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高空风力资源评估与大气边界层风特性研究近年来，随着对可再生能源的需求不断增加，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式备受关注。
而要充分利用风力资源，对高空风力资源进行评估与研究势在必行。
在高空风力资源评估方面，研究人员通过多种手段来收集和分析相关数据。
其中，常用的方法包括使用地面观测站和卫星遥感技术进行数据采集。
地面观测站可以测量风速、风向等参数，对风力资源进行实时监测和统计分析。
而卫星遥感技术则通过对大范围地理区域的图像数据进行处理，获取相关的气象信息。
这些数据可以为评估风力资源提供重要参考。
对于风力资源评估来说，地形和气候等因素都是需要纳入考虑的重要因素。
地形的不同会导致风流的变化，例如山地和平原地带风力资源的分布就有很大的差异性。
而气候因素则会影响风的强度和稳定性，如季节性风的变化和雷暴风的出现。
因此，在评估高空风力资源时，需要综合考虑地形和气候等因素的影响。
除了高空风力资源的评估外，对大气边界层风特性的研究也是十分重要的。
大气边界层是地球表面和大气中的过渡层，它直接影响着风的输运和分布。
研究人员通过领先、彗星探测器和卫星等装置来获取大气边界层风的相关数据，以分析风的强度、方向和稳定性等特性。
在大气边界层风特性的研究中，风的垂直剖面是一个重要的方面。
通过测量不同高度上的风速和风向，可以绘制出风的垂直剖面图，从而了解风在不同高度上的变化情况。
此外，大气边界层风的时空分布也是研究的焦点之一。
通过分析不同地区和时间段的风场数据，可以揭示风的分布规律和变化趋势。
另外，还有一些新兴的研究领域开始受到关注，例如风力资源与气候变化之间的关系等。
气候变化对风力资源分布和强度都会产生重要影响，因此，研究人员通过检测和分析气候变化的趋势，进一步揭示风力资源的变化规律。
在未来，随着科学技术的不断发展，高空风力资源评估和大气边界层风特性研究将会继续深入。
通过更加精确和全面的数据采集手段，以及更加先进的模型和算法，我们将能够更准确地评估和利用高空风力资源，为可持续发展提供更加可靠的能源支持。
第二部分大气边界层风特性一、基本概念1．太阳对地球大气辐射加热不均匀产生压力梯度，使得空气相对于地表的运动而产生风。
太阳辐射在赤道处最强，在两极处最弱，伴以地球的辐射，产生温度差，进一步导致大气压力差。
这一压差是不稳定的。
在压力梯度作用下，空气加速流动，形成风。
2．在地球的温带地区，较强风的发生主要指大型气候和经常发生的非热带风暴，这种天气系统的大小一般为1500公里，发生频率大约为4天~一周。
在大西洋沿岸，中国沿海地区、日本东南沿海地区和其他太平洋地区，经常发生热带气旋（“热带风暴”、“台风”或“飓风”的总称），特别在台风级风暴发生时，这些地区会经历非常强烈的风暴。
这一天气系统的大小一般为300~500公里。
热带气旋内的风速，以近中心最大。
国际上以近中心最大风速作为分类标准：7级风（13.9~17.1m/s）以下时，叫“热带低压”；8~11级风速（17.2~32.6m/s）时叫“热带风暴”；12级及以上风速叫“台风”（东亚）或“飓风”（西印度群岛和大西洋一带）。
对整个地球来说，这种风暴发生的频率大约100次/年。
台风气候的统计更困难：发生概率小；范围小；风经常将风速仪吹坏，等等。
（西北利亚的布冷风——Buran）3．上海地区的风气候一般和两种大气现象有关。
即非台风气候和台风气候。
