典型沿海丘陵地区风场变化特性实测研究

典型沿海丘陵地区风场变化特性实测研究
吴强 傅军* 徐煜佳 李洁 潘云锋
浙江理工大学建筑工程学院
摘 要： 针对沿海丘陵地区的风场变化特性， 采用新型激光测风雷达配合手持自动气象站， 对奉化黄贤村进行了 设点气象数据的采集， 并结合当地气象站的测风数据进行统计分析， 在此基础上， 研究了当地风速， 风向随时间及 地势变化的特征。

结果表明， 该地区沿海地带风速变化具有日周期性， 风速风向变化规律受海陆风影响较大， 丘陵 地带风速风向受风速等级， 地形及建筑布局影响较大。

同时， 基于测点处50~1000m 高度范围的雷达数据， 对近地 层风切变指数琢进行了计算和分析， 发现丘陵地带入口处琢值受主导风向影响， 与我国其它丘陵地区观测值有所 差异。

关键词： 沿海丘陵地区 现场实测 风场变化特性
Experimental Study on Wind Field Variation
Characteristics in Typical Coastal Hilly Area
WU Qiang,FU Jun*,XU Yu­jia,LI Jie,PAN Yun­feng
School of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang Sci­Tech University
Abstract: According to the characteristics of wind field variation in Typical Coastal Hilly Area,a new type of laser wind radar combined with handheld automatic weather station is used to collect the meteorological data of Huangxian village in Fenghua,and combined with the wind data of local weather station,the statistical analysis is carried out,on this basis,the variation characteristics of local wind speed and direction with time and terrain are studied.The results show that the variation of wind speed in coastal area is daily periodic,and the variation of wind speed and direction is greatly affected by land and sea wind,and the wind speed and direction in hilly area is greatly affected by wind speed grade, terrain and building layout.At the same time,based on the radar data within the height range of 50~1000m,the wind shear index 琢is calculated and analyzed,and it is found that the 琢value at the entrance of the hilly area is affected by the dominant wind direction,which is different from that observed in other hilly areas in China.
Keywords:coastal hilly area,field measurement,wind field variation characteristics
收稿日期： 2020­4­3 通讯作者： 傅军 （1979~）， 男， 博士， 副教授， 高级工程师； 浙江省杭州市钱塘新区白杨街道浙江理工大学 （310018）； E­mail:**************.cn
基金项目： 住建部科技项目
（2013­k6­13） 沿海丘陵地区受其独特的地理位置影响， 风环境 相较于其他地区更为复杂，同时风能资源也更为丰 富，基于实地观测数据对其风场特性进行科学的评 价， 对于建筑规划、 风资源利用都具有重要参考意义。

目前已有学者基于各类测风仪或塔架装置的实测资
料， 研究了沿海地区 [1­3] 及山谷地区 [4­5]
的风场特性， 本文
针对东南沿海丘陵地区的复杂地形，
利用新型激光测 风雷达配合手持自动气象站， 在奉化黄贤村进行气象 数据的观测及统计分析， 研究了该区域不同气候及地 势条件下的风速风向和风剖面等因素的变化特征， 探 讨了不同地点风场变化的影响因素及其影响程度。

第40 卷第 4 期 2021 年4 月
建 筑 热 能 通 风 空 调
Building Energy &Environment Vol.40No.4 Apr.2021.25~29
文章编号： 1003­0344 （2021） 4­025­6
1 实测概况
1.1 区域地形及气候特点
奉化黄贤村南临象山港海域，
气候类型为北亚热 带季风气候， 夏季盛行东南风。

其主体居民区位于南 北走向的Y 型山谷中央，
主要交通要道—— —曹黄线由 南向北延伸， 地势则由南向北逐渐上升， 山体坡度平 缓， 最高的山体海拔在200m 左右， 是典型的沿海丘陵 地貌。

1.2 实测方案 1.2.1测点选取
测点的选取应具有代表性，
包括山顶、 山谷、 聚居 区及地形急剧变化等地带，经过对黄贤村各处地势、
交通的考察， 并针对其南面临海特点， 将该地区分为 沿海地带和丘陵地带进行数据采集。

位于黄贤村东南 方向有当地气象站布设的风速风向传感器， 此次实测 获取了该设备 8 月 29 日 0:00~31 日 20:00的数据， 作 为沿海地带风场特性分析的依据。

对于丘陵地带，
选 择在图1中 A1~D1、 A2~D2八个点上进行观测，测点 周边地势见表1。

图1 黄贤村三维地形 表1 丘陵地带测点选取概况
1.2.2时间及设备安排
实测使用的新型多普勒激光测风雷达和手持自 动气象站由佐格设备公司提供，分别用于丘陵地带 50~1000m 对流层及 1.5m 行人高度的数据采集， 时 间安排和设备分配见表2。

