风能资源(讲义)yzb

1、风的形成 1.1 地球上的风

风——空气的流动现象。气象学中指空气相对于地面的水平运动。风是一个矢量，用风向和风速表示。

风向——指风的来向。我国风向观测用十六个方位表示，实际测风报告中还常用0-360°范围内的数字表示风向。

风速——单位时间内空气移动的距离。气象上对风速还作以下定义：（1）平均风速，相应于有限时段，通常指二分钟或十分钟的平均情况。（2）瞬时风速，相应于无限小的时段。（3）最大风速，指在给定的时间段或某个期间里面，平均风速中的最大值。（4）极大风速，指在给定的时间段内，瞬时风速的最大值。

风速的法定单位和几种常用单位的换算。

1.1.1 地转风

定义：自由大气中，气块作水平匀速直线运动时的风。此时，水平气压梯度力与水平地转偏向力（科里奥利力）平衡下，空气所产生的水平运动。

在等高面上，地转风可写成：

Vg

1

hP k f

式中Vg为地转风，ρ是该高度空气的密度，P是该高度的气压场分布，▽hP即水平气压梯度，f是科里奥科参数，f=2wsinΦ，其中W与地球自转角速度，Φ为地理纬度，K是垂直方向的单位向量。

地转风的方向与等压线平行，在北半球背风而立，高压在右，低压在左，南半球则相反。

地转风的大小与气压梯度成正比，但与空气密度和科里奥利参数成反比。 地转风关系揭示了风场与气压场之间最简单也是最基本的关系,在自由大气中实际风与地转风十分接近，因此在实际应用上都常把地转风作为实际风的近似。

1.1.2 梯度风

定义：在无摩擦力时，在弯曲等压线型式下，水平气压梯度力、水平科里奥利力、离心力三者平衡时，空气的水平运动所形成的风。风向与等压线相切，在北半球，人背风而立，低压在左，高压在右。南半球相反。即在北半球，由低气压系统形成的气旋性风总是反时针方向旋转的，由高压系统形成的反气旋风总是顺时针方向旋转的。

理论上说，梯度风应更接近于实际风，但在作实际计算时由于惯性离心力很小很难计算，因此往往误差很大，有时还不如地转风近似好，一般只在讨论热带气旋等系统时应用。 1.1.3 摩擦风

在行星边界层中（旋转地球大气的湍流边界层，相当于地表至1-1.5公里高的浅薄大气层），由摩擦力而产生的非地转风。

摩擦风是气压梯度力、摩擦力或气压梯度力、摩擦力、科里奥利力平衡下的运动。

1.2 地球上的环流 1.2.1 大气环流

风在地表上形成的根本原因是太阳能量的传输，由于地球是一个球体，太阳光辐射到地球上的能量随纬度不同而有差异，赤道的低纬度地区受热量最多，极

地和高纬度地受热量少，因而造成太阳对地球表面的不均匀加热，从而导致地面上空大规模的大气运动，也即总的大气环流。

假设地球不发生自转，由于极地与赤道间的温差，赤道温度高的空气将上升高层流向极地，极地附近大气则因冷却收缩下沉，在低空受指向低纬度的气压梯度力的作用，流向低纬，便形成了一个全球性的南北向环流。（如图1所示）

实际上由于地球自转，会产生一个称为科里奥利力的地转偏向力,在北半球总是对流动的空气产生向右偏的地转偏向力，从赤道上升流向极地的气流在气压梯度力和地转偏向力的作用和综合影响下，在南北两个半球上各出现了四个气压带和三个闭合环流圈（称作“三圈环流”）。在四个气压带之间则形成了极地东风带，盛行西风带,东北(东南)信风带以及赤道无风带四大风带。（如图2所示）

