渤海湾北岸海陆风及湍流强度特征分析

龙 强,王 锋,王 畅,米欣悦

(1.唐山市曹妃甸区气象局，河北 唐山 063200; 2.唐山市气象局，河北 唐山 063000;3.河北省气象与生态环境重点实验室、海洋气象探测试验基地，河北 唐山 063200)

海陆交界的近地层是陆地与大气、陆地与海洋进行物质和能量交换的重要场所，环境状况复杂、区域特征明显，自然资源丰富，其中海上风电资源以其清洁、高效的优势得到了越来越多国家的重视，成为世界上发展最快的能源产业之一[1]。欧洲是全球海上风电发展最快的地区，我国起步相对较晚，2006年开始局地的海上测风，2008年我国第一座大型海上风电项目(上海东海大桥海上风电项目)的建设拉开了中国海上风电开发的帷幕[2]。2017年渤海湾北岸的唐山乐亭菩提岛海上风电场300兆瓦示范工程启动建设，成为我国北方地区第一个海上风电项目。

影响风电场选址和风机运行的客观条件包括地形、风速、风功率密度等，其中又以湍流的影响最大，是导致风机齿轮损坏、叶片开裂、发电量不达标等的核心因素。近年来，多地风电场因强风湍流出现事故，2006—2014年浙江苍南、福建漳浦、海南文昌等沿海地区风电场受台风影响先后遭受倒塔、叶片破裂等严重损失，2010年8月甘肃瓜州一在建风机组因强风发生倒塔事故，2019年3月渤海湾北岸曹妃甸一机组叶片因强风整体折断并引发另一支叶片断裂，成为该风电场投入运行以来首个气象条件导致的自然事故。为保障风机安全性和良好的发电性，国际电工委员会(IEC)的风力发电机标准(IEC-61400)明确了风机设计湍流等级[3]，湍流强度成为风机安全等级分级的重要参数之一。湍流具有随机性、非线性，作为近海和海岸地区特有的地方性风，海陆风的周期性对湍流强度的变化也有一定的影响[4]。立足于降低事故风险、提升经济效益，国内相关学者和专家对风湍流及其对构筑物的影响作了相关研究。陈飞等(2008)利用多种观测资料评估了华东连云港沿海地区和近海风能资源，探讨了风湍流强度对风力发电的影响[5]；张雪芝等(2018)研究了湍流强度对风场发电量的影响，提出了利用实时湍流强度计算风电场发电量的方法[6]；宋丽莉等(2004)对比分析了华南广东沿海大风在近地层的阵性特征、演变规律，分析指出了结构工程抗风设计中我国相关规范存在的参数误差，并提出了风参数取值的具体依据[7]；顾明(2010)计算了北黄海、南海、相模湾等近海面层大气湍流强度，指出其比近地层大气湍流强度普遍低一个量级，且近海面层大气湍流强度与风速呈负相关关系[8]；黄林宏等(2016)利用全国风能资源专业观测网数据评估了风机选型算法在我国的适用性，重点指出其在东南沿海和西北、华北平原地区的计算偏差[9]。着眼全国沿海，目前已有相关学者分析了我国华南、华东沿海地区的湍流特征，并结合实际应用需求提出了建议，但对于华北地区沿海，特别是地处内海的渤海湾却鲜有相关研究。本研究以渤海湾北岸近海面层和近地层的湍流为研究对象，分析了当地海陆风及湍流强度的时空特征，并重点对不同天气系统所致大风条件下的湍流强度特点作了剖析，以期为本地风电场建设和风力发电的气象保障提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

海陆风分析资料源于唐山祥云岛地面观测站，地处渤海湾北岸，地理位置如图1所示。根据站点所处位置，确定海-陆风(即海洋吹向陆地的风)风向为顺时针E—SW，陆-海风(即陆地吹向海洋的风)风向为顺时针WSW—ENE，昼夜以平均日出和日落时间划分。本研究选取2017—2018年4个季节的观测资料分析渤海湾北岸的海陆风特征。

图1 渤海湾北岸相关站点分布Fig.1 Distribution of relevant stations on the north shore of Bohai Bay

湍流强度分析资料源于曹妃甸和嘴东两座梯度测风塔，地理位置如图1所示。曹妃甸风塔位于嘴东风塔SSE方向，地处吹沙造地而成、三面环海的曹妃甸海岛，代表沿岸近海面层。嘴东风塔背依陆地，面向渤海湾，代表沿岸近地层。两座风塔均隶属于中国气象局2008年牵头组织实施的风能资源专业观测网，设备型号、维保养护均一致，高度分别为100、70 m，垂直分层为10、30、50、70、100 m(嘴东站无100 m层)，各层均有风要素监测。本研究选取2011—2013年观测资料分析渤海湾北岸的近海面层和近地层湍流强度特征。

1.2 计算方法

根据IEC-61400标准定义，湍流强度是指10 min内风速随机变化幅度大小，是10 min平均风速的标准偏差与同期平均风速的比率。计算公式如下。

(1)

