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常有人說“風電的錢是大風刮來的”，“出生決定一生”也是業內最常強調的，可見風對本行業有多重要，而平價時代的到來更是將風資源的測量和評價重要程度推上了新高度。在當下公司總動員、全員群策群力搶項目的時節，對“風”有一個較為清晰的認識是有必要的，能夠讓大家更清醒務實地開展工作。下面，主要從風的形成、風的測量、風資源評估基本要素這三塊兒來介紹。
簡單來講，風的形成是由于太陽的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，空氣沿水平方向運動便形成風。高壓區密度較大且較重的氣體流向氣體密度較小而且較輕的低壓區，直到空氣壓力平衡為止，壓力差越大，風力就越強。換言之，就是空氣是在力的作用下產生的。風既然是在力的作用下產生的，就要看看到底是哪些力在發揮作用。作用于空氣的力很多種：重力、氣壓梯度力、摩擦力、科里奧利力、慣性離心力等。其中重力、氣壓梯度力、摩擦力是真實的力；科里奧利力、慣性離心力是“視示力”，是虛擬的力，是地球旋轉效應的反映，不是由物體之間相互作用產生的力。這些力的性質各不相同，對大氣運動產生的作用也不一樣。氣壓梯度是一個垂直于等壓面的向量，由高壓指向低壓，數值等于單位距離內的氣壓差，單位通常用“hPa/赤道度”表示（1赤道度等于在赤道上經度相差1°間的距離，約為111km）。水平氣壓梯度很小，一般為1 ~3hPa/赤道度。垂直氣壓梯度在低層大氣相當于水平氣壓梯度的十萬倍，但因為有重力與其平衡，故總垂直分力并不大，作用不如水平氣壓梯度力明顯。水平氣壓梯度雖小，卻是推動空氣運動的起始動力，是空氣產生水平運動的直接原因和動力。由于地球自轉形成的偏轉力被稱為科里奧利力，是虛擬的力。氣象上一般也將科里奧利力稱之為地轉偏向力，但二者還是略有區別。地轉偏向力有助于解釋一些地理現象，比如在北半球運動的物體（如氣流）有向右偏轉的趨勢，因此，北半球東西走向的河流，流向的右側通常多峭壁，左側則多平緩河岸。南半球反之。地轉偏向力只在空氣相對于地表有運動時才產生，并且只改變空氣運動的方向（風向），而不改變空氣的運動速率（風速）。當空氣作圓周曲線運動時還受到慣性離心力的作用。它的方向和空氣運動方向垂直。空氣運動時受到的慣性離心力一般很小，和地轉偏向力一樣，只改變空氣運動的方向，不改變空氣運動的速度。大氣運動中受到的摩擦力一般指外摩擦力，是空氣貼近下墊面運動時，下墊面對空氣運動的阻力。它的方向與空氣運動方向相反。一般海洋上摩擦力小，陸地上摩擦力大，所以海上風大，陸上風小。摩擦力可減小空氣運動的速度，并引起地轉偏向力減小。摩擦力對運動空氣的影響以近地面最為顯著，隨著高度的增加而逐漸減小，到1~2km高度以上，摩擦力的影響已小到可忽略不計。因此，通常將這個高度以下稱為摩擦層，以上稱為自由大氣。地球物體都受到地球引力的作用。單位質量空氣受到的重力為g，方向向下，指向地心。一般來說，水平氣壓梯度力是空氣產生運動的原動力，其他力是在空氣運動開始后才起作用的，而且所起的作用視具體情況而不同。水平地轉偏向力對中高緯度或大尺度的空氣運動影響較大，而對低緯地區特別是赤道附近的空氣運動影響甚小。慣性離心力只在空氣作曲線運動時起作用。摩擦力只在摩擦層中起作用，對自由大氣中的空氣運動可以忽略不計。地轉偏向力、慣性離心力和摩擦力雖然不能驅動大氣運動，但卻能影響大氣運動的方向和速度。
