典型沿海丘陵地區(qū)風(fēng)場(chǎng)變化特性實(shí)測(cè)研究

吳強(qiáng) 傅軍 徐煜佳 李潔 潘云鋒

浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

沿海丘陵地區(qū)受其獨(dú)特的地理位置影響，風(fēng)環(huán)境相較于其他地區(qū)更為復(fù)雜，同時(shí)風(fēng)能資源也更為豐富，基于實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)，對(duì)于建筑規(guī)劃、風(fēng)資源利用都具有重要參考意義。目前已有學(xué)者基于各類測(cè)風(fēng)儀或塔架裝置的實(shí)測(cè)資料，研究了沿海地區(qū)[1-3]及山谷地區(qū)[4-5]的風(fēng)場(chǎng)特性，本文針對(duì)東南沿海丘陵地區(qū)的復(fù)雜地形，利用新型激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)配合手持自動(dòng)氣象站，在奉化黃賢村進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的觀測(cè)及統(tǒng)計(jì)分析，研究了該區(qū)域不同氣候及地勢(shì)條件下的風(fēng)速風(fēng)向和風(fēng)剖面等因素的變化特征，探討了不同地點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)變化的影響因素及其影響程度。

1 實(shí)測(cè)概況

1.1 區(qū)域地形及氣候特點(diǎn)

奉化黃賢村南臨象山港海域，氣候類型為北亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季盛行東南風(fēng)。其主體居民區(qū)位于南北走向的Y 型山谷中央，主要交通要道——曹黃線由南向北延伸，地勢(shì)則由南向北逐漸上升，山體坡度平緩，最高的山體海拔在200 m 左右，是典型的沿海丘陵地貌。

1.2 實(shí)測(cè)方案

1.2.1 測(cè)點(diǎn)選取

測(cè)點(diǎn)的選取應(yīng)具有代表性，包括山頂、山谷、聚居區(qū)及地形急劇變化等地帶，經(jīng)過對(duì)黃賢村各處地勢(shì)、交通的考察，并針對(duì)其南面臨海特點(diǎn)，將該地區(qū)分為沿海地帶和丘陵地帶進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。位于黃賢村東南方向有當(dāng)?shù)貧庀笳静荚O(shè)的風(fēng)速風(fēng)向傳感器，此次實(shí)測(cè)獲取了該設(shè)備 8 月 29 日 0:00～31 日 20:00 的數(shù)據(jù)，作為沿海地帶風(fēng)場(chǎng)特性分析的依據(jù)。對(duì)于丘陵地帶，選擇在圖1 中 A1～D1、A2～D2 八個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)周邊地勢(shì)見表1。

圖1 黃賢村三維地形

表1 丘陵地帶測(cè)點(diǎn)選取概況

1.2.2 時(shí)間及設(shè)備安排

實(shí)測(cè)使用的新型多普勒激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)和手持自動(dòng)氣象站由佐格設(shè)備公司提供，分別用于丘陵地帶 50～1000 m 對(duì)流層及 1.5 m 行人高度的數(shù)據(jù)采集，時(shí)間安排和設(shè)備分配見表2。

表2 測(cè)量時(shí)間安排及設(shè)備分配

2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

2.1 沿海地帶風(fēng)速風(fēng)向日變化特征

當(dāng)?shù)貧庀笳镜娘L(fēng)速風(fēng)向傳感器所記錄的沿海地帶風(fēng)速日變化如圖2～3 所示。圖2 顯示，受陰雨天氣影響，8 月 29 日平均風(fēng)速最低，8 月 30 日、8 月 31 日天氣晴朗，氣溫升高，風(fēng)速有所提升。三天內(nèi)風(fēng)速日變化具有相同趨勢(shì)，且晝夜風(fēng)速相差較大，0:00～7:00 及 18:00～23:00 風(fēng)速較低，7:00～17:00 風(fēng)速隨時(shí)間推移呈先增長(zhǎng)后下降趨勢(shì)，較高風(fēng)速更多集中在下午。圖3 顯示，8 月29 日0:00～7:00 風(fēng)速偏差較小，7:00～17:00 風(fēng)速偏差高于0.5 m/s，且呈先上升后下降趨勢(shì)，隨后 19:00 至第二天 7:00，風(fēng)速偏差又在 0.5 m/s 以內(nèi)徘徊，8 月30 日、8 月31 日的變化依然符合這個(gè)規(guī)律，偏差最大值基本都出現(xiàn)在上 9:00～11:00 的時(shí)間段內(nèi)，而平均風(fēng)速的變化趨勢(shì)與標(biāo)準(zhǔn)偏差基本相同。

