng)速下Gu分布概率密度圖(圖略)也可知，當(dāng)平均風(fēng)速≥4.0 m·s-1、≥6.0 m·s-1、或≥8.0 m·s-1時(shí)，Gu在1.0～1.4變化的概率最高；平均風(fēng)速≥10.0 m·s-1、≥12.0 m·s-1、或≥15.0 m·s-1時(shí)，Gu在1.0～1.2變化的概率最高；平均風(fēng)速≥18.0 m·s-1時(shí)，Gu在1.1～1.2變化的概率最高?？傮w而言，平均風(fēng)速為10.0 m·s-1以上時(shí)，各等級風(fēng)速Gu隨風(fēng)速增加而變化的范圍多數(shù)為1.1～1.7；在平均風(fēng)速≥20.0 m·s-1的“極端強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速[25]”下，Gu變化范圍多數(shù)為1.0～1.4。圖6給出了10 min平均風(fēng)速≥10.0 m·s-1、≥15.0 m·s-1、≥20.0 m·s-1、≥25.0 m·s-1等風(fēng)速下不同風(fēng)向的Gu分布特征。由圖6可見，風(fēng)速越大，Gu的相對大值集中在盛行風(fēng)與次多風(fēng)向上的概率越高。沿盛行風(fēng)向(西到西北扇區(qū))的Gu總比次風(fēng)向(東到東南扇區(qū))偏大，特別是平均風(fēng)速≥12.0 m·s-1(圖略)時(shí)，這種差異更加明顯。當(dāng)平均風(fēng)速≥25.0 m·s-1時(shí)，Gu大多為1.1～1.2，約占94.6%；1.3～1.4的Gu約占5.0%；最大達(dá)1.7，對應(yīng)10 min平均風(fēng)速高達(dá)26.6 m·s-1；平均風(fēng)速達(dá)21.0 m·s-1以上、且陣風(fēng)因子高于我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》B類下墊面設(shè)計(jì)值(1.52)[36]的現(xiàn)象分別出現(xiàn)在2010年12月11日22時(shí)40分和2010年12月24日04時(shí)30分的強(qiáng)風(fēng)樣本中?？梢?，該處陣風(fēng)因子按B類設(shè)計(jì)可能偏于不安全。

圖5 2011年達(dá)坂城31003號(hào)測風(fēng)塔70 m高度Gu與>1.5 m·s-1的10 min平均風(fēng)速的概率分布

圖6 2011年達(dá)坂城31003號(hào)測風(fēng)塔70 m高度10 min平均風(fēng)速≥10.0 m·s-1(a)、≥15.0 m·s-1(b)、≥20.0 m·s-1(c)、≥25.0 m·s-1(d)時(shí)Gu隨風(fēng)向的分布

2.3.2 湍流強(qiáng)度

圖7(a)(b)(c)分別為2011年達(dá)坂城31003號(hào)測風(fēng)塔70 m高度Iu、Iv、Iw與>1.5 m·s-1的10 min平均風(fēng)速的概率分布。由圖7可見，各方向湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速的變化與陣風(fēng)因子、風(fēng)攻角等的散布特點(diǎn)也相似：隨著風(fēng)速的增加，各方向湍流強(qiáng)度及其離散程度均呈下降趨勢，風(fēng)速越大，變率越小；當(dāng)平均風(fēng)速增加到20 m·s-1以上時(shí)，各方向湍流強(qiáng)度略呈增加趨勢，這一點(diǎn)與風(fēng)攻角和陣風(fēng)因子隨風(fēng)速增加而減小的趨勢略有不同。平均風(fēng)速≥10 m·s-1時(shí)，順風(fēng)向偶爾還會(huì)出現(xiàn)大的湍流強(qiáng)度；平均來講，1.5 m·s-1以上平均風(fēng)的湍流強(qiáng)度在3個(gè)方向的相對比值為Iu∶Iv∶Iw=1.00∶0.85∶0.54，平均Iu=0.10。而我國風(fēng)荷載規(guī)范推算為Iu∶Iv∶Iw=1.00∶0.88∶0.50，平均Iu=0.14?？梢?，平均的橫風(fēng)向湍流強(qiáng)度比順風(fēng)向偏弱的幅度比風(fēng)荷載規(guī)范推算的偏小，而豎直方向機(jī)械湍流或熱力湍流強(qiáng)度比規(guī)范估算的偏強(qiáng)。工程上需重點(diǎn)考慮順風(fēng)向與豎直方向的湍流尺度和湍流功率密度的影響。從不同等級風(fēng)速下各方向湍流強(qiáng)度分布的概率密度(圖略)可見，當(dāng)平均風(fēng)速超過4.0 m s-1時(shí)，Iu、Iv和Iw分別超過0.20、0.10和0.08的概率都很小，Iu、Iv和Iw出現(xiàn)頻率最高的分別在0.08～0.10、0.05～0.10和0.05～0.10的區(qū)間，即順風(fēng)方向的湍流強(qiáng)度變率最大，這一點(diǎn)可從圖7的對比中看到。在極端強(qiáng)風(fēng)條件下，順風(fēng)向湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速的分布特征與陣風(fēng)因子的變化完全吻合：當(dāng)平均風(fēng)速≥25.0 m·s-1時(shí)，Iu大多為0.05～0.08，約占94.6%，其余的為0.14～0.19，出現(xiàn)了明顯的非連續(xù)現(xiàn)象。

