平潭岛风环境分析研究

袁彦锋　冉茂宇　袁炯炯　张亮山

(华侨大学建筑学院　福建厦门　361021)



平潭岛风环境分析研究

袁彦锋冉茂宇袁炯炯张亮山

(华侨大学建筑学院福建厦门361021)

平潭岛所在区域是我国东南沿海具有代表性意义的海岛强风区，常年受大风气候影响严重。采用CFD方法对平潭岛不考虑建筑和植被的地形条件下的风环境进行模拟分析，选取全年最具代表性意义的风向风速参数进行模拟计算，分别得出全岛风环境分布图，分析模拟结果得出结论：①夏季有利风和冬季不利风作用下岛上风环境截然不同，城市规划须考虑；②最强风出现在主要山脉的山脊，风速等级极其危险；③部分乡镇风速常年过大，应加以治理；④三大风口是防风的重点，同时是风力资源集中分布的地区。

平潭岛;强风区;Phoenics模拟;风环境

0　引言

东南沿海及其岛屿为我国第一大风区，其大风日数远超我国第二大风区(渤海沿岸及内蒙古、甘肃北部以及新疆阿拉山口)，≥6m/s的风速全年有3500h以上，而第二大风区≥6m/s的风速全年仅有2200—2500h(图1)。平潭岛是亚热带海洋性季风气候大风地区的典型代表，也是我国东南沿海第一大风区的第一大岛，对于平潭岛的风环境研究，具有特殊性和代表性意义。

1　概述

平潭古称海坛，俗称“海山”，以其主岛在海上远望如坛而得名海坛岛，又因其岛屿轮廓形似麒麟，故现代的当地人又多称之为“麒麟岛”。岛上的最高山峦——君山，山顶常有岚气弥漫，亦叫东岚山，故平潭简称为“岚”。平潭岛东隔台湾海峡与台湾岛隔海相望，距离台湾新竹68海里，是大陆距离台湾岛最近的地方，西临海坛海峡与福清市、长乐市毗邻，北距福州市120km(距长乐国际机场70km)；南与莆田市南日岛斜角相望，距厦门港130海里。平潭岛南北长29km，东西宽19km，陆域面积267.13km2，是福建省第一大岛，我国第五大海岛，紧列台湾、海南、崇明、舟山之后。

平潭县域大地构造属于闽东火山断拗带的闽东南沿海变质带。平潭—诏安断层属于NNE—SSW走向的长乐—南澳断裂带，从平潭县县域通过。地势南北高、中部低，东部高、西部低。其北部呈现南北走向的三条丘陵带，并间以松散的堆积平原。由沿着NNE——SSW方向的主要山体夹着中间平原形成了平潭岛的五大风口：流水镇的流东、流西风口，敖东镇的远中洋风口，潭城镇的龙王头风口，中楼乡的长江澳风口。其中，由于长江澳风口的特殊位置，使其成为对岛上影响面积最大，也是影响程度最深的一个风口(图2)。越往东，受地形影响越小，大风天数相应越多。平潭岛东西方向地域狭小，所以出现大风时一般都是全县性的。

平潭岛常年季风明显，受海洋性季风气候影响，6～8月，以西南偏南风为主，其余季节多为东北偏北风。平潭岛全年最大风频NNE风向频率占30%，次大风频 NE风向频率占22%，第三大风频SSW风向占19%，年平均风速6.9m/s，湾海地区全年大风(7级以上)日数为125d，是福建省强风区之一，全年≥8级风力天数84.5d，为开发风能提供最佳条件(图3)。7～9月高温干旱，常受热带风暴影响，年平均6.3次。因此，研究该地区的风环境，对平潭综合实验区的规划建设和当地的防风避风具有重要的指导性意义。

2　CFD方法介绍

Computational Fluid Dynamics，即计算流体动力学, 简称CFD,是近代流体力学，数值数学和计算机科学三者结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。目前市面上使用较多的CFD 软件有：CFX、Fluent、Phoenics、Star-CD。