根據尺度不同可以將空氣運動過程分為大氣環流和局地環流，局地環流是中、小尺度的區域性環流，是由下墊面性質的不均勻性、地形起伏、坡向差異等局地的熱力和動力因素所引起；局地環流是與風電開發的關系更為密切的。地球表面上大規模的空氣流動，形成全球的環流系統，水平尺度在幾千公里以上、垂直尺度在10公里以上、時間尺度在1~2日以上。與較小規模的海洋環流一起重新分配熱量和水汽。我們將這種全球范圍內的大尺度大氣運行的基本狀況稱為大氣環流，通常用三圈環流理論模型來解釋。由于地球上海陸分布不均勻，實際環流遠比三圈環流模型復雜得多。三圈環流分為低緯環流、中緯環流和高緯環流（以北半球為例）。赤道地區溫度高，形成上升暖氣流。上升氣流在氣壓梯度力作用下，由赤道上空向北流向北極上空；受地轉偏向力影響，由南風逐漸右偏成為西南風。這樣，來自赤道上空的氣流不再繼續北流，而是在北緯30°附近上空堆積，產生下沉氣流，致使近地面氣壓升高，形成副熱帶高氣壓帶。在近地面，在氣壓梯度力作用下大氣由副熱帶高氣壓帶向南北流出。向南的支流向赤道低壓帶，在地轉偏向力影響下，由北風逐漸右偏成東北風，稱為東北信風。東北信風在赤道附近上升。這樣，在赤道和副熱帶之間便形成了低緯度環流圈。在近地面，從副熱帶高氣壓帶向北流的一支氣流，在地轉偏向力作用下逐漸右偏成西南風，稱為盛行西風。從極地高氣壓帶向南流的氣流，在地轉偏向力作用下逐漸右偏成東北風，稱為極地東風。較暖的盛行西風與寒冷的極地東風在北緯60°附近相遇形成鋒面，稱為極鋒。暖輕的氣流爬升到冷而重的氣流上面，形成副極地上升氣流。
圖1-三圈環流示意圖
上升的氣流到高空后，又分別流向南北。向南的一支氣流在副熱帶地區下沉，于是在副熱帶地區與副極地地區之間構成了中緯度環流圈。向北的一支氣流在北極地區下沉，于是在副極地與極地之間構成了高緯度環流圈。
圖2-海陸風示意圖
由于陸地和海洋的熱力差異，白天，陸地由于太陽輻射引起的溫升比海水快，氣流上升，陸地近地面形成低氣壓，風由海面吹向陸地；夜晚降臨，由于陸地氣溫降低快，會有一段時間海陸氣溫接近，形成無風時段；到夜間，重新形成與白天情況相反的氣壓差，風由陸地吹向海面，由于這時的海陸溫差較小，風力不大。另外，大陸和海洋熱容量不同造成風向隨季節的變化形成季風。我國是典型季風氣候國家，受東亞季風和南亞季風的影響，其中影響我國東部的東亞季風，冬季風較夏季風強，南亞季風則相反。白天，山坡接受太陽光熱較多，成為一只小小的“加熱爐”，空氣增溫較多；而山谷上空，同高度上的空氣因離地較遠，增溫較少。于是山坡上的暖空氣不斷上升，在水平氣壓梯度力的作用下，上空空氣由山坡水平流向山谷，然后下沉至低層，又由谷地向山坡流動再沿山坡上升，遂形成低層由谷地吹向山坡的谷風和谷風環流。到了夜間，山坡上的空氣受山坡輻射冷卻影響，“加熱爐”變成了“冷卻器”，空氣降溫較多；而谷地上空，同高度的空氣因離地面較遠，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流。下層風由山坡吹向谷地，稱為山風。
圖3-山谷風示意圖
闊地帶流入峽谷時，空氣密度被壓縮，風速便增大，空氣會加速流過峽谷。當流出峽谷時，空氣流速又會減緩。這種峽谷地形對氣流的影響，稱為“峽谷效應”。由峽谷效應而增大的風，通常稱為峽谷風或穿堂風。
圖4-“狹管效應”示意圖
從形成原因來看，一類是峽谷地形，自然的峽谷地形可對風速產生影響，引發“狹管效應”。例如：我國新疆的阿拉山口風區就是明顯的“狹管效應”。阿拉山口是我國典型的風口之一，位于新疆博爾塔拉蒙古自治州東北部，是阿拉套山和巴爾克魯山之間狹長的朗庫里谷地，長約90km，寬20km。是新疆的九大風區之一，風能資源優良。
