典型沿海丘陵地区风场变化特性实测研究

吴强 傅军 徐煜佳 李洁 潘云锋

浙江理工大学建筑工程学院

沿海丘陵地区受其独特的地理位置影响，风环境相较于其他地区更为复杂，同时风能资源也更为丰富，基于实地观测数据对其风场特性进行科学的评价，对于建筑规划、风资源利用都具有重要参考意义。目前已有学者基于各类测风仪或塔架装置的实测资料，研究了沿海地区[1-3]及山谷地区[4-5]的风场特性，本文针对东南沿海丘陵地区的复杂地形，利用新型激光测风雷达配合手持自动气象站，在奉化黄贤村进行气象数据的观测及统计分析，研究了该区域不同气候及地势条件下的风速风向和风剖面等因素的变化特征，探讨了不同地点风场变化的影响因素及其影响程度。

1 实测概况

1.1 区域地形及气候特点

奉化黄贤村南临象山港海域，气候类型为北亚热带季风气候，夏季盛行东南风。其主体居民区位于南北走向的Y 型山谷中央，主要交通要道——曹黄线由南向北延伸，地势则由南向北逐渐上升，山体坡度平缓，最高的山体海拔在200 m 左右，是典型的沿海丘陵地貌。

1.2 实测方案

1.2.1 测点选取

测点的选取应具有代表性，包括山顶、山谷、聚居区及地形急剧变化等地带，经过对黄贤村各处地势、交通的考察，并针对其南面临海特点，将该地区分为沿海地带和丘陵地带进行数据采集。位于黄贤村东南方向有当地气象站布设的风速风向传感器，此次实测获取了该设备 8 月 29 日 0:00～31 日 20:00 的数据，作为沿海地带风场特性分析的依据。对于丘陵地带，选择在图1 中 A1～D1、A2～D2 八个点上进行观测，测点周边地势见表1。

图1 黄贤村三维地形

表1 丘陵地带测点选取概况

1.2.2 时间及设备安排

实测使用的新型多普勒激光测风雷达和手持自动气象站由佐格设备公司提供，分别用于丘陵地带 50～1000 m 对流层及 1.5 m 行人高度的数据采集，时间安排和设备分配见表2。

表2 测量时间安排及设备分配

2 实测结果分析

2.1 沿海地带风速风向日变化特征

当地气象站的风速风向传感器所记录的沿海地带风速日变化如图2～3 所示。图2 显示，受阴雨天气影响，8 月 29 日平均风速最低，8 月 30 日、8 月 31 日天气晴朗，气温升高，风速有所提升。三天内风速日变化具有相同趋势，且昼夜风速相差较大，0:00～7:00 及 18:00～23:00 风速较低，7:00～17:00 风速随时间推移呈先增长后下降趋势，较高风速更多集中在下午。图3 显示，8 月29 日0:00～7:00 风速偏差较小，7:00～17:00 风速偏差高于0.5 m/s，且呈先上升后下降趋势，随后 19:00 至第二天 7:00，风速偏差又在 0.5 m/s 以内徘徊，8 月30 日、8 月31 日的变化依然符合这个规律，偏差最大值基本都出现在上 9:00～11:00 的时间段内，而平均风速的变化趋势与标准偏差基本相同。

图4 黄贤气象站逐时平均风速

图5 逐小时平均风速与标准偏差对比

从图 4 中可以看出，受降雨期间云层带来的冷空气影响，气流由高密度区流向南边海域的低密度区，导致8 月29 日主导风向为东北偏北风，8 月30 日和8 月31 日处于晴空天气下，主导风向为东南偏东风，风速分布在2.5～4.5 m/s 范围内。

图4 黄贤气象站风速风向玫瑰图

可见：1）沿海地带夏季风速风向随时间的变化具有日周期性，全天较高风速基本分布在 11:00 至 17:00 时间段内。2）该区域平均风速值越大，风速变化越剧烈，风速值越小，变化越温和。3）象山港海面与陆地的热力差造成的大气对流运动，导致夏季盛行东南风，但受降雨等天气影响，其变化规律又有差异。4）且沿海地带地势平坦，风向受地形影响程度很小，一天中主导风向比较稳定。

2.2 丘陵地带风场特征分析

黄贤村主体区域内部山脉绵延，建筑群遍布于山谷盆地之中，不同地点处的地理环境各有特点，从沿海地带风场特征的分析中可知，气流主要是从南、北两个方向灌入该区域。表3 为各测点近地面平均风速及标准偏差。

表3 各测点近地面平均风速及标准偏差

结合表3 及图5 分析，8 月29 日气流由东北偏北方向而来，并从 Y 型山谷的两个分叉口分别流经D1、C1 点。D 1 点周边地势较为起伏，使得该处形成了小范围的局部绕流，风向分散于西南，西北以及东北方向，相较之下C1 点风向更为集中，其位处南北走向的连续山脊上，山脊海拔由北向南逐渐降低，气流经过山谷后到达C1 点，风向稳定，风速较高。A1、B1 两点周围均有建筑物或绿植环绕，风向分散，此外 A1 点的西北偏北方正对上山的巷道口，玫瑰图上所示这个方向风向占比较大，风速较高，为 1.4～1.6 m/s。

