一、大气环流

 

　　包括风能在内的大部分可再生能源（如：太阳能、水能、生物质能等）的能量来自太阳。

 

　　由于地球极地与赤道之间存在温度差异，赤道附近温度高的空气将上升高层流向极地；而极地附近的空气则因受冷收缩下沉，并在低空受指向低纬度的气压梯度力的作用，流向低纬度，这就形成了一个全球性的南北向大气环流，如图1-1所示。这里所说的气压梯度力就是指地球绕太阳公转时，由于日地距离和方位不同，地球上各纬度所接受的太阳的辐射强度不同，从而产生温差和气压差，引起空气流动的作用力。

 

　　地球除了公转外还有自转，因地球自转形成的地转偏向力叫作科里奥利力，简称偏向力或科氏力。地转偏向力在赤道处为零并随着纬度的增高而增大，在极地达到最大值。

 

　　气压梯度力和科里奥利力是大气大规模运动的主要原因。

 

　　地球赤道地区的气流受热上升，在北半球大气层的上层向北流动，大约在南北纬30度附近，科里奥利力阻止大气进一步向前流动，空气开始下沉，形成一个高压区（副热带高压）。副热带高压下沉气流分为两支，一支从副热带高压向低纬度流动，指向赤道。在地转偏向力的作用下，北半球吹东北风，南半球吹东南风，风速稳定且不大，约3～4级，这就是所谓的风向随季节变化的“信风”，所以在南北纬度30度之间的地带称为信风带。这一支气流补充了赤道的上升气流，构成了一个闭合的环流圈，称为哈德来（Hadley）环流，也叫做正环流圈。此环流圈南面上升，北面下沉。另一支气流从副热带高压向高纬度流动，在地转偏向力的作用下，北半球吹西风，且风速较大，这就是所谓的西风带。在北纬60度附近，西风带气流遇到了由极地向南流来的冷空气，被迫沿冷空气上面爬升，在60度地面出现一个副极地低压带。

 

　　副极地低压带的上升气流，到了高空又分成两股，一股向南，一股向北。向南的一股气流在副热带地区下沉，构成一个中纬度闭合圈，正好与哈德来环流流向相反，此环流圈北面上升、南面下沉，所以叫反环流圈，也称费雷尔（Ferrel）环流圈。

 

　　向北的一股气流，从上升到达极地后冷却下沉，形成极地高压带，这股气流补偿了地面流向副极地带的气流，而且形成了一个闭合圈，此环流圈南面上升、北面下沉与哈德来环流流向类似，因此也叫正环流。在北半球，此气流由北向南，受地转偏向力的作用，吹偏东风，在北纬60度至90度之间，形成了极地东风带。

 

　　如图2所示，从赤道上升流向极地的气流在气压梯度力和地转偏向力的作用和地表温差的综合影响下，在南北两个半球上各出现了四个气压带，即极地东风带、盛行风带、东北（东南）信风带和赤道无风带以及三个闭合环流圈：赤道-纬度30度环流圈、纬度30度-60度环流圈和纬度60度-90度环流圈（称作“三圈环流”）。 需要指出的是，所谓“三圈环流”只是一种理论模型，实际环流比上述情况复杂得多。

 

　　由于气压梯度力和科里奥利力的共同作用，形成了南、北半球不同纬度地区的盛行风向。

 

　　了解当地的盛行风向可以避开盛行风向上的障碍物，对风电场宏观、微观选址具有重要的意义。当然，当地地形条件对风向的分布也具有决定性作用。

 

　　二、季风环流

 

　　由于陆地和海洋在各个季节中受热和冷却程度不同，使风向随季节产生有规律的变化，这种随季节而改变方向的空气流动称为季风，中国古代称为“信风”，表明这种风的风向总是随着季节而改变。

 

　　季风气候的主要特征是季风环流，而季风环流形成的主要原因是由于海陆分布的热力差异以及地球风带的季节转换。

 

