风速变化及其影响因素分析

风速的大小与时间有密切的联系，在大气边界层中，风速随时间的变化具有一定的统计性规律，如平均风速的日、月、季节变化规律。我国的大部分地区，最大风速出现在春季的3月、4月，最小风速出现在夏季的7月、8月。同时，风速年变化曲线与电网年负荷曲线对比，若一致或接近的部分越多越理想。另外，风速的日变化有陆地和海洋两种基本类型。陆地白天午后风速大，夜间风速小，因为午后地面最热，上下对流最旺，高空大风的动量下传也最多。在海洋，白天风速小于夜间，这是由于白天大气层的稳定度大，白天海面上的气温比海水温度高。

风速除了与时间有关外，与高度也有密切的联系。由于受到地形起伏、建筑物和植被等影响，风速随高度的增加而发生变化，称为垂直风剪切效应，风速廓线分布如图8-2所示。

图8-2　风速廓线分布

对于风力机而言，通常考虑近地层内的风速变化，在近地层内，风速随高度有着显著的变化，造成风在近地层中的垂直变化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；不同环境下地表粗糙度z0参考值见表8-1；后者主要表现与为近地层大气垂直稳定度的关系。当大气层为中性时，乱流将完全依靠动力原因来发展，这时风速变化服从普朗特经验公式，即

式中 v——风速，m/s；

k——卡门常数，一般可近似取为0.4；

v*——摩擦速度，一般取值为0.1～0.3m/s；

τ0——地面剪切应力，N/m2；

ρ——空气密度，一般近似取为1.225kg/m3；

z0——地表面粗糙长度，m；(www.xing528.com)

z——距地面的高度，m。

表8-1　不同环境下地表粗糙度z0参考值

另外，经过推导可以得出幂定律计算公式为

式中 vn——hn高度处风速，m/s；

v1——h1高度处风速，m/s；

α——风切变指数。

非均质下垫面的非均质性可通过植被覆盖率σ来表达。当地表为裸土时，σ=0，当地表被植被完全覆盖时σ=1。对非均质下垫面，高度z处的风速可表示为

式中 d——零平面位移高度，m；

a——与地表植被叶面积指数有关的无量纲常数，a的取值与地表植被、大气、土壤等许多因素有关。