2 结果与讨论

2.1 海陆风特征

由图2的风频图可知，全年、夏季和冬季白天由海-陆风向夜间陆-海风的转变均明显：全年白天海-陆风主导风向SSW频率到夜间显著降低，夜间陆-海风ENE风频则显著增大，海-陆风(E—SW)风频到夜间降低6.5%，即陆-海风(WSW—ENE)风频增大了6.5%；夏季白天以E、S和SSW风向为主导风向，均为海-陆风，三者的风频达到了55.8%，夜间SSW风频明显降低、ENE风频则显著增大，海-陆风风频到夜间降低达11.0%；虽然受冷空气频繁过境影响，冬季白天和夜间的主导风向均为W和ENE，风频整体变化不大，但海-陆风风频到夜间仍然降低了3.2%。

图2 渤海湾北岸全年、夏季和冬季的昼夜风频图Fig.2 Day and night wind direction frequency rose diagrams of the whole year, summer and winter on the north shore of Bohai Bay

可见，渤海湾北岸的海陆风特征显著，海洋在白天和夜间的热源转换带来了沿岸风向的变化，这可能会给海面和沿岸湍流强度带来一定的影响。

2.2 湍流特征

2.2.1 湍流垂直变化特征 利用两座风塔的垂直监测数据计算湍流强度值，结果如图3所示。可以看出，湍流强度随高度增大而减小，且高度越高湍流强度减小的趋势越平缓；平均风速随高度的增大而增大，这与湍流强度的变化相反。由于海水热容量高于陆地，近海面层温度梯度小于同时间的陆上近地层，且海洋下垫面整体比陆地下垫面更简单、平滑，因此曹妃甸风塔所代表的的近海面层湍流强度整体小于嘴东风塔所代表的的沿岸近地层湍流强度。

图3 渤海湾北岸湍流强度和风速随高度的变化特征Fig.3 Variation characteristics of turbulence intensity and wind speed with height on the north shore of Bohai Bay

由于所处位置下垫面的不同，近海面层和近地层湍流强度特征差异明显。可见，在确定风电场选址时，应充分考虑项目所在地的精细化地形、地貌以及海洋气候的影响，确保风电项目落地运行的稳定性和安全性。

2.2.2 湍流季节性变化特征 分别对近海面层和近地层湍流强度特征进行季节性分析(图4)。由图4(a)可知，无论近海面层还是近地层，各高度湍流强度的季节性特征较为一致，春季3个月(3—5月)的湍流强度整体变化不明显或增大平缓，夏季(6—8月)湍流强度整体偏大，秋季(9—11月)为过渡性季节，湍流强度变化无明显规律，冬季(12月至次年2月)湍流强度则相对偏小。由图4(b)可知，相对于近地层，近海面层湍流强度季节性变化相对平缓，这可能是源于二者下垫面不同，海洋下垫面单一且曹妃甸独特的地理位置使其常年不淤不冻[10]，环境的季节性变化不大，而陆地下垫面相对复杂，植被生长随季节变化也较大，故近海面层和近地层湍流强度的季节性变化存在差异。

2.2.3 不同天气系统下的湍流特征 渤海湾北岸向东直对渤海海峡，偏东大风在狭管效应的作用下在本地会得到显著增强，成为本地大风的主导风向[11]。雷暴所致的下击暴流往往会在本地形成极强风力，本地历史极端风力(13级)即是一次强对流过程引发。对本地有直接影响的北上台风平均每两年1次，但2018年连续3个台风过境，台风对风电场的影响也应引起重视。因此，这里对偏东大风、雷暴大风和北上台风条件下的湍流强度分别进行分析研究。

①偏东大风条件下的湍流强度特征。选取两个冷空气引起的偏东大风过程(2011年11月28日—29日和2013年3月18日—19日)，研究大风期间近海面层和近地层湍流强度的变化特征(图5)。强风条件下，近海面层和近地层风速随高度增大而增大且增速减缓，湍流强度随高度增大而减小且趋势同样减缓，但近海面层70 m及以下湍流强度整体比近地层湍流强度大，经初步分析，海面空气动力学粗糙度可能是导致该情况的主因[12-13]。根据已有的研究结论，受海陆风和周边环境变化影响，渤海湾北岸近地层空气动力学粗糙度具有明显的季节性变化特征[14]，并非维持不变，且偏东大风在长风区、长风时的作用下，容易在渤海湾北岸形成大浪[15](该两次过程最大浪高分别达到了5.2、5.1 m)，海洋下垫面的粗糙元随风速发生了变化，大浪的存在改变了近海面层的风场结构。综上分析，偏东大风及其所致的大浪对近海面层湍流的影响同样不容忽视。

图5 偏东大风期间10 m高度最大风速和最大湍流强度出现时各层的风速和湍流强度Fig.5 Wind speed and turbulence intensity of each layer when the maximum wind speed and maximum turbulence intensity at 10 m height appeared during easterly winds

