龍 強(qiáng),王 鋒,王 暢,米欣悅

(1.唐山市曹妃甸區(qū)氣象局，河北 唐山 063200; 2.唐山市氣象局，河北 唐山 063000;3.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、海洋氣象探測(cè)試驗(yàn)基地，河北 唐山 063200)

海陸交界的近地層是陸地與大氣、陸地與海洋進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的重要場(chǎng)所，環(huán)境狀況復(fù)雜、區(qū)域特征明顯，自然資源豐富，其中海上風(fēng)電資源以其清潔、高效的優(yōu)勢(shì)得到了越來(lái)越多國(guó)家的重視，成為世界上發(fā)展最快的能源產(chǎn)業(yè)之一[1]。歐洲是全球海上風(fēng)電發(fā)展最快的地區(qū)，我國(guó)起步相對(duì)較晚，2006年開(kāi)始局地的海上測(cè)風(fēng)，2008年我國(guó)第一座大型海上風(fēng)電項(xiàng)目(上海東海大橋海上風(fēng)電項(xiàng)目)的建設(shè)拉開(kāi)了中國(guó)海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)的帷幕[2]。2017年渤海灣北岸的唐山樂(lè)亭菩提島海上風(fēng)電場(chǎng)300兆瓦示范工程啟動(dòng)建設(shè)，成為我國(guó)北方地區(qū)第一個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目。

影響風(fēng)電場(chǎng)選址和風(fēng)機(jī)運(yùn)行的客觀條件包括地形、風(fēng)速、風(fēng)功率密度等，其中又以湍流的影響最大，是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)齒輪損壞、葉片開(kāi)裂、發(fā)電量不達(dá)標(biāo)等的核心因素。近年來(lái)，多地風(fēng)電場(chǎng)因強(qiáng)風(fēng)湍流出現(xiàn)事故，2006—2014年浙江蒼南、福建漳浦、海南文昌等沿海地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)受臺(tái)風(fēng)影響先后遭受倒塔、葉片破裂等嚴(yán)重?fù)p失，2010年8月甘肅瓜州一在建風(fēng)機(jī)組因強(qiáng)風(fēng)發(fā)生倒塔事故，2019年3月渤海灣北岸曹妃甸一機(jī)組葉片因強(qiáng)風(fēng)整體折斷并引發(fā)另一支葉片斷裂，成為該風(fēng)電場(chǎng)投入運(yùn)行以來(lái)首個(gè)氣象條件導(dǎo)致的自然事故。為保障風(fēng)機(jī)安全性和良好的發(fā)電性，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)(IEC-61400)明確了風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)湍流等級(jí)[3]，湍流強(qiáng)度成為風(fēng)機(jī)安全等級(jí)分級(jí)的重要參數(shù)之一。湍流具有隨機(jī)性、非線性，作為近海和海岸地區(qū)特有的地方性風(fēng)，海陸風(fēng)的周期性對(duì)湍流強(qiáng)度的變化也有一定的影響[4]。立足于降低事故風(fēng)險(xiǎn)、提升經(jīng)濟(jì)效益，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者和專(zhuān)家對(duì)風(fēng)湍流及其對(duì)構(gòu)筑物的影響作了相關(guān)研究。陳飛等(2008)利用多種觀測(cè)資料評(píng)估了華東連云港沿海地區(qū)和近海風(fēng)能資源，探討了風(fēng)湍流強(qiáng)度對(duì)風(fēng)力發(fā)電的影響[5]；張雪芝等(2018)研究了湍流強(qiáng)度對(duì)風(fēng)場(chǎng)發(fā)電量的影響，提出了利用實(shí)時(shí)湍流強(qiáng)度計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量的方法[6]；宋麗莉等(2004)對(duì)比分析了華南廣東沿海大風(fēng)在近地層的陣性特征、演變規(guī)律，分析指出了結(jié)構(gòu)工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)中我國(guó)相關(guān)規(guī)范存在的參數(shù)誤差，并提出了風(fēng)參數(shù)取值的具體依據(jù)[7]；顧明(2010)計(jì)算了北黃海、南海、相模灣等近海面層大氣湍流強(qiáng)度，指出其比近地層大氣湍流強(qiáng)度普遍低一個(gè)量級(jí)，且近海面層大氣湍流強(qiáng)度與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[8]；黃林宏等(2016)利用全國(guó)風(fēng)能資源專(zhuān)業(yè)觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)評(píng)估了風(fēng)機(jī)選型算法在我國(guó)的適用性，重點(diǎn)指出其在東南沿海和西北、華北平原地區(qū)的計(jì)算偏差[9]。著眼全國(guó)沿海，目前已有相關(guān)學(xué)者分析了我國(guó)華南、華東沿海地區(qū)的湍流特征，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求提出了建議，但對(duì)于華北地區(qū)沿海，特別是地處內(nèi)海的渤海灣卻鮮有相關(guān)研究。本研究以渤海灣北岸近海面層和近地層的湍流為研究對(duì)象，分析了當(dāng)?shù)睾ｊ戯L(fēng)及湍流強(qiáng)度的時(shí)空特征，并重點(diǎn)對(duì)不同天氣系統(tǒng)所致大風(fēng)條件下的湍流強(qiáng)度特點(diǎn)作了剖析，以期為本地風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和風(fēng)力發(fā)電的氣象保障提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

