“苏迪罗”台风影响期间不同下垫面风特性分析

文|陈秋阳，李阳春，杜伟安，郑海，高峰

近年来全球海上风电市场发展迅速，2018年，欧洲海上风电新增装机容量达265万千瓦，我国海上风电新增装机量达到创纪录的165.5万千瓦。相比欧洲，我国海上风电的发展面临着西北太平洋热带气旋的考验，对风电场选址、机组设计和风电场运行也提出了更高的要求，因此对热带气旋相关的气候规律、风参数变化特征等进行研究就显得十分重要。

目前已有很多关于台风以及其对风电工程影响的研究成果，国家标准GB/T 31519－2015《台风型风力发电机组》也于2015年正式发布。研究表明，台风影响过程中极端风速、异常湍流和突变风向是风电机组易受破坏的主要原因。台风期间极端风速大且风速变化快，台风中心附近近地层的湍流强度可异常增大到0.6～0.9，且台风中心靠近时底层和高层的湍流强度变化并不同步。但现有文献对台风期间风速风向的变化率、湍流强度、风切变指数等的量化描述还不够完善，对台风期间不同下垫面的风特性对比分析还缺乏更细致的研究。

本文基于台风“苏迪罗”期间位于不同区域、不同下垫面的3座测风塔观测数据，对台风期间不同下垫面的近地层风速风向变化率、湍流强度、风切变指数和阵风系数的变化特征进行计算分析，并对近地层风特性与不同下垫面之间的关系进行讨论，得出具有一定代表性的结论和变化规律，以期为海上风电场的规划选址、风电机组抗台设计和风电场运行提出合理化建议。

数据说明

一、台风实例和观测数据选取

台风“苏迪罗”于2015年8月8日晚22时10分以中心附近最大风力13级（38m/s）在福建省莆田市秀屿区登陆，随后进入福建和江西境内，强度逐渐减弱。有2座位于福建近海海岛的测风塔，以及1座位于浙江南部复杂山地的测风塔观测到了本次台风期间的风况数据。

图1 台风“苏迪罗”与测风塔相对位置示意图

表1 测风塔基本信息

1#测风塔位于福建莆田平海湾的海岛上，周围为平坦的洋面，周边10km内无陆地或岛屿影响；2#测风塔位于福建平潭的小岛上，其南侧约2km处为最高海拔超过200m的大练岛，东南侧约5.5km处为平潭县，当南部来风时测风塔受大练岛的影响较大；3#测风塔位于浙江南部复杂山地的山脊上，测风塔周围2km内海拔落差约700m，坡度较大，地形复杂，地表植被为茂密的树林。台风“苏迪罗”的移动路径与3座测风塔的相对位置如图1所示，3座测风塔的基本信息如表1所示，测风塔周围的地形特征如图2－图4所示。

二、台风期间样本选取

当观测点先后遭遇台风前部的外围大风区、台风眼、台风后部的外围大风区时，风速一般呈双峰型，台风登陆后强度快速减弱，台风后部峰值会不明显，风速呈单峰型；当观测点位于台风中心移动路径的右侧时，风向整体呈顺时针变化，变化角度超过150°。气压呈漏斗状，登陆期间最低。

台风“苏迪罗”经过期间3座测风塔的风速、风向变化时序图如图5－图7所示。从风速变化趋势来看，1#和2#测风塔风速呈双峰型，但第二个波峰都较弱，波谷处10min平均风速分别为11.9m/s和17.6m/s，分析判断1#测风塔的观测数据包含了台风中心眼区和外围大风区；2#测风塔获取的数据受台风眼区影响较小；3#测风塔由于距离台风移动路径较远，仅受外围大风区影响，风速整体先升后降，下降过程中出现多次明显的大幅振荡，主要原因是其所处的山地地形复杂，随着风向的变化会存在不同的地形加速效应。从风向变化趋势来看，3座测风塔都位于台风中心移动路径的右侧，风向均呈顺时针旋转，偏转角度基本在170°～190°之间。

据此，本文将基于3座测风塔受台风影响期间约72小时的数据，对其风速风向变化速率、湍流强度、风切变指数和阵风系数等近地层风参数进行分析。

图2 1#测风塔周围地形示意图

图3 2#测风塔周围地形示意图

图4 3#测风塔周围地形示意图

台风影响期间风特性分析

一、风速和风向变化率

极端风速和风向突变是台风影响过程中风电机组易受破坏的主要原因，对3座测风塔风速、风向10min变化率的最大值进行统计，结果如表2和表3所示。

图5 1#测风塔风速风向变化时序图

图6 2#测风塔风速风向变化时序图

图7 3#测风塔风速风向变化时序图

表2 测风塔风速10min变化极值信息

表3 测风塔风向10min变化极值信息

（1）3座测风塔实测瞬时极大风速分别为50.2m/s、49.0m/s和43.8m/s，10min平均最大风速分别为41.5m/s、40.2m/s和31.6m/s。极大风速均出现在台风中心抵达前七级风圈内的风速上升段，也即风速的第一个波峰值。

（2）3座测风塔风速10min变化的最大值均发生在气压的上升段，即台风中心经过之后，此时风速处于减弱阶段，说明台风后段风速下降的速率较前段上升的速率快；此外，1#测风塔对应的风向10min偏转角度达35.3°，即风速急剧下降的同时，风向也发生较大偏转。

