平潭島風環境分析研究

袁彥鋒　冉茂宇　袁炯炯　張亮山

(華僑大學建筑學院　福建廈門　361021)

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平潭島風環境分析研究

袁彥鋒冉茂宇袁炯炯張亮山

(華僑大學建筑學院福建廈門361021)

平潭島所在區域是我國東南沿海具有代表性意義的海島強風區，常年受大風氣候影響嚴重。采用CFD方法對平潭島不考慮建筑和植被的地形條件下的風環境進行模擬分析，選取全年最具代表性意義的風向風速參數進行模擬計算，分別得出全島風環境分布圖，分析模擬結果得出結論：①夏季有利風和冬季不利風作用下島上風環境截然不同，城市規劃須考慮；②最強風出現在主要山脈的山脊，風速等級極其危險；③部分鄉鎮風速常年過大，應加以治理；④三大風口是防風的重點，同時是風力資源集中分布的地區。

平潭島;強風區;Phoenics模擬;風環境

0　引言

東南沿海及其島嶼為我國第一大風區，其大風日數遠超我國第二大風區(渤海沿岸及內蒙古、甘肅北部以及新疆阿拉山口)，≥6m/s的風速全年有3500h以上，而第二大風區≥6m/s的風速全年僅有2200—2500h(圖1)。平潭島是亞熱帶海洋性季風氣候大風地區的典型代表，也是我國東南沿海第一大風區的第一大島，對于平潭島的風環境研究，具有特殊性和代表性意義。

1　概述

平潭古稱海壇，俗稱“海山”，以其主島在海上遠望如壇而得名海壇島，又因其島嶼輪廓形似麒麟，故現代的當地人又多稱之為“麒麟島”。島上的最高山巒——君山，山頂常有嵐氣彌漫，亦叫東嵐山，故平潭簡稱為“嵐”。平潭島東隔臺灣海峽與臺灣島隔海相望，距離臺灣新竹68海里，是大陸距離臺灣島最近的地方，西臨海壇海峽與福清市、長樂市毗鄰，北距福州市120km(距長樂國際機場70km)；南與莆田市南日島斜角相望，距廈門港130海里。平潭島南北長29km，東西寬19km，陸域面積267.13km2，是福建省第一大島，我國第五大海島，緊列臺灣、海南、崇明、舟山之后。

平潭縣域大地構造屬于閩東火山斷拗帶的閩東南沿海變質帶。平潭—詔安斷層屬于NNE—SSW走向的長樂—南澳斷裂帶，從平潭縣縣域通過。地勢南北高、中部低，東部高、西部低。其北部呈現南北走向的三條丘陵帶，并間以松散的堆積平原。由沿著NNE——SSW方向的主要山體夾著中間平原形成了平潭島的五大風口：流水鎮的流東、流西風口，敖東鎮的遠中洋風口，潭城鎮的龍王頭風口，中樓鄉的長江澳風口。其中，由于長江澳風口的特殊位置，使其成為對島上影響面積最大，也是影響程度最深的一個風口(圖2)。越往東，受地形影響越小，大風天數相應越多。平潭島東西方向地域狹小，所以出現大風時一般都是全縣性的。

平潭島常年季風明顯，受海洋性季風氣候影響，6～8月，以西南偏南風為主，其余季節多為東北偏北風。平潭島全年最大風頻NNE風向頻率占30%，次大風頻 NE風向頻率占22%，第三大風頻SSW風向占19%，年平均風速6.9m/s，灣海地區全年大風(7級以上)日數為125d，是福建省強風區之一，全年≥8級風力天數84.5d，為開發風能提供最佳條件(圖3)。7～9月高溫干旱，常受熱帶風暴影響，年平均6.3次。因此，研究該地區的風環境，對平潭綜合實驗區的規劃建設和當地的防風避風具有重要的指導性意義。

2　CFD方法介紹

Computational Fluid Dynamics，即計算流體動力學, 簡稱CFD,是近代流體力學，數值數學和計算機科學三者結合的產物，是一門具有強大生命力的邊緣科學。它以電子計算機為工具，應用各種離散化的數學方法，對流體力學的各類問題進行數值實驗、計算機模擬和分析研究，以解決各種實際問題。目前市面上使用較多的CFD 軟件有：CFX、Fluent、Phoenics、Star-CD。

