吳息，白龍，崔方，于炳霞，張春瑩

(1．氣象災(zāi)害教育部重點實驗室(南京信息工程大學(xué))，江蘇南京210044;2．國網(wǎng)電力科學(xué)研究院清潔能源發(fā)電研究所，江蘇南京210009)

0 引言

沿海區(qū)域和近海海面是風(fēng)力資源儲存量和可開發(fā)量非常豐富的區(qū)域(孟昭翰等，1991)，是已建風(fēng)電場主要分布區(qū)，也是擬建風(fēng)電場的重點區(qū)域(Henderson et al．，2001，2003;Jahraus et al．，2001)。由于自然風(fēng)所具有的隨機(jī)性、波動性以及不可控性，風(fēng)電場的輸出功率也具有波動性，當(dāng)風(fēng)電的容量占到電網(wǎng)總?cè)萘康囊欢ū壤龝r，這種波動會對電能質(zhì)量以及電網(wǎng)安全造成威脅(Neris et al．，1999;Gardner et al．，2003)。隨著我國可再生能源開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，為進(jìn)一步提高風(fēng)功率預(yù)測的精度，有必要對海岸陸面近地層和海面近地層風(fēng)力變化的特征作進(jìn)一步觀測研究(李艷等，2007)。

大氣邊界層內(nèi)距下墊面100 m范圍以內(nèi)的氣層稱為近地層，受下墊面動力作用和熱力作用的影響最直接，各種氣象要素存在明顯的日變化規(guī)律。目前對于內(nèi)陸地區(qū)均勻、不均勻下墊面近地層的溫、濕、風(fēng)廓線規(guī)律已有較多的觀測和研究，獲得了相對成熟的結(jié)論。丁國安和朱瑞兆(1982)指出，低層大氣風(fēng)廓線在平均風(fēng)速情況下都符合指數(shù)率。傅抱璞和于靜明(1981)利用南京八卦洲164 m高塔連續(xù)兩年的觀測資料對塔層風(fēng)廓線特點進(jìn)行研究，指出80 m以下貼地層的平均風(fēng)速廓線很好地符合指數(shù)律和對數(shù)律。王志春等(2006)探討了10 m高度處不同風(fēng)速條件的風(fēng)速指數(shù)分布規(guī)律，指出風(fēng)速指數(shù)均值隨固定高度上的風(fēng)速增大而減小。劉立忠和徐抗英(1998)指出，南京近郊初冬大氣邊界層風(fēng)場特征為低層白天風(fēng)速大、夜間風(fēng)速小，而高層則相反，轉(zhuǎn)換高度為50～75 m。劉煥彬等(2005)分析了沂蒙南部山區(qū)冬季大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)場特征，指出在穩(wěn)定天氣條件下，風(fēng)速垂直切變大，而在不穩(wěn)定天氣條件下，風(fēng)垂直切變較小。姜金華等(2007)對白洋淀地區(qū)水、陸不均勻分布條件下的大氣邊界層進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗，指出水域上水平風(fēng)夜間輻合、白天輻散，下墊面不均勻分布對湍流動能的影響主要體現(xiàn)在一定高度以內(nèi)的近地層。張強(qiáng)等(1998)模擬了綠洲與荒漠相互影響下的大氣邊界層特征，指出風(fēng)廓線對粗糙度較敏感，綠洲風(fēng)速比荒漠小，綠洲下游荒漠的風(fēng)速也比其上游荒漠的小。榮艷淑和梁嘉穎(2008)分析了華北地區(qū)1957—2006年10 m高度處平均風(fēng)速的變化趨勢，指出華北地區(qū)的西北—東南地區(qū)風(fēng)速偏大，東北—西南地區(qū)風(fēng)速偏小，總體風(fēng)速呈減小趨勢。唐敬等(2011)研究了湖南中北部丘陵地區(qū)中尺度范圍內(nèi)的低風(fēng)速氣象特征，指出低風(fēng)速與地形密切相關(guān)，且具有日變化特點。申華羽和吳息(2009)研究了推算不同高度風(fēng)能參數(shù)的方法。