　　在一个较大地区范围内盛行风向或气压系统有明显的季度变化的现象称为季风现象。海陆热力差异引起的季风，大都发生在海陆相接的地区，海陆之间热力差异越大，季风现象就越明显。就全球而言，在副热带地区季风（亦称温带季风）十分强盛，这种差异最为明显。

 

　　我国位于亚洲东部，是一个典型的季风气候国家。这里是全球海陆差异引起的季风最强的地区。我国的季风，冬季主要在西风带影响之下，盛行西北气流。夏季西风带北移，南方为大陆热低压控制，副热带高压从海洋移至大陆，转为西南气流。春秋则为过渡季节。此外，海陆分布，青藏高原对我国季风环流也产生重要影响。在冬季，大陆高压气压梯度强大，而夏季热低压的气压梯度较弱，因而夏季风比冬季风弱，这是我国季风的重要特征。

 

　　三、局地环流

 

　　尽管大气环流对盛行风的分布影响很大，但就某一个地区而言，当地的气候和地形条件对主风向分布的影响也很明显。实际上，局地风往往是大尺度环流系统和当地气候条件相互作用的结果。

 

　　（1） 海陆风

 

　　海陆风是由陆地和海洋的热力差异引起。如图1-3所示，白天，由于太阳辐射，陆地近地面温度上升快，空气密度降低，空气受热上升，形成低气压，风由海面吹向陆地，称为海风；夜间形成与白天情况相反的气压差，风由陆地吹向海面称为陆风。由于海陆温差较小，风的周期短且风力较弱。但是在海岸附近的海陆风强度较大，是近海地区风能的重要来源。

 

　　（2） 山谷风

 

　　山谷风是多山地区经常出现的多种气流模式。山谷风多发生在山脊的南坡（北半球），山坡上的空气经太阳辐射加热后，空气密度降低，空气受热上升，形成低气压，气流沿山坡上升，形成谷风；夜间风向相反，气流顺山坡下降，成为山风（见图1-4）。从当日20时到次日8时左右为山风作用时段，14时到17时为谷风作用时段。山风强度一般比谷风弱。

 

　　山谷风是山区经常出现的一种局地环流，只要大范围气压场比较弱，就有山谷风出现，有些高原和平原的交界处，也可以观测到与山谷风相似的局地环流。山谷风一般较弱，但在某些地区或山隘口处也会有较大的风速，同样可以作为风能的来源。

 

　　四、两种特殊地形条件下的风能分布实例

 

　　（1） 爬坡风

 

　　一般情况下，四周开阔的山丘或山脊上的风速较大，这是由于气流在经过迎风坡时受到地形挤压，产生加速效应，使山顶风速达到最大。一般与主风向垂直的山脊是比较理想的风场布机区域（见图1-5）。

 

　　爬坡风的产生与山的坡度有很大关系，如果迎风面山体坡度过大，不仅不会产生风加速效应，还将会产生严重的湍流，影响风能的利用。

 

　　（2） 狭管风

 

　　建筑物或山体之间的狭窄通道可能会形成狭管效应，如图1-6所示，迎风面气流受到挤压，在通道中风速加速，形成狭管风。

 

　　形成风能加速的狭管效应需要一定条件，即该地区的盛行风向与狭管的方向一致。形成狭管效应的气流通道的表面应尽可能平滑，否则将会产生较大的湍流，对风电机组产生不利影响。

 

　　狭管风一般是由大范围的地理环境造成的，比如在福建省与台湾省之间的台湾海峡与常年盛行的东北风形成的狭管效应，使得福建沿海及岛屿的风速加大，可利用风速持续时间加长。新疆的达坂城地区也具有明显的狭管风，乌鲁木齐市至达坂城的峡谷正好与主风向平行，使得该地区风受到压缩而加速，风速大而且持续时间长。

 

　　（选自《风力发电技术与风电场工程》杨校生主编 出版社：化学工业出版社 ）