海面与海岸陆面风速廓线特征

吴息，白龙，崔方，于炳霞，张春莹

(1．气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学)，江苏南京210044;2．国网电力科学研究院清洁能源发电研究所，江苏南京210009)

0 引言

沿海区域和近海海面是风力资源储存量和可开发量非常丰富的区域(孟昭翰等，1991)，是已建风电场主要分布区，也是拟建风电场的重点区域(Henderson et al．，2001，2003;Jahraus et al．，2001)。由于自然风所具有的随机性、波动性以及不可控性，风电场的输出功率也具有波动性，当风电的容量占到电网总容量的一定比例时，这种波动会对电能质量以及电网安全造成威胁(Neris et al．，1999;Gardner et al．，2003)。随着我国可再生能源开发规模的不断扩大，为进一步提高风功率预测的精度，有必要对海岸陆面近地层和海面近地层风力变化的特征作进一步观测研究(李艳等，2007)。

大气边界层内距下垫面100 m范围以内的气层称为近地层，受下垫面动力作用和热力作用的影响最直接，各种气象要素存在明显的日变化规律。目前对于内陆地区均匀、不均匀下垫面近地层的温、湿、风廓线规律已有较多的观测和研究，获得了相对成熟的结论。丁国安和朱瑞兆(1982)指出，低层大气风廓线在平均风速情况下都符合指数率。傅抱璞和于静明(1981)利用南京八卦洲164 m高塔连续两年的观测资料对塔层风廓线特点进行研究，指出80 m以下贴地层的平均风速廓线很好地符合指数律和对数律。王志春等(2006)探讨了10 m高度处不同风速条件的风速指数分布规律，指出风速指数均值随固定高度上的风速增大而减小。刘立忠和徐抗英(1998)指出，南京近郊初冬大气边界层风场特征为低层白天风速大、夜间风速小，而高层则相反，转换高度为50～75 m。刘焕彬等(2005)分析了沂蒙南部山区冬季大气边界层内的风场特征，指出在稳定天气条件下，风速垂直切变大，而在不稳定天气条件下，风垂直切变较小。姜金华等(2007)对白洋淀地区水、陆不均匀分布条件下的大气边界层进行了数值模拟试验，指出水域上水平风夜间辐合、白天辐散，下垫面不均匀分布对湍流动能的影响主要体现在一定高度以内的近地层。张强等(1998)模拟了绿洲与荒漠相互影响下的大气边界层特征，指出风廓线对粗糙度较敏感，绿洲风速比荒漠小，绿洲下游荒漠的风速也比其上游荒漠的小。荣艳淑和梁嘉颖(2008)分析了华北地区1957—2006年10 m高度处平均风速的变化趋势，指出华北地区的西北—东南地区风速偏大，东北—西南地区风速偏小，总体风速呈减小趋势。唐敬等(2011)研究了湖南中北部丘陵地区中尺度范围内的低风速气象特征，指出低风速与地形密切相关，且具有日变化特点。申华羽和吴息(2009)研究了推算不同高度风能参数的方法。

为区别起见，把距海面100 m以下的底层大气称为海面近地层。由于海岸地区(距海岸线数千米以内)与近海海面(距海岸线20 km以内)位于海陆交界处，下垫面的机械特征和热力特征都存在不连续变化(尤其是海陆热力差异还存在显著的季节变化)，其风速日变化和风廓线特征既受陆地的影响也受海洋的影响，故有其独特规律。潘丽丽等(2009)分析了江苏如东海岸测风塔资料，发现风速日变化最大值出现在17:00前后，风速随高度呈对数律增加。植石群等(2001)对广东沿海地区的风速廓线规律进行研究，指出了广东沿海风速、风向的变化规律，认为指数率更适用于广东沿海风速随高度变化。高志球等(1999)对南沙群岛渚碧礁的近海面大气湍流进行了分析，指出空气动力光滑海面上，分子运动在粘性副层中占主导地位，在粗糙海面上，湍流运动在粗糙副层中占主导地位。

由于海陆交界处下垫面的不连续变化，海岸近地层、近海海面近地层风速特征与内陆均匀下垫面风速特征可能存在显著差异，这对风电场设计及其风功率预报具有重要意义。本文拟利用江苏沿海的2座海岸陆面测风塔作为海岸近地层代表，福建邻岸海面的1座海上测风塔作为海面近地层代表，分析海岸陆面近地层与近海海面近地层风速的变化特征及其与内陆地区一般规律的差异。