圖4 黃賢氣象站逐時(shí)平均風(fēng)速

圖5 逐小時(shí)平均風(fēng)速與標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比

從圖 4 中可以看出，受降雨期間云層帶來的冷空氣影響，氣流由高密度區(qū)流向南邊海域的低密度區(qū)，導(dǎo)致8 月29 日主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北偏北風(fēng)，8 月30 日和8 月31 日處于晴空天氣下，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南偏東風(fēng)，風(fēng)速分布在2.5～4.5 m/s 范圍內(nèi)。

圖4 黃賢氣象站風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖

可見：1）沿海地帶夏季風(fēng)速風(fēng)向隨時(shí)間的變化具有日周期性，全天較高風(fēng)速基本分布在 11:00 至 17:00 時(shí)間段內(nèi)。2）該區(qū)域平均風(fēng)速值越大，風(fēng)速變化越劇烈，風(fēng)速值越小，變化越溫和。3）象山港海面與陸地的熱力差造成的大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致夏季盛行東南風(fēng)，但受降雨等天氣影響，其變化規(guī)律又有差異。4）且沿海地帶地勢(shì)平坦，風(fēng)向受地形影響程度很小，一天中主導(dǎo)風(fēng)向比較穩(wěn)定。

2.2 丘陵地帶風(fēng)場(chǎng)特征分析

黃賢村主體區(qū)域內(nèi)部山脈綿延，建筑群遍布于山谷盆地之中，不同地點(diǎn)處的地理環(huán)境各有特點(diǎn)，從沿海地帶風(fēng)場(chǎng)特征的分析中可知，氣流主要是從南、北兩個(gè)方向灌入該區(qū)域。表3 為各測(cè)點(diǎn)近地面平均風(fēng)速及標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表3 各測(cè)點(diǎn)近地面平均風(fēng)速及標(biāo)準(zhǔn)偏差

結(jié)合表3 及圖5 分析，8 月29 日氣流由東北偏北方向而來，并從 Y 型山谷的兩個(gè)分叉口分別流經(jīng)D1、C1 點(diǎn)。D 1 點(diǎn)周邊地勢(shì)較為起伏，使得該處形成了小范圍的局部繞流，風(fēng)向分散于西南，西北以及東北方向，相較之下C1 點(diǎn)風(fēng)向更為集中，其位處南北走向的連續(xù)山脊上，山脊海拔由北向南逐漸降低，氣流經(jīng)過山谷后到達(dá)C1 點(diǎn)，風(fēng)向穩(wěn)定，風(fēng)速較高。A1、B1 兩點(diǎn)周圍均有建筑物或綠植環(huán)繞，風(fēng)向分散，此外 A1 點(diǎn)的西北偏北方正對(duì)上山的巷道口，玫瑰圖上所示這個(gè)方向風(fēng)向占比較大，風(fēng)速較高，為 1.4～1.6 m/s。

