“蘇迪羅”臺風影響期間不同下墊面風特性分析

文|陳秋陽，李陽春，杜偉安，鄭海，高峰

近年來全球海上風電市場發展迅速，2018年，歐洲海上風電新增裝機容量達265萬千瓦，我國海上風電新增裝機量達到創紀錄的165.5萬千瓦。相比歐洲，我國海上風電的發展面臨著西北太平洋熱帶氣旋的考驗，對風電場選址、機組設計和風電場運行也提出了更高的要求，因此對熱帶氣旋相關的氣候規律、風參數變化特征等進行研究就顯得十分重要。

目前已有很多關于臺風以及其對風電工程影響的研究成果，國家標準GB/T 31519－2015《臺風型風力發電機組》也于2015年正式發布。研究表明，臺風影響過程中極端風速、異常湍流和突變風向是風電機組易受破壞的主要原因。臺風期間極端風速大且風速變化快，臺風中心附近近地層的湍流強度可異常增大到0.6～0.9，且臺風中心靠近時底層和高層的湍流強度變化并不同步。但現有文獻對臺風期間風速風向的變化率、湍流強度、風切變指數等的量化描述還不夠完善，對臺風期間不同下墊面的風特性對比分析還缺乏更細致的研究。

本文基于臺風“蘇迪羅”期間位于不同區域、不同下墊面的3座測風塔觀測數據，對臺風期間不同下墊面的近地層風速風向變化率、湍流強度、風切變指數和陣風系數的變化特征進行計算分析，并對近地層風特性與不同下墊面之間的關系進行討論，得出具有一定代表性的結論和變化規律，以期為海上風電場的規劃選址、風電機組抗臺設計和風電場運行提出合理化建議。

數據說明

一、臺風實例和觀測數據選取

臺風“蘇迪羅”于2015年8月8日晚22時10分以中心附近最大風力13級（38m/s）在福建省莆田市秀嶼區登陸，隨后進入福建和江西境內，強度逐漸減弱。有2座位于福建近海海島的測風塔，以及1座位于浙江南部復雜山地的測風塔觀測到了本次臺風期間的風況數據。

圖1 臺風“蘇迪羅”與測風塔相對位置示意圖

表1 測風塔基本信息

1#測風塔位于福建莆田平海灣的海島上，周圍為平坦的洋面，周邊10km內無陸地或島嶼影響；2#測風塔位于福建平潭的小島上，其南側約2km處為最高海拔超過200m的大練島，東南側約5.5km處為平潭縣，當南部來風時測風塔受大練島的影響較大；3#測風塔位于浙江南部復雜山地的山脊上，測風塔周圍2km內海拔落差約700m，坡度較大，地形復雜，地表植被為茂密的樹林。臺風“蘇迪羅”的移動路徑與3座測風塔的相對位置如圖1所示，3座測風塔的基本信息如表1所示，測風塔周圍的地形特征如圖2－圖4所示。

二、臺風期間樣本選取

當觀測點先后遭遇臺風前部的外圍大風區、臺風眼、臺風后部的外圍大風區時，風速一般呈雙峰型，臺風登陸后強度快速減弱，臺風后部峰值會不明顯，風速呈單峰型；當觀測點位于臺風中心移動路徑的右側時，風向整體呈順時針變化，變化角度超過150°。氣壓呈漏斗狀，登陸期間最低。

臺風“蘇迪羅”經過期間3座測風塔的風速、風向變化時序圖如圖5－圖7所示。從風速變化趨勢來看，1#和2#測風塔風速呈雙峰型，但第二個波峰都較弱，波谷處10min平均風速分別為11.9m/s和17.6m/s，分析判斷1#測風塔的觀測數據包含了臺風中心眼區和外圍大風區；2#測風塔獲取的數據受臺風眼區影響較小；3#測風塔由于距離臺風移動路徑較遠，僅受外圍大風區影響，風速整體先升后降，下降過程中出現多次明顯的大幅振蕩，主要原因是其所處的山地地形復雜，隨著風向的變化會存在不同的地形加速效應。從風向變化趨勢來看，3座測風塔都位于臺風中心移動路徑的右側，風向均呈順時針旋轉，偏轉角度基本在170°～190°之間。

據此，本文將基于3座測風塔受臺風影響期間約72小時的數據，對其風速風向變化速率、湍流強度、風切變指數和陣風系數等近地層風參數進行分析。

圖2 1#測風塔周圍地形示意圖

圖3 2#測風塔周圍地形示意圖

圖4 3#測風塔周圍地形示意圖

臺風影響期間風特性分析

一、風速和風向變化率

極端風速和風向突變是臺風影響過程中風電機組易受破壞的主要原因，對3座測風塔風速、風向10min變化率的最大值進行統計，結果如表2和表3所示。

圖5 1#測風塔風速風向變化時序圖

圖6 2#測風塔風速風向變化時序圖

圖7 3#測風塔風速風向變化時序圖

表2 測風塔風速10min變化極值信息

表3 測風塔風向10min變化極值信息

（1）3座測風塔實測瞬時極大風速分別為50.2m/s、49.0m/s和43.8m/s，10min平均最大風速分別為41.5m/s、40.2m/s和31.6m/s。極大風速均出現在臺風中心抵達前七級風圈內的風速上升段，也即風速的第一個波峰值。

（2）3座測風塔風速10min變化的最大值均發生在氣壓的上升段，即臺風中心經過之后，此時風速處于減弱階段，說明臺風后段風速下降的速率較前段上升的速率快；此外，1#測風塔對應的風向10min偏轉角度達35.3°，即風速急劇下降的同時，風向也發生較大偏轉。