為區(qū)別起見，把距海面100 m以下的底層大氣稱為海面近地層。由于海岸地區(qū)(距海岸線數(shù)千米以內(nèi))與近海海面(距海岸線20 km以內(nèi))位于海陸交界處，下墊面的機(jī)械特征和熱力特征都存在不連續(xù)變化(尤其是海陸熱力差異還存在顯著的季節(jié)變化)，其風(fēng)速日變化和風(fēng)廓線特征既受陸地的影響也受海洋的影響，故有其獨特規(guī)律。潘麗麗等(2009)分析了江蘇如東海岸測風(fēng)塔資料，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速日變化最大值出現(xiàn)在17:00前后，風(fēng)速隨高度呈對數(shù)律增加。植石群等(2001)對廣東沿海地區(qū)的風(fēng)速廓線規(guī)律進(jìn)行研究，指出了廣東沿海風(fēng)速、風(fēng)向的變化規(guī)律，認(rèn)為指數(shù)率更適用于廣東沿海風(fēng)速隨高度變化。高志球等(1999)對南沙群島渚碧礁的近海面大氣湍流進(jìn)行了分析，指出空氣動力光滑海面上，分子運動在粘性副層中占主導(dǎo)地位，在粗糙海面上，湍流運動在粗糙副層中占主導(dǎo)地位。

由于海陸交界處下墊面的不連續(xù)變化，海岸近地層、近海海面近地層風(fēng)速特征與內(nèi)陸均勻下墊面風(fēng)速特征可能存在顯著差異，這對風(fēng)電場設(shè)計及其風(fēng)功率預(yù)報具有重要意義。本文擬利用江蘇沿海的2座海岸陸面測風(fēng)塔作為海岸近地層代表，福建鄰岸海面的1座海上測風(fēng)塔作為海面近地層代表，分析海岸陸面近地層與近海海面近地層風(fēng)速的變化特征及其與內(nèi)陸地區(qū)一般規(guī)律的差異。

1 測風(fēng)塔及觀測資料概況

本文收集了3座測風(fēng)塔資料，2座位于江蘇海岸地區(qū)，1座在福建近海海面的小島礁上。

1)江蘇濱?？h海岸測風(fēng)塔(以下簡稱A1塔)，120°15'E，34°16'N。塔位所在下墊面為平坦的農(nóng)田，其東側(cè)距海岸線約3 km，北側(cè)距海岸線約6 km。該塔分別在10、50、60、70 m高度安置氣象要素傳感器，數(shù)據(jù)采集項目包括各高度層的10 min平均風(fēng)速、水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σV、第1層和第4層的風(fēng)向等，資料收集期為2005年4月至2006年3月。

2)江蘇大豐縣海岸測風(fēng)塔(以下簡稱A2塔)，120°49'E，33°07'N。塔位所在下墊面為海岸灘涂，其東側(cè)距離海岸線約3.5 km。該塔分別在10、30、50、70 m高度安置氣象要素傳感器，數(shù)據(jù)采集項目包括各高度層的10 min平均風(fēng)速、水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σV、第1層和第4層的風(fēng)向等，資料收集期為2005年12月20日至2006年12月3日。

3)福建漳浦縣近海海面測風(fēng)塔(以下簡稱S1塔)，117°48＇E，23°57＇N。S1 塔所在小尖山礁距離大陸海岸線最短距離約為10 km，小尖山礁面積很小，約為80 m×50 m，海拔低，約為12.8 m，對測風(fēng)塔底層風(fēng)速傳感器以上風(fēng)速的擾動很小。該塔分別在10、30、50、70 m 高度安置氣象要素傳感器，傳感器距離平均海水面的實際高度為22.8、42.8、62.8、82.8 m，觀測項目包括各高度層的10 min平均風(fēng)速、風(fēng)向、水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σV、第1層和第4層的溫度、濕度等，資料收集期為2009年12月至2010年12月。

