湖北省近地层风切变特征

崔杨 陈正洪 何英杰 孟丹

(1 湖北省气象服务中心，武汉 430205； 2 西安交通大学电气工程学院，西安710049； 3 湖北省气象能源技术开发中心，武汉 430205)

引言

近年来，我国风能资源的集中式开发有效提高了能源替代速度。2016年国家发改委和能源局联合发布的《能源发展“十三五”规划》[1]中指出，我国风电开发将逐步从“三北”地区的集中式开发向用电消纳集中的中东南部分散式风电项目转移。分散式风电项目通常位于低风速地区(低风速是指标准空气密度轮毂高度处年平均风速不高于6.5 m/s，风功率密度不高于320 W/m2的地区[2])，采用高塔筒大叶片风电机组，轮毂高度通常在100 m以上甚至可达150 m。项目整体装机规模较小，一般利用周边已建成测风塔结合再分析资料开展风能资源评估。而前期设立的测风塔离地高度多集中在70 m以下，已无法满足分散式风能资源评价的实际需求。

风切变指数能够衡量风速随垂直高度变化的特征，与区域地形形态、海拔高度、地表粗糙度、天气气候条件等有着直接关系[3]，对于风能资源评估、风机选型、风电场选址等具有重要意义[4]。许杨等[5]利用湖北省丘陵山区的12座70/80 m高测风塔开展风能资源特征分析，并指出风速随高度的变化具有较大的差异性；龚强等[6]利用辽宁省26座10～70/100 m测风塔研究了不同大气稳定度、季节等条件下的近地层风切变特征，结果表明各测风塔年风切变指数变化范围为0.024～0.405；刘敏等[7]利用湖北省3座70 m高测风塔，研究了基于不同下垫面的风速垂直变化特征，结果表明不同地形条件下的风切变指数存在差异性；龚玺等[8]分析了我国基于不同下垫面和稳定度条件下地面到100 m的风切变指数变化情况，并指出如果按照风机设计标准中假设的风切变指数0.2，一般会过高估计轮毂高度处的风速；陈燕等[4]分析了江苏省沿海地区的5座测风塔，得到了不同地区及各高度层的风切变指数变化规律。国外早有开展上层风切变指数的研究，Schwartz等[9]利用美国13座不同下垫面的50～110 m测风塔，对比了多种风切变指数计算方法的误差与适应性；Farrugia[10]研究了地中海气候条件下的风切变指数变化规律，并与传统的固定取值1/7(约0.143)[11]做对比，结果显示出较大的差异性；Dimitrov等[12]利用2个观测站60～200 m的测风数据验证了风切变预测在风机荷载同化中的应用，并认为陆面风切变指数通常随高度而变化，不应盲目采用下层风速推算上层风速。Maeda等[13]以日本某处复杂地形为研究对象，通过幂指数率[11]计算方式将20～30 m高度处的风速推算到100 m高度，结果实际风速与推算风速的误差超过20%。

风切变指数变化具有一定的时空差异性，利用传统的固定值风切变指数推算上层风速会产生较大的误差。目前国内少有针对近地层70 m以上风切变特征的研究，本文基于湖北省内27座离地高度为120～150 m的测风塔数据，分析风切变指数在不同时空、稳定度及风速段条件下的差异性，并结合数值模拟资料绘制了湖北省70～120 m风切变指数分布图，以期为低风速地区分散式风能资源的开发利用和风电场发电功率预测提供技术指导。

1 资料与方法

1.1 资料

1.1.1 测风塔资料

以湖北省内离地高度120～150 m的27座测风塔为研究对象(表1) ，其中24座测风塔(P1～P24)主要分布在中部和东南部平原湖区，3座测风塔(M1～M3)位于丘陵山区(图1)。27座测风塔整体观测时间在2016年2月至2020年3月之间，每个塔至少有1年测风数据。为便于描述，文中将70 m以下高度层称为下层，70～120 m称为中层，120～140/150 m称为上层。

图1 湖北省27座离地120～150 m测风塔分布

表1 湖北省27座离地120～150 m测风塔信息

由于各测风塔所具有的高度层存在差异，为便于分析，在每个地形和气候条件相近的地区，筛选出数据完整率和质量最好的塔作为典型测风塔，最终筛选出6座测风塔开展季节和日分析。表2为本文分析中所采用的测风塔数量。