4. 大气边界层风的基本构成（图示）梯度风、梯度风高度平均风+脉动风（x，y，z三个方向）二、平均风特性1. 平均风a ． 平均风速随统计时距的长短而变化时距要有一定的长度，以保证风速的非平稳性以充分衰减以及结构能出现稳定响应；时距不能太长，以保证平均的结果能反映阵风性质。
Davenport 建议10~15分钟为最合适的时距。
目前，多数国家采用10分钟为平均风速的时距。
（美国最近改为3秒平均）b ．平均风速随高度而变化● 由于地表障碍物的作用而造成。
● 在离地表一定高度以上，平均风速沿高度没有变化。
这一高度称为梯度风高度，梯度风高度以上的风速称为梯度风速。
大气层中的边界层与城市气候效应大气是地球上最外层的气体环境，也是维持生命存在的重要条件之一。
大气层分为几个不同的层次，其中最接近地球表面的一层称为边界层。
边界层是大气与地球表面的相互作用区域，对于城市气候效应产生着重要影响。
本文将探讨大气层中的边界层与城市气候效应之间的关系。
一、大气边界层的定义与特征大气边界层是大气与地面之间的交界层，其厚度通常为1000米到3000米之间。
边界层内的气流运动受到地面摩擦力的影响，表现出较为复杂的现象。
边界层内的风速逐渐减小，温度逐渐上升，湿度逐渐下降。
此外，边界层还存在着较为强烈的湍流运动，这种湍流运动具有扩散、混合以及垂直上升和下沉的特点。
二、城市气候效应对边界层的影响城市作为人类活动集聚的地方，其特殊的建筑、道路和人造物体对边界层的运动产生了直接影响。
城市气候效应指的是城市与其周围地区相比，气象要素发生的差异和变化。
下面将分别以温度、风速和湿度等因素来探讨城市气候效应对边界层的影响。
1. 温度影响城市地表由于建筑、道路、水泥等人为结构的影响，使得城市表面的辐射热吸收和释放增加。
因此，城市边界层内的温度比周围地区要高。
高楼大厦和狭窄的街道使得日间的辐射热被束缚在城市内部，形成了热岛效应。
夏季热岛效应尤为显著，使得城市内部比边界层外的地区温度高出数度。
2. 风速影响城市中的高层建筑和大量的人造结构会阻挡风流，使得城市边界层内的风速较边界层外低。
高层建筑产生了阻风效应，导致城市中的空气湍流减弱，风速减小。
这种风速差异导致城市边界层内的污染物扩散速度减慢，容易造成空气污染。
3. 湿度影响城市中广泛使用的人工制造物体如水泥、沥青等不具备自然的水汽蒸发能力，使得城市边界层内的湿度明显低于边界层外的地区。
城市内的水分蒸发能力降低，导致湿度相对较低。
另外，城市中大规模的混凝土建筑会使得蒸发率减小，降水量减少。
三、城市规划与边界层调控针对城市气候效应对边界层的影响，城市规划和设计应该充分考虑边界层特性以及环境保护的原则，实施合理的调控措施。
大气边界层风场特性对城市空气质量的影响研究大气边界层，是指大气中最接近地球表面、厚度约在几百米到几千米之间的一层大气，它直接与地面接触，对生态环境以及城市空气质量的影响不可忽视。
其中，大气边界层的风场特性是影响城市空气质量的一个重要因素。
首先，大气边界层的风场特性决定了空气的运动与混合。
在城市中，由于建筑物的高度和密度较大，地表的摩擦力作用明显，导致了地表风速普遍较小的现象。
而边界层的风速分布则相对复杂，受到地形、气象条件等因素的影响，呈现出明显的空间变化特征。
这就意味着城市中的空气质量分布也会受到这样的风场特性的影响。
其次，边界层的风场还会影响城市中大气污染物的扩散和传播。
在平稳的天气条件下，城市中的污染物排放主要受到边界层内的水平扩散影响，而在不稳定的天气条件下，则受到边界层竖直混合的影响。
所以，在边界层内，风速、风向与地面的温度、湿度等气象因素的综合作用下，污染物扩散与传播的过程变得非常复杂。