圖5-新疆阿拉山口風區示意圖
另一類是高層建筑引起“狹管效應”，就像峽谷里的風總比平原風猛烈一樣，城市高樓間的狹窄地帶風力也特強，易造成災害。一些樓間窄地的瞬間風力就大大超過七級，以至于行駛的汽車都會打晃。城市“峽谷風”是各大城市面臨的新問題，有關國際組織已將其列入大都市面臨的20種新的城市災害中。
風電場測風是風能資源開發的一個重要環節，也是風能資源開發的前提和基礎，它對風電場的設計、建設具有重大影響，做好風電場的測風對于風能開發具有重要的意義。風電行業以前測風塔多由氣象、環保部門建造，用于大氣觀測和大氣環境監測。伴隨著我國風電的快速擴張，我國政府、新能源企業等開始投資建立測風塔，以保證風電場投資建設獲取第一手風能資料。近些年隨著全球對風能資源的普遍關注和風力發電行業的高質量發展，雷達測風、虛擬測風等一些設備和技術也逐漸普及。目前使用的風電場測風設備主要有：測風塔、激光雷達測風儀、聲波雷達測風儀等；主要用于陸地和海上測風。如下圖所示：
目前在陸上風電和灘涂地區的風電開發項目，較為常用的是桁架式結構和圓筒式結構測風塔，此類測風塔安裝較為簡便,可以不使用大型安裝設備,以下主要介紹此類測風塔的結構及性能。風資源測量的主要風資源參數包括：風速、風向、溫度、氣壓和濕度。所采用的測量儀器包括：風速計、風向標、溫度計、氣壓計和濕度計等。
測風塔的組成包括：塔底座、橫桿、斜桿、風速儀支架、避雷針、拉線、測風軟件以及風杯、風向標等傳感器。測風塔架設在風電場場址內，多為桁架式結構和圓筒式結構，采用鋼絞線斜拉加固方式，高度一般不低于擬安裝風機的輪轂高度。在塔體不同高度處安裝有風速計、風向標以及溫度、氣壓等監測設備。全天候不間斷地對場址風力情況進行觀測，測量數據被記錄并存儲于安裝在塔體上的數據記錄儀中。測風塔應具備結構安全、穩定、輕便，易于運輸、安裝及維護，風振動小，塔影影響小及防腐、防雷電等特點，測風塔應能抗擊當地最大陣風沖擊以及10~20年一遇的自然災害（如暴雨、洪水、泥石流、凝凍結冰等）。對于有結冰凝凍氣候現象的風電場，在測風塔設計、制作時應予以特別考慮。測風塔的形式可根據風電場的自然條件和交通運輸條件，選用桁架形拉線塔、圓筒形拉線塔、桁架形自立塔中的一種，以滿足測風要求為原則。測風塔的接地電阻應盡量滿足規范要求（小于4?），若接地確有困難，,應盡可能采用降阻劑等措施降低接地電阻；對于多雷暴地區，測風塔的接地電阻應引起高度重視。測風塔中安裝的測風設備包括：風速計、風向標、測風軟件、溫度計、氣壓計和濕度計等。風速的測量儀器有旋轉式風速計、散熱式風速計、聲學風速計、超聲波風速傳感器等，風電場通常使用的絕大多數是旋轉式風速計。旋轉式風速計包括風杯風速計和旋槳式風速計。風杯風速計由3個或4個半球形或拋物錐形的空心殼組成。杯形風速計固定在互成120°角的三叉形支架上或互成90°角的十字形支架上，杯的凹面都順向一個方向。整個橫臂則固定在一根垂直旋轉軸上，在風力的作用下，風杯繞軸以正比于風速的轉速旋轉。另一種旋轉式風速計為旋槳式風速計，由一個三葉或四葉螺旋槳組成感應部分，將其安裝在一個風向標的前端，使它隨時對準風的來向。槳葉繞水平軸以正比于風速的轉速旋轉。風速計安裝在測風塔已確定的各個高度上。為減小測風塔的"塔影效應"對風速測量的影響，風速計應固定在由測風塔塔身水平伸出的牢固支架上，應與塔體保持一定的距離：桁架式結構測風塔為塔架平面尺寸的3倍以上、圓管型結構測風塔為塔架直徑的6倍以上，固定風速計的支架應進行水平校正。安裝風速計的支架與測風區主風方向的夾角控制在30~90°。此外，散熱式風速計利用一個被加熱物體的散熱速率與周圍空氣的流速有關，這種特性可以用來測量風速，但它主要用于測量小風速。聲學風速計沒有轉動部件，響應快，能測定沿任何指定方向的風速分量，但造價太高。一般測量風速還是使用旋轉式風速計。
