2.5 台风风廓线

正常风况下，风切变指数对确定风电机组轮毂高度具有重要参考意义。而如果强风且风切变系数过大，那么在叶片的整个扫风面上的风力荷载就非常不均衡，这将影响到叶片和机舱的安全。近地层水平风速的垂直分布切变指数大小主要取决于地表粗糙度和低层大气的层结状态。在中性大气层结下，对数和幂指数方程都可以较好地描述风速的垂直廓线，实测数据检验结果表明，在多数地区幂指数公式比对数公式能更精确地拟合风速的垂直廓线，新修订的《建筑结构设计规范》（GB50009—2012）也推荐使用幂指数公式，《风电场风能资源评估办法》（GB/T 18710—2002）推荐用幂定律拟合，如果没有不同高度的实测数据，风切变指数取1/7（0.143）作为近似值。

台风风况下风速随高度变化规律，前人也做了大量研究。如王志春等发现1213号台风“启德”在台风中心经过前后的风速变化呈现尖耸的“M”形双峰，台风眼壁强风区风速最大；而风廓线幂指数α变化则呈现比较平缓的“M”形双峰，风廓线幂指数α出现极大值的时间比风速出现极大值的时间分别提前约1h和延后3.5h，台风眼区经过时风廓线幂指数α接近最小，甚至出现负值；风速的垂直变化率有波动，最大值出现在台风眼壁强风区和台风中心过境后的外围大风区。

2009年，徐家良选择近年来影响上海最严重的不同路径台风个例进行研究，发现当台风影响上海地区时，上海近海海上的最大风速有较明显的梯度变化；海面上风速随高度变化远比陆上小，各高度层风速如用指数律公式计算，风廓线幂指数可取α=0.09～0.10；海面上的湍流强度亦较小，基本上在0.10以下范围内波动。

2013年，王志春等对1117号强台风“纳沙”进行观测分析是，发现大风风切变过程可用对数函数和指数函数拟合，对数函数和指数函数对光滑下垫面的拟合效果更好，且对数函数拟合效果要略优于指数函数；大风风切变指数与GB/T 18710—2002推荐值有一定差异：粗糙下垫面的大风风切变指数大于标准推荐值，而光滑下垫面的大风风切变指数则小于标准推荐值。

2002年，邵德民对上海1999—2002年和香港1999年台风影响时的大风风速进行的分析表明：在近地面（一般为500m高度以下）大气边界层的台风环流范围内，台风大风随高度的变化符合风廓线幂指数变化规律，台风环流内风速随高度变化范围较大，风廓线幂指数值可为0.10～0.30不等。

2004年，宋丽莉等根据炮台角、东海岛和甲东3个测风塔站观测到的5个热带气旋（强热带风暴：温妮、黄蜂；台风：尤特、悟空、榴莲）大风过程记录，计算其影响（取10min平均风速不小于17.2m/s的各个时次数据）该地时的α值，与该地无台风影响时的平均状况进行了比较，见表2-3，可以发现，热带气旋大风的α=0.1～0.14, 3个观测塔比平均状况分别偏小37.50%、15.38%和26.32%。这与台风天气系统本身剧烈的涡旋运动和强烈的垂直混合运动特征有关。也存在风廓线幂指数较大的台风个例，如硇洲岛、排尾角“黑格比”台风影响期间大风的幂指数分别为0.24和0.33。

表2-3 台风大风时和平均风况下的α值比较

张秀芝、张容焱等统计分析了85座沿海测风塔10～70m高的风速垂直切变，发现不同的地形条件下风廓线幂指数α的差异很大：在平坦的海滩平均值在0.11～0.20之间，极值可达0.11～0.33；海边地势较低的地方，塔的周围有树木和灌木，平均值在0.24～0.45之间，极值可达0.27～0.94；在海拔100.00m以上的丘陵山地上，平均值在0.24～0.45之间。

根据收集的广东海上、小岛共10个测风塔14个台风影响期间海上和岛礁上观测样本，取15m/s以上风速段计算各层切变系数，分别使用对数和幂指数方程进行了计算，发现幂指数公式更适合一些，得到10～90m在水平风速垂向切变的幂指数α=0.0791。

综合迄今为止研究成果发现，除台风风向变化规律取得一致结论之外，不同台风实例分析得到的其他台风动力结构特性的结论并不完全一致，如台风脉动特性随离地高度、风速大小、地面类型、地形起伏等的变化规律，台风水平风速垂向风切变指数是否符合风廓线幂指数规律等。各研究所应用的台风观测资料包含了异常复杂多样的组合信息，如台风路径、强度、大风半径、前进速度、地形地貌、观测高度、障碍物等，只有积累到一定样本数量，分析才具有统计意义和参考价值，而且必须获取足够多的台风及以上级别的热带气旋强风过程的实地测量数据。