（3）從風向的整體偏轉時長和偏轉角度來看，測風塔風向的變化速率隨著與臺風中心距離的增加呈逐漸減小的趨勢。1#測風塔距離臺風中心最近，其風向的10min偏轉角度最大達54.2°，而距離臺風中心相對較遠的2#和3#測風塔的風向10min偏轉角度均不超過20°。由此可知，距離臺風中心越近，其風向突變越明顯，對風電機組在強風下的變槳和偏航等控制能力要求越高。

二、湍流強度

大氣湍流強度表示瞬時風速偏離均值的程度，是評價氣流穩定程度的指標。湍流強度與地理位置、地形、地表粗糙度和天氣系統類型等因素有關。測風儀湍流強度的計算方法如下：

式中，V為10min平均風速（m/s），σv為該10min內瞬時風速的標準偏差。3座測風塔實測數據的湍流強度分布如圖8－圖10所示，測風塔湍流強度超過IEC曲線的數據比例如表4所示。

對比3座測風塔在臺風期間的實測湍流強度大小，發現位于海面的1#測風塔實測湍流強度在0.05～0.18之間，位于海島的2#測風塔在0.08～0.3之間，位于復雜山地多植被區域的3#測風塔在0.1～0.5之間。說明對于粗糙度較小的海洋下墊面，臺風帶來的湍流變化較小；下墊面粗糙度越大，湍流增加越明顯，尤其是復雜的山地地形，其增幅更大。對于受周邊海島影響的海上風電場，在前期評估時應充分考慮臺風可能帶來的不利影響，而復雜山地的陸上風電場，對于臺風的風險影響評估需更加慎重。

此外，受臺風影響期間全風速段湍流呈現隨風速增大“上翹”或“異常突起”的特征，因此對于海上風電項目，在風電機組載荷計算時若僅采用15m/s的代表湍流強度，勢必會存在一定的局限性或不確定性。

圖8 1#測風塔湍流強度時序變化圖（左）和隨風速分布圖（右）

圖9 2#測風塔湍流強度時序變化圖（左）和隨風速分布圖（右）

圖10 3#測風塔湍流強度時序變化圖（左）和隨風速分布圖（右）

圖11 1#測風塔風切變變化趨勢圖

圖12 2#測風塔風切變變化趨勢圖

圖13 3#測風塔風切變變化趨勢圖

表4 測風塔湍流強度超過IEC曲線的數據比例

圖14 陣風系數隨高度變化趨勢圖

圖15 陣風系數隨風速變化趨勢圖

三、風切變指數

根據IEC標準，采用冪指數公式計算分析風速隨高度的變化：

式中，u為z高度處的風速，u1為z1高度處的風速，α為風切變指數。3座測風塔不同高度層之間綜合風切變指數的時序分布如圖11－13所示。

可以看出，1#和2#測風塔的風切變受臺風影響不大，平均風切變分別為0.071和0.070，風切變較正常時期差異不大，其中位于海島的2#測風塔的風切變在受臺風中心影響時略有升高；位于復雜山地地形的3#測風塔的風切變在臺風中心遠離期間明顯變大，最大超過0.7，平均風切變為0.198。說明平坦簡單地形的下墊面，臺風期間風切變未呈現明顯的變化；而復雜山地地形，臺風會引起風切變的突變，極端切變很大。

四、陣風系數

陣風系數是10min時間段內最大瞬時風速（3s）與平均風速之間的比值，陣風系數是表征風速脈動特征的參數，可以簡單直觀地表征臺風強風的陣性特點，其計算公式為：

式中，G為陣風系數，V10min為10min平均風速，max(V3s)為最大瞬時風速（3s）。3座測風塔的陣風系數隨高度的變化以及隨風速的變化如圖14和圖15所示。由此可知：

（1）測風塔的陣風系數一般隨著高度的上升逐漸減小，隨風速的增加也有逐漸減小的趨勢，當風速增大到某一閾值后，陣風系數基本穩定在一定幅度內。

（2）對比3座測風塔臺風期間陣風系數的變化，發現位于海洋下墊面的1#測風塔不同高度陣風系數在1.15～1.2之間，2#海島測風塔則在1.25～1.3之間，3#復雜山地地形測風塔在1.3～1.55之間，說明下墊面粗糙度越小，陣風系數越小；反之，粗糙度越大，地形越復雜，陣風系數變化越大，增加明顯。

（3）由于下墊面粗糙度的差異，陣風系數隨風速的變化趨勢也呈現出不同特征。海洋下墊面陣風系數隨風速的變化基本呈平緩趨勢；對于海島下墊面，低風速段陣風系數較大，隨著風速的增大趨于平緩；對于山地復雜地形，不同風速下的陣風系數波動變化明顯。

結論

本文基于臺風“蘇迪羅”影響期間位于不同下墊面的3座測風塔觀測數據，對臺風期間不同下墊面的近地層風特性變化特征進行了分析。臺風期間極端風速大，風速、風向變化快，湍流強度等受下墊面的影響也較大。基于此，在風電場規劃和選址時，應當結合周圍地形充分考慮臺風引起的風參數急劇變化帶來的風險；在風電機組抗臺設計時，應充分考慮極端風況下部件的受載能力、控制策略的執行力等；在風電場運維過程中，應積極做好臺風預警和應急響應。

因本文采用的臺風實例樣本量較少，且收集到數據精度有限，分析結果和變化規律僅具有一定的代表性。下一步需要對更多的實測樣本案例以及更為精細的數據進行檢驗和完善，以得到更具普適性的結論、規律和分析方法。