1.6　風的形成與地形對風的影響

風力發電是由風力驅動的發電方式，要精確預測風電功率，就要清晰了解風的形成機理，特別是地形對風電場的影響。本節將對以上知識進行簡要介紹。

1.6.1　風的形成

（1）地球大氣層吸收了大約20%的太陽輻射能，這些被大氣層所吸收的輻射能使大氣被加熱，出現冷熱不均，隨著擾動產生了風。由于地球繞太陽公轉，隨著太陽與地球相隔距離和相對方位的變換，地球表面能夠接收的太陽輻射強度也會有差別，這樣空氣受熱隨之流動。在赤道和地球兩極、低緯度區域和高緯度區域，前者的太陽輻射強度較后者強，由此因素影響大氣和地面所能夠吸收到的熱量就較多，溫度升高也比較顯著。因此，在赤道和兩極就形成了溫度差和壓力差，在赤道附近的熱空氣上升，并向兩極運動，而兩極較冷的空氣向赤道運動，這就在地球表面造成了所在地的風。

（2）空氣受到大氣壓差和由于地球自轉產生的地轉偏向力的共同影響，地球大氣隨之擾動。在北半球，地球自西向東自轉，本來向北運動的氣流折返向東運動，本來向南運動的氣流折返向西運動。在北緯30°附近，地轉偏向力與氣壓梯度力相當，空氣運動方向幾乎與緯度平行向東運動，也就是熟知的“盛行西風”，在這個區域形成了盛行西風帶。

西風帶這一區域形成了高壓和溫和的氣候，使得一部分空氣向南運動，流向赤道。鑒于地轉偏向力的隨時存在，就造成東北風影響北半球比較明顯，東南風影響南半球比較明顯，整個區域的風速變化波動不會特別明顯，由于前者的存在產生了所謂的“信風”，故把處在地球南北緯度30°之間的這樣一個區域稱為信風帶。這個區域的一部分空氣會由于受力而向北移動，目標是地球兩極。地球不斷自轉，使得北半球這個區域刮西風，風速起伏較大，形成這個區域獨有的西風帶。在北緯60°附近，西風帶遇到了由北極向南流動的冷空氣，而迫使空氣向上爬升，致使在這個區域形成了一個近極弱風帶。

由于冷暖空氣的相遇，使得這個區間的空氣分成了兩路，其中前者向南運動，后者向北運動。向北運動的這部分氣流，在地球自轉產生的地轉偏向力的推動下，使得北半球刮起了偏東風，在地球北緯60°～90°的區域范圍內產生了極地東風帶。

（3）地球表面的物質結構不同造成了對太陽輻射熱量吸收的不同，這又是風形成的另一個原因。如，把海洋和它周圍的陸地做比較，由于水和陸地比熱容不同，使得海洋對于溫度的熱響應沒有陸地迅速；從另一方面海洋的溫度下降的速度也要比周圍的陸地要降低很多。地質結構的不同造就了熱容性的差別，使得不同的區域有各自的氣團。多數情況下，冷暖氣團的相遇是成就大范圍的氣流運的主要原因。地球是一個復雜的表面，各區域冷暖程度均不一樣，這就為氣流的形成具備了天然的條件，如圖1-1所示。

1.6.2　大氣邊界層風場的形成

大氣邊界層是緊靠地球表面，厚度為1～1.5km的一層大氣。這層大氣運動影響因素頗為復雜，既受地面熱力影響，又受到地表地形和粗糙度的影響，因此地表風場比較復雜，具有明顯的湍流性質。當前人類建立的風電場均處于大氣邊界層中，風電場的功率預測系統要較為準確地預測發電功率，即預測模型需要較好地表達地形和地面粗糙度對于近地風場的影響。因此，有必要討論各種風功率預測模型對各類地形的適應性，為不同地區風電場功率預測系統的開發提供依據。

地球表面并不平坦，總有些凹凸不平和緩坡。小的不規則地貌如樹林、防護林帶等，都被看作是平坦場地；而大規模的高地或者洼地如山、山脊、山谷、峽谷等，都被看作是非平坦場地。按照Frost和Nowak的觀點：如果地形符合下述條件，則把它們看作是平地。