1 测风塔及观测资料概况

本文收集了3座测风塔资料，2座位于江苏海岸地区，1座在福建近海海面的小岛礁上。

1)江苏滨海县海岸测风塔(以下简称A1塔)，120°15'E，34°16'N。塔位所在下垫面为平坦的农田，其东侧距海岸线约3 km，北侧距海岸线约6 km。该塔分别在10、50、60、70 m高度安置气象要素传感器，数据采集项目包括各高度层的10 min平均风速、水平风速标准差σV、第1层和第4层的风向等，资料收集期为2005年4月至2006年3月。

2)江苏大丰县海岸测风塔(以下简称A2塔)，120°49'E，33°07'N。塔位所在下垫面为海岸滩涂，其东侧距离海岸线约3.5 km。该塔分别在10、30、50、70 m高度安置气象要素传感器，数据采集项目包括各高度层的10 min平均风速、水平风速标准差σV、第1层和第4层的风向等，资料收集期为2005年12月20日至2006年12月3日。

3)福建漳浦县近海海面测风塔(以下简称S1塔)，117°48＇E，23°57＇N。S1 塔所在小尖山礁距离大陆海岸线最短距离约为10 km，小尖山礁面积很小，约为80 m×50 m，海拔低，约为12.8 m，对测风塔底层风速传感器以上风速的扰动很小。该塔分别在10、30、50、70 m 高度安置气象要素传感器，传感器距离平均海水面的实际高度为22.8、42.8、62.8、82.8 m，观测项目包括各高度层的10 min平均风速、风向、水平风速标准差σV、第1层和第4层的温度、湿度等，资料收集期为2009年12月至2010年12月。

鉴于资料收集条件限制，A1、A2与S1塔的纬度差异较大，所以本文仅分析两种不同下垫面状态下的风速特征，探讨各自与内陆均匀下垫面的一般规律的差异。

2 风速与湍流日变化

风速日变化主要取决于导致动量下传的湍流强度的变化特征。在内陆地区的近地层下部，由于白天地面受热，特别午后地面最热，湍流强烈，高层风动量向下传输量大，导致白天风速大，14:00前后风速达到最大;日落后地面辐射冷却，气层趋于稳定，风速逐渐减小，到日出前后地面气温最低，层结稳定，导致风速最小。而近地层上部的风速日变化则相反，夜间风速大于白昼。这两种日变化型中间存在一个过渡层，即转换高度，内陆地区转换高度的年变化是冬季最高、夏季最低。水体上方热力状况不同于陆地，风速日变化与陆地相反，白天风速小，晚上风速大(傅抱璞和翁笃鸣，1994)。而海岸陆面近地层以及海面近地层的风速日变化同时受到海面、陆地两方面影响，其日变化具有独特性。

风速的日变化和垂直廓线特征很大程度上受湍流特征制约，根据资料情况，本文以风速标准差σV和湍流度IV=σV/¯V为湍流指标，分析其变化特征。

2．1 海岸陆面近地层风速与湍流日变化

图1 夏季(a，b)和冬季(c，d)A1塔风速(a，c)及湍流指标(b，d)的日变化Fig．1 Diurnal variation of(a，c)wind velocity and(b，d)turbulence index of A1 tower in(a，b)summer and(c，d)winter

由图1可见，夏季A1塔σV日变化特征是日出后随着地面气温的升高，σV在05:00前后开始增强，相对而言，σV增幅有限，保持较为平稳的变化，16:00后开始减弱;底层风速与σV的日变化基本同步，10 m高度风速最低值出现在05:00，最大风速出现在17:00前后，风速日振幅为2.2 m/s;70 m高度风速位相略微滞后，最小值出现在10:00，最大风速出现在17:00—21:00，风速日振幅为1.87 m/s，较10 m高度处减小14%。50 m以上风速日变化的差异很小，平均风切变ΔV/Δz的日变化基本与σV呈现相反的位相。

冬季A1塔的风速标准差σV从08:00开始迅速增加，11:00—15:00维持较大值，此后迅速减小，19:00后保持平稳至翌日清晨。在10 m高度处，风速日变化位相与σV非常接近，风速最小值出现在09:00前后，最大值保持在11:00—16:00，风速日振幅为0.90 m/s。在70 m高度上，日振幅仅为0.83 m/s，风速日变化位相与10 m位相呈相反的趋势，即夜间大于白昼，风速最小值出现在 10:00—20:00，最大风速出现在04:00前后，这是因为白天低层湍流很强时，该高度空气层空气动量向下传递的动量多于更高层向下传递的动量，故白天的风速小于夜间。两种相反的日变化层之间的过渡层转换高度低于50 m。内陆地区过渡层转换高度的变化规律是夏低、冬高，而处于海岸地区A1塔的夏季转换高度大于70 m(70 m范围内未出现)，冬季则出现在70 m以下，这与内陆地区的规律有很大不同，夏高、冬低。

