风资源评估工程应用—粗糙度篇

新疆风区下垫面动力学粗糙度估测值与模式定义值的对比辛渝;周颖真;宋丽莉;姜海梅【摘要】按风向风速标准差法估算了新疆风能资源详查区17座测风塔一定范围内的动力学粗糙度,并与期间利用的3km和1km分辨率的数值模式中的动力学粗糙度理论定义值进行了对比.结果表明:除了采用的landuse基数据在一些区域的错误判识而导致本研究的估测值与中、小尺度模式中的动力学粗糙度理论定义值有较大差别外,大多数比较接近,今后有必要对这些区域的landuse的分类进行客观订正;夏季强风区的动力学粗糙度估测值普遍小于中尺度模式的理论定义值;对于主、次风向上动力学粗糙度值极不均匀区域,风向与风速标准差估算法需结合使用;本研究估算的动力学粗糙度是在中性层结条件下进行的,对于中性层结条件较少发生的区域,该动力学粗糙度估算值的普适性将受到限制.【期刊名称】《大气科学学报》【年(卷),期】2015(038)006【总页数】8页(P811-818)【关键词】新疆风区;下垫面;估算的动力学粗糙度;MM5/WRF/CALMET动力学粗糙度值【作者】辛渝;周颖真;宋丽莉;姜海梅【作者单位】中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,新疆乌鲁木齐830002;南京信息工程大学大气物理学院,江苏南京210044;中国气象局公共气象服务中心,北京100081;南京信息工程大学大气物理学院,江苏南京210044【正文语种】中文【中图分类】P4060 引言动力学粗糙度(以下简称z0)是地表风速为零的几何高度，是用来度量地面对气流粗糙程度的物理量，也是反应下垫面和近地表流场相互作用的物理量。

z0的计算方法有多种，如采用牛顿迭代法计算零平面位移得出(Herold M.et al.，2008)、根据陈家宜等(1993)发展的无因次化风速法得到、利用质量守恒定律计算(刘和平等，1997)、依据相似理论将几个高度的风温廓线拟合迭代(Takagi et al.，2003)、根据中性条件下不同区域风速的约束采用梯度法计算(邱玉珺等，2010)等。

Windfarmer软件操作步骤及注意事项目录一、目的： (1)二、准备资料 (1)三、计算步骤 (2)1 wasp——导入文件: (2)2 wasp-------输出文件： (2)3 导入windfarmer： (2)4 设置： (2)Windfarmer 应用步骤 (2)001 前提：选型完成之后—— (2)02 wasp部分 (3)003 windfarmer部分 (5)01 以现场测量数据为依据 (8)004 RIX（陡峭度指标问题） (11)006 损耗 (13)007 不确定性 (13)一、目的：windfarmer用于简单地形——基于wasp模型——同时也用于复核计算（湍流）二、准备资料1 原始风速数据——windgrogher——输出。

Tab文件2 边界坐标——txt-wob——或者自己在windfarmer里面地图上画3 风机点位坐标——或者自己排布优化4 功率曲线——.wtg 文件——wasp中建立一个风机后直接save为。

Wtg格式文件5 地图——.map+roughness6三、计算步骤1 wasp——导入文件:windgrogher导出tab文件wasp turbine editor导出风机功率曲线wtg文件cad—globalmaper—wasp editor—导出contours+roughness的map文件风机点位文件计算resource grid文件前要设置边界（control+shift—画，control—移动）若测风塔在风场边界之外则计算三个资源栅格（mast高度、mast轮毂高度、轮毂高度）2 wasp-------输出文件：Hub 高度的wrg文件Mast 高度的wrg文件3 导入windfarmer：Map+roughness地图文件画边界点或者拖入wob文件画出禁止区域等设置导入风场和测风塔点位的wrg文件布机或者导入风机点位坐标风机属性设置——功率曲线设置——导入wtg文件优化——迭代300-500次左右4 设置：控制面板设置Windfarmer 应用步骤001 前提：选型完成之后——01 windogragher部分风速数据处理整理成txt格式，包括风速风向标准偏差，●风速注意：风速和风向同时删除或者拟合——为了生成tab文件注意：在生成拟合轮毂高度处tab文件前得先观察风剪切的大小，看有几个高度，测风塔最高度离轮毂高度的距离。