（3）从风向的整体偏转时长和偏转角度来看，测风塔风向的变化速率随着与台风中心距离的增加呈逐渐减小的趋势。1#测风塔距离台风中心最近，其风向的10min偏转角度最大达54.2°，而距离台风中心相对较远的2#和3#测风塔的风向10min偏转角度均不超过20°。由此可知，距离台风中心越近，其风向突变越明显，对风电机组在强风下的变桨和偏航等控制能力要求越高。

二、湍流强度

大气湍流强度表示瞬时风速偏离均值的程度，是评价气流稳定程度的指标。湍流强度与地理位置、地形、地表粗糙度和天气系统类型等因素有关。测风仪湍流强度的计算方法如下：

式中，V为10min平均风速（m/s），σv为该10min内瞬时风速的标准偏差。3座测风塔实测数据的湍流强度分布如图8－图10所示，测风塔湍流强度超过IEC曲线的数据比例如表4所示。

对比3座测风塔在台风期间的实测湍流强度大小，发现位于海面的1#测风塔实测湍流强度在0.05～0.18之间，位于海岛的2#测风塔在0.08～0.3之间，位于复杂山地多植被区域的3#测风塔在0.1～0.5之间。说明对于粗糙度较小的海洋下垫面，台风带来的湍流变化较小；下垫面粗糙度越大，湍流增加越明显，尤其是复杂的山地地形，其增幅更大。对于受周边海岛影响的海上风电场，在前期评估时应充分考虑台风可能带来的不利影响，而复杂山地的陆上风电场，对于台风的风险影响评估需更加慎重。

此外，受台风影响期间全风速段湍流呈现随风速增大“上翘”或“异常突起”的特征，因此对于海上风电项目，在风电机组载荷计算时若仅采用15m/s的代表湍流强度，势必会存在一定的局限性或不确定性。

图8 1#测风塔湍流强度时序变化图（左）和随风速分布图（右）

图9 2#测风塔湍流强度时序变化图（左）和随风速分布图（右）

图10 3#测风塔湍流强度时序变化图（左）和随风速分布图（右）

图11 1#测风塔风切变变化趋势图

图12 2#测风塔风切变变化趋势图

图13 3#测风塔风切变变化趋势图

表4 测风塔湍流强度超过IEC曲线的数据比例

图14 阵风系数随高度变化趋势图

图15 阵风系数随风速变化趋势图

三、风切变指数

根据IEC标准，采用幂指数公式计算分析风速随高度的变化：

式中，u为z高度处的风速，u1为z1高度处的风速，α为风切变指数。3座测风塔不同高度层之间综合风切变指数的时序分布如图11－13所示。

可以看出，1#和2#测风塔的风切变受台风影响不大，平均风切变分别为0.071和0.070，风切变较正常时期差异不大，其中位于海岛的2#测风塔的风切变在受台风中心影响时略有升高；位于复杂山地地形的3#测风塔的风切变在台风中心远离期间明显变大，最大超过0.7，平均风切变为0.198。说明平坦简单地形的下垫面，台风期间风切变未呈现明显的变化；而复杂山地地形，台风会引起风切变的突变，极端切变很大。

四、阵风系数

阵风系数是10min时间段内最大瞬时风速（3s）与平均风速之间的比值，阵风系数是表征风速脉动特征的参数，可以简单直观地表征台风强风的阵性特点，其计算公式为：

式中，G为阵风系数，V10min为10min平均风速，max(V3s)为最大瞬时风速（3s）。3座测风塔的阵风系数随高度的变化以及随风速的变化如图14和图15所示。由此可知：

（1）测风塔的阵风系数一般随着高度的上升逐渐减小，随风速的增加也有逐渐减小的趋势，当风速增大到某一阈值后，阵风系数基本稳定在一定幅度内。

（2）对比3座测风塔台风期间阵风系数的变化，发现位于海洋下垫面的1#测风塔不同高度阵风系数在1.15～1.2之间，2#海岛测风塔则在1.25～1.3之间，3#复杂山地地形测风塔在1.3～1.55之间，说明下垫面粗糙度越小，阵风系数越小；反之，粗糙度越大，地形越复杂，阵风系数变化越大，增加明显。

（3）由于下垫面粗糙度的差异，阵风系数随风速的变化趋势也呈现出不同特征。海洋下垫面阵风系数随风速的变化基本呈平缓趋势；对于海岛下垫面，低风速段阵风系数较大，随着风速的增大趋于平缓；对于山地复杂地形，不同风速下的阵风系数波动变化明显。

结论

本文基于台风“苏迪罗”影响期间位于不同下垫面的3座测风塔观测数据，对台风期间不同下垫面的近地层风特性变化特征进行了分析。台风期间极端风速大，风速、风向变化快，湍流强度等受下垫面的影响也较大。基于此，在风电场规划和选址时，应当结合周围地形充分考虑台风引起的风参数急剧变化带来的风险；在风电机组抗台设计时，应充分考虑极端风况下部件的受载能力、控制策略的执行力等；在风电场运维过程中，应积极做好台风预警和应急响应。

因本文采用的台风实例样本量较少，且收集到数据精度有限，分析结果和变化规律仅具有一定的代表性。下一步需要对更多的实测样本案例以及更为精细的数据进行检验和完善，以得到更具普适性的结论、规律和分析方法。