表2 测量时间安排及设备分配
2 实测结果分析
2.1 沿海地带风速风向日变化特征
当地气象站的风速风向传感器所记录的沿海地 带风速日变化如图2~3所示。

图2显示，受阴雨天气 影响，
8 月 29 日平均风速最低， 8 月 30 日、 8 月 31 日 天气晴朗， 气温升高， 风速有所提升。

三天内风速日变 化具有相同趋势，且昼夜风速相差较大， 0:00~7:00 及 18:00~23:00 风速较低， 7:00~17:00 风速随时间推移呈
先增长后下降趋势， 较高风速更多集中在下午。

图3显 示，
8月29 日0:00~7:00风速偏差较小， 7:00~17:00 风 速偏差高于0.5m/s ，
且呈先上升后下降趋势， 随后 19: 00至第二天 7:00，风速偏差又在 0.5m/s 以内徘徊， 8
月30日、 8 月31 日的变化依然符合这个规律， 偏差最 大值基本都出现在上 9:00~11:00的时间段内， 而平均 风速的变化趋势与标准偏差基本相同。

图4 黄贤气象站逐时平均风速
图5
逐小时平均风速与标准偏差对比
编号 海拔 地势概况
A1 128 m 西南山顶的观景台上，四周有不同高度的建筑环绕分布
A2 15 m 黄贤村入口处，背倚坡度平缓的连续山脉
B1 6 m 人工湖中的一栋建筑物前 B2 12 m 聚居区广场上，四周有低矮建筑环绕
C1 63 m 东南边山脊上一空旷地带
C2 17 m 山坳入口处
D1 45 m 山谷中的半山腰上，周边地势起伏
D2
45 m
西北边的水库大坝上
时间
测点 设备
备注
8月29日 14:40~17:15
A1
激光雷达（1台）+自动气象站（1架） 雷达采集频率为 2~3s/次， 数据自动 保存至电脑终端； 手持气象站显示 实时气象信息， 测 量人员每 5min 记 录一次风速风向 数据。

B1 激光雷达（1台）+自动气象站（1架）
C1 自动气象站（1架） D1 自动气象站（1架）
8月30日 10:15~15:25
A2
激光雷达（1台）+自动气象站（1架） B2 激光雷达（1台）+自动气象站（1架）
C2 自动气象站（1架） D2
自动气象站（1架）
2:00 5:00 8:00 11:00 14:00 17:00 20:00 23:00
0.5
1.0
1.5
2.0 2.5
3.0 3.5
4.0 4.5 速度(m /s )
时间
8月29日
8月30日 8月31日
6:00 13:00 20:00 3:00 10:00 17:00 0:00 7:00 14:00
-1
1
2
3
4
5
风速(m /s )
时间
逐小时平均风速 逐小时风速标准偏差
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从图 4中可以看出， 受降雨期间云层带来的冷空 气影响，气流由高密度区流向南边海域的低密度区， 导致8月29日主导风向为东北偏北风， 8月30日和8月31日处于晴空天气下，主导风向为东南偏东风， 风 速分布在2.5~4.5m/s范围内。

（a） 8月29日
（b） 8月 30日
（c） 8月31日
图4 黄贤气象站风速风向玫瑰图
可见： 1） 沿海地带夏季风速风向随时间的变化具 有日周期性， 全天较高风速基本分布在 11:00至 17:00时间段内。

2） 该区域平均风速值越大， 风速变化越剧 烈， 风速值越小， 变化越温和。

3） 象山港海面与陆地的 热力差造成的大气对流运动，导致夏季盛行东南风， 但受降雨等天气影响， 其变化规律又有差异。

4） 且沿 海地带地势平坦， 风向受地形影响程度很小， 一天中 主导风向比较稳定。

2.2丘陵地带风场特征分析
黄贤村主体区域内部山脉绵延， 建筑群遍布于山 谷盆地之中， 不同地点处的地理环境各有特点， 从沿 海地带风场特征的分析中可知，气流主要是从南、 北 两个方向灌入该区域。

表3为各测点近地面平均风速 及标准偏差。

表
3 各测点近地面平均风速及标准偏差
（
a）
A1
（b） B1
（c） C1
（d） D1
图5 8月29日各测点风速风向玫瑰图
结合表3及图5分析， 8月29日气流由东北偏北
方向而来， 并从 Y型山谷的两个分叉口分别流经D1、
C1点。