风资源评估-工程应用—粗糙度篇（1）目录一、必看内容： (1)二、实际工程经验 (4)问题一： (4)问题二： (4)问题三： (5)一、必看内容：为了计算地形和地貌对风的影响，需要对其特征进行系统的描述。

地形和地貌对风的影响主要来自于三个方面：地形、障碍物和粗糙度。

空气在流动的过程中不仅受到气压梯度力和地转偏向力的作用，而且在离地面1.5公里的近地面大气层里，它还受到地面障碍物的影响，气象学上将1.5公里以下的气层称为摩擦层。

在摩擦层里，空气经过粗糙不平的地表面，受到摩擦力的作用，空气流动的速度，也就是风速会越来越小。

由于地表粗糙程度不一，作用于空气的摩擦力的大小也就不同，风速减小的程度也就不同，地面粗糙度越大，作用于空气的摩擦力也就越大，相应的风速减小的也就越多。

1)地表粗糙度有地表粗糙元的尺寸和分布决定，对于陆地表面，粗糙元主要有植被、建筑区和土壤表面。

2)一旦确定了特定表面的粗糙长度，它将不随风速、大气稳定度和应力而改变。

3)粗糙长度Z=0.5*h*S/Ah:粗糙元的高度S：粗糙元迎风面的截面积A：平均每个粗糙元所占的面积；粗糙度有很多计算方法，具体见【几种典型地表粗糙度计算方法的比较研究】4)实际工程中主要根据经验值进行粗糙度划分和设置：在风力发电领域对地面粗糙度进行了分类，总共分为A、B、C、D四类，各类对应的地表状况如下：A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城市郊区；C类指有密集建筑群的中等城市市区；D类指有密集建筑群但房屋较高的大城市市区。

5)图1 A类图2 B类图3 C类图4 D类6)为了能对地面粗糙度进行量化分析，通常使用粗糙度长度（表征完全湍流中表面粗糙程度所用的特征长度参数，单位为：m）Z0对地面粗糙度进行度量，其值分布于0-2m之间。

表1中列出了地面粗糙度等级值对应的粗糙度长度值，以及能源指数和地表特征。

7)表1：地面粗糙度等级及粗糙度长度（来源于德国风能协会）8)在确定某地区的地面粗糙度类别时，若无实测资料，风力发电领域上可按下述原则近似。

实际工程经验
目录
实际工程经验 (1)
问题一：为何需要至少俩个高度上测量风速？ (1)
问题二：大型风电场如何设置粗糙度？ (2)
问题一：为何需要至少俩个高度上测量风速？
解决办法：
✓目的是尽量降低垂直外推的不确定性。

在风资源工程软件中，如wasp和windpro中，都会根据粗糙度推算的风廓线来估算风切变。

我们需要比对测风塔实测的风切变与根据粗糙度推算的结果是否相符，如果不相符，就需要重新调整粗糙度的设置，使俩者尽可能的接近。

✓风切变并非是恒定的，而是随着平均风速、风向和大气稳定度变化的，由于多数风机启动风速为3m/s,因此在推算风切变是应该剔除低于启动风速的风速数据。

问题二：大型风电场如何设置粗糙度？
解决办法：
粗糙度的设置主要是应用于模型计算的过程中，目标是通过设置准确的粗糙度来降低标准尾流模型造成的误差，目前实际在windfarer中在设置粗糙度时，在原来的粗糙度值上增加0.03m较为合理。

