海上测风塔基础设计-风向与风速

海风是一个矢量，应采用风向和风速来分别描述海风的方向与大小。

1.风向

风向指的是来风的方向，风向一般采用16个方位表示，即北东北（NNE）、东北（NE）、东东北（ENE）、东（E）、东东南（ESE）、东南（SE）、南东南（SSE）、南（S）、南西南（SSW）、西南（SW）、西西南（WSW）、西（W）、西西北（WNW）、西北（NW）、北西北（NWN）、北（N）。静风记为C。风向也可以用角度来表示，以正北为基准，顺时针方向旋转，东风为90°，南风为180°，西风为270°，北风为360°。同时标记方位和角度的风向方位图如图1-4所示。

风向随着季节和时日发生着变化，各种风向的出现频率通常用风向玫瑰图来表示。在极坐标图点出某年或某月各种风向出现的频率，称为风向玫瑰图，典型形式如图1-5所示。通过风向玫瑰图可以判定常风向和强风向，并对某海域出现的风向进行统计分析。

图1-4　风向方位图[13]

图1-5　风向玫瑰图[13]

2.风速

风速是单位时间内空气在水平方向上移动的距离，单位为m/s或km/h。为了便于使用，可根据风速大小划分为13个风级。由于这种方式是由蒲福（Beaufort）最先提出的，故称为蒲福风级或蒲氏风级。后人在其基础上另外增补了5级，则形成现今国际上通用的包含18级的风级表，如表1-1所示。但此表仍不能涵盖自然界出现的全部风，例如龙卷风等，但其发生的范围很小，也比较少见。

表1-1　风级表[14](www.xing528.com)

风速沿垂向的分布规律称为风切变。由于受到地面摩阻作用的不同，不同高度处的风速也不同。风速与近地面的距离成正比，距离地面越近风速越小，反之风速越大，对于海风规律相同。风切变可以采用指数分布模式或对数分布模式来描述。

按照对数分布模式时，高度Z1处风速U1与高度Zn处风速Un的关系为

式中 Z0——风速等于零的高度，是一个随地面粗糙度大小而变化的数值。

Z0值一般略大于地面有效障碍物高度的1/10，根据大量实测资料，我国现采用的Z0值一般变化于0.001～0.15m之间：陆上平均值可取Z0=0.03m；海上可取Z0=0.003m；冰上可取Z0=0.001m。不同海况对Z0的取值影响还有待于进一步研究。

按照指数分布模式时，高度Z1处风速U1与高度Zn处风速Un的关系为

式中 α——指数，一般变化于1/15～1/4之间，常取1/7，按挪威船级社DNV—RP—C205标准可取0.12，按国际电工协会IEC 61400-3标准可取0.14。

α值的大小主要取决于地面粗糙度Z0和高度Zn，且随Z0值增加而增大，随Zn值增大而减小。我国标准所采用的α值是根据对数分布模式和指数分布模式在100m高度相等的条件下确定的。即以Z0=0.03m，Z1=10m，Zn=100m分别代入式（1-1）和式（1-2）并令其相等，得出α=1/6.90。同样，对于海上采用Z0=0.003m，Z1=10m，Zn=100m，按上述计算方法可得到α=1/9.22。

我国现有风速资料大都属于以下两种情况，即定时2min平均风速和自记10min平均风速。定时观测又可分为每日3次、4次和24次不等，自记观测可昼夜连续进行。由于观测次数和时距不等，对于同一地区、同一时间，得到的最大风速也将不同。观测次数越多，测得的最大风速值与自记最大风速值愈接近。观测最大风速的时距愈短，平均风速就越大。