D1点周边地势较为起伏， 使得该处形成了小范
围的局部绕流， 风向分散于西南， 西北以及东北方向，
日期 测点 日平均风速/m/s 风速标准偏差/m/s
8 月 29 日
A1 0.5 0.39
B1 0.6 0.42
C1 0.9 0.59
D1 0.7 0.64
8 月 30 日
A2 1.5 0.78
B2 1.2 0.82
C2 2.1 1.02
D2 2.5 1.37
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相较之下C1点风向更为集中，其位处南北走向的连 续山脊上， 山脊海拔由北向南逐渐降低， 气流经过山
谷后到达C1点， 风向稳定， 风速较高。

A1、 B1 两点周 围均有建筑物或绿植环绕， 风向分散， 此外 A1点的西 北偏北方正对上山的巷道口， 玫瑰图上所示这个方向 风向占比较大， 风速较高，
为 1.4~1.6m/s 。

（a ） A2
（b ） B2
（c ） C2
（d ） D2
图6 8月30日各测点风速风向玫瑰图 8月30日，
东南风由开阔的沿海地带汇聚于黄贤 村入口，
A2点处于其中地势急剧变化处，东侧有海拔 为60m 左右的山脉阻隔，导致气流至此速度有所减
缓，
平均风速为1.5m/s ， 主导风向为东南偏东风， 从玫 瑰图 （图 8） 上也可看出存在部分较分散的风向， 可见 地形对该处风场已经产生了一定影响。

气流进入聚居
区后， 地势变得开阔， 民居沿曹黄线规律排列于两侧， 该交通要道由南向北贯穿中心广场， 并经过广场中的 B2点， 玫瑰图上显示出实测期间， B2点的曹黄线来流 方向风速为3.5~4m/s ，相对较高，该特征与 A1点类 似， 说明气流通过狭长通道时， 由于空气不能大量堆积 而产生了加速效应。

之后向左延伸至山谷中， C2点处 于山谷入口处，气流主要从南边开阔地区汇聚于 C2 点， 再加速沿山谷流至D2点。

综合以上分析， 本地区狭长山谷中的平均风速相
较于地势较低的聚居区要大，
且该类型山谷对气流具 有一定的导向和加速作用，比如 D2点所处区域。

C1
点所在山脊坡度平缓， 地势起伏小，
当日风向集中， 风 加速效应也很明显， 在今后的风电工程中， 此处适合作 为参考点进行风能评估。

低矮建筑布局中的通道效应 会造成局部风速加快， 但建筑群整体会对来流造成削 弱。

聚居区地形呈现南北两端狭窄而中间宽阔的特点， 夏季盛行气流进入之后速度会有所减弱， 且其中建筑 布局井然有序， 经实地考察，
民居大部分朝向南方， 最 大限度地利用了当地风场特性， 使得建筑通风性达到 了理想的状态。

2.3 风剖面特征分析
利用激光测风雷达 50~1000m 高度范围内的无 间断气象数据， 可以较方便地分析丘陵 地区近地面的
风剖面的特点。

我国现行规范推荐采用指数分布律 [6]
计算方法， 其表达式为：
式中： u i 、
u 0 分别为 z i 、 z 0 高度层上的风速； 琢为风切变 指数。

按式 （1） 计算结果见表4：
表4 A2尧B2点各时段平均琢
以 50m 高度层的风速作为计算基准。

我国建筑
荷载规范
[7]
中给出B 类地貌的α 参考值为 0.15， 根据 计算结果，
B2点平均α 值为 0.178，接近我国现行荷 载规范， 也与我国其他丘陵地区观测值相近
[8­9]
， 但小于 美国、 加拿大的标准值。

A2点琢值为0.082，
远小于其 他丘陵地区，分析其原因主要是 A2 点受当日主风向 东南风影响较大， 导致风速波动程度较小， 表明 琢值 同时受到风向影响， 主风向所占当日风向比例越大，
对
a
÷ ÷ ø
ö ç ç è æ = 0 i 0 i z z u u （1） 10:00
11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 A2点 0.087 0.066 0.073 0.077 0.120 0.072 B2点 0.219
0.186
0.178
0.139
0.133
0.214
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风剖面的影响就越大。

（a ） A2点
（b ） B2点
图7 风速要要 要琢值散点图
图8 A2点琢值随高度的变化
图9 B2点琢值随高度的变化
两测点 10min 平均风速与平均琢值见图 7， 图中 散点均呈松散到密集趋势， 风速值分布于 3~5m/s 内， 琢随风速的提高而增大。