边界层风场特性的不同可能导致不同的空气污染分布及范围，从而对城市空气质量产生影响。
此外，边界层的风场特性还会影响城市热岛效应的形成和发展。
热岛效应指的是城市相对于周围地区温度明显升高的现象。
在城市中，由于建筑物的存在，大气边界层的垂直温度梯度较小，而水平温度的差异较大。
边界层内的风场变化影响了城市区域和非城市区域之间的温度平衡，从而影响了热岛效应的形成和发展。
而热岛效应的存在又会加剧污染物的扩散不畅，进一步影响着城市空气质量。
总结来说，大气边界层风场特性对城市空气质量产生着重要的影响。
风速、风向与气象条件的变化，导致了城市中污染物扩散与传播的差异。
不稳定的边界层还会给城市空气质量带来额外的挑战。
因此，对大气边界层风场特性的研究及其与城市空气质量的关系的探索是必要的。
只有了解了风场的特性，才能更好地规划城市布局、控制污染物排放、改善空气质量，为居民提供更加健康的生活环境。
值得一提的是，大气边界层风场特性是一个复杂而庞大的课题，它受到多种因素的综合影响，包括地形、气象条件、建筑物密度等。
大气边界层风场特性研究引言：大气边界层是大气圈中的一个重要部分，它紧贴地球表面，常常受地形、太阳辐射和地表特征等因素的影响。
通过研究大气边界层风场特性，可以深入了解大气运动规律，为天气预测、大气污染防治、风电场布局等提供科学依据。
一、大气边界层风场形成机制大气边界层的风场形成是由多种复杂的因素相互作用所决定的。
包括地球自转、地球表面几何形态、太阳辐射等。
例如，由于地表特征的不均匀性，产生了陆地和海洋的差异，进而形成了陆地上空和海洋上空的温度梯度，导致了大气运动的形成。
在白天，由于阳光的辐射，陆地受热更多，温度升高，而海洋受热较少，温度较低。
这种温差形成了气流上升，空气会自陆地移向海洋，这就是所谓的陆风。
同时，海洋上升的冷空气会填补陆地上升的暖空气，形成所谓的海风。
而在夜晚，由于陆地散热更快，温度下降，海洋保持一定的温度。
这时，温度梯度的方向相反，气流会从海洋移向陆地，形成所谓的海风。
这些陆风和海风的周期性变化，形成了一天中风的变化规律。
二、大气边界层风场特性观测方法为了研究大气边界层风场特性，科学家们采用了多种观测方法。
其中，常用的方法有气象气球观测、风廓线雷达观测和地面测风塔观测等。
气象气球是一种携带气象观测仪器的气球，通过释放气球并跟踪其运动轨迹，可以了解大气的温度、湿度、压力等信息，从而推断出大气层中各层次的风向和风速。
风廓线雷达是一种利用雷达原理测量大气中的风向和风速的仪器。
它通过发射射频信号并接收反射回来的信号，通过分析信号的频域和时域特征，可以得到大气中各高度层的风场特征。
地面测风塔是一种安装在地面上的仪器，用于观测和记录不同高度层的风向和风速。
这些测风塔一般设置在地形复杂的地区，以获得更准确的数据。
三、大气边界层风场的应用大气边界层风场的研究及其特性的认知可以应用于多个领域。
下面将简要介绍其中几个领域的应用。
1. 天气预测大气边界层风场特性的研究可以提供天气预测的重要参数。
了解风速和风向的变化规律，可以更好地预测降水、气温变化等天气现象的发生。
风电场大气边界层特性及影响因素分析【大气边界层与风电场】风电场是现代清洁能源的重要组成部分，它为人们提供了可再生、环保的电力资源。
然而，在风电场的建设过程中，我们需要考虑大气边界层的特性和其对风能的影响因素。
这里，让我们来深入分析一下风电场大气边界层的特性及其影响因素。
【大气边界层的定义与特性】大气边界层是指大气与地球表面之间的最低层，它的高度通常在100-2000米之间。