Phoenics是Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series 首字母的缩写，意思是只要有流动和传热的物体都可以使用PHOENICS来模拟计算。由国际公认的权威CFD技术研究机构英国帝国理工学院CHAM研究所开发，是国际计算流体与计算传热的主要创始人、英国皇家工程院院士D.B.Spalding教授及40多位博士20多年心血的典范之作。Phoenics是一款专业的CFD模拟软件，也是全世界第一套计算流体学与计算传热学的商用软件，能够满足对全岛以及局部不同的地形和不同建筑布局形式进行模拟分析。

本文以平潭岛风环境作为研究对象，利用Phoenics 2014操作平台对其进行模拟分析，并且综合冬夏两季风环境模拟结果，总结利弊，提出防风与通风的合理性建议。

3　计算参数设置

3.1代表性风向风速的确立

本文综合分析确立4个最具代表性意义的风速风向参数：① 风向NNE风速13.9m/s、② 风向 NNE风速6.2 m/s、③ 风向NE风速5.6m/s、④ 风向 SSW风速4.8m/s(表1)。

风向和风速的选定取决于对平潭岛的气象数据分析，根据平潭岛1971～2010年风速风向统计表[1](表1)和平潭岛1971～2010年风玫瑰图(图3)来确定模拟全岛风环境应该选取的风向风速。①由于平潭岛湾海地区全年大风(7级以上)日数为125d，而风力为七级的下限值是13.9m/s，同时，由风玫瑰图可知，最大风频NNE风向是全年盛行时间最长也是对应大风日数最多的风向，故风向NNE风速13.9m/s是最具代表性意义的一个风环境模拟参数，本研究以此来模拟平潭岛在遭受东北湾海七级以上大风的125d里的风环境分布情况。②由于七级以上大风具有瞬时性和不稳定性，所以要想对全岛的平均风环境分布情况进行模拟分析，需要选取平均风速的数值，因此，风向NNE风速6.2m/s作为岛上最强风向频率和最平均的风速也最具有代表性和普遍性意义。③在盛行季风中除了最大风频NNE风向还有次大风频NE风向，所以对NE风向盛行时全岛的风环境研究也不容忽视，基此，本研究以风向NE和其代表的平均风速5.6m/s作为第三个风向风速参量。④除了周全考虑不利大风对岛上风环境不良影响，同时需要考虑夏季盛行风对全岛风环境的积极影响，以利引导当地人们利用其分布情况进行通风和降温[2]。

表11971-2010年平潭风的数据统计

3.2计算区域网格划分

本案例网格划分采用渐变式的网格划分方式。模型大小为南北方向(沿Y轴)36 900.00m，东西方向(沿X轴)27 623.00m，海拔高度方向(沿Z轴)425.00m。计算区域大小设置沿Y、X、Z轴分别为100 000.00m、80 000.00m、1 200.00m。网格设置大小为沿Y轴500个网格，中间模型所在区域分布400个网格，平均沿Y轴方向每个网格大小为92.25m；沿X轴400个网格，中间模型所在区域分布320个网格，平均沿X轴方向每个网格大小为87.26m；沿Z轴30个网格，模型所在区域分布18个网格，平均沿Z轴方向每个网格大小为23.61m(图4、图5)。网格总计算量为600万个网格。

3.3平潭岛地形建模

地形建模采取在SRTM数据库下载平潭岛的*.img格式高程数据包，为实现*.img数据向CFD软件(Phoenics)支持的*.stl 格式数据的转换，笔者在前人研究的基础上，结合多种常用数字化技术，总结出一套新的室外地形数字建模方法。技术流程如图 6 所示“三步曲”：

(1)使用高程提取工具在SRTM中国科学院镜像站点——地理空间数据云网站获取数字高程首先转化为*.img文件。

(2)将生成的*.img文件输入Global Mapper提取高程数据并根据需要生成等高线，转化并输出*.dwg格式的等高线文件。

(3)通过AutoCAD对等高线进行整理：删除重复叠加的等高线，删除等高线以外多余的线，删除不闭合的等高线或者使不闭合等高线闭合，删除区域过小的闭合等高线。这是一个细致而较漫长的过程，确保等高线无误，才能保证模型的准确和模拟过程不出错误。整理之后的*.dwg格式一般情况下即可开始建模，合并模型最终输出成CFD(PHOENICS)可识别的模型文件*.stl 格式。但是若等高线文件数据过于繁杂以致对于AutoCAD工作量太大最终模型无法合并模型，可以把整理后的等高线导入ArcMap，进行线抽稀，以减少闭合多段线中点的数量。此方法可以大大减少AutoCAD建模的工作量，以减少AutoCAD软件运行过程中致命错误的概率。

