松花江谷地风特征研究

2017-12-01孙镆涵

黑龙江气象 2017年3期

关键词：谷地松花江山体

魏磊，孙镆涵，郑红

（黑龙江省气候中心，黑龙江哈尔滨150030）

松花江谷地风特征研究

魏磊，孙镆涵，郑红

（黑龙江省气候中心，黑龙江哈尔滨150030）

1 引言

节能减排是我国经济社会发展的一项基本国策和长远发展战略计划,其中开发利用气候资源是经济社会可持续发展的保障；风力资源就是绿色可再生的清洁能源，也是减少化石能源的可代替的有效能源之一，大力发展风力资源是积极应对气候变化的重要措施。我国地域面积广阔，风能开发潜力巨大，我国陆地上距地面10 m高处风能资源理论储量为43.5亿kw。2008年底，我国累计风电机组11600多台，风电装机总量达到12.21 GW,位居世界第四,年增长率高达106.6%，位居世界第一。预计2020年我国的风电装机总量将达到30 GW。

黑龙江省是一个风电资源较丰富区之一，其中松花江谷地位于黑龙江省中部，松花江中下游，地形复杂，风能资源的分布也非常复杂，因此进行松花江谷地的风资源研究对于风能资源的开发利用有着重要的意义。

2 资料

选取松花江谷地范围内6座测风塔的测风资料，1#至7#塔的位置分别处于依兰、通河、七台河、桦南、桦川和富锦6个区域。观测数据为2011年完整一年的数据。测风塔高度为70 m，观测项目分别为10 m、30 m、50 m、70 m 高度的风速数据和 10 m、50 m、70 m高度的风向数据。

3 风特征分析

风速的大小是衡量风能资源量的一个重要指标，风电场的风机轮毂高度一般为50-70 m，故此本文着重分析70 m高度上风的变化特征。

3.1 风速年变化

分析松花江谷地范围内70 m高度以上年平均风速，在依兰、通河区域风速相对较大，年平均风速分别为6.9 m/s和6.6 m/s。依兰区域由于两侧山脉由西南偏西向东北偏东方向蔓延，与主导风向一致，形成“狭管效应”，风在经过时被加速，因此区域内风速大。富锦区域与依兰环境相似，风速较大，年平均风速为6.7 m/s。七台河区域由于四周山体的阻碍效应，风速偏小，年平均风速均为5.9 m/s。

桦川、桦南区域地形复杂，风的分布受地形影响强烈，由于地形的存在，山地风速随地形高度增加而增大，气流遇到山体后出现绕流，并且在山的迎风面出现阻碍现象，表现为在山的迎风侧出现相对小值区，山的背风侧风速明显减小，呈现尾流区的特征，桦川、桦南区域内的4#和5#测风塔明显的反映了这一特征：西南侧迎风面的4#塔，年平均风速为6 m/s，而北部背风侧的5#塔年平均风速仅为5.3 m/s

各区域风速年变化趋势大体相同，风速均为夏季7月份最低，夏季黑龙江省处于东北低压区，低压强度不大，太平洋副热带高压对黑龙江省影响弱，高低压之间梯度不大，故黑龙江省夏季是一年中大风最少的季节。由于春季的气旋和冬季的寒潮影响，春、冬风速都比较大，桦南区域最大风速出现在春季4月份，其他区域最大风速出现在冬季1月份。

3.2 风速日变化

在没有特殊天气系统时，风速的日变化呈明显的周期性。风速的日变化主要与下垫面有关。松花江谷地范围内风速日变化有两种趋势，第一种是白天风速大于夜间，1#、2#、3#、4#、5# 五座测风塔，位于松花江上游，张广才岭北部的谷地，最大风速均出现在14-16时，夜间0-6时风速较小，这是由于白天太阳辐射强，地面温度较高，对流旺盛，高层动量下传，湍流交换强，使风速加大，午后温度下降地面逐渐冷却，气层趋于稳定，因而风速较小；另一种变化趋势则是夜间风速大于白天，6#测风塔最小风速出现在中午11-14时，夜间22时-凌晨2时左右风速最大。

3.3 风向变化特征

各测风塔观测年风向如图1，在大范围环流的影响下，松花江谷地各个测风塔均以WNW至SW方向之间。

图1 各测风塔风向

3.4 风速垂直结构

近地层风速的垂直分布主要取决于地表粗糙度和低层大气的层结状态。在中性大气层结下，对数和幂指数方程都可以较好地描述风速的垂直廓线，实测数据检验结果表明，幂指数公式比对数公式可以更精确地拟合风速的垂直廓线，我国新修订的《建筑结构设计规范》也推荐使用幂指数公式，其表达式为：

式中，V2为高度 Z2处的风速（m/s）；V1为高度 Z1处的风速（m/s），Z1一般取10 m高度；α为风切变指数，其值的大小表明了风速垂直切变的强度。

各测风塔观测年风切变指数见表1，从表中可以看出，3#测风塔风切变指数偏大，为0.352，3#测风塔位置均处于山腰处，山体对地处风速有阻碍作用，因此风切变指数偏大。典型的松花江山谷地形造成了其复杂的风场特征，风速垂直切变较平原地区偏大，说明河谷地形下，距离山体愈近，其风的湍流和扰动就会增加，风场就会越不稳定。