風向標是測量風向的最通用裝置，有單翼型、雙翼型和流線型等，風向標一般是由尾翼、指向桿、平衡錘及旋轉主軸四部分組成的首尾不對稱平衡裝置。其重心在支撐軸的軸心上，整個風向標可以繞垂直軸自由擺動。風向標安裝在測風塔已確定的高度上。應固定在桁架式結構測風塔直徑的3倍以上、圓管型結構測風塔直徑的6倍以上的牢固橫梁處，迎主風向安裝（橫梁與主風向呈90°），并進行水平校正。此外，風向標應根據當地磁偏角修正，按實際“北”方向安裝。風向的表示一般用16個方位表示，即為北北東（NNE）、東北（NE）、東北東（ENE）、東（E）、東南東（ESE）、東南（SE）、南南東（SSE）、南（S）、南南西（SSW）、西南（SW）、西南西（WSW）、西（W）、西北西（WNW）、西北（NW）、北北西（NNW）、北（Ｎ）靜風即為（Ｃ）。風向也可以用角度來表示，以正北為基準，順時針方向旋轉，東風為90°，南風為180°，西風為270°，北風為360°。如圖4所示。
測風軟件主要作用是將測風塔所測風速、風向、溫度和大氣壓力等各項指標通過傳感器以數據形式記錄下來,以便風資源工程師對風資源數據進行后續分析。目前我國所用測風塔測風軟件主要為：NRG軟件、NOMAD軟件、Second-wind軟件和我國氣象部門自主研發的測風軟件等。
測風塔一般應至少布置3層的風速觀測裝置，同時要布置風向、溫度、氣壓、濕度等氣象要素觀測以滿足今后風能資源評估和設計的有關要求。例如:對于100m高的測風塔，風速觀測設置為7層，一般在30m、50m、70m、80m、90m、100m（2套）高度設置。測風塔的風向觀測布置，一般布置兩層，分別位于測風塔底層高度和頂層高度。對于特殊情況的風電場（如植被較高等）可適當調整或增加風向觀測裝置。其他設備如溫度計、氣壓計和濕度計等一般安裝在測風塔5至10m高度的設備箱中。目前風電場測風數據的收集、傳輸一般采用自動方式，同時還可以遠程監控。因此，在風電場測風運行期間，應隨時注意測風數據、測風設備運行、數據傳輸是否正常，一旦發現異常，應及時進行處理。除了進行遠程監控外，還應定期或不定期到測風現場對儀器設備進行檢查，從測風記錄存儲卡上收集原始測風數據。按照規范要求，風電場前期測風一般要持續1年以上，因此最好每個月對測風數據進行初步的整理分析，主要對測風數據完整性、合理性、平均風速、平均風功率密度、風向分布等進行統計分析，發現測風過程中存在的問題，及時提出解決的方法和建議。所選測風塔安裝地點應在風電場中具有代表性，并且周圍比較開闊；附近應無高的建筑物等障礙物，與單個障礙物距離應大于障礙物的3倍，與成排障礙物距離應保持在障礙物最大高度的10倍以上。測風塔安裝的數量應依風電場的地形復雜程度而定，對于地形較平坦的風電場，可選擇在場址中央選擇有代表性的位置建立1-2基測風塔；對于地形復雜的風電場，測風塔的數量應根據地形的復雜程度適當增加。
建設風電場最基本的條件是要有能量豐富、風向穩定的風能資源。對風電場風能資源的評估是整個風電場建設、運行的重要環節，是風電項目的根本，也是風電場建設取得良好經濟效益的關鍵。現有的風能資源評估的技術手段有3種：基于氣象站歷史觀測資料的評估、基于測風塔觀測資料的評估和風能資源評估的數值模擬。
