一 概述

上海市东濒东海，南临杭州湾，西接江苏、浙江两省，北界长江入海口，为坦荡低平的长江三角洲冲积平原的一部分。江海岸线总长450千米，其中大陆岸线172.31千米，岛屿岸线277.35千米。主要岛屿有崇明、长兴、横沙等。

本文主要是对上海海上风资源分布及其特点的分析，同时本课题的研究方法和技术手段可为其他沿海地区的风能资源评估工作提供借鉴。由于上海海域主要与浙江省相邻，根据大尺度模型计算的特点，本课题的研究范围包括上海市陆上、海上及东侧至洋山港近海区域。

二 海上低层风的风切变规律

一般情况下，在近地面层（摩擦层）内，由于摩擦力随高度增高而减少，所以风速随高度的升高而增大。风速垂直切变特征一般用风廓线来描述，近地面层的风廓线形状主要取决于下垫面的粗糙度和近地面层空气的层结情况，下垫面愈粗糙，对气流的摩擦作用愈大，上下层风速差异增大；低层大气愈稳定，动量上下交换减弱，也使上下层风速差异增大。近海面上的风廓线，同样也取决于动力因子—海面波浪的状况、热力因子—大气层结状况。在陆地上，某一固定地点除非地表性质发生改变，它的下垫面粗糙度可设为常数，对于海洋，海面的粗糙度取决于不断变化与运动着的波浪，而波浪的状况又随风速、风向、海流等的不同而变化。因此，对于海面粗糙度的考虑，比陆地要复杂得多。但在实际应用上仍旧采用沿袭已久的指数律公式（或对数律公式），它们仅需要一个待定的参数，就可以将一个高度的风速推算到另一个高度的风速。特别在强风以上的情况下，大气一般处于中性层结状态，恰好能满足这个定律的理论上有关的要求。同时，也可将指数律推广到非中性大气，这时切变指数的大小不仅反映了下垫面的粗糙度，而且还反映着大气层结的性质。我国进行大量风速梯度观测表明，指数律优于对数律，适应的范围广泛，适用高度也较高。

图1 上海低层风切变线示意图

指数律风廓线的数学表达式为：

式中 V：风速，Z：高度，V₁：Z₁高度上的风速值，α：切变指数。

α值大小反映了风速随高度增加的快慢，α值大表示风速随高度增加得快，或者梯度大，反之，则表示风速随高度增加得慢，或者梯度小。本文采用海上测风塔6层不同高度的风速观测资料，以10米高度为基准点，计算10～70米、10～60米、10～50米、10～40米、10～25米等不同层次间每次观测值的切变指数。

（一）风切变指数年变化与日变化

风切变指数α值有较明显的年变化，秋季、冬季小，春季、夏季大，年较差达0.12，若以0.08为界的话，2月～7月相对较大，从8月至来年1月相对较小，见图2。其变化趋势与各月平均气温减水温的差值年变化趋势基本一致，秋冬季气—水温差大，易造成低层大气的不稳定，高层动量下传，上下层风速差异减小。与切变指数的年变化相比较，α值的日变化幅度较小，日较差仅0.03（见图3），一日之中，白天小于夜间。南汇海域的α值以7～14时最小，午夜前后最大；奉贤海域上午最小，傍晚前后最大。

图2 海上风速垂直切变指数的年变化

（二）各级风速与风切变指数的关系

海面粗糙状态及大气稳定度都直接与风速值的大小有密切关系。本报告先按观测的10米高度风速大小对资料进行分组，分别是：7级及以上风（≥13.9米/秒），6级风（10.8～13.8米/秒），5级风（8.0～10.7米/秒），4级风（5.5～7.9米/秒），1～3级风（1.0～5.4米/秒）等5组。每组以10米高度为基准点，计算10～70米、10～60米、10～50米、10～40米、10～25米等不同层次间每次观测值的切变指数，然后统计它们的平均值（平均状况）和标准差（波动状况）（见图4）。

图3 海上风速垂直切变指数的日变化

可见，不同高度间切变指数变化基本相似，随着风速的增大，切变指数α先是呈指数式下降，当风速较小时，40米以下高度间的α值比40米高度以上的偏小，这是因为小风时，低层大气乱流交换偏弱，高层动量不易下传。当海上风速达到6级以上时，海浪的增大引起了海面粗糙度较大的改变，对海上低层风速阻尼较大，与高层风速差异增大，海上风速随高度变化的风廓线形状有所改变。

同时考察α与其平均值的偏离程度，若偏离程度小，表示计算得到的α值比较稳定，波动小。统计发现，当风速为小风时，切变指数的计算值波动相当大，稳定性