4　全岛风环境模拟分析

4.1风向NNE风速13.9m/s模拟结果分析

大风天气，当NNE风向13.9m/s风速来风时，如图7，除了君山、龙头山等岛上主要山脉的背风面小部分以及敖东镇、北厝镇的多部分会出现小于6m/s的区域，其他大部分地区呈现出被大风覆盖的现象。其中，中部平原和东部沿海、流水镇平原地区以及澳前镇的小部分地区出现大于20m/s的风速分布，特别是君山及牛园底山沿东西向山脊会出现大于30m/s的风速分布；因此，遇到七级以上大风天气，特别要加强这些地区的防风避险工作。同时，可以明显看出，君山对于平潭县城所在区域具有明显的遮风效果，即使遭遇大风天气，县城所在区域平均风速明显小于岛上其他大部分区域的平均风速。

其中五大风口中，可以明显看出NNE风向13.9m/s风速穿过长江澳风口和流东、流西风口时对岛上的风环境分布影响最大，因此，这些区域是防风工作重点中的重点，同时也是风力资源集中分布的地点。

如图8，从风压值的分布情况可以明显看出，出现风压值的最高点和最低点分别部分在主要山脉的迎风面山脚区域和沿东西向山脊风速值最高区域，中部平原和东部沿海、流水镇平原地区风压值分布较为均匀。

4.2风向NNE风速6.2m/s模拟结果分析

NNE风向6.2m/s风速作为岛上第一大风频时的常年平均风速，来风时，如图9，君山、龙头山等岛上主要山脉的背风面大部分以及敖东镇、北厝镇 的多部分会风速均小于4.0m/s，其他大部分地区风速在4.0m/s至8.9m/s之间。其中，中部平原和东部沿海、流水镇平原地区以及澳前镇的部分地区出现大于8.9m/s的风速分布，特别是君山及牛园底山沿东西向山脊会出现大于13.0m/s的风速分布；因此，平时也应特别加强这些地区的防风避险工作。同时，也可以明显看出，君山对于整个平潭岛的近1/4区域具有明显的遮风效果，对于平潭县城所在区域的遮风效果尤为明显。除了芦洋乡，其他主要乡镇，在东北方向都有相应的山脉，对常年的不利风进行遮挡，效果明显。

其中五大风口中，可以明显看出NNE风向6.2m/s风速穿过长江澳风口对岛上的风环境分布影响最大，穿过流东、流西风口时对岛上的风环境分布影响较大；因此，这些区域是防风工作重点中的重点，同时也是常年平均风力状态下风力资源集中分布的地点。因此，应对此区域进行防风治理的同时合理对风资源加以利用。

如图10所示，从风压值的分布情况可以明显看出，出现风压值的最高点和最低点分别在主要山脉的迎风面山脚区域和沿东西向山脊风速值最高区域，其他大部分地区风压值分布较为均匀。

4.3风向NE风速5.6m/s模拟结果分析

NE风向5.6m/s风速作为岛上次大风频对应的平均风速，对其模拟分析可更全面地分析全岛全年的风环境分布。来风时，如图11所示，君山、龙头山等岛上主要山脉的背风面大部分以及敖东镇、北厝镇、苏澳镇、平原镇的多部分风速均小于9.6m/s，其他大部分地区风速在9.6m/s至15.1m/s之间。其中，中部平原和东部沿海、流水镇平原地区出现大于16.5m/s的风速分布，特别是君山沿东西向山脊、流水镇沿王爷山东北方向大部分、东痒乡大部分区域会出现大于19.2m/s的风速分布；因此，平时应特别加强这些地区的防风避险工作。

其中五大风口中，可以明显看出NE风向5.6m/s风速穿过长江澳风口和流东、流西风口以及龙王头风口时对岛上的风环境分布影响最大，因此，这些区域是防风工作重点中的重点，同时也是次大风频时风力资源较为集中分布的地点。