海陸風(fēng)分析資料源于唐山祥云島地面觀測(cè)站，地處渤海灣北岸，地理位置如圖1所示。根據(jù)站點(diǎn)所處位置，確定海-陸風(fēng)(即海洋吹向陸地的風(fēng))風(fēng)向?yàn)轫槙r(shí)針E—SW，陸-海風(fēng)(即陸地吹向海洋的風(fēng))風(fēng)向?yàn)轫槙r(shí)針WSW—ENE，晝夜以平均日出和日落時(shí)間劃分。本研究選取2017—2018年4個(gè)季節(jié)的觀測(cè)資料分析渤海灣北岸的海陸風(fēng)特征。

圖1 渤海灣北岸相關(guān)站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of relevant stations on the north shore of Bohai Bay

湍流強(qiáng)度分析資料源于曹妃甸和嘴東兩座梯度測(cè)風(fēng)塔，地理位置如圖1所示。曹妃甸風(fēng)塔位于嘴東風(fēng)塔SSE方向，地處吹沙造地而成、三面環(huán)海的曹妃甸海島，代表沿岸近海面層。嘴東風(fēng)塔背依陸地，面向渤海灣，代表沿岸近地層。兩座風(fēng)塔均隸屬于中國(guó)氣象局2008年?duì)款^組織實(shí)施的風(fēng)能資源專(zhuān)業(yè)觀測(cè)網(wǎng)，設(shè)備型號(hào)、維保養(yǎng)護(hù)均一致，高度分別為100、70 m，垂直分層為10、30、50、70、100 m(嘴東站無(wú)100 m層)，各層均有風(fēng)要素監(jiān)測(cè)。本研究選取2011—2013年觀測(cè)資料分析渤海灣北岸的近海面層和近地層湍流強(qiáng)度特征。

1.2 計(jì)算方法

根據(jù)IEC-61400標(biāo)準(zhǔn)定義，湍流強(qiáng)度是指10 min內(nèi)風(fēng)速隨機(jī)變化幅度大小，是10 min平均風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差與同期平均風(fēng)速的比率。計(jì)算公式如下。

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 海陸風(fēng)特征

由圖2的風(fēng)頻圖可知，全年、夏季和冬季白天由海-陸風(fēng)向夜間陸-海風(fēng)的轉(zhuǎn)變均明顯：全年白天海-陸風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向SSW頻率到夜間顯著降低，夜間陸-海風(fēng)ENE風(fēng)頻則顯著增大，海-陸風(fēng)(E—SW)風(fēng)頻到夜間降低6.5%，即陸-海風(fēng)(WSW—ENE)風(fēng)頻增大了6.5%；夏季白天以E、S和SSW風(fēng)向?yàn)橹鲗?dǎo)風(fēng)向，均為海-陸風(fēng)，三者的風(fēng)頻達(dá)到了55.8%，夜間SSW風(fēng)頻明顯降低、ENE風(fēng)頻則顯著增大，海-陸風(fēng)風(fēng)頻到夜間降低達(dá)11.0%；雖然受冷空氣頻繁過(guò)境影響，冬季白天和夜間的主導(dǎo)風(fēng)向均為W和ENE，風(fēng)頻整體變化不大，但海-陸風(fēng)風(fēng)頻到夜間仍然降低了3.2%。

