1、教學(xué)課題風(fēng)的測量課題類型新授課時安排2上課時間2013年3月21日教學(xué)目標(biāo)1.理解并掌握風(fēng)的形成及其特點(diǎn)；2.會就風(fēng)能資源進(jìn)行相關(guān)計(jì)算；3.理解并掌握風(fēng)向及風(fēng)速測量設(shè)備原理。教學(xué)重點(diǎn)風(fēng)能資源的計(jì)算教學(xué)難點(diǎn)風(fēng)能資源的計(jì)算輔助資源復(fù)習(xí)引入教學(xué)手段教學(xué)過程師生互動活動設(shè)計(jì) 一、風(fēng)的形成空氣流動現(xiàn)象稱為風(fēng)， 一般指空氣相對地面的水平運(yùn)動。盡管大氣運(yùn)動是很復(fù)雜的， 但大氣運(yùn)動始終遵循著大氣動力學(xué)和熱力學(xué)變化的規(guī)律。1. 大氣環(huán)流風(fēng)的形成是空氣流動的結(jié)果?？諝饬鲃拥脑蚴堑厍蚶@太陽運(yùn)轉(zhuǎn)， 由于日地距離和方位不同， 地球上各緯度所接受的太陽輻射強(qiáng)度也就各異。在赤道和低緯地區(qū)比極地和高緯地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度強(qiáng)，

2、地面和大氣接受的熱量多， 因而溫度高。這種溫差形成了南北間的氣壓梯度， 在北半球等壓面向北傾斜， 空氣向北流動。由于地球自轉(zhuǎn)形成的地轉(zhuǎn)偏向力的存在， 這種力就叫作科里奧利力， 簡稱偏向力或科氏力。在此力的作用下， 在北半球， 使氣流向右偏轉(zhuǎn)， 在南半球使氣流向左偏轉(zhuǎn)。所以， 地球大氣的運(yùn)動， 除受到氣壓梯度力的作用外， 還受地轉(zhuǎn)偏向力的影響。地轉(zhuǎn)偏向力在赤道為零， 隨著緯度的增高而增大， 在極地達(dá)到最大。當(dāng)空氣由赤道兩側(cè)上升向極地流動時， 開始因地轉(zhuǎn)偏向力很小， 空氣基本受氣壓梯度力影響， 在北半球， 由南向北流動， 隨著緯度的增加， 地轉(zhuǎn)偏向力逐漸加大， 空氣運(yùn)動也就逐漸地向右偏轉(zhuǎn)， 也就是

3、逐漸轉(zhuǎn)向東方。在緯度 附近， 偏角到達(dá) ， 地轉(zhuǎn)偏向力與氣壓梯度力相當(dāng)， 空氣運(yùn)動方向與緯圈平行， 所以在緯度 附近上空， 赤道來的氣流受到阻塞而聚積， 氣流下沉， 形成這一地區(qū)地面氣壓升高， 就是所謂的副熱帶高壓。副熱帶高壓下沉氣流分為兩支， 一支從副熱帶高壓向南流動， 指向赤道。在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下， 北半球吹東北風(fēng)， 南半球吹東南風(fēng)， 風(fēng)速穩(wěn)定且不大，這是所謂的信風(fēng)， 所以在南北緯之間的地帶稱為信風(fēng)帶。這一支氣流補(bǔ)充了赤道上升氣流，構(gòu)成了一個閉合的環(huán)流圈， 稱此為哈德來環(huán)流， 也叫做正環(huán)流圈。此環(huán)流圈南面上升， 北面下沉。另一支從副熱帶高壓向北流動的氣流， 在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下， 北半球