②雷雨大风条件下的湍流强度特征。选取两个雷雨大风过程(2011年7月30日和2011年9月1日)，研究大风期间近海面层和近地层湍流强度的变化特征(图6)。和冷空气偏东大风环境相比，不稳定层结条件下各层风速、湍流强度的特征更特殊一些：近地面层风速有随高度增大而减小的情况，近海面层和近地层湍流强度出现了随高度增大而增大的情况，且该情况并非个例(图略)。目前国内对此现象的研究或解释比较少，除了海洋下垫面和沿岸下垫面的不同外，对流云团相对于风塔的移动路径、结构的不规则性、云团的尺度等也可能是导致垂直方向上风速和湍流强度出现特殊情况的原因。

图6 雷雨大风期间10 m高度最大风速和最大湍流强度出现时各层的风速和湍流强度Fig.6 Wind speed and turbulence intensity of each layer when the maximum wind speed and maximum turbulence intensity at 10 m height appeared during thunderstorms

③北上台风影响下的湍流强度特征。在两座风塔服役期间，仅有2012年8月3日—4日的台风“达维”北上并从风塔位置经过(到达时已减弱为热带低压)，路径如图7所示。由于台风期间嘴东风塔处于维修状态，无数据记录，因此这里仅作近海面层湍流强度和风速的特征分析。

图7 台风“达维”路径图Fig.7 Path map of the typhoon Damrey

“达维”过境期间各层风速、湍流强度随高度增大分别增大和减小(图8为10 m高度处风速最大时的湍流强度垂直变化，其他时次图略)，这和雷雨大风期间的情况不同，一定程度上说明了系统尺度的可能性影响，“达维”系统尺度大于局地对流，在近海面层的影响不如强对流有更加个性化的特征。“达维”靠近时(相关要素变化如图9所示)，近海面层各高度风速逐渐增大，但湍流强度变化不明显，当“达维”于8月4日02时中心经过风塔时(以气压变化为标识)，各层湍流强度均达到最大，出现了明显的波峰，各层风速显著减小，但于1 h后达到最小，且随着“达维”继续移动离开，风速在波动中增大，但比之前风速偏小，湍流强度同时显著减小。“达维”完全离开后，风速减小，湍流强度再次增大。

图8 “达维”过境期间近海面层10 m高度最大风速出现时各层湍流强度Fig.8 Turbulence intensity of each layer when the maximum wind speed at 10 m height in the near-sea layer appeared during the typhoon Damrey

图9 “达维”过境期间近海面各层的湍流强度变化Fig.9 Variation of the turbulence intensity at each near-sea layer during the typhoon Damrey

2.3 风机湍流强度特征值分析

根据IEC-61400标准，风机高度处设计最大抗湍流强度值为0.16。在曹妃甸风塔样本中，70 m高度处湍流强度大于0.16占8.3%，最大湍流强度达到了0.49，且各季节均有出现。嘴东风塔相应的比例为9.4%，最大湍流强度0.43，各季节也均有出现。不同影响系统下，近海面层和近地层湍流强度有所不同，而“达维”过境期间的湍流强度反而相对偏小，最大仅为0.23，这与相关学者对华南、华东一带的研究结果有所不同[16-18]，这可能是与北上台风的能量耗散、强度减弱有关。

根据上述分析结论，对于华北渤海湾沿海地区抗湍流强度参数的确定，建议取值0.43～0.49，以区别于受台风影响较小的欧洲和受台风影响较大的华南地区，在确保设计安全可靠的基础上降低建设成本和运营风险。

3 结论

利用相关岸基站、测风塔观测资料分析了渤海湾北岸海陆风和湍流强度特征，并在此基础上提出了调整风力发电机抗湍流参数的建议，主要结论如下。

(1)渤海湾北岸昼夜风向由SSW的海-陆风向ENE的陆-海风转变，这一变化在夏季更为显著，海陆风特征明显。

(2)整体而言，近海面层和近地层风速和湍流均随高度增大分别呈增大、减小趋势，受海水热容和下垫面影响，近海面层湍流强度小于近地层湍流强度。

(3)湍流强度具有显著的季节性特征，夏季大、冬季小、春秋季变化不明显，且近海面层湍流强度相对于近地层湍流强度变化平缓。

(4)偏东大风条件下，受海面空气动力学粗糙度变化影响，近海面层70 m及以下湍流强度反而比近地层湍流强度大；雷雨大风期间，近海面层和近地层的湍流强度、风速均有随高度增大而分别增大、减小的特殊情况；台风靠近风塔时，各层风速随高度增大而增大，但湍流强度变化不明显，台风经过风塔时，湍流强度最大值和台风中心到达时间一致，且比风速最小值出现时间提前约1 h。

(5)近海面层和近地层有8%～10%的湍流强度样本超出了IEC-61400的风机设计标准，建议华北渤海湾北岸风力发电风机抗湍流参数调整至0.43～0.49。