大气边界层具有以下的特性：1. 温度递减层: 大气边界层内的温度会随着高度的增加而递减，这种递减是由于地表与大气之间的能量交换所导致的。
这一特性对风能的产生和传输有着重要的影响。
2. 高度变化: 大气边界层的高度并不固定，它随着时间和地域的变化而改变。
这种变化会导致风能分布的不均匀性，对风电场的规划和布局提出了一定的挑战。
3. 空气稳定度: 大气边界层内空气的稳定度影响着风能的转换效率。
当空气稳定度较低时，风能转换效率较高；而在空气稳定度较高时，风能转换效率较低。
4. 湍流强度: 大气边界层中存在着各种各样的湍流，其强度会对风机的性能产生影响。
较大的湍流强度可能会降低风机的发电效率，并增加机械损耗。
【影响大气边界层特性的因素】大气边界层特性的形成和变化受多个因素的影响，以下是其中几个主要因素：1. 地貌和地形: 地貌和地形是影响大气边界层特性的重要因素之一。
山地、河谷、平原等地貌的存在会造成风速和风向的变化，从而影响风电场的风能转化效率。
2. 太阳辐射: 太阳辐射对大气边界层的加热是导致温度递减层形成的主要原因。
太阳辐射较强的地区，大气边界层的温度递减层较为明显，从而为风能的转化提供了更好的条件。
3. 气象要素的交互作用: 大气边界层中的温度、湿度、风速等气象要素之间存在着复杂的相互作用。
它们的交互作用会对大气边界层特性的形成和变化产生重要影响。
【风电场对大气边界层的影响】风电场的建设和运营会对大气边界层产生一定的影响：1. 热量的释放: 风电场中风机的运转会产生一定的热量，这会影响大气边界层的温度递减层特性。
第二部分大气边界层风特性一、基本概念1．太阳对地球大气辐射加热不均匀产生压力梯度，使得空气相对于地表的运动而产生风。
太阳辐射在赤道处最强，在两极处最弱，伴以地球的辐射，产生温度差，进一步导致大气压力差。
这一压差是不稳定的。
在压力梯度作用下，空气加速流动，形成风。
2．在地球的温带地区，较强风的发生主要指大型气候和经常发生的非热带风暴，这种天气系统的大小一般为1500公里，发生频率大约为4天~一周。
在大西洋沿岸，中国沿海地区、日本东南沿海地区和其他太平洋地区，经常发生热带气旋（“热带风暴”、“台风”或“飓风”的总称），特别在台风级风暴发生时，这些地区会经历非常强烈的风暴。
这一天气系统的大小一般为300~500公里。
热带气旋内的风速，以近中心最大。
国际上以近中心最大风速作为分类标准：7级风（13.9~17.1m/s）以下时，叫“热带低压”；8~11级风速（17.2~32.6m/s）时叫“热带风暴”；12级及以上风速叫“台风”（东亚）或“飓风”（西印度群岛和大西洋一带）。
对整个地球来说，这种风暴发生的频率大约100次/年。
台风气候的统计更困难：发生概率小；范围小；风经常将风速仪吹坏，等等。
（西北利亚的布冷风——Buran）3．上海地区的风气候一般和两种大气现象有关。
即非台风气候和台风气候。
4. 大气边界层风的基本构成（图示）梯度风、梯度风高度平均风+脉动风（x，y，z三个方向）二、平均风特性1. 平均风a ． 平均风速随统计时距的长短而变化时距要有一定的长度，以保证风速的非平稳性以充分衰减以及结构能出现稳定响应；时距不能太长，以保证平均的结果能反映阵风性质。
Davenport 建议10~15分钟为最合适的时距。
目前，多数国家采用10分钟为平均风速的时距。
（美国最近改为3秒平均）b ．平均风速随高度而变化● 由于地表障碍物的作用而造成。
● 在离地表一定高度以上，平均风速沿高度没有变化。
这一高度称为梯度风高度，梯度风高度以上的风速称为梯度风速。