大气风力能源开发中的地表粗糙度影响研究引言：大气风力能源被广泛认为是未来可持续发展的重要能源来源之一。

然而，要实现大规模的风力能源开发，需要充分了解和研究各种影响风能捕捉效率的因素。

本文将重点讨论地表粗糙度对大气风力能源开发的影响，并通过详细分析和实例说明其重要性。

一、地表粗糙度对风能资源分布的影响地表粗糙度是指地表上存在的各种起伏和物体阻力对风流动的干扰程度。

不同地域的地表粗糙度差异导致了风能资源的分布不均匀。

对于高地表粗糙度区域（如森林、山脉等），由于存在多种阻力因素，风流动速度较低，风能资源较少。

相反，低地表粗糙度区域（如沙漠、湖泊等）由于存在较少的障碍物，风速较高，具备更丰富的风能资源。

因此，了解地表粗糙度对风能资源分布的影响对选择风力发电站点具有重要意义。

二、地表粗糙度对风机性能的影响地表粗糙度不仅影响风能资源的分布，还对风机的性能产生直接影响。

对于大型风力发电机组来说，高地表粗糙度会导致更强的摩擦力和湍流，从而增加了风机的负荷和损耗。

此外，长期处于高地表粗糙度环境下的风机可能会因颗粒物的侵蚀而导致叶片表面磨损和寿命减短。

因此，在风力发电项目的规划和建设中，应对地表粗糙度进行全面的评估和考虑，以优化风机性能。

三、地表粗糙度对风力发电机组布局的影响合理的风力发电机组布局对于提高发电效率至关重要。

地表粗糙度的影响也体现在风力发电机组布局选择上。

在高地表粗糙度区域，由于风速较低，风机间的距离应该更大，以避免机组之间的互相干扰。

而在低地表粗糙度区域，风速较高，可以相对较近地布置机组，以充分利用空间资源。

因此，根据地表粗糙度条件的不同，确定合适的机组布局方案，可以提高整个风电场的发电效率。

四、地表粗糙度对风能捕捉效率的影响地表粗糙度对风能捕捉效率的影响是风力能源开发中最直接的表现。

高地表粗糙度区域的风能捕捉效率相对较低，而低地表粗糙度区域的风能捕捉效率相对较高。

这是由于高地表粗糙度区域的湍流效应导致了风能的散失和损耗，而低地表粗糙度区域则能更好地保持风能的稳定性和连续性。

风资源评估-工程应用—粗糙度篇（1）目录一、必看内容： (1)二、实际工程经验 (4)问题一： (4)问题二： (4)问题三： (5)一、必看内容：为了计算地形和地貌对风的影响，需要对其特征进行系统的描述。

地形和地貌对风的影响主要来自于三个方面：地形、障碍物和粗糙度。

空气在流动的过程中不仅受到气压梯度力和地转偏向力的作用，而且在离地面1.5公里的近地面大气层里，它还受到地面障碍物的影响，气象学上将1.5公里以下的气层称为摩擦层。

在摩擦层里，空气经过粗糙不平的地表面，受到摩擦力的作用，空气流动的速度，也就是风速会越来越小。

由于地表粗糙程度不一，作用于空气的摩擦力的大小也就不同，风速减小的程度也就不同，地面粗糙度越大，作用于空气的摩擦力也就越大，相应的风速减小的也就越多。

1)地表粗糙度有地表粗糙元的尺寸和分布决定，对于陆地表面，粗糙元主要有植被、建筑区和土壤表面。

2)一旦确定了特定表面的粗糙长度，它将不随风速、大气稳定度和应力而改变。

3)粗糙长度Z=0.5*h*S/Ah:粗糙元的高度S：粗糙元迎风面的截面积A：平均每个粗糙元所占的面积；粗糙度有很多计算方法，具体见【几种典型地表粗糙度计算方法的比较研究】4)实际工程中主要根据经验值进行粗糙度划分和设置：在风力发电领域对地面粗糙度进行了分类，总共分为A、B、C、D四类，各类对应的地表状况如下：A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城市郊区；C类指有密集建筑群的中等城市市区；D类指有密集建筑群但房屋较高的大城市市区。