4、吹西風(fēng)， 且風(fēng)速較大， 這就是所謂的西風(fēng)帶。在 附近處， 西風(fēng)帶遇到了由極地向南流來的冷空氣， 被迫沿冷空氣上面爬升， 在地面出現(xiàn)一個副極地低壓帶。副極地低壓帶的上升氣流， 到了高空又分成兩股， 一股向南， 一股向北。向南的一股氣流在副熱帶地區(qū)下沉， 構(gòu)成一個中緯度閉合圈， 正好與哈德來環(huán)流流向相反， 此環(huán)流圈北面上升、 南面下沉， 所以叫反環(huán)流圈， 也稱費(fèi)雷爾環(huán)流圈； 向北的一股氣流， 從上升到達(dá)極地后冷卻下沉， 形成極地高壓帶， 這股氣流補(bǔ)償了地面流向副極地帶的氣流，而且形成了一個閉合圈， 此環(huán)流圈南面上升、 北面下沉與哈德來環(huán)流流向類似的環(huán)流圈，因此也叫正環(huán)流。在北半球， 此氣流由北向南

5、， 受地轉(zhuǎn)偏向力的作用， 吹偏東風(fēng)， 在之間， 形成了極地東風(fēng)帶。綜合上述， 在地球上由于地球表面受熱不均， 引起大氣層中空氣壓力不均衡， 因此，形成地面與高空的大氣環(huán)流。各環(huán)流圈伸屈的高度， 以熱帶最高， 中緯度次之， 極地最低， 這主要由于地球表面增熱程度隨緯度增高而降低的緣故。這種環(huán)流在地球自轉(zhuǎn)偏向力的作用下， 形成了赤道到緯度 環(huán)流圈 （哈德來環(huán)流） 、 環(huán)流圈和緯度環(huán)流圈， 這便是著名的 “三圈環(huán)流” ， 如圖1 所示。 圖 1三圈環(huán)流示意圖當(dāng)然， 所謂 “三圈環(huán)流” 乃是一種理論的環(huán)流模型。由于地球上海陸分布不均勻， 因此， 實(shí)際的環(huán)流比上述情況要復(fù)雜得多。2.季風(fēng)環(huán)流（1） 季風(fēng)

6、定義在一個大范圍地區(qū)內(nèi)， 它的盛行風(fēng)向或氣壓系統(tǒng)有明顯的季節(jié)變化， 這種在年內(nèi)隨著季節(jié)不同， 有規(guī)律轉(zhuǎn)變風(fēng)向的風(fēng)， 稱為季風(fēng)。季風(fēng)盛行地區(qū)的氣候又稱季風(fēng)氣候。全球明顯季風(fēng)區(qū)主要在亞洲的東部和南部， 東非的索馬里和西非幾內(nèi)亞。季風(fēng)區(qū)有澳大利亞的北部和東南部， 北美的東南岸和南美的巴西東岸等地。亞洲東部的季風(fēng)主要包括我國的東部， 朝鮮、 日本等地區(qū)； 亞洲南部的季風(fēng)， 以印度半島最為顯著， 這是世界聞名的印度季風(fēng)。（2） 我國季風(fēng)環(huán)流的形成我國位于亞洲的東南部， 所以東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)對我國天氣氣候變化都有很大影響。形成我國季風(fēng)環(huán)流的因素很多， 主要由于海陸差異， 行星風(fēng)帶的季節(jié)轉(zhuǎn)換以及地形特征等

7、。 海陸分布對我國季風(fēng)的作用海洋的熱容量比陸地大得多 冬季 陸地比海洋冷， 大陸氣壓高于海洋 ，氣壓梯度力自大陸指向海洋， 風(fēng)從大陸吹向海洋 ，夏季則相反 ，陸地很快變暖 海洋相對較冷， 陸地氣壓低于海洋 ，氣壓梯度力由海洋指向大陸， 風(fēng)從海洋吹向大陸。 如圖2所示 圖2 海陸熱力差異引起的季風(fēng)示意圖a冬季b 夏季我國東臨太平洋， 南臨印度洋 ，冬夏的海陸溫差大， 所以季風(fēng)明顯。行星風(fēng)帶位置的季節(jié)轉(zhuǎn)換對我國季風(fēng)的作用；我國主要在西風(fēng)帶影響下 ，強(qiáng)大的西伯利亞高壓籠罩著全國 ，盛行偏北氣流夏季西風(fēng)帶北移， 我國在大陸熱低壓控制之下， 副熱帶高壓也北移 ，盛行偏南風(fēng)。青藏高原對我國季風(fēng)的作用；青藏

