受低空风探测条件的制约,目前关于我国全国范围内不同地形条件风切变指数时空变化还鲜有研究。仅近年来风能开发设立的测风塔提供了10m以上低空风速探测资料,弥补了常规气象观测站仅有10m近地面风向风速观测的不足,这些资料对大气边界层,特别是近地面层[1]的风场特征研究非常重要。本文整理和分析全国138个测风塔数据,对不同地形条件风切变指数时空变化进行了系统研究。本文数据资料为全国范围138个测风塔风速。测风仪器型号为NRG和Secondwind,测风仪器均经过标定,测风塔高度为50至100m,本文对该系列测风塔风速进行检验及软件编程统计分析,并选取各高度层间样本数量大于70的高度层数据,这些样本分别为10m、30m、50m、70m,通过Arcgis绘制这些高度组合的风切变指数年均值空间分布图,并进行分析总结。本文重点分析的我国内陆地区分别为内陆平地、丘陵、高原、山区,我国沿海地区分别为北方沿海和南方沿海,本文对这些地区进行量化定义,统一标准,以提高结果可靠性,准确了解分析背景。为提高对比可靠性,本文同一地区同一地形采用测风塔同时期完整1年的各高度层的风速做风切变指数计算,并得到年内每个月和每个小时风切变指数,分析总结了我国内陆沿海的风切变指数年内各月变化和日变化特征。研究结果表明,风切变指数年均值的变化范围为-0.1732~0.6904,根据风切变指数范围,结合国际对于风切变指数大小的定义,即1/7[2]定义为适中,在国内首次将近地面层风切变指数等级分为5个等级,分别为很小(<0)、较小(0~0.1)、中等(0.1~0.2)、较大(0.2~0.3)、很大(>0.3)。分析样本测风塔10~30m、10~50m、10~70m、30~50m、30~70m、50~70m风切变指数均以0.1~0.2占比最多,为42~48%;0~0.1占比次之,为30~36%;0.2~0.3占比居中,为9~22%;大于0.3占比较少,为1~11%;小于0最少,0~5%,其中50~70m小于0的风切变指数年均值占比为4%,大于0.3占比1%,0.2~0.3占比22%,高于其他各层,从研究结果分布可看出,本文风切变指数等级的划分相对合理。从风切变指数年均值空间分布可知,东北三省大部分区域、内蒙古东北部各层间的风切变指数较大,在0.2~0.3及0.3以上,辽宁昌图县各层间的风切变指数在北方地区最大,为0.268~0.467之间。湖北五峰县、云南大姚县、江西省修水县、山西平顺县等个别复杂山地地区风切变指数为0.2及以上。研究结果还表明,大于0.2的风切变指数占比为10~33%,而风力发电机组规范中正常风廓线模型(nwp)和极端风风切变指数取值为0.2[3],据此对不合适安装标准配置生产的风力发电机组地区做出提示和建议。从风切变指数年内各月变化可知,山地地区测风塔风切变指数大多处于0~0.1风切变指数区间,山地地形不同测风塔的风切变指数年内各层各月间风切变指数出现较大差异,总体来讲位于不窝风的山谷和山顶的风切变指数各月均比较大。丘陵地区风切变指数在安徽全椒县最大,处于0.2~0.4及以上;新疆木垒县居中,为0.05~0.18;内蒙古商都县最小,为0~0.15。平原地区两个县4个测风塔各月各层的风切变指数均较大,其中辽宁昌图县为0.12~0.6;洮南市为0.05~0.35。高原地区测风塔除刚察县1#50~70m、大姚县2#外,其余各测风塔的风切变指数范围为0~0.2;我国北方和南方沿海地区年内各月风切变指数在0.1~0.4之间所占比例较大,个别高度层波动比较大。总体来看,我国内陆山地、高原、丘陵地区冬天风切变指数最大,而沿海变为次大,其中,我国南方沿海在5~7月风切变指数相对最大,我国北方沿海在8~9月风切变指数相对最大。风切变指数除了随季节变化外,同一地区同一年份,因局地地形地貌、下垫面差异也存在较大差异。从风切变指数的日变化可知,除沿海区域和特殊个例外,均为有规律变化,即夜晚风切变指数较大,日出后风切变指数变小,到正午前后由于边界层大气垂直混合加剧,使得风切变指数变为最小。风切变指数日变化在内陆和沿海地区均与日出日落时间、地表植被覆盖度、周围环境热容、地形起伏程度、障碍物高度和距离、距离海面、湖面远近等因素密切相关。日出越早,风切变指数在白天下降越早;日落越早,风切变指数在傍晚回升越早;周围环境热容越大,风切变指数变化越慢、幅度越小,反之亦然;地形起伏越大,对中层风速增加作用越大,中层与下层风切变指数越大,中层与上层风切变指数越小;障碍物高度越高、距离越近对风速影响越大,具体影响大小需要根据实际情况分析;同等条件下距离海面、湖面越近风切变指数越小、变化幅度越小。本文根据风切变指数年均值分布、年内各月变化和日变化对风电场建设、机场选址、建构筑物、输电线路、大气污染的影响也进行了初步探讨。本文分析了建筑结构荷载规范[4]中a、b两种类型风切变指数与实测风切变指数的差异,并提出a类中我国南方沿海雷州市实测风切变指数平均值为0.203,高于规范值0.1269.2%,b类中丘陵地区风切变指数平均值为0.132,与规范值0.15相近,东北平原实测风切变指数平均值为0.294,高于规范值0.15 96.0%。做风荷载计算时如采用规范风切变指数0.12、0.15会低估雷州市、东北平原10m及以上的风速、风压和风荷载。地方大气污染物排放标准GB/T3840-91[5]中风廓线幂指数与本文风切变指数计算公式和含义一致,限于资料原因,该规范乡村5个等级的风廓线幂指数范围为0.07~0.25,本文提出根据污染源所在县气象站风速及风廓线幂指数估算烟囱出口处环境平均风速的方法不够准确,本文东北平原以吉林洮南市和昌图县乡村为例分析,该区域实测风切变指数年均值范围为0.1514~0.4670,平均值为0.2940,远高于规范值0.07~0.25,对应地点大气污染烟囱出口处环境实测平均风速比规范计算值偏高,其中洮南市6个塔实测风速比规范计算风速偏高46.3~131.4%,昌图县3个塔偏高3.4~56.0%。