圖7 2011年達(dá)坂城31003號(hào)測風(fēng)塔70 m高度Iu(a)、Iv(b)、Iw(c)與>1.5 m·s-1的10 min平均風(fēng)速的概率分布

圖8(a)(b)為2011年達(dá)坂城31003號(hào)測風(fēng)塔70 m高度Iv/Iu和Iw/Iu與>1.5 m·s-1的10 min平均風(fēng)速的概率分布。由圖8可見，與上述相似，各方向湍流強(qiáng)度比值Iv/Iu和Iw/Iu的離散度也很大。低風(fēng)速時(shí)，Iv/Iu和Iw/Iu值大于高風(fēng)速時(shí)的比值。隨著風(fēng)速增加，各方向湍流強(qiáng)度及其離散程度都呈下降趨勢。大風(fēng)時(shí)的大湍流強(qiáng)度主要體現(xiàn)在順風(fēng)向上。當(dāng)平均風(fēng)速在10.0 m·s-1以下時(shí)，Iv/Iu和Iw/Iu比值偶爾會(huì)出現(xiàn)分別超過4.0和1.5的現(xiàn)象，主要是因?yàn)樵谶@個(gè)風(fēng)速段上除了盛行由南北疆之間的氣壓梯度力作用下的“東南大風(fēng)”影響外，還受局地“湖陸風(fēng)效應(yīng)”影響：距此測風(fēng)塔西南方位近4 km的地方，有一個(gè)大約28 km2的湖泊——達(dá)坂城“柴窩堡湖”，當(dāng)主導(dǎo)天氣系統(tǒng)偏弱，局地以熱成風(fēng)為主的“湖陸風(fēng)環(huán)流”為主導(dǎo)因素時(shí)，橫風(fēng)向的湍流強(qiáng)度就比順風(fēng)向的偏強(qiáng)。

圖8 2011年達(dá)坂城31003號(hào)測風(fēng)塔70 m高度Iv/Iu(a)、Iw/Iu(b)與>1.5 m·s-1的10 min平均風(fēng)速的概率分布

多數(shù)情況下，Iv/Iu和Iw/Iu的值小于1.0，分別約占65.0%、95.0%。平均風(fēng)速小于7.0 m·s-1時(shí)，Iv/Iu隨風(fēng)速增加，比值略呈下降趨勢；平均風(fēng)速介于7.0～11.0 m·s-1時(shí)，比值為0.90～0.92；平均風(fēng)速介于11.0～24.0 m·s-1時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，比值由0.88下降到0.66；平均風(fēng)速>24.0 m·s-1時(shí)，比值波動(dòng)范圍為0.59～0.72。風(fēng)速越大，順風(fēng)方向的湍流強(qiáng)度相對就越強(qiáng)。Iw/Iu在各等級風(fēng)速下的比值隨風(fēng)速增加而變化的情形略有不同：風(fēng)速<27 m·s-1時(shí)，比值隨風(fēng)速的增加呈下降趨勢；風(fēng)速≥27 m·s-1時(shí)，隨風(fēng)速的增加，比值反而略呈上升趨勢，由0.40上升到0.44。再一次說明出現(xiàn)極端強(qiáng)風(fēng)時(shí)，豎向湍流也在增強(qiáng)。

另外，從不同風(fēng)速段Iv/Iu和Iw/Iu的概率分布密度圖(圖略)也可看出，平均風(fēng)速≥4.0 m·s-1時(shí)，Iv/Iu和Iw/Iu分別超過1.3和0.8的概率很小。對于Iv/Iu，平均風(fēng)速分別≥1.5 m·s-1、≥4.0 m·s-1和≥6.0 m·s-1時(shí)，發(fā)生概率最大的值均約為0.75；≥8.0 m·s-1時(shí)，發(fā)生概率最大的值約為0.70。對于Iw/Iu，平均風(fēng)速分別>1.5 m·s-1、>4.0 m·s-1和>6.0 m·s-1時(shí)，發(fā)生概率最大的比值均約為0.45；≥8.0 m·s-1時(shí)，發(fā)生概率最大的比值約為0.40。“高風(fēng)”時(shí)沿順風(fēng)方向的湍流強(qiáng)度比橫向風(fēng)的高得多，且無論哪個(gè)風(fēng)速量級，計(jì)算的Iu∶Iv∶Iw均不滿足風(fēng)荷載規(guī)范推薦采用的Iu∶Iv∶Iw=1.00∶0.88∶0.50。