图5 8 月29 日各测点风速风向玫瑰图

图6 8 月30 日各测点风速风向玫瑰图

8 月30 日，东南风由开阔的沿海地带汇聚于黄贤村入口，A2 点处于其中地势急剧变化处，东侧有海拔为60 m 左右的山脉阻隔，导致气流至此速度有所减缓，平均风速为1.5 m/s，主导风向为东南偏东风，从玫瑰图（图 8）上也可看出存在部分较分散的风向，可见地形对该处风场已经产生了一定影响。气流进入聚居区后，地势变得开阔，民居沿曹黄线规律排列于两侧，该交通要道由南向北贯穿中心广场，并经过广场中的 B2 点，玫瑰图上显示出实测期间，B2 点的曹黄线来流方向风速为3.5～4 m/s，相对较高，该特征与 A1 点类似，说明气流通过狭长通道时，由于空气不能大量堆积而产生了加速效应。之后向左延伸至山谷中，C2 点处于山谷入口处，气流主要从南边开阔地区汇聚于 C2 点，再加速沿山谷流至D2 点。

综合以上分析，本地区狭长山谷中的平均风速相较于地势较低的聚居区要大，且该类型山谷对气流具有一定的导向和加速作用，比如 D2 点所处区域。C1 点所在山脊坡度平缓，地势起伏小，当日风向集中，风加速效应也很明显，在今后的风电工程中，此处适合作为参考点进行风能评估。低矮建筑布局中的通道效应会造成局部风速加快，但建筑群整体会对来流造成削弱。聚居区地形呈现南北两端狭窄而中间宽阔的特点，夏季盛行气流进入之后速度会有所减弱，且其中建筑布局井然有序，经实地考察，民居大部分朝向南方，最大限度地利用了当地风场特性，使得建筑通风性达到了理想的状态。

2.3 风剖面特征分析

利用激光测风雷达 50～1000 m 高度范围内的无间断气象数据，可以较方便地分析丘陵地区近地面的风剖面的特点。我国现行规范推荐采用指数分布律[6]计算方法，其表达式为：

式中：ui、u0分别为zi、z0高度层上的风速；α为风切变指数。

按式（1）计算结果见表4：

表4 A2、B2 点各时段平均α

以 50 m 高度层的风速作为计算基准。我国建筑荷载规范[7]中给出B 类地貌的α 参考值为 0.15，根据计算结果，B2 点平均α 值为 0.178，接近我国现行荷载规范，也与我国其他丘陵地区观测值相近[8-9]，但小于美国、加拿大的标准值。A2 点α值为0.082，远小于其他丘陵地区，分析其原因主要是 A2 点受当日主风向东南风影响较大，导致风速波动程度较小，表明α值同时受到风向影响，主风向所占当日风向比例越大，对 风剖面的影响就越大。

图7 风速——α 值散点图

图8 A2 点α 值随高度的变化

图9 B2 点α 值随高度的变化

两测点 10 min 平均风速与平均α值见图 7，图中散点均呈松散到密集趋势，风速值分布于 3～5 m/s 内，α随风速的提高而增大。图8、9 分别为A2、B2 测点在对应的三个相同时段内α值随高度的变化，A2 点α值在离下垫面 200 m 左右高度内以较快的速率增长，到达最大值后开始下降，B2 点基本在300 m 高度处开始呈下降趋势，分析其原因，主要是由于丘陵地区下垫面粗糙度较大，起伏程度剧烈的地表及建筑群对进入山谷的气流产生了粘滞作用，造成了上下层空气流速的差异，且随高度上升，差异越大，表现为α值急速增长，到达一定高度后，下垫面的粘滞作用已经无法影响到气流的运动，这种情况下风剖面则由大气层结的稳定度决定。

3 结语

针对奉化黄贤村这一典型沿海丘陵地区的整体风场特性，进行气象数据的现场实测及统计分析，研究具有代表性的几个地点的风速风向及风剖面的变化规律，得到如下结论：

1）该地区沿海平坦地带风环境主要受当地气候特点——海陆风的影响，受地形影响较小，风速、风向变化具有日周期性，白天风速值较夜晚大，风速变化幅度也更为剧烈。

2）丘陵地带风速、风向的日变化较沿海平坦地带更为复杂，不同地点的风场特征受多种因素的影响，也有一定的规律。风速变化特征与风速大小、地势有关，其变化幅度同样随平均风速的提升而增长。风向受地形影响较大，狭长型山谷，山脊及巷道对风向有较强的稳定作用，处于此类地形的 C1 点具有较大的风电选址评估的意义。

3）由于聚居区地形特点使得海陆风进入山谷之后风速减弱，这类地形给强台风时期沿海丘陵地区居民提供了天然的屏障。此外，黄贤村典型的沿海气候条件，以及独特的南北延伸的山谷地形，使得其中建筑群的规划布局也有一定的规律可循。

4）复杂地形中，风剖面主要受主导风向、风速等级及下垫面粗糙度的影响，风速小范围波动时，α值随风速升高而增大。且不同地势条件，风剖面受影响的高度范围也不同。

激光测风雷达场外观测受阴雨天气影响，会造成一定的数据缺失，这也是本次实测没能采集到 A1、B1 两点完整雷达数据的原因。此外，本次实测研究基于低等级风速环境进行了风场特征分析，在今后的研究中，有望展开强风环境下沿海丘陵地区气象观测工作。