我国大部分地区则处于盛行西风带之下。

图1 由于太阳辐射差异产生的赤道与极地之间的大气环流状况

图2 由于地球自转产生的大气环流状况 1.2.2 季风环流

季风现象：在一个大范围地区内其盛行风向或气压系统有明显的季度变化。我国是一个典型的季风气候国家。

季风环流是季风气候的主要反映。季风环流的形成主要原因是由于海陆分布的热力差异及行星风带的季节转换所形成的。

一般海陆差异引起的季风，大都发生在海陆相接的地区，海陆之间热力差异

最大，季风现象就最明显。全球而言，在副热带地区这种差异最明显，即副热带季风（亦称温带季风）最强。亚洲东部地区是全球海陆差异引起的季风最强的地区。

我国的季风，冬季主要在西风带影响之下，盛行西北气流。夏季西风带北移，南方为大陆热低压控制，副热带高压从海洋移至大陆，我国流场转为西南气流，春秋则为过渡季节。此外，海陆分布，青藏高原对我国季风环流也产生重要影响。冬季，大陆高压气压梯度强大，而夏季热低压的气压梯度较弱，因而我国夏季风比冬季风弱，这是我国季风的重要特征。

我国的风场特征，必须注意到季风环流这一重要的背景，无论风电场的选址或运行，季风特征必须认真考虑。 1.2.3 局地环流 1）海陆风

由于海陆表面受热不均而形成的白天由海面吹向陆面，夜间由陆面吹向海面的风。白天陆面增热比水面块，水平温度梯度由陆面指向水面，水平气压梯度由水面指向陆面，故在近地层产生由水面吹向陆面的向岸风，称为海风。夜间，陆面冷却比海面快，出现由陆面吹向水面的离岸风，称为陆风。海风和陆风的转换时间因地区和天气条件的不同而不同，通常在9-10时陆风转变为海风，13-15时海风最盛，日落以后海风逐渐减弱，17-20时再转变成陆风。阴天，海风出现的时间后延，强度也较弱。海陆风在紧靠海岸附近最强，距海岸越远，风越弱。海风的水平范围和垂直范围都比陆风大，强度也比陆风大。海风最远可深入陆地数十公里。在海陆风最强的热带地区，海风风速可达5-6m/s，陆风风速只有1-2m/s。通常在海陆温差大，温度日变化激烈的地区，最利于海陆风的发展。

(图3)

2）山谷风

在山区，由热力原因引起的白天由谷地吹向山坡、夜间由山坡吹向谷地的风。前者称为谷风，后者称为山风。日出后，山坡增热较快，温度高于山谷上方同高度的空气温度，水平温度梯度由山坡指向谷中，坡地上的暧空气不断上升，并从山坡流向谷地上方，谷底的空气则沿山坡向上补充流失的空气，故在山坡和山谷

间产生热力环流，这时由山谷吹向山坡的风，称为谷风。夜间，山坡因辐射冷却，其降温速度比同高度的空气要快，冷空气沿坡地向下流入山谷，形成一个与白天相反的热力环流，这时由山坡吹向山谷的风，称为山风。山风强度一般比谷风弱。从当日20时到次日8时左右为山风，14-17时为谷风。山谷风是山区经常出现的一种局地环流，只要大范围气压场比较弱，就有山谷风出现，有些高原和平原的交界处，也可以观测到与山谷风相似的局地环流。

(图4)

1.3 我国天气气候 1.3.1 季风分布

图5季风的地理分布

从季风地理分布可见，北半球季风区域面积远远大于南半球，而北半球亚欧大陆远较北美大陆季风面积大而且明显性及稳定性也大。而亚洲东部，包括我国东部，朝鲜半岛及日本等，是最显著的季风地区。 1.3.2 寒潮路径

我国对形成风资源贡献最大的天气系统是冷空气的活动，其中寒潮则是冷空气活动中强度最大的。因此，寒潮的路径很大程度上反映了我国风能资源集中的地区。

我国冷空气和寒潮活动有着一定的路径，大体上可以分为西北、东、西三条路径侵入我国：西北路（或称中路）寒潮冷空气从关键区经蒙古到达我国河套附近南下，直达长江中下游及江南地区。

东路 寒潮冷空气从关键区经蒙古到达我国内蒙古及东北地区，以后其主力继续东移，但低层冷空气折向西南方向移动，从渤海经华北，可直达两湖（洞庭湖和鄱阳湖）盆地。

西路 寒潮冷空气从关键区经我国新疆、青海、西藏高原东侧南下。 此外，还有两股冷空气同时从两路侵入我国：一股沿东路从黄河下游南下；另一股沿西路从青海东南下。这两股冷空气在黄河、长江之间汇合，然后侵入长江以南，这种情况称为东路加西路。

图6 影响我国的寒潮源地和路径