新疆百里风区近地层垂直风切变指数特征

孙淑芳，张广兴

（1.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐830002；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002）

20 世纪50 年代以来，由于航空的发展、高层建筑的修建和城市大气污染的发生，风随高度的廓线直接影响近地面层生活的人们，地学界开始重视大气边界层的研究。最具划时代意义的工作是Monin和Obukhov[1]1954 年提出了Monin-Obukhov 相似性理论，建立了近地层湍流统计量和平均量之间的联系。Wyngaard[2]1971 年提出了局地自由对流近似，补充了近地面层相似理论。Dyer[3]等1982 年利用1976年在澳大利亚国际湍流实验（ITCE）的数据对近地面层相似理论进行了完善，使得该理论具有了极好的应用价值。Neuwstadt[4]1984 年研究了稳定的夜间边界层的湍流结构。Shao[5]1990 年研究了水平均匀边界层的局部相似关系，进一步探究了全边界层的相似性理论。我国的胡隐樵等[6]开展了野外实验，验证了局地相似性理论，并建立了各种局地相似性理论之间的关系。张强[7]等对局地相似性理论在非均匀下垫面近地面层的适应性做了一些研究。随着研究的深入相似性理论也成了大气边界层气象学中最主要的分析和研究手段之一。而相似性理论最重要的应用就是近地面层平均风速廓线分布，由此导出的风切变指数在高层建筑物的荷载，风电涡轮机的结构和输电线路的选址、架设运维方面得到了广泛应用，也是本文撰写的理论基础。有了风切变指数，就可把一般气象站标准10 m 高度测风推算出高架设施高度的风速；另一方面目前的WRF 模式采用σ坐标，模式底部一般为30～60 m，就需要利用边界层Monin-Obukhov 相似性理论的方法插值到10 m 风向杆标准高度，风切变指数就是风廓线的风速高度关系式，目前，区域数值模式对大风区的10 m 风速预报偏小[9]，部分原因是模式中适合大部分区域的风廓线插值方案不能代表大风区的风廓线。

由此可见，α 是一个具有实际预报和工程建设应用价值的重要参数，因此，往往在重要的区域建设铁塔来观测近地层风廓线并计算风切变指数，这方面各地做了不少工作。王志春等[8]计算了广东省湛江市位于沿海徐闻站的风切变指数。杜燕军和冯长青[10]研究了内蒙古地区不同地形地貌以及地面粗糙度条件下的风切变指数；彭怀午等[11]分析了内蒙古地区风切变指数的日和月时间变化；贺志明等[12]指出鄱阳湖区风切变指数较平原地区明显偏小。杨兴华等开展的近地层、边界层研究为本文提供了很好的参考[13-16]。金莉莉等[17]分析了乌鲁木齐市近地层每座塔各层间风切变指数以及主要特征，为本文提供了地理位置最近的参考范例。

中亚是寒潮冷空气的关键区，冷空气东移南下受天山阻拦易形成天山准静止锋[18]，但冷空气在天山山脉的博格达山与巴里坤山之间的七角井垭口可以翻山，在垭口南面的兰新铁路红旗坎站至了墩站间123 km 宽度的背风坡坡脚形成大风区域，即通常所称的“百里风区”，地表为风蚀戈壁地貌，最大风速可达64 m·s-1，是12 级风底限值的近两倍[19]。该风区具有风速高、风期长、季节性强、风向稳定、起风速度快等规律[20]，也有大风爆发迅速，低空风速强劲的特点[21]。在百里风区这样的大风区研究风切变指数无论是预报理论还是工程实用都有意义，但目前研究尚少。

1 资料与方法

1.1 资料

百里风区十三间房的测风塔上测风仪器分别安装在10、30、50、70、100 m 共5 层。2009 年5 月（建塔并开始正常观测）至2011 年1 月（停止观测）20 个月逐时风速资料，每层共14 000 个样本，在统计上属于大样本，统计量具有代表性。取逐时10 min 平均风速资料，对测风塔原始数据，首先进行各层时间序列上一致性判断，再进行各层间的一致性判断。然后再用十三间房气象站（43°13′N，91°44′E；海拔高度721.4 m）经过中国气象局审核的资料进行极值比对和合理性判断，以此对所用资料进行了质量控制。10 min 平均风速以时为统计单位，给出各层平均风速，避免反复平均导致精度降低。

1.2 计算方法

在近地层中，风速随高度变化显著。造成风在近地层中垂直变化的原因有动力因素和热力因素，前者主要来源于地面的摩擦效应，即地面的粗糙度，后者主要是近地层大气垂直稳定度所致。当大气层结为中性时，湍流将完全依靠动力原因来发展，这时风速随高度变化服从普朗特[22]经验公式：

式中，k 为冯卡门（von Karman）常数，k=0.4；u*为摩擦速度，τ 为表面剪切应力，ρ 为空气密度。

图1 测风塔位置和测场地形地貌

近地层风速的垂直分布主要取决于地表粗糙度和低层大气的层结状态。在中性大气层结下，对数和幂指数方程都可以较好地描述风速的垂直廓线，实测数据检验结果表明，幂指数公式比对数公式能更精确地拟合风速的垂直廓线，我国新修订的《建筑结构设计规范》[23]和《风电场风能资源评估方法》[24]（GB／T18710—2002）均推荐使用幂指数公式，其表达式为：