圖2 渤海灣北岸全年、夏季和冬季的晝夜風(fēng)頻圖Fig.2 Day and night wind direction frequency rose diagrams of the whole year, summer and winter on the north shore of Bohai Bay

可見(jiàn)，渤海灣北岸的海陸風(fēng)特征顯著，海洋在白天和夜間的熱源轉(zhuǎn)換帶來(lái)了沿岸風(fēng)向的變化，這可能會(huì)給海面和沿岸湍流強(qiáng)度帶來(lái)一定的影響。

2.2 湍流特征

2.2.1 湍流垂直變化特征 利用兩座風(fēng)塔的垂直監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算湍流強(qiáng)度值，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯牧鲝?qiáng)度隨高度增大而減小，且高度越高湍流強(qiáng)度減小的趨勢(shì)越平緩；平均風(fēng)速隨高度的增大而增大，這與湍流強(qiáng)度的變化相反。由于海水熱容量高于陸地，近海面層溫度梯度小于同時(shí)間的陸上近地層，且海洋下墊面整體比陸地下墊面更簡(jiǎn)單、平滑，因此曹妃甸風(fēng)塔所代表的的近海面層湍流強(qiáng)度整體小于嘴東風(fēng)塔所代表的的沿岸近地層湍流強(qiáng)度。

圖3 渤海灣北岸湍流強(qiáng)度和風(fēng)速隨高度的變化特征Fig.3 Variation characteristics of turbulence intensity and wind speed with height on the north shore of Bohai Bay

由于所處位置下墊面的不同，近海面層和近地層湍流強(qiáng)度特征差異明顯。可見(jiàn)，在確定風(fēng)電場(chǎng)選址時(shí)，應(yīng)充分考慮項(xiàng)目所在地的精細(xì)化地形、地貌以及海洋氣候的影響，確保風(fēng)電項(xiàng)目落地運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

2.2.2 湍流季節(jié)性變化特征 分別對(duì)近海面層和近地層湍流強(qiáng)度特征進(jìn)行季節(jié)性分析(圖4)。由圖4(a)可知，無(wú)論近海面層還是近地層，各高度湍流強(qiáng)度的季節(jié)性特征較為一致，春季3個(gè)月(3—5月)的湍流強(qiáng)度整體變化不明顯或增大平緩，夏季(6—8月)湍流強(qiáng)度整體偏大，秋季(9—11月)為過(guò)渡性季節(jié)，湍流強(qiáng)度變化無(wú)明顯規(guī)律，冬季(12月至次年2月)湍流強(qiáng)度則相對(duì)偏小。由圖4(b)可知，相對(duì)于近地層，近海面層湍流強(qiáng)度季節(jié)性變化相對(duì)平緩，這可能是源于二者下墊面不同，海洋下墊面單一且曹妃甸獨(dú)特的地理位置使其常年不淤不凍[10]，環(huán)境的季節(jié)性變化不大，而陸地下墊面相對(duì)復(fù)雜，植被生長(zhǎng)隨季節(jié)變化也較大，故近海面層和近地層湍流強(qiáng)度的季節(jié)性變化存在差異。

2.2.3 不同天氣系統(tǒng)下的湍流特征 渤海灣北岸向東直對(duì)渤海海峽，偏東大風(fēng)在狹管效應(yīng)的作用下在本地會(huì)得到顯著增強(qiáng)，成為本地大風(fēng)的主導(dǎo)風(fēng)向[11]。雷暴所致的下?lián)舯┝魍鶗?huì)在本地形成極強(qiáng)風(fēng)力，本地歷史極端風(fēng)力(13級(jí))即是一次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程引發(fā)。對(duì)本地有直接影響的北上臺(tái)風(fēng)平均每?jī)赡?次，但2018年連續(xù)3個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)境，臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響也應(yīng)引起重視。因此，這里對(duì)偏東大風(fēng)、雷暴大風(fēng)和北上臺(tái)風(fēng)條件下的湍流強(qiáng)度分別進(jìn)行分析研究。

