一种城市郊区风环境SE型风廓线拟合表达方法

摘要

本发明涉及一种新型SE（Suburb Expedition）型风廓线，其属于气象学、物理学、力学、可再生能源应用基础理论及其应用技术研究领域。通过连续三年的实验测得的风数据首次发现其规律与幂指数风廓线的规律具有一致性，参照传统的指数风廓线拟合研究思路，经过反复拟合及对比论证，并将复合函数引入到城市近郊地区风廓线的拟合函数中，获得一种新的SE型风廓线公式。本发明的有益效果是：为风力机提供更精准的启动风速值和仿真模拟的大气入流边界条件，为城郊地区风力机微观的选址提供理论依据，又为城市郊区风资源计算方法提供有效的支撑，进而达到风能精细化利用的目的，为实际问题的解决带来了方便,为自然科学的发展与完善拓宽了道路。

说明书

技术领域

本发明涉及获得一种更能精确表达城市近郊地区风环境的新型SE型风廓线，其属于气象学、物理学、力学、可再生能源应用基础理论及其应用技术研究领域。

背景技术

近年来全球暖化问题越来越受到人们的重视，极端气候在全球各地已造成难以估算的财产及宝贵生命的损失，是故，可供永续使用且无污染的风能等绿色能源已日益受到关注，减少碳排放量已经成为当今时代每一个人应尽的职责和义务。因此想要达到对城市近郊地区风能精细化利用的目的，需要在已有函数的基础上创造出更能准确表达城市近郊风况的新型函数表达式。

风廓线又称风剖面是指风速随高度的分布曲线。主要用以研究大气边界层内的风速规律。风廓线是研究风能利用的重要理论依据，其与研究风能利用的所有理论依据都具有同等高度的科研价值，SE（suburban exponential）型风廓线是描述城市近郊风况的关键方法。目前，国内外还很少有人涉及城市近郊地区风廓线的研究。所以，本发明是以解决风能精细化利用问题为核心的科学研究的新方法。新型SE型风廓线公式的确定，对于解决实践问题、科学研究问题和科学预测问题都是极其重要的。即本文SE型风廓线可以为风力机提供更精准的启动风速值和仿真模拟的大气入流边界条件，能更好的为城郊地区风力机微观的选址提供理论依据，又为城市郊区风资源计算方法提供有效的支撑，进而达到风能精细化利用的目的。因此提出更为精确的风廓线对城市近郊地区风能的利用具有重大意义。

发明内容

本发明针对无法获得更加精细化表达城市近郊风廓线函数的问题缺陷提供一种新型的城市近郊风廓线函数表达的方法。

本发明为解决上述问题，进行实验平台搭建：本次采用ZephIR 300激光雷达测风系统平台为实验主要设备，测量位置布置于内蒙古工业大学风洞实验室，设置3种不同调节激光雷达的测试高度范围，对观测站点10-38m、10-99m和10-199m高度进行风速数据收集。

实验数据测量：实验数据通过调节雷达的测试高度来给与参数的物理意义，第一阶段：测试点高度为10-38m，精度为1m，采集时间由2017年4月至2018年3月期间，时间周期近一年。一年内应采集数据风速、风向数据578160个，其中有效数据为492147个。第二阶段：测试点高度为10-99m，采集时间由2018年7月至2019年6月期间，时间周期近一年，一年内应采集数据风速、风向数据578160个，其中有效数据为367920个。第三阶段：测试点高度为10-199m，采集时间由2019年7月至2020年6月期间，时间周期近一年。一年内应采集数据风速、风向数据578160个，其中有效数据为367920个。

风廓线空间特性分析：为了获取更为精准的风廓线函数，结合ZephIR 300激光雷达测试系统，获得的连续三年实验测量数据，分别对指数函数、对数函数和新型幂指数函数进行拟合，并对比分析。

采用逐年增加高度的外推测量方式，从2017.4-2018.3测量范围10-38m，到2018.7-2019.6测量范围10-99m，至2019.7-2020.6测量范围10-199m，分别调节不同测量高度范围的分布精度，从微小化的1m测量精度到精度广化10m测量精度。采用定性分析，如三年的风廓线拟合图2（a为2017年风廓线拟合图，b为2018年风廓线拟合图，c为2019年风廓线拟合图)中表明，采用SE型风廓线拟合的优度都明显高于指数和对数风廓线函数；采用定量分析，结合判定系数（R

风廓线时间特性分析：对风廓线的研究，多采用全年测量数据进行拟合。为深入研究SE型风廓线在城市近郊地区的吻合度，采用时间特性分析方法，通过ZephIR 300型激光雷达采集的风速、风向的数据来研究呼和浩特地区风环境，布置不同的测量高度，将呼和浩特市近郊风环境当地风速按照不同月份进行拟合。采用逐年增加高度的外推测量方式，从2017.4-2018.3测量范围10-38m，到2018.7-2019.6测量范围10-99m，至2019.7-2020.6测量范围10-199m，来分析风廓线的拟合情况。

函数确定：现将分式、线性、对数以及复合函数等典型代表函数作为函数源，并将实测数据带入函数源进行拟合，对比不同类型函数的拟合优度值。总结得出采用复合函数对实测风场有较高的拟合优度。将此复合函数类型作为城市近郊风廓线的研究对象，此函数见公式（1-1）。

函数公式：

参照指数风廓线中的风速值（参考高度）、对数风廓线中的粗糙长度值等参数的研究思路，结合复合函数的性质，采用量纲分析方法，归纳总结复合函数中各参数的物理意义。由于风廓线是随高度的增加风速变化的函数，故函数中自变量和因变量与风廓线中的风速和高度具有相关性。根据量纲分析方法，得出参数a为风速参数，参数b和参数c均为高度参数。根据复合函数随着自变量增加因变量趋于定值，且与风廓线风速分布规律相同，总结得出参数a为测量范围内最高测点风速值；根据复合函数分式中幂次方特性和传统风廓线参数确定方法，确定参数b为参考高度，参数c为修正高度。

SE型风廓线：

见式（1-2）中：SE型风廓线

附图说明

图1是本发明中雷达测量高度范围图。

图2是连续三年风廓线拟合对比图。

图3是本发明过程的流程图。