Phoenics是Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series 首字母的縮寫，意思是只要有流動和傳熱的物體都可以使用PHOENICS來模擬計算。由國際公認的權威CFD技術研究機構英國帝國理工學院CHAM研究所開發，是國際計算流體與計算傳熱的主要創始人、英國皇家工程院院士D.B.Spalding教授及40多位博士20多年心血的典范之作。Phoenics是一款專業的CFD模擬軟件，也是全世界第一套計算流體學與計算傳熱學的商用軟件，能夠滿足對全島以及局部不同的地形和不同建筑布局形式進行模擬分析。

本文以平潭島風環境作為研究對象，利用Phoenics 2014操作平臺對其進行模擬分析，并且綜合冬夏兩季風環境模擬結果，總結利弊，提出防風與通風的合理性建議。

3　計算參數設置

3.1代表性風向風速的確立

本文綜合分析確立4個最具代表性意義的風速風向參數：① 風向NNE風速13.9m/s、② 風向 NNE風速6.2 m/s、③ 風向NE風速5.6m/s、④ 風向 SSW風速4.8m/s(表1)。

風向和風速的選定取決于對平潭島的氣象數據分析，根據平潭島1971～2010年風速風向統計表[1](表1)和平潭島1971～2010年風玫瑰圖(圖3)來確定模擬全島風環境應該選取的風向風速。①由于平潭島灣海地區全年大風(7級以上)日數為125d，而風力為七級的下限值是13.9m/s，同時，由風玫瑰圖可知，最大風頻NNE風向是全年盛行時間最長也是對應大風日數最多的風向，故風向NNE風速13.9m/s是最具代表性意義的一個風環境模擬參數，本研究以此來模擬平潭島在遭受東北灣海七級以上大風的125d里的風環境分布情況。②由于七級以上大風具有瞬時性和不穩定性，所以要想對全島的平均風環境分布情況進行模擬分析，需要選取平均風速的數值，因此，風向NNE風速6.2m/s作為島上最強風向頻率和最平均的風速也最具有代表性和普遍性意義。③在盛行季風中除了最大風頻NNE風向還有次大風頻NE風向，所以對NE風向盛行時全島的風環境研究也不容忽視，基此，本研究以風向NE和其代表的平均風速5.6m/s作為第三個風向風速參量。④除了周全考慮不利大風對島上風環境不良影響，同時需要考慮夏季盛行風對全島風環境的積極影響，以利引導當地人們利用其分布情況進行通風和降溫[2]。

表11971-2010年平潭風的數據統計

3.2計算區域網格劃分

本案例網格劃分采用漸變式的網格劃分方式。模型大小為南北方向(沿Y軸)36 900.00m，東西方向(沿X軸)27 623.00m，海拔高度方向(沿Z軸)425.00m。計算區域大小設置沿Y、X、Z軸分別為100 000.00m、80 000.00m、1 200.00m。網格設置大小為沿Y軸500個網格，中間模型所在區域分布400個網格，平均沿Y軸方向每個網格大小為92.25m；沿X軸400個網格，中間模型所在區域分布320個網格，平均沿X軸方向每個網格大小為87.26m；沿Z軸30個網格，模型所在區域分布18個網格，平均沿Z軸方向每個網格大小為23.61m(圖4、圖5)。網格總計算量為600萬個網格。

3.3平潭島地形建模

地形建模采取在SRTM數據庫下載平潭島的*.img格式高程數據包，為實現*.img數據向CFD軟件(Phoenics)支持的*.stl 格式數據的轉換，筆者在前人研究的基礎上，結合多種常用數字化技術，總結出一套新的室外地形數字建模方法。技術流程如圖 6 所示“三步曲”：

(1)使用高程提取工具在SRTM中國科學院鏡像站點——地理空間數據云網站獲取數字高程首先轉化為*.img文件。

(2)將生成的*.img文件輸入Global Mapper提取高程數據并根據需要生成等高線，轉化并輸出*.dwg格式的等高線文件。

(3)通過AutoCAD對等高線進行整理：刪除重復疊加的等高線，刪除等高線以外多余的線，刪除不閉合的等高線或者使不閉合等高線閉合，刪除區域過小的閉合等高線。這是一個細致而較漫長的過程，確保等高線無誤，才能保證模型的準確和模擬過程不出錯誤。整理之后的*.dwg格式一般情況下即可開始建模，合并模型最終輸出成CFD(PHOENICS)可識別的模型文件*.stl 格式。但是若等高線文件數據過于繁雜以致對于AutoCAD工作量太大最終模型無法合并模型，可以把整理后的等高線導入ArcMap，進行線抽稀，以減少閉合多段線中點的數量。此方法可以大大減少AutoCAD建模的工作量，以減少AutoCAD軟件運行過程中致命錯誤的概率。