表2 风切变指数特征分析采用的项目与测风塔数量

依据文献[14]对27座测风塔原始数据及各观测层数据的完整性、合理性和时空一致性进行检验，剔除无效数据。根据文献[15]对缺测数据和无效数据进行插补订正，对于观测不满1年的测风塔，在经过风速显著性及相关性检验后(通过0.01显著性检验)，利用周边参证气象站或相邻测风塔进行异塔插补订正，补充为完整年。最终，27座测风塔风速的有效数据完整率均达到97%以上。

1.1.2 数值模拟资料

利用中国气象局发布的全国陆地风能资源的最新评估结果“全国风能资源高分辨率评估(2014)数据集”，该产品采用中尺度模式WRF和CALMET模式系统共同完成。物理过程参数化有：湿微物理过程参数化、边界层物理过程参数化、积云参数化、云辐射参数化、土壤温度模式、浅对流。投影方式采用LAMBERT投影，边界层物理过程参数化使用MRF方案。评估结果包括湖北省70～150 m的30年平均风速模拟数据，水平分辨率为1 km×1 km，其中70 m平均风速模拟如图2所示。

图2 湖北省70 m数值模拟平均风速

1.2 方法

1.2.1 风切变指数计算方法

风切变指数能够反映近地层风速的垂直分布情况，主要取决于地表粗糙度和低层大气的层结状态。风切变指数的计算方法可以采用指数律或对数律，目前大多数研究均推荐采用指数律方法[7,12,15]，具体表达式为：

(1)

其中，V1和V2分别为高度Z1和Z2处的平均风速(m/s)，α为风切变指数。为了综合反应风切变状况，将式(1)两边取对数，进而得到式(2):

(2)

(3)

本文利用式(3)计算70～100 m、70～120 m、70～140/150 m、120～140/150 m间的风切变指数。

1.2.2 大气稳定度划分方式

大气稳定度可以表征大气湍流的强度，与风切变指数密切相关。本研究采用Pasquill提出的分类法[16]，将大气稳定度分为强不稳定(A)、不稳定(B)、弱不稳定(C)、中性(D)、较稳定(E)和稳定(F)6个等级。大气稳定度的分类方法有多种，本文采用基于云量、太阳高度角的分类方式。首先，计算出太阳高度角h0[17-18]，根据表3结合云量查出太阳辐射等级数，再根据太阳辐射等级数和地面风速按照表4查找出对应的大气稳定度等级。

表3 基于云量与太阳高度角的太阳辐射等级

表4 基于地面风速与太阳辐射等级的大气稳定度等级

2 近地层风切变特征分析

考虑到风切变指数受不同地形、垂直高度及气候条件的影响具有一定的变化特征，为了便于分析，综合27座测风塔所处区域的气候和地形条件，在每一个地形和气候条件相近的地区，筛选出数据完整率和质量最好的塔作为典型测风塔，最终筛选出6座测风塔开展季节和日分析，并针对上、中、下层的风速变化特征展开对比分析。

2.1 风切变的时间变化特征

2.1.1 年、季风切变指数变化

由图3a可以看出，各测风塔的年风切变指数差异较大，变化范围是0.05～0.39。结合图1和表1可见，位于平原湖区的测风塔年平均风切变指数普遍高于山区，且各地区风切变指数具有明显的差异性。3座山区测风塔年平均风切变指数变化范围是0.05～0.16，整体年平均为0.12；其他24座平原湖区测风塔年平均风切变指数变化范围是0.17～0.38，整体年平均为0.27。由图3b知除M2外，其他5座典型测风塔春夏季风切变指数普遍略高。各地区位于中层的四季风切变指数具有一定差异性，且山区的风切变指数明显低于平原湖区，在没有实测数据的情况下，需谨慎使用固定经验值进行风速推算。

图3 湖北省近地层测风塔年(a)、季(b)平均风切变指数

2.1.2 风切变指数的日变化

图4所示为6座典型测风塔70～120 m年风切变指数日变化。可以看出，不同地区的风切变指数具有明显的日变化特征，除位于山区的M2、M3测风塔日变化趋势较为平缓外，其他4座测风塔的风切变指数均为白天小，夜间大。这是由于白天近地面上下层间的湍流交换作用较夜间频繁和剧烈，导致上下层间的风速差较小。山区测风塔的日风切变指数明显低于平原地区，且地处海拔高度超500 m的M2和M3白天和夜间的风切变指数差异较小，这或许是因为复杂地形条件有利于加剧近地层大气湍流的交换，导致垂直风切变指数整体较小。