如图12所示，从风压值的分布情况可以明显看出，出现风压值的最高点和最低点分别在主要山脉的迎风面山脚区域和君山沿东西向山脊风速值最高区域，其他大部分地区风压值分布较为均匀。

4.4风向SSW风速4.8m/s模拟结果分析

SSW风向作为岛上夏季风的主导风向，对应的常年风速稳定并且温和，相对冬季NNE不利风，作为夏季通风降温的有利风，SSW风向4.8m/s风速来风时，如图13所示，除了龙头山的背风面小部分、君山的迎风面小部分及背风面大部分会出现小于3.7m/s的区域，除了苏澳镇的沿海大部分地区及北厝镇、澳前镇和敖东镇的部分区域出现大于11.2m/s的区域，其他大部分区域风速在3.7m/s至8.4m/s之间，风速温和、均匀、通风良好。因此，当地建设规划部门应当合理规划布局建筑群体和城市街道，更好地接收有利风，促进通风降温。

如图14所示，从风压值的分布情况可以明显看出，出现风压值的最高点和最低点分别在主要山脉的迎风面山脚区域和沿东西向山脊风速值最高区域，其他大部分地区风压值分布较为均匀。

5　结语

由以上模拟结果对比分析，得出以下结论：

(1)岛上冬季NNE和NE风向作为不利风对岛上的风环境影响最深且影响时间最长；夏季SSW风向有利风作用下，岛上风环境分布均匀、温和，有利于夏季通风降温；城市的规划布局应当充分考虑阻止冬季不利风，迎接夏季有利风。

(2)当NNE风向来风，大风天气时，岛上主要山脉君山、虎头山、龙头山、王爷山、少雄山、牛寨山的山顶及垂直于来风方向山脊出现岛上最强风，极其危险，应该加强防护措施。

(3)整体而言，流水镇、芦洋乡和中楼乡常年风速过大，自然条件下风环境不适合人们居住生活，应加强防风措施；平潭县城(即岚城乡和潭城镇)、白青乡、北厝镇、敖东镇和平原镇自然条件下常年风速较温和，较适合人们居住生活。

(4)NNE风向最大风频主导风流经长江澳风口和流东、流西风口时对岛上风环境分布影响最大且时间最长，是防风工作重点中的重点，同时也是常年风力资源集中分布的地点，应合理对其风环境资源进行开发利用。

[1]郑拴宁.大风地区住宅小区风环境研究[J]. 环境保护科学, 2013(03):64-68

[2]廖廓,福建平潭大风气候特征分析[J]. 闽江学院学报, 2011(09):130-133

袁彦锋(1987.07-),男，在读硕士研究生,主要从事生态建筑设计方面的工作。

冉茂宇(1967-)，男，博士，教授，主要从事建筑技术科学方面的工作。

袁炯炯(1979-)，女，硕士，副教授，主要从事生态建筑和技术方面的研究。

张亮山(1992.10-)，男，在读硕士研究生，主要从事绿色建筑技术方面的工作。

Analytical investigation on the wind environment of Pingtan Island

YUANYanfengRANMaoyuYUANJiongjiongZHANGLiangshan

(Architecture College of Huaqiao University, Xiamen 361021)

Pingtan island area is of representative significance among the islands in strong wind area on the southeastern coast of China. Perennial gale of weather affected it seriously. I simulate and analysis the wind environment by CFD method consider not construction and vegetation but terrain of Pingtan island. Selecting the most representative parameters of wind direction and wind speed for the whole year, I have obtained wind environment map of the whole island, the calculated conclusion have been from simulation results: ①The wind environment under the influence of the favorable wind in summer and the adverse wind in winter of the island is completely different, urban planning must consider it；②The strongest wind appears on the main mountain ridge, the wind speed level is extremely dangerous;③Perennial wind speed of parts of township is too big, should be managed ; ④Three main tuyeres are concentration distribution of wind resources as well as the key of protecting against from wind.

Pingtan Island; Strong Wind Region; Phoenics Simulation; Wind Environment

平潭综合实验区绿色建筑节能关键技术的集成创新与应用示范(2011H0026)，福建省自然科学基金(2014J01193)。

袁彦锋(1987.07-),男。

E-mail:657991891@qq.com

2016-01-09

[TU984.11+5]

A

1004-6135(2016)03-0010-07