A2塔的日变化特征(图2)与A1塔相似。夏季，10 m高度风速与σV基本同步变化，最小值出现在06:00前后，最大值出现在16:00前后，日振幅为2.22 m/s;70 m高度风速最小值出现在09:00前后，最大值出现在16:00前后，日振幅为1.79 m/s，较10 m高度减小20%。冬季，10 m高度风速与σV日变化依然保持很好的同步性，最小值出现在08:00—09:00，最大值出现在14:00前后，日振幅为1.37 m/s;70 m高度风速日变化仍为白天小、夜间大，05:00达最大，此后不断减小，11:00达最小，此后缓慢上升，但变化幅度很小，日振幅仅为0.55 m/s。过渡层转换高度为50～60 m。

综上所述，在江苏海岸陆面近地层，低层(10 m高度)风速最大值的出现时间较内陆地区滞后，风速的日振幅随高度减小，夏季风速日振幅大于冬季;与内陆地区相反，冬季的过渡层转换高度低于夏季，冬季70 m高度上风速的日变化已转为夜大昼小;10 m高度风速与σV变化大致同步，而70 m高度风速与σV基本反相，平均风切变ΔV/Δz与σV呈反相变化，冬季风切变明显大于夏季。

图2 夏季(a，b)和冬季(c，d)A2塔风速(a，c)及湍流指标(b，d)的日变化Fig．2 Diurnal variations of(a，c)wind velocity and(b，d)turbulence index of tower A2 in(a，b)summer and(c，d)winter

2．2 海面近地层风速与湍流日变化

由图3(S1塔)可见，海面不同高度的风速日变化曲线的位相、振幅等差异不大，这与陆面有所不同。夏季，距平均海水面22.8 m高度的风速最小值出现在07:00，最大值出现在15:00，风速日振幅为2.61 m/s;距平均海水面82.8 m高度处风速最小值出现在08:00，比22.8 m高度处滞后1 h，最大值出现在15:00，风速日振幅为3.11 m/s。冬季，S1塔22.8 m和82.8 m高度的风速最小值均出现在08:00，最大值出现在21:00前后，两个高度风速的最小、最大值出现时间十分接近，它们的风速日振幅分别为 1.12 m/s、1.04 m/s，也很相近。

图3 夏季(a，b)和冬季(c，d)S1塔风速(a，c)及湍流指标(b，d)的日变化特征Fig．3 Diurnal variation of(a，c)wind velocity and(b，d)turbulence index of tower S1 in(a，b)summer and(c，d))winter

资料分析(图略)表明，春、秋季规律相似，春季各层风速都在17:00最大、05:00最小，秋季各层风速都在19:00最大，04:00—08:00较小;海面风速切变较小;82.8 m高度以下，各季节都没有出现夜间风速大于白昼的日变化特征。值得注意的是，海面风切变ΔV/Δz不像陆地随着湍流的增大而减小，这是可能因为随着湍流的增大，贴近海面的风速增大后，海面波浪增强，增大摩擦拖曳力，反而使得风切变略有增加，这与陆地的变化规律有明显差异。

3 风速廓线与湍流廓线特征

理论和资料分析认为均匀下垫面风速随高度符合指数律，在较低层次也可用对数律拟合，即:指数律

幂指数α体现风速的切变程度，粗糙度z0含义是平均风速为0的高度。这两个参数都与下垫面粗糙程度和大气层结稳定程度有关。在沿海地区，当风由海洋吹向陆地(下称向岸风)时，由平滑下垫面向粗糙下垫面过渡，夏季是冷性下垫面过渡到暖性下垫面，冬季是热性下垫面过渡到冷性下垫面;当风向由陆地吹向海洋(下称离岸风)时，情况则相反。因此，用指数律和对数律拟合风廓线时，根据海岸线走向与风向的关系，将测风塔资料分成向岸风和离岸风两组。

3．1 海岸陆面近地层风速廓线与湍流度廓线

图4a、图4c给出了A2塔的夏、冬季风速廓线;表1给出了A1、A2塔的风速廓线幂指数α及湍流度廓线幂指数β。冬、夏季离岸风组的幂指数α均大于向岸风组;另外，两风向组的风速廓线幂指数α都是冬季大于夏季，其形成机制较为复杂，但最终体现在湍流强度上，如A2塔向岸风组σV的4层平均在夏季为 0.67 m·s－1，在冬季为 0.63 m·s－1，说明在此情况下，冬季湍流弱于夏季，冬季风切变大于夏季。就平均风速而言，冬夏两季都是向岸风组平均风速大于离岸风组，两组平均风速差异是夏季大于冬季。