風電場風能資源評估的主要內容有空氣密度、風切變、湍流強度、年日變化、風速頻率和風向等。通過對這些要素的分析，我們可以對風電場的風能資源情況有一個了解和判斷。為風機選型和電量等后續工作做好準備工作。
只有了解了一個風電場的風資源情況，我們才能去行評估它的可利用價值，為項目的評估和建設提供一個前提依據，最終通過經濟評價來確定一個風電項目的可行性。
風資源分析的依據，來源于測風塔的實測數據。根據《風電場風能資源測量方法》GB/T18709-2002標準中的相關規定，風速數據現場采集的完整率大于98%。通過對數據完整性和合理性的檢驗，對不合理數據進行分析判斷，整理出測風塔的連續一年的實測數據，根據GB/T18710-2002標準規定，需滿足風電場工程可行性研究報告編制辦法（發改能源[2005]899號）中的要求，最后得到有效數據完整率要大于等于90 %。密度是物質的一種特性，不隨質量和體積的變化而變化，只隨物態（溫度、壓強）變化而變化。在一定的溫度和壓力下,每立方米空氣所具有的質量就是空氣密度。（1）當測風塔具有氣溫、氣壓及濕度觀測時，按以下公式直接計算輪轂高度的空氣密度（kg/m3）：
式中：T 、P 、E 分別為氣溫（℃）、氣壓（hPa）及水汽壓（hPa）。
（2）當具有溫度和氣壓數據時，可以根據如下公式進行計算：
其中：P 為平均空氣密度（kg/m3），P為年平均氣壓（hPa），R為氣體常數（287J/kg.K），T為年平均空氣開氏溫標絕對溫度（℃＋273）。給定時間內瞬時風速的平均值，給定時間從幾秒到數年不等。
我們通常把空間兩點之間平均風矢量的差異，即在同一高度或不同高度短距離內風向和風速的變化稱為風切變。從風場情況來看，風切變主要可由以下三種基本情況來表示：（1）水平風的垂直切變。這是指水平風在垂直方向上兩個不同高度點之間的風向和風速的變化。（2）水平風的水平切變。這是指水平風在水平方向上兩個不同距離點之間的風向和風速的變化。（3吊車配件）垂直風的切變。這是指上升或下降氣流(垂直風)在水平方向(或航跡方向)上的變化。產生風切變的原因主要有兩大類，一類是大氣運動本身的變化所造成的；另一類則是地理、環境因素所造成的。有時是兩者綜合而成。我們通常關注的是水平風的垂直切變。即風在垂直于風向平面內的變化。它反映了風速隨高度的變化趨勢。
式中，
分別為高度
，的風速，α為風切變指數，其值與地面粗糙度有關。風切變指數對于風電機組的設計非常重要，同一臺風力發電機組在不同的高度，獲得的風能是不同的。例如，一個測風塔分別在60m和80m處測得年均風速為6.8m/s和7.3m/s，輪轂高度為120m，由公式可以求出吊車出租風切變為：
如果認為80m與120m之間的風切變保持不變，則可按如下方法計算120m高度處風速。令=80m，=120m，則=7.3m/s，得到：
湍流是描述風速隨時間和空間變化的強度指標。根據IEC標準規定，風電場湍流強度是指10分鐘內風速隨機變化幅度大小，是10分鐘平均風速的標準偏差與同期平均風速的比率，是風機安全等級分級的重要參數之一。湍流強度是標準風速偏差與平均風速的比率。它是衡量湍流強弱的相對指標。湍流強度是描述風速隨時間和空間變化的程度，反映脈動風速的相對強度，是描述大氣湍流運動特性的最重要的特征量。環境湍流強度計算公式為：
眾所周知，位于下風向的風電機組將受到來自上風向風電機組尾流的影響。尾流影響不僅降低了下風向風機的出力水平，而且增加了下風向風機的湍流強度。因此，確定風電機組湍流強度等級不僅取決于環境湍流強度，更應考慮因為風機尾流產出的湍流強度。風電場中風機承受的有效湍流強度由環境湍流強度和因為風電機組彼此之間尾流產生的湍流強度兩部分組成。方法一：極值Ⅰ型估算50 年一遇最大10分鐘平均風速。風速的年最大值x采用極值I型的概率分布，其分布函數為：