（1）在風電場四周5km直徑范圍內，無論在哪個地點，風電場與周圍地形的高差不大于60m。

（2）在風電場上風側4km和下風側0.8km內的山丘，其高寬比不大于1/50。

（3）在上風側4km范圍內，風電機組葉片下端離地高度大于3倍最大高差。

非平坦地形的構成千差萬別。因此，Hiester和Pennell建議做如下的分類：

（1）孤立的高地或洼地。

（2）山區地形。

山區的氣流條件較復雜，因為高地和洼地是隨意形成的。為了研究山區的風流態，把山區地形分成小規模和大規模兩種。這兩種地形依據大氣邊界層高度來區別。例如，若山體高度是大氣邊界層厚度的一小部分（約1/10），則山區可以說是小規模山丘地形；若山體高度大于大氣邊界層厚度或甚至超出大氣邊界層厚度（約1000m）的地形則為大規模山丘地形。在確定地形與分類時必須對風向的資料加以考慮。例如，一座孤立的山（高200m、寬1000m）位于推薦廠址之南1km處，這種情況通常把廠址歸類為非平坦地形。但是，如果風以2m/s的平均速度從這個方向吹刮的時間較少，或只有極少的風能與吹過山的風有關，那么這種地形就可以看作是平坦地形。

平坦地形對風特性（即風速、風向和紊流）的影響，除了特別的垂直風形外，其余可以忽略不計；而非平坦地形對風特性的影響是復雜多變的。此外，沿海地區風電場由于海陸的熱力學特性差異，近地風場也有其自身的特點。因此，下文將就非平坦地形和沿海地區的近地風場特性進行討論。

1.6.3　山區的近地風場

山區的地形復雜，近地風場的模擬歷來是一個難題。精確地描述山區的近地風場是困難的，本節主要介紹決定山區近地風場的主要規律和影響因素。

目前對于山地風場的研究主要集中在平均風速的加速效應（speed-up effect）上，即在山地地形中，某高度平均風速比平地相應高度平均風速有所增加的效應，一般在山頂的近地面最為明顯。通常用一無量綱參數：加速比（speed-up ratio）來定量描述加速效應，即

山體各位置的平均風速由山體形狀、坡度和高度等因素決定。圖1-2為某山地平均風速剖面圖。

圖中虛線表示未受山體干擾時的平地風場風速剖面，實線表示山體風場中的風速剖面。可看出迎風面山腳的風速剖面幾乎與平地風場重合，可視為沒有變化；迎風面山腰處風速已經開始增大，當到達山頂時平均風速的增加達到最大值，特別在臨近地面處最為顯著；剛進入背風面區域，由于山頂處造成的空氣流動分離，導致山頂高度以下區域風速迅速減小，在背風面山腳最為明顯，整個山頂高度以下區域風速幾乎都為0。再往背風面方向，近地面風速則逐漸增大，到背風面山腳后5h（h為山地高度）距離處基本恢復到來流風速剖面，山體影響基本消失。

山坡的坡度對山地近地風場加速比也有較大影響。對于山地的迎風面而言，在近地面高度加速效應最為明顯，加速比隨坡度的增加而逐漸變大，但明顯不是線性關系。近地面處最大加速比值較大，而隨著高度增加迅速減小，且加速比基本不隨坡度的變化而改變。這說明山體坡度只影響到山頂近地面的加速比。而對于背風面而言，隨著坡度的增加，風速減小的幅度顯著增大。背風面減速效應只在山頂高度以下發生，且減速比絕對值隨坡度的增大而增加。

在坡度相等的情況下，山體的高度也是影響加速比的重要因素。對于迎風面而言，隨著山體高度的增加，近地面處的加速比顯著提高，但在一定高度以上已經基本不受山體高度的影響。而對于背風面，山頂高度越高，背風面山腳的影響高度越大。由于山體的繞流會出現大量流動分離或旋渦，因此背風面近地面處加速比變化顯得較為雜亂。

1.6.4　沿海地區的海陸風

沿海風場的地形千差萬別，是影響近地風場特性的重要因素；此外，由于海面與陸面熱力學特性的極大差異，造成了海陸風現象。下文將對海陸風現象的原理進行介紹，并以廣東海陵島為例，介紹其風速及風速廓線的變化特性，為風電功率預測系統的建設提供依據。

由于陸地土壤熱容量比海水熱容量小得多，陸地升溫比海洋快得多，因此陸地上的氣溫比附近海洋上的氣溫高得多。在水平氣壓梯度力的作用下，上空的空氣從陸地流向海洋，然后下沉至低空，又由海面流向陸地，再度上升，遂形成低層海風和鉛直剖面上的海風環流。因海洋和陸地受熱不均勻而在海岸附近形成的一種有日周期性變化的風系。在基本氣流微弱時，白天風從海上吹向陸地，夜晚風從陸地吹向海洋。前者稱為海風，后者稱為陸風，合稱為海陸風。海陸風示意如圖1-3所示。