● 描述方法第一种为对数律方法，即 )z /z ln(u 5.2)z (U 0*=式中U （Z ）为Z 高度处的平均风速；u 为流动剪切速度，决定于地形的粗糙程度、风速及空气密度；Z 0为地面粗糙长度。
第二种方法，也是在实际中应用最为广泛的方法为幂函数方法。
即α⎪⎪⎭⎫⎝⎛=s s z z U z U )( c. 平均风速随地面粗糙程度而变化建筑物荷载规范规定：α=0.12，0.16，0.22和0.30（α= 0.30对大城市而言偏小。
80年末上海浦西中心区的α值为0.3）2.基本风速在规定的标准条件下的风速称为基本风速。
这里的标准条件是：桥梁：平坦开阔的地貌、10米高度处、10分钟平均、100年重现期风速。
建筑物：平坦开阔的地貌、10米高度处、10分钟平均、50年重现期风速。
将每年的最大风速作为统计样本，用某种分布函数来拟合，可推算出不同重现期下的结构的设计风速。
常用的分布函数有极值分布函数，皮尔逊分布函数、瑞利分布等。
、中国规范目前尚不考虑风向的影响。
这是很大的不足。
3．3．非标准条件下风速的计算（2） 非标准高度和非标准地貌情况由α⎪⎪⎭⎫⎝⎛=s s z z U )z (U 可得aBz z U U a a B B ααδδ⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎭⎫⎝⎛)(10 →aB aB B a z U z U ααδδ)()10()(=对于特殊地貌，如海岛、山口、盆地等，规范中给出了基本风速（风压）的修正值。
如特别重要的建筑物位于这些特殊地貌处，则应对这些特殊地貌进行风洞试验，以得到准确的风速修正系数。
风越过山坡、山谷、海岛等特殊情况，可参见相关文献。
中国建筑荷载规范的情况 （a ）山峰——修正系数25211⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=H .z tg Bακηαtg —坡度，大于0.3时取0.3；κ—系数，取3.2；H —山顶全高；z —建筑物计算位置离建筑物地面的高度比如：H=100米，z=200米，αtg =0.3，则修正系数=1.39 （b ）山间盆地等闭塞地形，修正系数=0.75~0.85（c ） 与风向一致的山口、谷口，修正系数=1.2~1.5（3） 非标准时距情况非标准时距平均风速和标准时距平均风速之比G的统计值平均风速值是影响G t 的一个重要参数。
研究表明，10min 平均风速越高，Gt 越高。
阵风风速U Gd t G U G U ⋅=（4） 非标准重现期情况（新版建筑荷载规范中同时给出50年和100年重现期的基本风压（速））三、脉动风特性脉动风是一平稳的具有各态历经性的随机过程主要的统计量有：紊流度； 脉动风功率谱； 紊流积分尺度1． 紊流度)()()(z U z z I u u σ=)()()(z U z z I v v σ=)()()(z U z z I w w σ=特征：随高度而减小一些国家的规范中给出了不同地貌条件下紊流度随高度的变化。
在上海青海路老电视塔、广州白云宾馆和深圳圆贸大厦上进行风速实测的结果。
经统计分析给出了纵向紊流度的估算公式：αα7.10u z z 5.1I -⎪⎭⎫⎝⎛=该文测量结果还表明，上海浦西中心区当时的α值为0.3，因而对应的紊流度为()5.0u 10z45.0I -=（z=10, I=45%; z=50, I=20%; z=100, I=14%; z=200, I=10%; z=300, I=8%; z=400,I=7%）另有文献给出纵向紊流度的公式如下：⎪⎭⎫ ⎝⎛=0u z z ln 5.2k I式中，Z 0是地面粗糙长度，Z 是任意高度，两者单位均为米；k 是描述纵向紊流度的常数，假设不随高度变化。