图4 夏季(a，b)和冬季(c，d)A2塔风速廓线(a，c)与湍流度廓线(b，d)Fig．4 Profiles of(a，c)wind velocity and(b，d)turbulivity of A2 anemometer tower in(a，b)summer and(c，d)winter

表1 A1、A2塔风廓线指数α与湍流度廓线指数βTable 1 Wind velocity profile exponent(α)and turbulivity profile exponent(β)of A1 and A2 anemometer towers

图4b、图4d给出了A2塔夏、冬季湍流度IV廓线。可以看出，IV随高度呈负指数律递减，在较低层次受地面摩擦作用影响大，以机械湍流为主，温度梯度较大，湍流强度随高度递减迅速，30 m以上湍流强度随高度递减平缓，夏季离岸风组的湍流强于向岸风;冬季两风向组的平均湍流度没有显著差异。

3．2 海面近地层风速廓线与湍流度廓线

S1塔海面近地层与海岸陆面近地层的风廓线幂指数明显不同(表2)，冬、夏季离岸风组的指数均小于向岸风组。当陆地气流吹向海面时，下垫面变平滑，摩擦拖曳力减小，而大气湍流仍未完全减弱，到达S1塔位置时，低层风速显著增大，而上层风速尚未显著降低，故离岸组风速切变小于向岸风(海风)组，这种差异在夏季明显、冬季小。就季节变化而言，离岸风组和向岸风组的指数都是夏季大于冬季，这与海岸近地层(表1)不同，其主要原因在于冬季海面湍流强度大于夏季;经统计，冬季两风向组σV的平均为0.47，夏季为0.32，也表明了这一点。

与海岸陆面近地层湍流度呈负幂指数规律不同，海面近地层S1塔湍流度IV随高度变化近似线性递减(图5b、图5d)，拟合公式为:夏季向岸风IV=－0.000 4z+0.100 7;夏季离岸风IV=－0.000 6z+0.146 9;冬季向岸风IV=－0.000 4z+0.117 7;冬季离岸风IV=－0.000 6z+0.141 5。

表2 S1塔风速廓线幂指数αTable 2 Wind profile power exponent(α)of S1 anemometer tower

图5 夏季(a，b)和冬季(c，d)S1塔风速廓线(a，c)与湍流度廓线(b，d)Fig．5 Profiles of(a，c)wind velocity and(b，d)turbulivity of S1 anemometer tower in(a，b)summer and(c，d)winter

3．3风廓线指数与低层风速的关系

在内陆平原地区，低层风速随湍流动量下传的加强而增大，低层风速越大，上下层混合越充分，风廓线幂指数随低层风速的增加而减小。根据海面测风塔(S1)底层风速分组，分别统计风廓线幂指数，列入表3，可以看出，上述规律有时不完全适合，如冬季向岸风(海风)组。风廓线幂指数是湍流与下垫面粗糙程度的函数，与内陆不同，海面粗糙度取决于波浪大小，而水上波浪是风速的函数，风速越大，波浪越大，水面粗糙度越大，当粗糙度增加的效应超过湍流增大的效应时，风速切变反而增大，α不减反增。江苏海岸测风塔也有类似情况(表4)。

表3 S1塔各风速区间的风廓线幂指数αTable 3 Wind profile power exponent(α)in each speed interval of S1 tower

表4 A1、A2塔各风速区间的风廓线幂指数αTable 4 Wind profile power exponent α in each speed interval of A1，A2 towers

4 结论

1)江苏海岸近地层日最大风速出现时间较内陆地区滞后，最小风速出现时间则与内陆相差不大;风速日变化位相随高度滞后，风速日振幅随高度减小。

2)冬季海岸近地层70 m高度风速日变化特征为夜间大于白天，与内陆相反;夏季过渡层转换高度高于冬季。

3)福建海面近地层风速日变化的位相随高度变化很小，振幅小于陆地近地层低层，风速切变与湍流的关系不明显。

4)江苏海岸近地层与福建海面近地层的风廓线用对数律或指数律拟合均可。海岸近地层风廓线指数规律为:陆向风组大于海向风组，冬季大于夏季。海面近地层则相反，海向风组大于陆向风组，夏季大于冬季。

5)海岸近地层湍流度随高度呈负指数律递减，而海面近地层湍流度则随高度呈线性递减。

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