①偏東大風(fēng)條件下的湍流強(qiáng)度特征。選取兩個(gè)冷空氣引起的偏東大風(fēng)過(guò)程(2011年11月28日—29日和2013年3月18日—19日)，研究大風(fēng)期間近海面層和近地層湍流強(qiáng)度的變化特征(圖5)。強(qiáng)風(fēng)條件下，近海面層和近地層風(fēng)速隨高度增大而增大且增速減緩，湍流強(qiáng)度隨高度增大而減小且趨勢(shì)同樣減緩，但近海面層70 m及以下湍流強(qiáng)度整體比近地層湍流強(qiáng)度大，經(jīng)初步分析，海面空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度可能是導(dǎo)致該情況的主因[12-13]。根據(jù)已有的研究結(jié)論，受海陸風(fēng)和周邊環(huán)境變化影響，渤海灣北岸近地層空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度具有明顯的季節(jié)性變化特征[14]，并非維持不變，且偏東大風(fēng)在長(zhǎng)風(fēng)區(qū)、長(zhǎng)風(fēng)時(shí)的作用下，容易在渤海灣北岸形成大浪[15](該兩次過(guò)程最大浪高分別達(dá)到了5.2、5.1 m)，海洋下墊面的粗糙元隨風(fēng)速發(fā)生了變化，大浪的存在改變了近海面層的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。綜上分析，偏東大風(fēng)及其所致的大浪對(duì)近海面層湍流的影響同樣不容忽視。

圖5 偏東大風(fēng)期間10 m高度最大風(fēng)速和最大湍流強(qiáng)度出現(xiàn)時(shí)各層的風(fēng)速和湍流強(qiáng)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雷雨大風(fēng)條件下的湍流強(qiáng)度特征。選取兩個(gè)雷雨大風(fēng)過(guò)程(2011年7月30日和2011年9月1日)，研究大風(fēng)期間近海面層和近地層湍流強(qiáng)度的變化特征(圖6)。和冷空氣偏東大風(fēng)環(huán)境相比，不穩(wěn)定層結(jié)條件下各層風(fēng)速、湍流強(qiáng)度的特征更特殊一些：近地面層風(fēng)速有隨高度增大而減小的情況，近海面層和近地層湍流強(qiáng)度出現(xiàn)了隨高度增大而增大的情況，且該情況并非個(gè)例(圖略)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)此現(xiàn)象的研究或解釋比較少，除了海洋下墊面和沿岸下墊面的不同外，對(duì)流云團(tuán)相對(duì)于風(fēng)塔的移動(dòng)路徑、結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性、云團(tuán)的尺度等也可能是導(dǎo)致垂直方向上風(fēng)速和湍流強(qiáng)度出現(xiàn)特殊情況的原因。

圖6 雷雨大風(fēng)期間10 m高度最大風(fēng)速和最大湍流強(qiáng)度出現(xiàn)時(shí)各層的風(fēng)速和湍流強(qiáng)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北上臺(tái)風(fēng)影響下的湍流強(qiáng)度特征。在兩座風(fēng)塔服役期間，僅有2012年8月3日—4日的臺(tái)風(fēng)“達(dá)維”北上并從風(fēng)塔位置經(jīng)過(guò)(到達(dá)時(shí)已減弱為熱帶低壓)，路徑如圖7所示。由于臺(tái)風(fēng)期間嘴東風(fēng)塔處于維修狀態(tài)，無(wú)數(shù)據(jù)記錄，因此這里僅作近海面層湍流強(qiáng)度和風(fēng)速的特征分析。

圖7 臺(tái)風(fēng)“達(dá)維”路徑圖Fig.7 Path map of the typhoon Damrey

“達(dá)維”過(guò)境期間各層風(fēng)速、湍流強(qiáng)度隨高度增大分別增大和減小(圖8為10 m高度處風(fēng)速最大時(shí)的湍流強(qiáng)度垂直變化，其他時(shí)次圖略)，這和雷雨大風(fēng)期間的情況不同，一定程度上說(shuō)明了系統(tǒng)尺度的可能性影響，“達(dá)維”系統(tǒng)尺度大于局地對(duì)流，在近海面層的影響不如強(qiáng)對(duì)流有更加個(gè)性化的特征?！斑_(dá)維”靠近時(shí)(相關(guān)要素變化如圖9所示)，近海面層各高度風(fēng)速逐漸增大，但湍流強(qiáng)度變化不明顯，當(dāng)“達(dá)維”于8月4日02時(shí)中心經(jīng)過(guò)風(fēng)塔時(shí)(以氣壓變化為標(biāo)識(shí))，各層湍流強(qiáng)度均達(dá)到最大，出現(xiàn)了明顯的波峰，各層風(fēng)速顯著減小，但于1 h后達(dá)到最小，且隨著“達(dá)維”繼續(xù)移動(dòng)離開(kāi)，風(fēng)速在波動(dòng)中增大，但比之前風(fēng)速偏小，湍流強(qiáng)度同時(shí)顯著減小?！斑_(dá)維”完全離開(kāi)后，風(fēng)速減小，湍流強(qiáng)度再次增大。

