2.3　風廓線

風速表示風移動的速度，即單位時間內風移動的距離，是描述風能特性的一個重要參數。

風速受地面粗糙度的影響頗大。植被、建筑物或其他地面設施增加了空氣流動的阻力，導致地表附近的風速降低。隨著離地面高度的增加，地表粗糙度對風速的影響減弱，風速隨高度的增加而變大。隨著地面粗糙度的增大，風速隨距地高度增加而變化的現象愈加明顯。定義這種風速隨垂直高度增加而發生改變，形成的風速變化曲線為風廓線。

圖2-9（a）所示為某場址典型的風廓線。從理論上講，地面的風速應為零，在一定海拔下，速度隨高度的增加而增大。氣象觀察表明，風速隨高度增加的相對變化量因地而異。如圖2-9（b）所示，在大城市環境下，從地面到高空45m/s的穩定風速需要550m的高度，而在農村則需要400m的高度，在海上僅需要300m的高度。下式描述了風速變化規律，即

需要注意的是和為統計數據，式（2-3）只能擬合長期的氣象觀察結果，而對于單獨的瞬時風速未必可行。式（2-3）中，冪指數n與表面粗糙度z0關系為

粗糙度z0是風電場設計中需要考慮的一個重要因素。假設風力機半徑為30m，塔架高100m，葉尖最低處距地面70m，最高處距地面130m。若安裝在如圖2-9所示風廓線的地形，因不同高度的風速不相同，因此，作用在旋轉葉片上的力和葉片獲得的風功率也不相同。表2-1給出了不同地貌特征的粗糙度。

氣象觀測站所獲得的數據源于不同高度的傳感器，根據世界氣象組織的建議，以10m高度的風速作為當地風速。然而，風能計算所關注的通常是風力機輪轂高度近100m左右高度的風速。這要求在地形粗糙度的基礎上，利用在任意高度收集的數據都可以得到其他高度的風速。

由于邊界層的影響，風速隨高度以指數關系增大，可以利用式（2-3）進行計算，簡單而精確。如果風速是在高度z、粗糙度z0下獲得的，則高度zR處的風速由下式給出

如果10m處的風速為7m/s，粗糙度為0.1，高出地面40m處的速度就是9.1m/s　。但要注意的是40m高度處的功率是10m處的2.2倍。圖2-10為以10m高度為基準的不同高度的風速比與粗糙度的影響曲線。

一定條件下，需要參考某高度的氣象數據，并將這些數據轉變成其他具有相同的風速輪廓線，但粗糙度不同的風速數據。在這種情況下，可以假設超出某一特定高度后，風速受地表特性影響不明顯。假設這個高度為距地面60m。因此，根據參考位置的速度可將60m處的速度表示為

此處的z0R是參考點處的粗糙度。考慮第二個位置

用式（2-6）除以式（2-7）得出

例：10m高度的氣象站測出的風速為7m/s。確定出相同風速輪廓線的風電場高度為40m處的風速。天文臺和風力機所處位置的粗糙度分別為0.03m和0.1m。則根據式（2-8）可得出