2.4 平均風(fēng)的垂直變化特征

由于近地層較薄，可以近似地認(rèn)為動(dòng)量、熱量和水汽的垂直湍流輸送量幾乎不隨高度變化及風(fēng)向也不隨高度變化的常值通量層，故在此不對風(fēng)向隨高度的變化進(jìn)行分析，僅分析5層梯度風(fēng)觀測高度上平均風(fēng)速隨高度的變化特征(圖略)。10 m高度上的平均風(fēng)速高達(dá)8.0 m·s-1以上。100 m以下，平均風(fēng)速隨高度的增加而增加，基本符合中性條件下，風(fēng)隨高度呈冪指數(shù)變化的規(guī)律，但在50-70 m高度上有一“拐點(diǎn)”：平均風(fēng)速隨高度稍變。這在風(fēng)能資源開發(fā)利用中，對風(fēng)機(jī)輪轂高度或者風(fēng)機(jī)葉根長度的最佳設(shè)計(jì)時(shí)，值得高度關(guān)注，同時(shí)基于目前對該地邊界層的平均厚度認(rèn)識(shí)不清，或邊界層厚度與湍流的關(guān)系尚無定量化的前提下，無須盲目提高風(fēng)機(jī)輪轂高度。

3 結(jié)論與討論

本研究根據(jù)2011年全年三維超聲風(fēng)資料和5層梯度風(fēng)資料，給出了該地近地層風(fēng)參數(shù)的基本特征：

(1)70 m高度上10 min平均風(fēng)速出現(xiàn)的概率呈雙峰型，10.0～15.0 m·s-1的平均風(fēng)速出現(xiàn)概率最高，約占40.0%，2.0～3.0 m·s-1的平均風(fēng)速約占13.0%，15.0 m·s-1以上的平均風(fēng)速約占20.0%，風(fēng)機(jī)切出頻率約達(dá)33.0%。日最大風(fēng)速以10.0～22.0 m·s-1占絕大多數(shù)，約84.5%。其中，10 min平均風(fēng)速≥17.0 m·s-1的大風(fēng)日數(shù)高達(dá)44.0%。西北盛行風(fēng)向與東南次多風(fēng)向概率相當(dāng)。100 m以下，平均風(fēng)速隨高度增加而增加，但在50-70 m高度上，平均風(fēng)速隨高度少變，風(fēng)機(jī)輪轂高度不宜盲目提高。

(2)平均風(fēng)速≥25.0 m·s-1時(shí)，陣風(fēng)因子大多為1.1～1.2，約占94.6%；達(dá)1.3～1.4的陣風(fēng)因子，約占5.0%；最大的達(dá)1.7，對應(yīng)10 min平均風(fēng)速為26.6 m·s-1。順風(fēng)向湍流強(qiáng)度大多為0.05～0.08，約占94.6%，其余的為0.14～0.19，出現(xiàn)了明顯的非連續(xù)現(xiàn)象。陣風(fēng)因子與湍流強(qiáng)度在21.0 m·s-1以上極端強(qiáng)風(fēng)情況下，表現(xiàn)出了與風(fēng)速大小關(guān)系不大的現(xiàn)象，且觀測期內(nèi)兩度出現(xiàn)陣風(fēng)因子比我國《建筑荷載規(guī)范》B類下墊面70 m高度上的設(shè)計(jì)值偏高現(xiàn)象。

(3)風(fēng)攻角正負(fù)變化的位相與盛行風(fēng)向與次多風(fēng)向的轉(zhuǎn)換一致，且負(fù)攻角多于正攻角。平均風(fēng)速為3.0～15.0 m·s-1的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速內(nèi)，盛行風(fēng)向與次多風(fēng)向的風(fēng)攻角大于5°的概率約占1.0%，對風(fēng)機(jī)制造者而言，需考慮提高此處風(fēng)機(jī)的升力系數(shù)，降低風(fēng)機(jī)老化速度，提高功率輸出。

(4)平均的脈動(dòng)風(fēng)湍流強(qiáng)度遵循Iu∶Iv∶Iw=1.00∶0.85∶0.54，平均Iu=0.10。這與我國風(fēng)荷載規(guī)范推算的Iu∶Iv∶Iw=1.00∶0.88∶0.50，平均Iu=0.14，略有不符。平均順風(fēng)向湍流強(qiáng)度與沿海受臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域的相當(dāng)，需重點(diǎn)考慮順風(fēng)向湍流參數(shù)影響。