鑒于資料收集條件限制，A1、A2與S1塔的緯度差異較大，所以本文僅分析兩種不同下墊面狀態(tài)下的風(fēng)速特征，探討各自與內(nèi)陸均勻下墊面的一般規(guī)律的差異。

2 風(fēng)速與湍流日變化

風(fēng)速日變化主要取決于導(dǎo)致動量下傳的湍流強(qiáng)度的變化特征。在內(nèi)陸地區(qū)的近地層下部，由于白天地面受熱，特別午后地面最熱，湍流強(qiáng)烈，高層風(fēng)動量向下傳輸量大，導(dǎo)致白天風(fēng)速大，14:00前后風(fēng)速達(dá)到最大;日落后地面輻射冷卻，氣層趨于穩(wěn)定，風(fēng)速逐漸減小，到日出前后地面氣溫最低，層結(jié)穩(wěn)定，導(dǎo)致風(fēng)速最小。而近地層上部的風(fēng)速日變化則相反，夜間風(fēng)速大于白晝。這兩種日變化型中間存在一個過渡層，即轉(zhuǎn)換高度，內(nèi)陸地區(qū)轉(zhuǎn)換高度的年變化是冬季最高、夏季最低。水體上方熱力狀況不同于陸地，風(fēng)速日變化與陸地相反，白天風(fēng)速小，晚上風(fēng)速大(傅抱璞和翁篤鳴，1994)。而海岸陸面近地層以及海面近地層的風(fēng)速日變化同時受到海面、陸地兩方面影響，其日變化具有獨特性。

風(fēng)速的日變化和垂直廓線特征很大程度上受湍流特征制約，根據(jù)資料情況，本文以風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σV和湍流度IV=σV/ˉV為湍流指標(biāo)，分析其變化特征。

2．1 海岸陸面近地層風(fēng)速與湍流日變化

圖1 夏季(a，b)和冬季(c，d)A1塔風(fēng)速(a，c)及湍流指標(biāo)(b，d)的日變化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

由圖1可見，夏季A1塔σV日變化特征是日出后隨著地面氣溫的升高，σV在05:00前后開始增強(qiáng)，相對而言，σV增幅有限，保持較為平穩(wěn)的變化，16:00后開始減弱;底層風(fēng)速與σV的日變化基本同步，10 m高度風(fēng)速最低值出現(xiàn)在05:00，最大風(fēng)速出現(xiàn)在17:00前后，風(fēng)速日振幅為2.2 m/s;70 m高度風(fēng)速位相略微滯后，最小值出現(xiàn)在10:00，最大風(fēng)速出現(xiàn)在17:00—21:00，風(fēng)速日振幅為1.87 m/s，較10 m高度處減小14%。50 m以上風(fēng)速日變化的差異很小，平均風(fēng)切變ΔV/Δz的日變化基本與σV呈現(xiàn)相反的位相。

冬季A1塔的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σV從08:00開始迅速增加，11:00—15:00維持較大值，此后迅速減小，19:00后保持平穩(wěn)至翌日清晨。在10 m高度處，風(fēng)速日變化位相與σV非常接近，風(fēng)速最小值出現(xiàn)在09:00前后，最大值保持在11:00—16:00，風(fēng)速日振幅為0.90 m/s。在70 m高度上，日振幅僅為0.83 m/s，風(fēng)速日變化位相與10 m位相呈相反的趨勢，即夜間大于白晝，風(fēng)速最小值出現(xiàn)在 10:00—20:00，最大風(fēng)速出現(xiàn)在04:00前后，這是因為白天低層湍流很強(qiáng)時，該高度空氣層空氣動量向下傳遞的動量多于更高層向下傳遞的動量，故白天的風(fēng)速小于夜間。兩種相反的日變化層之間的過渡層轉(zhuǎn)換高度低于50 m。內(nèi)陸地區(qū)過渡層轉(zhuǎn)換高度的變化規(guī)律是夏低、冬高，而處于海岸地區(qū)A1塔的夏季轉(zhuǎn)換高度大于70 m(70 m范圍內(nèi)未出現(xiàn))，冬季則出現(xiàn)在70 m以下，這與內(nèi)陸地區(qū)的規(guī)律有很大不同，夏高、冬低。