由公式（4）变形得到：

公式（6）用来计算各层间的风切变指数α。

2 结果与分析

2.1 整层风切变指数

图2 十三间房（#31005）测风塔风廓线图

风切变指数不仅受周围地形粗糙度的影响，更多的是受大气层稳定度影响。大气层稳定度随着季节和天气过程相关的气象条件而变化。相较于其他地区，本文研究区域，晴天日数多，太阳辐射是最主要的因子。一日之内，随着日出，太阳高度角的增大，大气层稳定度由夜间的稳定变为中性和不稳定，湍流增强，上下层大气混合，上下层风速大小差别减少，根据公式（3）风切变指数α 则变小。图3 显示一天内风速≥3 m·的风切变指数和太阳辐射强度在时间上同步，这与沿海地区的结论较为一致[27，28]，也与金莉莉在乌鲁木齐的研究结论一致[17]。8：00 左右日出后，随着太阳高度角增大α 缓慢变小，14：00 α 最小，一直维持最小值到20：00 太阳落山，可以看到α 迅速增大，这和戈壁的地理环境相关。而大风期间的α 值没有明显的日变化，因为，该地是大风区，大风的发生频率较高，大风及以上风速湍流很强，其强度远超太阳辐射引起的湍流日变化，进而导致α 值日变化不显著。

图3 风切变指数日变化

图4 给出了两个风速段的风切变指数α 各月的值，代表了季节变化。可以看出，对于启动风速段，3—10 月α 维持较小值，究其原因，夏季气温高、日照时间长、湍流强、α 值小，物理意义与上一节分析的白天α 值小的原因一致。春秋，该地地处风区风口，寒潮强冷空气活动频繁，风力强劲，使得这两季风切变指数α 值较小。1—2 月和11—12 月是该地的冬半年，天气寒冷，太阳高度角变小，日照时间变短，湍流变弱，同时该地为吐鄯托盆地，冬季盆地特有的冷湖效应使得边界层内100 m 塔高这一层大气较为稳定，因此α 值较大。在一年内，该地风切变指数α 最低的月份不仅和太阳辐射最高的月份吻合，也与当地的冷空气活动相关，可见大风区的风切变指数α 要比一般沿海地区复杂。本文计算的风切变指数α 的月和日变化规律与郭晓宁和保广裕[29]在青海省格尔木站分析的太阳辐射特征有较好的反向相关性，说明本文的推论是正确的。

大风风速段风切变指数α 值各月差异较小，但也可以看出冬季较大，其他三季较小，最小在8 月，其原因与上一节分析的一致，因为百里风区的大风天气过程是高频率事件且风速很大，湍流很强，打破了太阳辐射季节的影响，使得风切变指数α 季节特征不显著。

2.2 层间风切变指数分布特征

图4 风切变指数季节变化

实际的风电场与输电线路以及其他如高铁经过风区的设施建设与运维，不仅要获得总的风切变指数α 值，以方便用常规的10 m 观测的风速计算出其他高度的风速。更需要知道各层间的α 值，以便了解风切变强度，避开风速强切变层。由表1 可见，启动风速段的各层间的α 值，最小出现在100～70 m间，最大出现在50～30 m；大风风速段，最小出现在70～50 m，无独有偶，最大也出现在50～30 m。这不是巧合，说明十三间房站，50～30 m 有一个风速切变，也就是这两层风速差异较其他各层要大。

表1 十三间房测风塔各层间风切变指数

夜间和白天的各层间风切变指数α 值平均后绘制图5。由图5a 可见白天各层间的α 值沿着高度逐步减小，说明白天由于太阳辐射使得大气层趋于中性和不稳定，湍流加强，上下层混合使得层间风速差异减少，相对应α 值各层较为均一，风切变不显著。而夜间，在50～30 m 间α 值出现最大值，表明在这一层有一个风速切变。

由图5b 可见，冬季的风切变指数α 极值位于70～50 m，主要是因为盆地的冬季逆温层较厚，使得70～50 m 和100～70 m 两个层间α 值均较大。而夏季的极值在50～30 m。与图5a 白天的极值出现原因相近，不再赘述。需要注意的是50～30 m 这一层，无论是日变化还是季节变化均存在一个拐点。

3 结论

利用吐鄯托盆地百里风区的十三间房测风塔仅有的一年半观测资料，分析了风区山盆地形和戈壁地貌条件下，启动风速段和大风风速段，整层和层间风切变指数α 的分布规律以及日变化和季节变化特征，得到以下结论：

（1）启动风速段整层风切变指数α 为0.084 5，大风风速段整层风切变指数α 为0.036 4。2 个风速段的各个层间风切变指数α 最大值均出现在50～30 m，分别是0.109 6 和0.056 9。风切变指数α 与风速成反比关系，即风速较小时风切变指数α 较大，风速较大时风切变指数α 较小，较好体现了风速越大垂直湍流交换越强，上下风速更趋一致，进而风切变指数α 越小。

图5 层间风切变指数变化

（2）启动风速段的风切变指数α 白天较小，夜间较大。随着日出风切变指数α 缓慢变小，直至当地时间正午，达到最小值。日落后α 迅速变大，在日落2 h 达到夜间的较大值。一日内对应于日出日落，α 日变化曲线接近一个正弦波形。各层间风切变指数α 白天较为均一，夜晚在50～30 m 有一个极大值拐点，对应夜晚在该层有一个风速切变。大风风速段几乎没有日变化。

（3）风切变指数α 无论启动风速段还是大风风速段均呈现出冬季大，夏季小的季节特征，但启动风速段季节特征更显著。各层间的风切变指数α 值，冬季的最大值在70～50 m，而夏季的极值在50～30 m，且存在显著的拐点。