4　全島風環境模擬分析

4.1風向NNE風速13.9m/s模擬結果分析

大風天氣，當NNE風向13.9m/s風速來風時，如圖7，除了君山、龍頭山等島上主要山脈的背風面小部分以及敖東鎮、北厝鎮的多部分會出現小于6m/s的區域，其他大部分地區呈現出被大風覆蓋的現象。其中，中部平原和東部沿海、流水鎮平原地區以及澳前鎮的小部分地區出現大于20m/s的風速分布，特別是君山及牛園底山沿東西向山脊會出現大于30m/s的風速分布；因此，遇到七級以上大風天氣，特別要加強這些地區的防風避險工作。同時，可以明顯看出，君山對于平潭縣城所在區域具有明顯的遮風效果，即使遭遇大風天氣，縣城所在區域平均風速明顯小于島上其他大部分區域的平均風速。

其中五大風口中，可以明顯看出NNE風向13.9m/s風速穿過長江澳風口和流東、流西風口時對島上的風環境分布影響最大，因此，這些區域是防風工作重點中的重點，同時也是風力資源集中分布的地點。

如圖8，從風壓值的分布情況可以明顯看出，出現風壓值的最高點和最低點分別部分在主要山脈的迎風面山腳區域和沿東西向山脊風速值最高區域，中部平原和東部沿海、流水鎮平原地區風壓值分布較為均勻。

4.2風向NNE風速6.2m/s模擬結果分析

NNE風向6.2m/s風速作為島上第一大風頻時的常年平均風速，來風時，如圖9，君山、龍頭山等島上主要山脈的背風面大部分以及敖東鎮、北厝鎮 的多部分會風速均小于4.0m/s，其他大部分地區風速在4.0m/s至8.9m/s之間。其中，中部平原和東部沿海、流水鎮平原地區以及澳前鎮的部分地區出現大于8.9m/s的風速分布，特別是君山及牛園底山沿東西向山脊會出現大于13.0m/s的風速分布；因此，平時也應特別加強這些地區的防風避險工作。同時，也可以明顯看出，君山對于整個平潭島的近1/4區域具有明顯的遮風效果，對于平潭縣城所在區域的遮風效果尤為明顯。除了蘆洋鄉，其他主要鄉鎮，在東北方向都有相應的山脈，對常年的不利風進行遮擋，效果明顯。

其中五大風口中，可以明顯看出NNE風向6.2m/s風速穿過長江澳風口對島上的風環境分布影響最大，穿過流東、流西風口時對島上的風環境分布影響較大；因此，這些區域是防風工作重點中的重點，同時也是常年平均風力狀態下風力資源集中分布的地點。因此，應對此區域進行防風治理的同時合理對風資源加以利用。

如圖10所示，從風壓值的分布情況可以明顯看出，出現風壓值的最高點和最低點分別在主要山脈的迎風面山腳區域和沿東西向山脊風速值最高區域，其他大部分地區風壓值分布較為均勻。

4.3風向NE風速5.6m/s模擬結果分析

NE風向5.6m/s風速作為島上次大風頻對應的平均風速，對其模擬分析可更全面地分析全島全年的風環境分布。來風時，如圖11所示，君山、龍頭山等島上主要山脈的背風面大部分以及敖東鎮、北厝鎮、蘇澳鎮、平原鎮的多部分風速均小于9.6m/s，其他大部分地區風速在9.6m/s至15.1m/s之間。其中，中部平原和東部沿海、流水鎮平原地區出現大于16.5m/s的風速分布，特別是君山沿東西向山脊、流水鎮沿王爺山東北方向大部分、東癢鄉大部分區域會出現大于19.2m/s的風速分布；因此，平時應特別加強這些地區的防風避險工作。

其中五大風口中，可以明顯看出NE風向5.6m/s風速穿過長江澳風口和流東、流西風口以及龍王頭風口時對島上的風環境分布影響最大，因此，這些區域是防風工作重點中的重點，同時也是次大風頻時風力資源較為集中分布的地點。

