大气边界层风场的形成机制

大气边界层是紧靠地球表面，厚度为1～1.5km 的一层大气。这层大气运动影响因素颇为复杂，既受地面热力影响，又受到地表地形和粗糙度的影响，因此地表风场比较复杂，具有明显的湍流性质。当前人类建立的风电场均处于大气边界层中，风电场的功率预测系统要较为准确地预测发电功率，即预测模型需要较好地表达地形和地面粗糙度对于近地风场的影响。因此，有必要讨论各种风功率预测模型对各类地形的适应性，为不同地区风电场功率预测系统的开发提供依据。

图1-1　地球表面风带图

地球表面并不平坦，总有些凹凸不平和缓坡。小的不规则地貌如树林、防护林带等，都被看作是平坦场地；而大规模的高地或者洼地如山、山脊、山谷、峡谷等，都被看作是非平坦场地。按照Frost和Nowak的观点：如果地形符合下述条件，则把它们看作是平地。

（1）在风电场四周5km 直径范围内，无论在哪个地点，风电场与周围地形的高差不大于60m。

（2）在风电场上风侧4km 和下风侧0.8km 内的山丘，其高宽比不大于1／50。(www.xing528.com)

（3）在上风侧4km 范围内，风电机组叶片下端离地高度大于3倍最大高差。

非平坦地形的构成千差万别。因此，Hiester和Pennell建议做如下的分类：

（1）孤立的高地或洼地。

（2）山区地形。

山区的气流条件较复杂，因为高地和洼地是随意形成的。为了研究山区的风流态，把山区地形分成小规模和大规模两种。这两种地形依据大气边界层高度来区别。例如，若山体高度是大气边界层厚度的一小部分（约1／10），则山区可以说是小规模山丘地形；若山体高度大于大气边界层厚度或甚至超出大气边界层厚度 （约1000m）的地形则为大规模山丘地形。在确定地形与分类时必须对风向的资料加以考虑。例如，一座孤立的山 （高200m、宽1000m）位于推荐厂址之南1km 处，这种情况通常把厂址归类为非平坦地形。但是，如果风以2m／s的平均速度从这个方向吹刮的时间较少，或只有极少的风能与吹过山的风有关，那么这种地形就可以看作是平坦地形。

平坦地形对风特性 （即风速、风向和紊流）的影响，除了特别的垂直风形外，其余可以忽略不计；而非平坦地形对风特性的影响是复杂多变的。此外，沿海地区风电场由于海陆的热力学特性差异，近地风场也有其自身的特点。因此，下文将就非平坦地形和沿海地区的近地风场特性进行讨论。