圖5 8 月29 日各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖

圖6 8 月30 日各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖

8 月30 日，東南風(fēng)由開闊的沿海地帶匯聚于黃賢村入口，A2 點(diǎn)處于其中地勢(shì)急劇變化處，東側(cè)有海拔為60 m 左右的山脈阻隔，導(dǎo)致氣流至此速度有所減緩，平均風(fēng)速為1.5 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南偏東風(fēng)，從玫瑰圖（圖 8）上也可看出存在部分較分散的風(fēng)向，可見地形對(duì)該處風(fēng)場(chǎng)已經(jīng)產(chǎn)生了一定影響。氣流進(jìn)入聚居區(qū)后，地勢(shì)變得開闊，民居沿曹黃線規(guī)律排列于兩側(cè)，該交通要道由南向北貫穿中心廣場(chǎng)，并經(jīng)過廣場(chǎng)中的 B2 點(diǎn)，玫瑰圖上顯示出實(shí)測(cè)期間，B2 點(diǎn)的曹黃線來流方向風(fēng)速為3.5～4 m/s，相對(duì)較高，該特征與 A1 點(diǎn)類似，說明氣流通過狹長(zhǎng)通道時(shí)，由于空氣不能大量堆積而產(chǎn)生了加速效應(yīng)。之后向左延伸至山谷中，C2 點(diǎn)處于山谷入口處，氣流主要從南邊開闊地區(qū)匯聚于 C2 點(diǎn)，再加速沿山谷流至D2 點(diǎn)。

綜合以上分析，本地區(qū)狹長(zhǎng)山谷中的平均風(fēng)速相較于地勢(shì)較低的聚居區(qū)要大，且該類型山谷對(duì)氣流具有一定的導(dǎo)向和加速作用，比如 D2 點(diǎn)所處區(qū)域。C1 點(diǎn)所在山脊坡度平緩，地勢(shì)起伏小，當(dāng)日風(fēng)向集中，風(fēng)加速效應(yīng)也很明顯，在今后的風(fēng)電工程中，此處適合作為參考點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)能評(píng)估。低矮建筑布局中的通道效應(yīng)會(huì)造成局部風(fēng)速加快，但建筑群整體會(huì)對(duì)來流造成削弱。聚居區(qū)地形呈現(xiàn)南北兩端狹窄而中間寬闊的特點(diǎn)，夏季盛行氣流進(jìn)入之后速度會(huì)有所減弱，且其中建筑布局井然有序，經(jīng)實(shí)地考察，民居大部分朝向南方，最大限度地利用了當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)特性，使得建筑通風(fēng)性達(dá)到了理想的狀態(tài)。

2.3 風(fēng)剖面特征分析

利用激光測(cè)風(fēng)雷達(dá) 50～1000 m 高度范圍內(nèi)的無間斷氣象數(shù)據(jù)，可以較方便地分析丘陵地區(qū)近地面的風(fēng)剖面的特點(diǎn)。我國現(xiàn)行規(guī)范推薦采用指數(shù)分布律[6]計(jì)算方法，其表達(dá)式為：

式中：ui、u0分別為zi、z0高度層上的風(fēng)速；α為風(fēng)切變指數(shù)。

按式（1）計(jì)算結(jié)果見表4：

表4 A2、B2 點(diǎn)各時(shí)段平均α

以 50 m 高度層的風(fēng)速作為計(jì)算基準(zhǔn)。我國建筑荷載規(guī)范[7]中給出B 類地貌的α 參考值為 0.15，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，B2 點(diǎn)平均α 值為 0.178，接近我國現(xiàn)行荷載規(guī)范，也與我國其他丘陵地區(qū)觀測(cè)值相近[8-9]，但小于美國、加拿大的標(biāo)準(zhǔn)值。A2 點(diǎn)α值為0.082，遠(yuǎn)小于其他丘陵地區(qū)，分析其原因主要是 A2 點(diǎn)受當(dāng)日主風(fēng)向東南風(fēng)影響較大，導(dǎo)致風(fēng)速波動(dòng)程度較小，表明α值同時(shí)受到風(fēng)向影響，主風(fēng)向所占當(dāng)日風(fēng)向比例越大，對(duì) 風(fēng)剖面的影響就越大。