8、高原占我國陸地的較大， 平均海拔在較高， 對應(yīng)于周圍地區(qū)具有熱力作用 在冬季， 高原上溫度較低， 周圍大氣溫度較高 ，這樣形成下沉氣流 從而加強(qiáng)了地面高壓系統(tǒng) ，使冬季風(fēng)增強(qiáng) 。在夏季， 高原相對于周圍自由大氣是一個熱源 加強(qiáng)了高原周圍地區(qū)的低區(qū)系統(tǒng) ，使夏季風(fēng)得到加強(qiáng) ，另外， 在夏季西南季風(fēng)由孟加拉灣向北推進(jìn)時 ，沿著青藏高原東部的南北走向的橫斷山脈流向我國的西南地區(qū)。3.局地環(huán)流海陸風(fēng)海陸風(fēng)的形成與季風(fēng)相同 ，也是大陸與海洋之間的溫度差異的轉(zhuǎn)變引起的， 不過海陸風(fēng)的范圍小 ，以日為周期 ，勢力也薄弱由于海陸物理屬性的差異 ，造成海陸受熱不均 ，白天陸上增溫較海洋快， 空氣上升而海洋上空氣

9、溫度相對較低， 使地面有風(fēng)自海洋吹向大陸 補(bǔ)充大陸地區(qū)上升氣流， 而陸上的上升氣流流向海洋上空而下沉， 補(bǔ)充海上吹向大陸氣流 形成一個完整的熱力環(huán)流夜間環(huán)流的方向正好相反 ，所以風(fēng)從陸地吹向海洋 ，將這種白天風(fēng)從海洋吹向大陸稱海風(fēng)， 夜間風(fēng)從陸地吹向海洋稱陸風(fēng)， 所以 將在這種海陸之間的周期性環(huán)流總稱為海陸風(fēng)。 見圖3 圖3 海陸風(fēng)形示意圖此外， 在大湖附近同樣日間有風(fēng)自湖面吹向陸地稱為湖風(fēng) ，夜間自陸地吹向湖面稱為陸風(fēng) 合稱湖陸風(fēng)。山谷風(fēng)山谷風(fēng)的形成原理跟海陸風(fēng)是類似的， 白天， 山坡接受太陽光熱較多， 空氣增溫較多 而山谷上空， 同高度上的空氣因離地較遠(yuǎn) ，增溫較少， 于是山坡上的暖空氣不

10、斷上升 ，并從山坡上空流向谷地上空 ，谷底的空氣則沿山坡向山頂補(bǔ)充， 這樣便在山坡與山谷之間形成一個熱力環(huán)流 ，下層風(fēng)由谷底吹向山坡， 稱為谷風(fēng)。到了夜間， 山坡上的空氣受山坡輻射冷卻影響， 空氣降溫較多， 而谷地上空， 同高度的空氣因離地面較遠(yuǎn)， 降溫較少， 于是山坡上的冷空氣因密度大， 順山坡流入谷地， 谷底的空氣因匯合而上升， 并從上面向山頂上空流去， 形成與白天相反的熱力環(huán)流 ，下層風(fēng)由山坡吹向谷地， 稱為山風(fēng)。故將白天風(fēng)從山谷吹向山坡， 這種風(fēng)叫谷風(fēng)。 到夜間， 風(fēng)自山坡吹向山谷 ，這種風(fēng)稱山風(fēng)山風(fēng)和谷風(fēng)又總稱為山谷風(fēng)。 見圖4 圖4 山谷風(fēng)形成示意圖 a 白天 b 夜間4.風(fēng)力等級

11、（1）蒲福風(fēng)力等級（2）風(fēng)速與風(fēng)級的關(guān)系§ vN=0.1+0.824N1.505 N-風(fēng)級數(shù) vN-N級風(fēng)的平均風(fēng)速(米/秒)vNmax=0.2+0.824N1.505+0.5N0.56 vNmin=0.824N1.505-0.565.風(fēng)能資源的計(jì)算風(fēng)能資源在統(tǒng)計(jì)計(jì)算時 主要考慮風(fēng)況和風(fēng)功率密度（1） 風(fēng)況a.年平均風(fēng)速：年平均風(fēng)速是一年中各次觀測的風(fēng)速之和除以觀測次數(shù)， 它是最直觀簡單表示風(fēng)能大小的指標(biāo)之一。 b. 風(fēng)速年變化風(fēng)速年變化是風(fēng)速在一年內(nèi)的變化 ,可以看出一年中各月風(fēng)速的大小 。在我國一般是春季風(fēng)速大， 夏秋季風(fēng)速小 。這有利于風(fēng)電和水電互補(bǔ)， 也可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的檢