图4 湖北省近地层测风塔风切变指数的日变化

2.2 风切变指数的空间变化特征

2.2.1 风速随高度整体变化特征

大气边界层的风场分布不仅受大型天气系统的影响，还受不同地形和下垫面引起的热力作用影响，从而使风场具有不同的水平、垂直结构以及时间变化特征[19]。图5为6座典型测风塔年平均风速垂直廓线，可以看出，各测风塔风速随高度变化具有一定的差异性，基本遵循幂指数规律，下层风速受到下垫面的影响导致风切变较上层偏大。且不同的海拔高度也会影响风速随高度的变化程度，如地处山区且海拔相对较高的M2，高度超过50 m后，风速随高度变化较小，M3各层风速明显高于其他测风塔。P19在140～150 m处出现负切变。一般情况下，近地层风速因地形原因被加速，而更高层的风速未受到加速或加速较少，导致风速随高度增高而增大的效应不明显。

图5 湖北省近地层测风塔年平均风速垂直风廓线

2.2.2 70 m以上风切变特征

分析27座测风塔70～100 m、70～120 m、70～140/150 m及120～140/150 m高度间的风切变指数变化特征(图6)可以看出，除P24外，70 m至各高度层的风切变指数基本随高度的增加而降低。各测风塔70～100 m的风切变指数范围是0.09(M2)～0.42(P10)，70～120 m的变化范围是0.005(M2)～0.37(P8)，70～140/150 m为0.13(P16)～0.33(P10)，120～140/150 m为0.08(P16)～0.35(P10)。

图6 湖北省近地层70 m以上不同高度范围风切变指数变化

2.3 不同稳定度下的风切变指数

为更有针对性地研究低风速地区中层高度不同大气稳定度下风切变指数分布情况，分析了6座典型测风塔在不同稳定度下风切变指数α的分布情况(图7)。考虑到《风电场风能资源评估方法》[14]中将风切变指数取值为1/7(约0.143)，因此将风切变指数分为4个等级。可以看出，α在较稳定状态下的频率最高，为59%(P19)～75%(M3、P24)，除P7外，其他5座测风塔在不稳定条件下α<1的频率最高；M3、P7、P24在中性条件下的频率次高，而M2、P1、P19在较不稳定条件下的频率次高；各测风塔在不稳定条件下的频率最低(均不超过5%)；稳定等级的频率次低，在1%(M3)～9%(P19)之间。通过图8可以看出，除位于山区的M3外，其他5座测风塔均在稳定条件下风切变指数最大，不稳定条件下最小。说明在不稳定条件下大气湍流作用强、垂直动量交换较大，造成上下层间的风速差小。其中，M2在该条件下出现负值，更进一步说明了上下层混合交换强烈情况下，会出现低层风速大于高层风速的情况。

图7 湖北省近地层低风速地区不同大气稳定度下整体风切变指数频率分布

图8 湖北省近地层低风速地区不同稳定度条件下的风切变指数

2.4 不同风速段下的风切变指数

考虑到目前主流陆地风机机型的切入风速在3.0 m/s左右，额定风速在10.0 m/s左右，因此将各测风塔70 m高度处的平均风速划分为3.0 m/s以下、3.0～10.0 m/s之间及10.0 m/s以上3段[20]，分别计算出3个风速段下各测风塔中层风切变指数(图9)。可以看出，除P12外，大部分测风塔的风切变指数均在70 m风速小于3.0 m/s时最低。3.0～10.0 m/s风速段的风切变指数变化趋势与年平均最接近。

图9 湖北省近地层不同风速段下的风切变指数

以各测风塔70 m高小时平均风速≥10.0 m/s的风速为样本，单独分析大风条件下的中层风切变特征，满足该条件的样本数为2886个(图10)。可以看出，70 m高度处的最大风速为19.4 m/s，对应中层风切变指数为0.17。所有样本风切变指数的变化范围是-0.17～0.70，主要集中在0.05～0.35之间，且具有一定的离散性，可见风速的垂直变化具有很强的复杂性，这一范围随风速的增加逐渐向中间区域聚拢，在风速>16.0 m/s以后，不再有负切变出现。