海陸風的水平范圍可達幾十千米，垂直高度達1～2km，周期為一晝夜。白天，地表受太陽輻射而增溫，由于陸地土壤熱容量比海水熱容量小得多，陸地升溫比海洋快得多，因此陸地上的氣溫顯著地比附近海洋上的氣溫高。陸地上空氣柱因受熱膨脹，形成了海陸的氣溫、氣壓的差值分布，海風從每天上午開始直到傍晚，風力以下午為最強。日落以后，陸地降溫比海洋快；到了夜間，海上氣溫高于陸地，就出現與白天相反的熱力環流而形成低層陸風和鉛直剖面上的陸風環流。海陸的溫差，白天大于夜晚，所以海風較陸風強。如果海風被迫沿山坡上升，常產生云層。在較大湖泊的湖陸交界地，也可產生和海陸風環流相似的湖陸風。海風和湖風對沿岸居民都有消暑熱的作用。在較大的海島上，白天的海風由四周向海島輻合，夜間的陸風則由海島向四周輻散。因此，海島上白天多雨，夜間多晴朗。例如中國海南島，降水強度在一天之內的最大值出現在下午海風輻合最強的時刻。由于夜間低空熱力差別遠不如白天大，因此，無論氣流速度還是環流高度，陸風環流都比海風環流弱，陸風的風速僅為1～2m/s。

海陸風在熱帶地區發展最強，一年四季都可出現，出現次數比溫帶和寒帶多。中緯度地區（如中國渤海地區）的海陸風，夏秋兩季比冬春兩季出現次數多。高緯度地區只在暖季出現海陸風。較大的島嶼如中國海南島，也會出現海陸風。海風白天從四周吹向海島，夜間陸風從海島吹向周圍海面。海陸風盛行的海島和沿海陸地，白天多出現云、雨和霧；夜間以晴朗天氣為主。

海陸風是利用沿海風電場設計建設中的一個重要問題。Lyons，T.J.Bell曾經指出，海陸風在沒有大尺度天氣背景下是風能的重要來源。然而，涉及風能領域關于海陸風的研究工作非常少。我國海岸線綿長，有豐富的風能資源可供開發，沿海風能相對于內陸風能而言，風速大，有效小時數多，海陸風發生頻繁。

沿海地區最突出的特點就是海陸風的存在及大尺度風向的變化。以廣州陽江海陵島上7座測風塔的NRG（NRG為美國大型能源公司）測風資料為例進行分析，每座測風塔在三個不同的高度上進行風速測量，并在最高層和最低層進行風向測量，測風塔上儀器每隔10min采集一次風速、風向資料。

海陸風是海陸熱力差異的結果，所以伴隨海陸風日內熱力差異的變化風速必定有一個相應的變化。以4個測風站點觀測的風向風速為分析依據：海陵島某日02：00～09：00，為陸風階段；02：00～05：50，風速逐漸增加，在這一個時段，陸面溫度越來越低，海陸溫差逐漸增大；06：00～09：00，風速逐漸減小，這一時間段內陸風風速減小是由于太陽輻射的加強使陸面溫度逐漸升高，海陸溫差減少；09：10～13：10，是海陸風的轉折時期，海陸熱力差異發生轉向，同時這一階段的風速也是從02：00模擬開始到13：10風速最小的一個時間段；而接下來從13：20～次日00：50則是海風階段，對于海風階段，同樣也存在風速增加和風速減小兩個不同的階段，13：20～18：00，風速逐漸增加，由于太陽輻射，陸面溫度逐漸升高，海陸溫差增大，18：10～次日00：50，太陽輻射的減少使得海陸溫差減小，導致風速減小，然后是一個海風向陸風轉化階段。這樣就完成了一個由陸風向海風又向陸風的轉變。

風速廓線是風能利用中重要的問題之一，無論海陸風發生與否，大尺度氣流來自不同方向時都會反映不同的熱力效應與大氣層結效應。而傳統的風速廓線在應用時，既需要考慮不同風向時下墊面粗糙度的變化又要考慮大氣穩定度的變化，這給風電場的實際操作帶來了很大不便。利用數值模式進行風速預測時，由于模式穩定性及網格結構的原因，計算高度通常與風機高度并不一致，這時就需要利用當地風速廓線的特性進行插值，進而進行風速與風電功率的預測。這也是風電功率預測中進行風速廓線研究的必要性。

由上述結果可知，在海陵島區域，當風向為海風風向時，60m、40m與10m三個高度上的風速差異非常小；而當風向為陸風風向時，60m、40m與10m三個高度上的風速差異較大。