圖7 風(fēng)速——α 值散點(diǎn)圖

圖8 A2 點(diǎn)α 值隨高度的變化

圖9 B2 點(diǎn)α 值隨高度的變化

兩測(cè)點(diǎn) 10 min 平均風(fēng)速與平均α值見圖 7，圖中散點(diǎn)均呈松散到密集趨勢(shì)，風(fēng)速值分布于 3～5 m/s 內(nèi)，α隨風(fēng)速的提高而增大。圖8、9 分別為A2、B2 測(cè)點(diǎn)在對(duì)應(yīng)的三個(gè)相同時(shí)段內(nèi)α值隨高度的變化，A2 點(diǎn)α值在離下墊面 200 m 左右高度內(nèi)以較快的速率增長(zhǎng)，到達(dá)最大值后開始下降，B2 點(diǎn)基本在300 m 高度處開始呈下降趨勢(shì)，分析其原因，主要是由于丘陵地區(qū)下墊面粗糙度較大，起伏程度劇烈的地表及建筑群對(duì)進(jìn)入山谷的氣流產(chǎn)生了粘滯作用，造成了上下層空氣流速的差異，且隨高度上升，差異越大，表現(xiàn)為α值急速增長(zhǎng)，到達(dá)一定高度后，下墊面的粘滯作用已經(jīng)無法影響到氣流的運(yùn)動(dòng)，這種情況下風(fēng)剖面則由大氣層結(jié)的穩(wěn)定度決定。

3 結(jié)語

針對(duì)奉化黃賢村這一典型沿海丘陵地區(qū)的整體風(fēng)場(chǎng)特性，進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及統(tǒng)計(jì)分析，研究具有代表性的幾個(gè)地點(diǎn)的風(fēng)速風(fēng)向及風(fēng)剖面的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1）該地區(qū)沿海平坦地帶風(fēng)環(huán)境主要受當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)——海陸風(fēng)的影響，受地形影響較小，風(fēng)速、風(fēng)向變化具有日周期性，白天風(fēng)速值較夜晚大，風(fēng)速變化幅度也更為劇烈。

2）丘陵地帶風(fēng)速、風(fēng)向的日變化較沿海平坦地帶更為復(fù)雜，不同地點(diǎn)的風(fēng)場(chǎng)特征受多種因素的影響，也有一定的規(guī)律。風(fēng)速變化特征與風(fēng)速大小、地勢(shì)有關(guān)，其變化幅度同樣隨平均風(fēng)速的提升而增長(zhǎng)。風(fēng)向受地形影響較大，狹長(zhǎng)型山谷，山脊及巷道對(duì)風(fēng)向有較強(qiáng)的穩(wěn)定作用，處于此類地形的 C1 點(diǎn)具有較大的風(fēng)電選址評(píng)估的意義。

3）由于聚居區(qū)地形特點(diǎn)使得海陸風(fēng)進(jìn)入山谷之后風(fēng)速減弱，這類地形給強(qiáng)臺(tái)風(fēng)時(shí)期沿海丘陵地區(qū)居民提供了天然的屏障。此外，黃賢村典型的沿海氣候條件，以及獨(dú)特的南北延伸的山谷地形，使得其中建筑群的規(guī)劃布局也有一定的規(guī)律可循。

4）復(fù)雜地形中，風(fēng)剖面主要受主導(dǎo)風(fēng)向、風(fēng)速等級(jí)及下墊面粗糙度的影響，風(fēng)速小范圍波動(dòng)時(shí)，α值隨風(fēng)速升高而增大。且不同地勢(shì)條件，風(fēng)剖面受影響的高度范圍也不同。

激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)場(chǎng)外觀測(cè)受陰雨天氣影響，會(huì)造成一定的數(shù)據(jù)缺失，這也是本次實(shí)測(cè)沒能采集到 A1、B1 兩點(diǎn)完整雷達(dá)數(shù)據(jù)的原因。此外，本次實(shí)測(cè)研究基于低等級(jí)風(fēng)速環(huán)境進(jìn)行了風(fēng)場(chǎng)特征分析，在今后的研究中，有望展開強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下沿海丘陵地區(qū)氣象觀測(cè)工作。