图8、
9分别为A2、 B2测点在 对应的三个相同时段内 琢值随高度的变化，
A2 点 琢 值在离下垫面 200m 左右高度内以较快的速率增长， 到达最大值后开始下降，
B2点基本在300m 高度处开 始呈下降趋势， 分析其原因， 主要是由于丘陵地区下
垫面粗糙度较大， 起伏程度剧烈的地表及建筑群对进
入山谷的气流产生了粘滞作用， 造成了上下层空气流
速的差异， 且随高度上升， 差异越大， 表现为 琢值急速 增长， 到达一定高度后， 下垫面的粘滞作用已经无法影 响到气流的运动， 这种情况下风剖面则由大气层结的 稳定度决定。

3 结语
针对奉化黄贤村这一典型沿海丘陵地区的整体 风场特性， 进行气象数据的现场实测及统计分析， 研究 具有代表性的几个地点的风速风向及风剖面的变化 规律， 得到如下结论：
1）
该地区沿海平坦地带风环境主要受当地气候特 点——
—海陆风的影响， 受地形影响较小， 风速、 风向变 化具有日周期性， 白天风速值较夜晚大， 风速变化幅度 也更为剧烈。

2）
丘陵地带风速、 风向的日变化较沿海平坦地带 更为复杂， 不同地点的风场特征受多种因素的影响， 也
有一定的规律。

风速变化特征与风速大小、
地势有关， 其变化幅度同样随平均风速的提升而增长。

风向受地 形影响较大， 狭长型山谷， 山脊及巷道对风向有较强的 稳定作用，处于此类地形的 C1 点具有较大的风电选 址评估的意义。

3） 由于聚居区地形特点使得海陆风进入山谷之后 风速减弱， 这类地形给强台风时期沿海丘陵地区居民 提供了天然的屏障。

此外，黄贤村典型的沿海气候条 件， 以及独特的南北延伸的山谷地形，
使得其中建筑群 的规划布局也有一定的规律可循。

4）
复杂地形中， 风剖面主要受主导风向、 风速等级 及下垫面粗糙度的影响， 风速小范围波动时， 琢值随风 速升高而增大。

且不同地势条件，风剖面受影响的高 度范围也不同。

激光测风雷达场外观测受阴雨天气影响， 会造成 一定的数据缺失， 这也是本次实测没能采集到 A1、 B1
两点完整雷达数据的原因。

此外，本次实测研究基于 低等级风速环境进行了风场特征分析， 在今后的研究 中， 有望展开强风环境下沿海丘陵地区气象观测工作。

参考文献
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[3]
陈欣,宋丽莉,黄浩辉.中国典型地区风能资源特性研究[J].
太
（下转72页）
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P 3…………P N }。

最后汇总统计，
该工程采用空气源热 泵机组的冬季采暖总运行能耗 E==4051782.79 kW · h 。

图3 空气源热泵机组COP 随环境温度的变化
②系统的总性能系数为采暖总供热量与机组总
耗电量的比值： COP s ys =Q w /E 主机 =2.71。

满足国家标准规 范 《GB37480­2019低环境温度空气源热泵
（冷水） 机组 能效限定值及能效等级标准》
中关于低温热泵机组的 能效等级限定指标 [5]。

3 运行费用结果分析
图 4 展示了采暖季四个月的逐月建筑热负荷与 机组耗电量。

从中可以看出，
1月15日至2月15日的 建筑热负荷达到最大值 3550338.08kW
· h ，机组能耗 也达到最大值 1386951.76kW
· h 。

依据耗电量来计算 采暖工程的运行费用， 住宅区内存在峰谷电价：
上午 8:00~下午19:00为电价峰值0.6元/kW · h ， 而谷值0.4 元/kW · h 处于下午20:00~次日7:00。

图5为采暖季逐 月运行费用与机组 COP 对比，
从中可以看出， 在气温 较高的月份（初月及末月），机组运行时的性能系数
COP 较高，
使得整体的运行费用较低。

而在气温最低 的第三个月， 由于建筑热负荷最大且机组的性能系数
COP 最低，该月的运行费用达到采暖季的最大值 64.14万元。

经统计计算， 在整个采暖季， 运用低温空气 源热泵机组的总运行费用为183.43 万元，
单位面积运 行费用为22.93元/m
2。

图4 采暖季逐月建筑热负荷与机组能耗对比
图5 采暖季逐月运行费用与机组COP 对比
4 总结
本文针对位于滨州市某住宅群的采暖工程， 采用 温频法的方式， 通过温频统计、
负荷计算、 设备选型等 一系列步骤， 详细计算了该工程采用低温空气源热泵 机组作为热源时的预期采暖总能耗及运行费用。

测算 结果表明： 运用低温空气源热泵机组的采暖季系统总 性能系数为 2.71， 总运行费用为 183.43 万元， 单位面
积运行费用为22.93元/m
2。

测算结果为该项采暖工程 在实际中的运行情况及经济性分析提供依据与参考。

参考文献
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