A2塔的日變化特征(圖2)與A1塔相似。夏季，10 m高度風(fēng)速與σV基本同步變化，最小值出現(xiàn)在06:00前后，最大值出現(xiàn)在16:00前后，日振幅為2.22 m/s;70 m高度風(fēng)速最小值出現(xiàn)在09:00前后，最大值出現(xiàn)在16:00前后，日振幅為1.79 m/s，較10 m高度減小20%。冬季，10 m高度風(fēng)速與σV日變化依然保持很好的同步性，最小值出現(xiàn)在08:00—09:00，最大值出現(xiàn)在14:00前后，日振幅為1.37 m/s;70 m高度風(fēng)速日變化仍為白天小、夜間大，05:00達(dá)最大，此后不斷減小，11:00達(dá)最小，此后緩慢上升，但變化幅度很小，日振幅僅為0.55 m/s。過渡層轉(zhuǎn)換高度為50～60 m。

綜上所述，在江蘇海岸陸面近地層，低層(10 m高度)風(fēng)速最大值的出現(xiàn)時間較內(nèi)陸地區(qū)滯后，風(fēng)速的日振幅隨高度減小，夏季風(fēng)速日振幅大于冬季;與內(nèi)陸地區(qū)相反，冬季的過渡層轉(zhuǎn)換高度低于夏季，冬季70 m高度上風(fēng)速的日變化已轉(zhuǎn)為夜大晝小;10 m高度風(fēng)速與σV變化大致同步，而70 m高度風(fēng)速與σV基本反相，平均風(fēng)切變ΔV/Δz與σV呈反相變化，冬季風(fēng)切變明顯大于夏季。

圖2 夏季(a，b)和冬季(c，d)A2塔風(fēng)速(a，c)及湍流指標(biāo)(b，d)的日變化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 海面近地層風(fēng)速與湍流日變化

由圖3(S1塔)可見，海面不同高度的風(fēng)速日變化曲線的位相、振幅等差異不大，這與陸面有所不同。夏季，距平均海水面22.8 m高度的風(fēng)速最小值出現(xiàn)在07:00，最大值出現(xiàn)在15:00，風(fēng)速日振幅為2.61 m/s;距平均海水面82.8 m高度處風(fēng)速最小值出現(xiàn)在08:00，比22.8 m高度處滯后1 h，最大值出現(xiàn)在15:00，風(fēng)速日振幅為3.11 m/s。冬季，S1塔22.8 m和82.8 m高度的風(fēng)速最小值均出現(xiàn)在08:00，最大值出現(xiàn)在21:00前后，兩個高度風(fēng)速的最小、最大值出現(xiàn)時間十分接近，它們的風(fēng)速日振幅分別為 1.12 m/s、1.04 m/s，也很相近。

圖3 夏季(a，b)和冬季(c，d)S1塔風(fēng)速(a，c)及湍流指標(biāo)(b，d)的日變化特征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

資料分析(圖略)表明，春、秋季規(guī)律相似，春季各層風(fēng)速都在17:00最大、05:00最小，秋季各層風(fēng)速都在19:00最大，04:00—08:00較小;海面風(fēng)速切變較小;82.8 m高度以下，各季節(jié)都沒有出現(xiàn)夜間風(fēng)速大于白晝的日變化特征。值得注意的是，海面風(fēng)切變ΔV/Δz不像陸地隨著湍流的增大而減小，這是可能因為隨著湍流的增大，貼近海面的風(fēng)速增大后，海面波浪增強(qiáng)，增大摩擦拖曳力，反而使得風(fēng)切變略有增加，這與陸地的變化規(guī)律有明顯差異。