如圖12所示，從風壓值的分布情況可以明顯看出，出現風壓值的最高點和最低點分別在主要山脈的迎風面山腳區域和君山沿東西向山脊風速值最高區域，其他大部分地區風壓值分布較為均勻。

4.4風向SSW風速4.8m/s模擬結果分析

SSW風向作為島上夏季風的主導風向，對應的常年風速穩定并且溫和，相對冬季NNE不利風，作為夏季通風降溫的有利風，SSW風向4.8m/s風速來風時，如圖13所示，除了龍頭山的背風面小部分、君山的迎風面小部分及背風面大部分會出現小于3.7m/s的區域，除了蘇澳鎮的沿海大部分地區及北厝鎮、澳前鎮和敖東鎮的部分區域出現大于11.2m/s的區域，其他大部分區域風速在3.7m/s至8.4m/s之間，風速溫和、均勻、通風良好。因此，當地建設規劃部門應當合理規劃布局建筑群體和城市街道，更好地接收有利風，促進通風降溫。

如圖14所示，從風壓值的分布情況可以明顯看出，出現風壓值的最高點和最低點分別在主要山脈的迎風面山腳區域和沿東西向山脊風速值最高區域，其他大部分地區風壓值分布較為均勻。

5　結語

由以上模擬結果對比分析，得出以下結論：

(1)島上冬季NNE和NE風向作為不利風對島上的風環境影響最深且影響時間最長；夏季SSW風向有利風作用下，島上風環境分布均勻、溫和，有利于夏季通風降溫；城市的規劃布局應當充分考慮阻止冬季不利風，迎接夏季有利風。

(2)當NNE風向來風，大風天氣時，島上主要山脈君山、虎頭山、龍頭山、王爺山、少雄山、牛寨山的山頂及垂直于來風方向山脊出現島上最強風，極其危險，應該加強防護措施。

(3)整體而言，流水鎮、蘆洋鄉和中樓鄉常年風速過大，自然條件下風環境不適合人們居住生活，應加強防風措施；平潭縣城(即嵐城鄉和潭城鎮)、白青鄉、北厝鎮、敖東鎮和平原鎮自然條件下常年風速較溫和，較適合人們居住生活。

(4)NNE風向最大風頻主導風流經長江澳風口和流東、流西風口時對島上風環境分布影響最大且時間最長，是防風工作重點中的重點，同時也是常年風力資源集中分布的地點，應合理對其風環境資源進行開發利用。

[1]鄭拴寧.大風地區住宅小區風環境研究[J]. 環境保護科學, 2013(03):64-68

[2]廖廓,福建平潭大風氣候特征分析[J]. 閩江學院學報, 2011(09):130-133

袁彥鋒(1987.07-),男，在讀碩士研究生,主要從事生態建筑設計方面的工作。

冉茂宇(1967-)，男，博士，教授，主要從事建筑技術科學方面的工作。

袁炯炯(1979-)，女，碩士，副教授，主要從事生態建筑和技術方面的研究。

張亮山(1992.10-)，男，在讀碩士研究生，主要從事綠色建筑技術方面的工作。

Analytical investigation on the wind environment of Pingtan Island

YUANYanfengRANMaoyuYUANJiongjiongZHANGLiangshan

(Architecture College of Huaqiao University, Xiamen 361021)

Pingtan island area is of representative significance among the islands in strong wind area on the southeastern coast of China. Perennial gale of weather affected it seriously. I simulate and analysis the wind environment by CFD method consider not construction and vegetation but terrain of Pingtan island. Selecting the most representative parameters of wind direction and wind speed for the whole year, I have obtained wind environment map of the whole island, the calculated conclusion have been from simulation results: ①The wind environment under the influence of the favorable wind in summer and the adverse wind in winter of the island is completely different, urban planning must consider it；②The strongest wind appears on the main mountain ridge, the wind speed level is extremely dangerous;③Perennial wind speed of parts of township is too big, should be managed ; ④Three main tuyeres are concentration distribution of wind resources as well as the key of protecting against from wind.

Pingtan Island; Strong Wind Region; Phoenics Simulation; Wind Environment

平潭綜合實驗區綠色建筑節能關鍵技術的集成創新與應用示范(2011H0026)，福建省自然科學基金(2014J01193)。

袁彥鋒(1987.07-),男。

E-mail:657991891@qq.com

2016-01-09

[TU984.11+5]

A

1004-6135(2016)03-0010-07