12、修時間安排在風(fēng)速最小的月份。 同時， 風(fēng)速年變化曲線與電網(wǎng)年負(fù)荷曲線對比， 若一致或接近的部分越多越理想c風(fēng)速日變化 風(fēng)速雖瞬息萬變 但如果把長年代的資料平均起來便會顯出一個趨勢 。一般說來， 風(fēng)速日變化有陸、 海兩種基本類型。 一是陸地白天午后風(fēng)速大， 夜間風(fēng)速小， 因?yàn)槲绾蟮孛孀顭幔?上下對流最旺， 高空大風(fēng)的動量下傳也最多。一是海洋上， 白天風(fēng)速小， 夜間風(fēng)速大， 這是由于白天大氣層的穩(wěn)定度大， 因?yàn)榘滋旌Ｃ嫔蠚鉁乇群馗咚隆ｏL(fēng)速日變化與電網(wǎng)的日負(fù)載曲線特性相一致時， 也是最好的。d 風(fēng)速隨高度變化 在近地層中， 風(fēng)速隨高度有顯著的變化。 e. 風(fēng)向玫瑰頻率圖 風(fēng)向玫瑰圖可以確定主導(dǎo)風(fēng)

13、向， 對于風(fēng)電場機(jī)組位置排列起到關(guān)鍵的作用， 因?yàn)闄C(jī)組排列是垂直于主導(dǎo)風(fēng)向的。 f.湍流強(qiáng)度 湍流是指風(fēng)速， 風(fēng)向及其垂直分量的迅速擾動或不規(guī)律性 ，是重要的風(fēng)況特征 ，湍流很大程度上取決于環(huán)境的粗糙度 ，地層穩(wěn)定性和障礙物。（2）風(fēng)功率密度 a.風(fēng)能。 b.風(fēng)功率密度。 二、風(fēng)向測量1.風(fēng)向測量儀器風(fēng)向標(biāo)是測量風(fēng)向的最通用的裝置，有單翼型、雙翼型和流線型等，風(fēng)向標(biāo)一般是由尾翼、指向桿、平衡錘及旋轉(zhuǎn)主軸4部分組成的首尾不對稱的平衡裝置，其重心在支撐軸的軸心上，整個風(fēng)向標(biāo)可以繞垂直軸自由擺動，在風(fēng)的動壓力作用下取得指向風(fēng)的來向的一個平衡位置，即為風(fēng)向的指示。傳送和指示風(fēng)向標(biāo)所在方位的方法很多，有

14、電觸點(diǎn)盤、 環(huán)形電位、自整角機(jī)和光電碼盤4種類型，其中最常用的是碼盤。風(fēng)向桿的安裝方位指向正南，風(fēng)速儀（風(fēng)速和風(fēng)向）一般安裝在離地10m的高度上。2.風(fēng)向表示風(fēng)向表示風(fēng)向一般用16個方位表示 即北東北（NNE）、東北（NE）、東東北（ENE）、 東（E）、東東南（ESE）、東南（SE）、南東南（SSE）、南(S)、南西南（SSW）、西南（SW）、西西南（WSW）、西（W）、西西北（WNW）、西北（NW）、北西北(NNW)、 北(N) 。 也可以用角度來表示，以正北基準(zhǔn)，順時針方向旋轉(zhuǎn)，東風(fēng)為900，南風(fēng)為1800，西風(fēng)為2700，北風(fēng)為3600。3.風(fēng)速測量 （1） 風(fēng)速計(jì)旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì) 它的感應(yīng)部分是一個固定轉(zhuǎn)軸上的感應(yīng)風(fēng)的組件，常