图10 湖北省近地层70 m高度小时平均风速≥10.0 m/s的中层风切变指数

3 数值模拟结果对比与应用

将27座测风塔中层实际风切变指数与计算出的相应位置模拟风切变指数做对比(表5)。平原湖区24个测风塔位置中，虽然实测值与模拟值相关系数高，通过了信度99%的显著性检验，但实测值明显高于模拟值，偏差范围是-0.06～0.14，平均偏差为0.04。实测值大于模拟值的有18处，占比75%，其中东部地区(P17～P22，P19除外)、中部地区(P1～P5，P3除外)的模拟结果普遍最好，中部平原有6座测风塔的实测与模拟风切变指数偏差接近或超过0.1，原因:①中部平原的模拟风速普遍较实际偏大，②个别测风塔的实际风切变指数与周围测风塔差异较大，这可能与观测年、仪器测量误差或局地小气候特征有关。另外3座山区测风塔的模拟结果与实测非常接近，偏差不超过0.03。

利用湖北省数值模拟70～120 m风速推算出全省风切变指数分布。根据表5实测与模拟风切变指数对比结果，以111°30′E为界线，以西地区的山区以及湖北省北部桐柏山、南部通山一带的山区不做风切变指数订正。利用中部平原地区的实测中层风切变指数订正模拟图中的结果，采用IDW插值方法[21]绘制出湖北省70～120 m风切变指数分布(图11)。从图中可以看出，鄂中平原地区风切变指数最大，鄂西、鄂南部以及鄂北桐柏山一带，风切变指数较低，在海拔较高的鄂西恩施地区风切变指数出现负值。

表5 湖北省近地层70～120 m实测与模拟风切变指数对比

图11 湖北省近地层70～120 m风切变指数分布

对比以往风切变指数变化规律的研究，总结出表6。通过表6可以看出，尽管已有针对湖北省的风切变指数变化规律研究，但研究高度均在70/80 m以下，对现有的实际工程应用指导意义较小。本研究从实际应用的角度出发，开展了70～120/150 m高度风切变指数变化规律的研究，绘制出了湖北省70～120 m风切变指数分布图。对于湖北省内低风速区域风能资源评价、风机选型、政府决策和企业选址具有重要意义。本研究对于其他省份开展分散式风能资源评价亦有指导意义，在无法新建测风塔开展实施观测的情况下，应充分利用项目周边测风塔70 m以上的实测数据结合数值模拟产品对中上层风速进行推算，必要时应对测风塔数据开展长年代分析，并对数值模拟结果进行修正，以进一步精确推算结果。

表6 风切变指数α特征研究对比

4 结论与讨论

利用湖北省27座120 m以上测风塔为研究对象，研究了湖北省平原湖区和部分山区中层及上层风切变特征。

(1)风切变指数具有明显的日变化特征，为夜间大白天小；四季中，中层风切变指数普遍在秋冬季最小，在春夏季最大。

(2)70 m以上风廓线较10～70 m变化更为复杂，且随高度的增加，风切变指数逐渐减小，上层风切变指数明显小于中层。山区中层平均风切变指数为0.12(0.05～0.16)，明显低于平原湖区0.27(0.17～0.38)。

(3)中层风切变指数在较稳定状态下的频率最高，在不稳定条件下的频率最低。稳定状态下的风切变指数最大，不稳定状态下最小。

(4)3.0 m/s以下、3.0～10.0 m/s及10.0 m/s以上3个风速段，风切变指数基本在70 m风速小于3.0 m/s时最低，在3.0～10.0 m/s与年平均最接近，山区10.0 m/s以上风速段的风切变指数最高。当风速大于10.0 m/s时，所有样本中层风切变指数的变化范围主要集中在0.05～0.35之间，且具有一定的离散性，随着风速的增大，离散性越强。

(5)利用中国气象局全国陆地风能资源的最新评估结果计算出27座测风塔中层模拟风切变指数，结果表明，模拟与实测风切变的偏差具有一定波动性，偏差范围是-0.06～0.14。

湖北省70 m以上风切变指数具有一定的个体差异性，在推算不同高度层的风速时，不易采用单一的均值化风切变指数，且采用下层风速(低于70 m高度层)推算上层风速会导致误差的增大。部分地区120 m以上风切变指数明显减小，在140 m以上甚至出现负切变，因此在实际工程应用时，尤其是针对低风速风能资源较好的区域，不应盲目布设高塔筒风机。此外，由于目前收集到的丘陵山区地形测风塔数量有限，本文中的3座山区测风塔尚不足以代表鄂西、鄂西南等高海拔地区，未来将继续收集新建测风塔数据，以完善该区域的模拟结果。