5)图1 A类图2 B类图3 C类图4 D类6)为了能对地面粗糙度进行量化分析，通常使用粗糙度长度（表征完全湍流中表面粗糙程度所用的特征长度参数，单位为：m）Z0对地面粗糙度进行度量，其值分布于0-2m之间。

表1中列出了地面粗糙度等级值对应的粗糙度长度值，以及能源指数和地表特征。

7)表1：地面粗糙度等级及粗糙度长度（来源于德国风能协会）8)在确定某地区的地面粗糙度类别时，若无实测资料，风力发电领域上可按下述原则近似。

风力等级表
注：13-17级风力是当风速可以用仪器测定时使用。

在风能评估中，使用最广泛的是指数律公式，公式中a称作粗糙度指数，主要与地面粗糙度有关（同时还与大气层结状况等有关）在没有作专门的风的梯度观测情况下，我国（气象）一些标准中将地面粗糙度分成四类：
A类近海地面、海岛、海岸、大湖湖岸及沙漠地区
B类田野、乡村及房屋比较稀疏的乡镇城郊
C类有密集建筑群的城市市区
D类有密集建筑群且房屋较高的城市市区
其a分别取0.12，0.16，0.22和0.3.
粗糙度0级(Z=0.0002)：光滑的水面和冰面。

如海面、湖面等
粗糙度1级(Z=0.03) ：非常开阔平坦的区域，阻风物很少。

如戈壁、草原等。

粗糙度2级(Z=0.10) ：有少量的树木及分散的建筑。

如有少量树木的农场等。

粗糙度3级(Z=0.40) ：有大量的树木及建筑。

如林地、城区等。

障碍物的描述
通过极坐标的方式来描述障碍物。

风荷载模拟试验的粗糙度估计Henry W. Tieleman*Department of Engineering Science and Mechanics,Virginia Polytechnic Institute and State University,Blacksburg, VA 24061-0219, USAReceived 10 February 2003;received in revised form 13 June 2003;accepted 16 June 2003摘要风工程师进行对低层建筑风荷载评估的风洞模拟实验必须应对如何重现有关的流动参数来表征大气表层的问题。

由于很少有可以实地观测，因此对于大多数情况，模拟并不是基于在建筑物现场直接观测到的流量。

相反，风工程师必须评估在建筑工地视觉的地形粗糙度，并从现有的地形分类挑选一类与之匹配。

后者则提供了以粗糙度长度的形式来度量粗糙度的措施，粗糙度长度可用来提供在实验室中使用基本原则重现流所需的湍流参数的估计。

建议的用来获取这些参数的方法可以很容易地依靠规定的粗糙度长度来适应用户友好电子评价。

1引言强风条件下，角落、屋脊和屋顶边缘附近流分离的区域产生的大型吸压力(大负压)造成破坏的主要因素。

相关区域表面进行地形模拟的棱镜的最小负压的风洞测量结果表明压力系数和压力本身两者的大小实际上都随湍流强度增大[1]。

因此，进行低层结构物风荷载评估的风洞模拟试验需要细致地重现大气湍流。

表面粗糙度在开阔地形上明显变化，因此湍流强度也明显变化，对ASCE - 7 中分类C，根本不足以分配一个单一的压力系数。

一般不能得到现场大气流观测数据，风工程师不得不诉诸替代方法，以评估给定的位置湍流参数的。

在这篇文章中的方法将讨论用于对模拟较均匀和不均匀的各种地形的风洞流模拟的大气湍流参数，如何从基本的流体关系进行评估。

2理想地形对于平坦、光滑和均匀（FSU）的地形上相当长的风程内的大气流，湍流能量的产生归功于雷诺（湍流）应力对流体的变形作用。