[科普中国]-风切变指数

简介

风切变指数表征风速随高度的变化程度，其值大表示风能随高度增加得快，风速梯度大；其值小表示风能随高度增加得慢，风速梯度小。由于地形与大气层稳定度等因素的影响，风速随高度变化的程度不同，因此风切变指数的大小也各异。1

计算公式在近地层中，风速随高度的变化而有显著的变化，造成这种变化的原因是地面的粗糙度和近地层的大气垂直稳定度。风切变指数表示风速在垂直于风向平面内的变化，其大小反映风速随高度增加的快慢。1

其计算公式为：

幂律公式：

写成指数公式为：

式中：α为风切变指数； 为已知高度，m； 为变化后风速所在高度，m； 为高度 处的风速，m/s； 为高度处的风速，m/s。1

推荐用幂定律拟合，如果没有不同高度的实测风速数，风切变指数α取1/7（0.143）作为近似值。2

注：近地层任意高度的风速，可以根据风切变指数和仪器安装高度测得的风速推算出来。估算风力发电机组发电量时需要推算出轮毂高度的风况。2

研究表明，表面粗糙度较大的地方，风切变值较大；一昼夜内，风切变变化和温度变化趋势正好相反；风切变值随风速增大，先是逐渐增大，但是等到一定值之后，又逐渐减小。也就是说，风切变指数受地面粗糙度的影响，不同地区的风切变指数是不同的；风切变指数还受热力因素的影响，即使同一地区在不同时间段内的风切变指数也是不同的。1

因此，要想得到某一地区某一时段的风切变指数的准确值，只能根据当地的实测风速数据计算得到。然而，由于实测风速数据的复杂性，利用实测数据计算风切变指数的方法有很多，不同方法计算得出的风切变指数的值不尽相同，最终将影响到对风资源的评估结果和风电场的经济效益。1

影响风切变指数因素风切变是由于不同高度的风速不同而造成的，风切变指数大小反映风速随高度变化的程度，风切变与地表粗糙度、地形、温度、风速大小和风向等因素有关系。3

地表粗糙度由于地表对来流的边界层影响较大，粗糙度较大的地表粘滞效应较大，边界层较厚，能够影响到较高的地方。粗糙度小的地表粘滞效应较小，边界层较薄，能够影响到的高度较低。因此粗糙度小的地方，风切变指数较小，粗糙度大的地方，风切变指数较大。3

地形山地起伏较大，但气流没有像海边那样的地表起伏突变，地形起伏幅度较大使得风速随高度变化较大，因此风切变也相对较大。丘陵地区地形起伏比山地小，气流受到抬升和挤压的效应没有山地明显，故而风切变相对山地较小。平坦地形，地形几乎无波动，气流受地形影响较少，各不同高层的风相互穿插流动较少，风速在不同高度的分布较稳定，故风切变值较小。3

温度风切变指数和温度呈严格相反方向变动。在一日之内，风切变指数大小和温度高低呈相反方向变动，即，当温度较低时，风切变指数较大，而温度较高时，风切变指数较小。白天温度较高，风切变较小，晚上温度较低，风切变较大。夜晚地面温度降低，冷空气密度较大，沉降到地面附近，气流流动较小；上层空气密度较小，气流流动相对大。上下空气流动速度相差较大，因此晚上风切变较大。白天，太阳照射地面，使得地面温度升高，上下空气流动较为活跃，流动速度相差较小，因此白天风切变较小。3

风速在风速较小的情况下，地面的粘滞作用并不明显，上下风速都很小，而且相差不多，故而风切变不大。当风速增大后，上层风速较大，但是地面的粘滞效应较为明显，上下风速相差较大，风切变增大。当风速继续增大后，地面的粘滞效应相对风速本身已经作用不大，上下层风速相差不大，所以风切变减小。3

风向在主导风向处，风切变一般很小。因为多数强风均发生在主导风向，可以看出，大风速风切变相对小一些，而非主导风向风速小风和中等风较多，风切变相对大一些。3

重要性目前，世界各国都将开发利用新能源和可再生能源放到国家能源发展的优先地位。在新能源中，风能利用技术与风电开发发展迅速，风力发电的前提是风电场的开发建设。在风电场可行性研究中需要确定风电场的装机容量和风力发电机组选型及布置，而确定风电场风力发电机组选型及其安装高度的一个重要依据就是风切变指数。1

风切变指数是非常重要的参数，在估算风力发电机组发电量时，需要推算出轮毂高度的风况，按照《风电场风能资源评估方法（GB/T18710–2002）》，可以根据风切变指数和仪器安装高度测得的风速推算出来近地层任意高度的风速。因此，风切变指数的准确与否直接影响了推算风机轮毂高度的风况，进而影响到风力发电机组的选型和发电量的估算，最终影响到风电场经济效益的评估。1