3 風(fēng)速廓線與湍流廓線特征

理論和資料分析認(rèn)為均勻下墊面風(fēng)速隨高度符合指數(shù)律，在較低層次也可用對數(shù)律擬合，即:指數(shù)律

冪指數(shù)α體現(xiàn)風(fēng)速的切變程度，粗糙度z0含義是平均風(fēng)速為0的高度。這兩個參數(shù)都與下墊面粗糙程度和大氣層結(jié)穩(wěn)定程度有關(guān)。在沿海地區(qū)，當(dāng)風(fēng)由海洋吹向陸地(下稱向岸風(fēng))時，由平滑下墊面向粗糙下墊面過渡，夏季是冷性下墊面過渡到暖性下墊面，冬季是熱性下墊面過渡到冷性下墊面;當(dāng)風(fēng)向由陸地吹向海洋(下稱離岸風(fēng))時，情況則相反。因此，用指數(shù)律和對數(shù)律擬合風(fēng)廓線時，根據(jù)海岸線走向與風(fēng)向的關(guān)系，將測風(fēng)塔資料分成向岸風(fēng)和離岸風(fēng)兩組。

3．1 海岸陸面近地層風(fēng)速廓線與湍流度廓線

圖4a、圖4c給出了A2塔的夏、冬季風(fēng)速廓線;表1給出了A1、A2塔的風(fēng)速廓線冪指數(shù)α及湍流度廓線冪指數(shù)β。冬、夏季離岸風(fēng)組的冪指數(shù)α均大于向岸風(fēng)組;另外，兩風(fēng)向組的風(fēng)速廓線冪指數(shù)α都是冬季大于夏季，其形成機(jī)制較為復(fù)雜，但最終體現(xiàn)在湍流強(qiáng)度上，如A2塔向岸風(fēng)組σV的4層平均在夏季為 0.67 m·s－1，在冬季為 0.63 m·s－1，說明在此情況下，冬季湍流弱于夏季，冬季風(fēng)切變大于夏季。就平均風(fēng)速而言，冬夏兩季都是向岸風(fēng)組平均風(fēng)速大于離岸風(fēng)組，兩組平均風(fēng)速差異是夏季大于冬季。

圖4 夏季(a，b)和冬季(c，d)A2塔風(fēng)速廓線(a，c)與湍流度廓線(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塔風(fēng)廓線指數(shù)α與湍流度廓線指數(shù)βTable 1 Wind velocity profile exponent(α)and turbulivity profile exponent(β)of A1 and A2 anemometer towers

圖4b、圖4d給出了A2塔夏、冬季湍流度IV廓線。可以看出，IV隨高度呈負(fù)指數(shù)律遞減，在較低層次受地面摩擦作用影響大，以機(jī)械湍流為主，溫度梯度較大，湍流強(qiáng)度隨高度遞減迅速，30 m以上湍流強(qiáng)度隨高度遞減平緩，夏季離岸風(fēng)組的湍流強(qiáng)于向岸風(fēng);冬季兩風(fēng)向組的平均湍流度沒有顯著差異。

3．2 海面近地層風(fēng)速廓線與湍流度廓線

S1塔海面近地層與海岸陸面近地層的風(fēng)廓線冪指數(shù)明顯不同(表2)，冬、夏季離岸風(fēng)組的指數(shù)均小于向岸風(fēng)組。當(dāng)陸地氣流吹向海面時，下墊面變平滑，摩擦拖曳力減小，而大氣湍流仍未完全減弱，到達(dá)S1塔位置時，低層風(fēng)速顯著增大，而上層風(fēng)速尚未顯著降低，故離岸組風(fēng)速切變小于向岸風(fēng)(海風(fēng))組，這種差異在夏季明顯、冬季小。就季節(jié)變化而言，離岸風(fēng)組和向岸風(fēng)組的指數(shù)都是夏季大于冬季，這與海岸近地層(表1)不同，其主要原因在于冬季海面湍流強(qiáng)度大于夏季;經(jīng)統(tǒng)計，冬季兩風(fēng)向組σV的平均為0.47，夏季為0.32，也表明了這一點。