圖8 “達(dá)維”過(guò)境期間近海面層10 m高度最大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)各層湍流強(qiáng)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

圖9 “達(dá)維”過(guò)境期間近海面各層的湍流強(qiáng)度變化Fig.9 Variation of the turbulence intensity at each near-sea layer during the typhoon Damrey

2.3 風(fēng)機(jī)湍流強(qiáng)度特征值分析

根據(jù)IEC-61400標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)機(jī)高度處設(shè)計(jì)最大抗湍流強(qiáng)度值為0.16。在曹妃甸風(fēng)塔樣本中，70 m高度處湍流強(qiáng)度大于0.16占8.3%，最大湍流強(qiáng)度達(dá)到了0.49，且各季節(jié)均有出現(xiàn)。嘴東風(fēng)塔相應(yīng)的比例為9.4%，最大湍流強(qiáng)度0.43，各季節(jié)也均有出現(xiàn)。不同影響系統(tǒng)下，近海面層和近地層湍流強(qiáng)度有所不同，而“達(dá)維”過(guò)境期間的湍流強(qiáng)度反而相對(duì)偏小，最大僅為0.23，這與相關(guān)學(xué)者對(duì)華南、華東一帶的研究結(jié)果有所不同[16-18]，這可能是與北上臺(tái)風(fēng)的能量耗散、強(qiáng)度減弱有關(guān)。

根據(jù)上述分析結(jié)論，對(duì)于華北渤海灣沿海地區(qū)抗湍流強(qiáng)度參數(shù)的確定，建議取值0.43～0.49，以區(qū)別于受臺(tái)風(fēng)影響較小的歐洲和受臺(tái)風(fēng)影響較大的華南地區(qū)，在確保設(shè)計(jì)安全可靠的基礎(chǔ)上降低建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

利用相關(guān)岸基站、測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)資料分析了渤海灣北岸海陸風(fēng)和湍流強(qiáng)度特征，并在此基礎(chǔ)上提出了調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)抗湍流參數(shù)的建議，主要結(jié)論如下。

(1)渤海灣北岸晝夜風(fēng)向由SSW的海-陸風(fēng)向ENE的陸-海風(fēng)轉(zhuǎn)變，這一變化在夏季更為顯著，海陸風(fēng)特征明顯。

(2)整體而言，近海面層和近地層風(fēng)速和湍流均隨高度增大分別呈增大、減小趨勢(shì)，受海水熱容和下墊面影響，近海面層湍流強(qiáng)度小于近地層湍流強(qiáng)度。

(3)湍流強(qiáng)度具有顯著的季節(jié)性特征，夏季大、冬季小、春秋季變化不明顯，且近海面層湍流強(qiáng)度相對(duì)于近地層湍流強(qiáng)度變化平緩。

(4)偏東大風(fēng)條件下，受海面空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度變化影響，近海面層70 m及以下湍流強(qiáng)度反而比近地層湍流強(qiáng)度大；雷雨大風(fēng)期間，近海面層和近地層的湍流強(qiáng)度、風(fēng)速均有隨高度增大而分別增大、減小的特殊情況；臺(tái)風(fēng)靠近風(fēng)塔時(shí)，各層風(fēng)速隨高度增大而增大，但湍流強(qiáng)度變化不明顯，臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)風(fēng)塔時(shí)，湍流強(qiáng)度最大值和臺(tái)風(fēng)中心到達(dá)時(shí)間一致，且比風(fēng)速最小值出現(xiàn)時(shí)間提前約1 h。

(5)近海面層和近地層有8%～10%的湍流強(qiáng)度樣本超出了IEC-61400的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建議華北渤海灣北岸風(fēng)力發(fā)電風(fēng)機(jī)抗湍流參數(shù)調(diào)整至0.43～0.49。