Z 0和k 的关系见下表。
表 对应于不同Z 的k 值《公路桥梁抗风设计指南》中也给出纵向紊流度随高度及地貌条件变化的值，见表 。
该文还建议在没有详细测量资料时，I V 可取0.88Iu ，而Iw 可取0.5Iw 。
2．脉动风速功率谱脉动风速作为随机过程，谱曲线描述脉动风速中各频率处能量的大小。
（1） 自功率谱60年代的，Davenport 根据实测给出了如下的纵向脉动风速谱的公式：()3422214/*u u )n ,z (nS χχ+=式中，)(U /n 101200=χ；n 是频率（单位：Hz ）；U （10）是10 米高度处的平均风速（单位：米/秒）；剪切流动速度*u 的表达式为：)z /z ln(.)z (U u *052=Davenport 公式和高度无关，不能很好地反映实际情况。
Kaimal 于70年代初提出了新的谱公式：()352501200/*u f fu )n ,z (nS +=式中，)z (U /nz f =。
（各谱值相差很大，见有关报告）在APCWE-5上Holms 比较了三种谱，认为Davenport 谱太尖；Kaimal 谱太平；而Karmen 谱比较合理。
（三个谱的比较图）垂直方向脉动风速谱常采用如下形式：()22416ffu )n ,z (nS *w +=或352101363/*w ff .u )n ,z (nS +=（2）互功率谱根据实测和风洞试验结果，从工程应用出发，建议了如下的纵向脉动风速互谱的公式：)n ,x ,x (R )n ,x (S )n ,x ,x (S u u u u 212121= 式中，R u (x 1,x 2,n)为空间相关函数。
Scanlan 建议在桥梁风振响应分析时采用以下公式2121x x )z (U cnu e )n ,x ,x (R --=这里C 为常数，它反映了脉动风速空间相关程度，是地表粗糙度，离地高度及风速的函数，文献[ ]建议，在进行桥梁抖振估算时，C 取7~20。
C 在7~20的范围中取不同的值，对估算出的结构响应将产生很大影响（南浦、杨浦大桥等的响应相差可达一倍）。
由于目前缺少充分资料，一般难以给出某一特定结构上的C 的准确值，因此C 的取值的不完性是工程结构风响应计算不确定性的一个重要因素。
桥梁抗风设计中，一般偏保守地取C=7，与此相似，垂直脉动风速的互谱可表示为)n ,x ,x (R )n ,x (S )n ,x ,x (S w w w w 212121= 式中2121x x )z (U nc w e )n ,x ,x (R -'-=3．紊流积分尺度来流中旋涡的平均尺度定义为紊流尺度。
对应于u 、v 、w 三个脉动风速分量在x 、y 、z 三个方向的紊流尺度，共有九个。
根据定义，可给出紊流尺度的数学描述。
比如，纵向脉动速度u 在x 方向（和u 同向）上的紊流尺度为：⎰∞=0u AB 2u x u dx )x (C 1L σ这里 是A 、B 的点纵向脉动速度的互协方差函数。
描述了A 、B 两点纵向脉动速度的空间相关性。
相关性强，则紊流尺度大，对结构整体激励作用亦强。
变化趋势：（1）紊流尺度随高度降低而减小；（2）地面粗糙度增加，紊流尺度减小。
以下公式可用于粗略估计高度Z=10~240米范围内的纵向紊流尺度：mx u Cz L =式中C 和m 在图 中给出；Z 为高度。
文献[ ] 还给出了估算y u L 、z u L 和x w L 的公式： x u y u L .L 20≈506.z u zL ≈ z .L x w 40≈由于现场实测很困难，目前对其认识远不够深入。
即使有限的实测结果表现出很大差别。
