如何应对低空急流威胁风力发电机安全问题

为了不引起混淆，本节将要阐述的既不是对流层顶部的射流，也不是低空高速的下坡风暴。低空急流是由地表冷却引起的湍流摩擦减小导致的结果。

图11-23 夜晚低空急流出现时观测的垂直风切变轮廓线

第一个例子是夜晚的低空急流。想象一个有漂亮的垂直风切变曲线的混合良好的边界层。风是压力梯度力、地转偏力和摩擦力平衡的结果。我们现在已经很清楚，边界层内的摩擦主要是由于湍流动量的向下（向地面)的通量引起的。该通量白天高，因此湍流得到了充分的发展。傍晚太阳落山后，地表开始冷却，紧贴地表的表面层大气稳定度提高，湍流随之减弱。突然气团所受的合力不再为零，风便开始加速。这种加速作用在力最不平衡的地方最强，也就是接近地表处。一个新的最大值便出现在了风垂直切变轮廓线上了。

低空急流的风速峰值一般出现在距离地面约数百米的高度，如图11-23所示。如果地表温度很低，表面层大气十分稳定且存在较强的逆温时，高风速可能非常接近地面。2m高处的气温比50m测风高度低10℃的情况也很常见。这时边界层非常低，甚至不存在事实上的边界层，因为地表附近不存在湍流，而湍流的存在通常是边界层的定义。如此的明显，甚至在距离地面几十米的高度就开始是自由大气层了。此时的垂直风切变非常大。这种情况在气候寒冷的陆上非常普遍，比如我国的三北地区和加拿大。

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图11-24 一天内不同高度风况和温度的时间序列曲线，反映夜晚低空急流

图11-25 出现夜间低空急流时的不同测风高度的日平均风速变化曲线

图11-24为一天内不同高度的风况和温度时间序列曲线图，为典型的夜晚低空急流例子。夜晚的时候，80m高度的平均风速显著增强，与白天形成鲜明对比。温度时间序列也表明夜晚的温度下降非常显著。在分析我国东北测风数据时时常会遇到这种情况，对应的日平均风速变化如图11-25所示。

值得一提的是，这种低空急流的高度可能在风力发电机扫风面范围之内。而此时显然已经不能对平均风速进行很好地垂直外推，而扫风面内的垂直风切变也再不遵从指数或对数函数关系^[4]。这些都给风力发电机发电量评估增加了额外的不确定性。另外和其他射流一样，夜晚低空急流内的湍流也可能非常大，尤其是极端湍流，威胁风力发电机的运行安全。