風切變指數

風切變指數表徵風速隨高度的變化程度，其值大表示風能隨高度增加得快，風速梯度大；其值小表示風能隨高度增加得慢，風速梯度小。由於地形與大氣層穩定度等因素的影響，風速隨高度變化的程度不同，因此風切變指數的大小也各異。 ^[1] 

在近地層中，風速隨高度的變化而有顯著的變化，造成這種變化的原因是地面的粗糙度和近地層的大氣垂直穩定度。風切變指數表示風速在垂直於風向平面內的變化，其大小反映風速隨高度增加的快慢。 ^[1] 

其計算公式為：

冪律公式：

寫成指數公式為：

式中：α為風切變指數；

為已知高度，m；

為變化後風速所在高度，m；

為高度

處的風速，m/s；

為高度處的風速，m/s。 ^[1] 

推薦用冪定律擬合，如果沒有不同高度的實測風速數，風切變指數α取1/7（0.143）作為近似值。 ^[2] 

注：近地層任意高度的風速，可以根據風切變指數和儀器安裝高度測得的風速推算出來。估算風力發電機組發電量時需要推算出輪轂高度的風況。 ^[2] 

研究表明，表面粗糙度較大的地方，風切變值較大；一晝夜內，風切變變化和温度變化趨勢正好相反；風切變值隨風速增大，先是逐漸增大，但是等到一定值之後，又逐漸減小。也就是説，風切變指數受地面粗糙度的影響，不同地區的風切變指數是不同的；風切變指數還受熱力因素的影響，即使同一地區在不同時間段內的風切變指數也是不同的。 ^[1] 

因此，要想得到某一地區某一時段的風切變指數的準確值，只能根據當地的實測風速數據計算得到。然而，由於實測風速數據的複雜性，利用實測數據計算風切變指數的方法有很多，不同方法計算得出的風切變指數的值不盡相同，最終將影響到對風資源的評估結果和風電場的經濟效益。 ^[1] 

風切變是由於不同高度的風速不同而造成的，風切變指數大小反映風速隨高度變化的程度，風切變與地表粗糙度、地形、温度、風速大小和風向等因素有關係。 ^[3] 

由於地表對來流的邊界層影響較大，粗糙度較大的地表粘滯效應較大，邊界層較厚，能夠影響到較高的地方。粗糙度小的地表粘滯效應較小，邊界層較薄，能夠影響到的高度較低。因此粗糙度小的地方，風切變指數較小，粗糙度大的地方，風切變指數較大。 ^[3] 

山地起伏較大，但氣流沒有像海邊那樣的地表起伏突變，地形起伏幅度較大使得風速隨高度變化較大，因此風切變也相對較大。丘陵地區地形起伏比山地小，氣流受到抬升和擠壓的效應沒有山地明顯，故而風切變相對山地較小。平坦地形，地形幾乎無波動，氣流受地形影響較少，各不同高層的風相互穿插流動較少，風速在不同高度的分佈較穩定，故風切變值較小。 ^[3] 

風切變指數和温度呈嚴格相反方向變動。在一日之內，風切變指數大小和温度高低呈相反方向變動，即，當温度較低時，風切變指數較大，而温度較高時，風切變指數較小。白天温度較高，風切變較小，晚上温度較低，風切變較大。夜晚地面温度降低，冷空氣密度較大，沉降到地面附近，氣流流動較小；上層空氣密度較小，氣流流動相對大。上下空氣流動速度相差較大，因此晚上風切變較大。白天，太陽照射地面，使得地面温度升高，上下空氣流動較為活躍，流動速度相差較小，因此白天風切變較小。 ^[3] 

在風速較小的情況下，地面的粘滯作用並不明顯，上下風速都很小，而且相差不多，故而風切變不大。當風速增大後，上層風速較大，但是地面的粘滯效應較為明顯，上下風速相差較大，風切變增大。當風速繼續增大後，地面的粘滯效應相對風速本身已經作用不大，上下層風速相差不大，所以風切變減小。 ^[3] 

在主導風向處，風切變一般很小。因為多數強風均發生在主導風向，可以看出，大風速風切變相對小一些，而非主導風向風速小風和中等風較多，風切變相對大一些。 ^[3] 

目前，世界各國都將開發利用新能源和可再生能源放到國家能源發展的優先地位。在新能源中，風能利用技術與風電開發發展迅速，風力發電的前提是風電場的開發建設。在風電場可行性研究中需要確定風電場的裝機容量和風力發電機組選型及佈置，而確定風電場風力發電機組選型及其安裝高度的一個重要依據就是風切變指數。 ^[1] 

風切變指數是非常重要的參數，在估算風力發電機組發電量時，需要推算出輪轂高度的風況，按照《風電場風能資源評估方法（GB/T18710–2002）》，可以根據風切變指數和儀器安裝高度測得的風速推算出來近地層任意高度的風速。因此，風切變指數的準確與否直接影響了推算風機輪轂高度的風況，進而影響到風力發電機組的選型和發電量的估算，最終影響到風電場經濟效益的評估。 ^[1]