與海岸陸面近地層湍流度呈負(fù)冪指數(shù)規(guī)律不同，海面近地層S1塔湍流度IV隨高度變化近似線性遞減(圖5b、圖5d)，擬合公式為:夏季向岸風(fēng)IV=－0.000 4z+0.100 7;夏季離岸風(fēng)IV=－0.000 6z+0.146 9;冬季向岸風(fēng)IV=－0.000 4z+0.117 7;冬季離岸風(fēng)IV=－0.000 6z+0.141 5。

表2 S1塔風(fēng)速廓線冪指數(shù)αTable 2 Wind profile power exponent(α)of S1 anemometer tower

圖5 夏季(a，b)和冬季(c，d)S1塔風(fēng)速廓線(a，c)與湍流度廓線(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風(fēng)廓線指數(shù)與低層風(fēng)速的關(guān)系

在內(nèi)陸平原地區(qū)，低層風(fēng)速隨湍流動量下傳的加強(qiáng)而增大，低層風(fēng)速越大，上下層混合越充分，風(fēng)廓線冪指數(shù)隨低層風(fēng)速的增加而減小。根據(jù)海面測風(fēng)塔(S1)底層風(fēng)速分組，分別統(tǒng)計風(fēng)廓線冪指數(shù)，列入表3，可以看出，上述規(guī)律有時不完全適合，如冬季向岸風(fēng)(海風(fēng))組。風(fēng)廓線冪指數(shù)是湍流與下墊面粗糙程度的函數(shù)，與內(nèi)陸不同，海面粗糙度取決于波浪大小，而水上波浪是風(fēng)速的函數(shù)，風(fēng)速越大，波浪越大，水面粗糙度越大，當(dāng)粗糙度增加的效應(yīng)超過湍流增大的效應(yīng)時，風(fēng)速切變反而增大，α不減反增。江蘇海岸測風(fēng)塔也有類似情況(表4)。

表3 S1塔各風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)廓線冪指數(shù)αTable 3 Wind profile power exponent(α)in each speed interval of S1 tower

表4 A1、A2塔各風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)廓線冪指數(shù)αTable 4 Wind profile power exponent α in each speed interval of A1，A2 towers

4 結(jié)論

1)江蘇海岸近地層日最大風(fēng)速出現(xiàn)時間較內(nèi)陸地區(qū)滯后，最小風(fēng)速出現(xiàn)時間則與內(nèi)陸相差不大;風(fēng)速日變化位相隨高度滯后，風(fēng)速日振幅隨高度減小。

2)冬季海岸近地層70 m高度風(fēng)速日變化特征為夜間大于白天，與內(nèi)陸相反;夏季過渡層轉(zhuǎn)換高度高于冬季。

3)福建海面近地層風(fēng)速日變化的位相隨高度變化很小，振幅小于陸地近地層低層，風(fēng)速切變與湍流的關(guān)系不明顯。

4)江蘇海岸近地層與福建海面近地層的風(fēng)廓線用對數(shù)律或指數(shù)律擬合均可。海岸近地層風(fēng)廓線指數(shù)規(guī)律為:陸向風(fēng)組大于海向風(fēng)組，冬季大于夏季。海面近地層則相反，海向風(fēng)組大于陸向風(fēng)組，夏季大于冬季。

5)海岸近地層湍流度隨高度呈負(fù)指數(shù)律遞減，而海面近地層湍流度則隨高度呈線性遞減。

丁國安，朱瑞兆．1982．關(guān)于低層大氣風(fēng)廓線的討論［J］．氣象，8(8):18-20．

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