式中，u —分布的位置參數，即分布的眾值；α—分布的尺度參數。分布的參數與均值μ和標準差σ的關系按下式確定：
其中，Vi為連續n個年最大風速樣本序列
，系數c1和c2見下表：
方法二：以五日最大風速取樣法估算不同高度50年一遇最大10分鐘平均風速風電場風資源評價要求有連續一整年的場內實測風數據，用此測風序列逐日選取不同高度上的五日最大10分鐘平均風速樣本，用于估算50年一遇的最大10分鐘平均風速。
方法三：用歐洲風電機組標準Ⅱ的方法估算風電場50年一遇最大和極大風速。歐洲風電機組標準中建議：在中緯度地區，當威布爾（Weibull）分布的形狀參數1.77≤k<2.0時，
是適合的（其Vref是50 年一遇的最大10分鐘平均風速，Vave是年平均風速）；50 年一遇的極大3秒鐘平均風速一般是最大10min平均風速的1.4倍。風速與風功率密度年變化是指以年為基數發生的變化。風速年際變化是從第一年的1月到12月的月平均風速（或風功率密度）變化。由于我國屬于典型的季風氣候區，平均風速隨季節而變化，并且有明顯的年變化規律。平均風速的年變化、日變化規律取決于緯度和地貌特征。風功率密度的變化較其風速變化更進一步地反應了風電場風況特征，它蘊含了風速、風速分布和空氣密度的共同影響。下圖為我國某風電場的風速與風功率密度年變化圖。
風速與風功率密度日變化以日為基數發生的變化。某地氣象要素在一日內有規律的周期變化。例如氣壓日變化、溫度日變化、風速日變化等。它們體現了由于日夜更替所引起的周期性變化，而不包括因天氣形勢變化（例如氣團平流變化）所引起的非周期變化。下圖為我國某風電場的風速與風功率密度日變化圖。
風速頻率是在一個月或一年的周期中，某風速段內時間頻次占總時間數的百分比，風能頻率是該風速段內能量與總能量之比。通過風速頻率，可以了解風速的分布，選擇合適的機型，例如下圖所示，此風頻分布適合于中低速風速段出力較高的風力發電機組。也可以利用風速頻率和風力發電機組功率曲線直接估算風電場電量。
風向與風能玫瑰圖表示風速與風能在各方向內的頻率占比和能量占比。風向玫瑰圖是將某一段時間內風速觀測的次數，按方位分類統計，然后將每一方位的觀測次數，除以該段時間內觀測的總次數，再乘以100即得到各種風向的風向頻率。風能玫瑰圖是統計一段時間內，各方向內能量與總能量之比，
圖2-4 風向頻率玫瑰圖（左）和風能頻率玫瑰圖（右）通過風向玫瑰圖，可以了解到風電場的盛行風向，在排布時，垂直當地的盛行風向。了解當地的盛行風向對微觀選址具有重要的意義，可以避開盛行風向上的障礙物，當然，當地地形條件對風向的分布也具有決定作用。現我國一般陸上風電場的運行期為20年（風力發電機組運行壽命為20年；海上風電場運行多為25年）,為了保證我們評估的風能資源數據具有20年的代表性,所以要對風電場短期的風能資源數據（實測數據），結合附近有代表性的長期測站的觀測資料，將驗證后的風電場短期測風數據訂正為一套反映風場長期平均水平的代表性數據進行風資源分析,即為代表年數據。（1）對風電場測站與長期測站同期的各風向象限的風速進行相關分析，將測風塔10 m高度處的測風資料與氣象站同步實測的風速、風向數據進行16個風向扇區的相關分析，相關函數采用線性方程y=kx+b （y代表風電場風速，代表氣象站風速）。（2）根據氣象站測風年與所選長期系列風速差值，對每個風速相關曲線，在橫坐標軸上標明長期測站多年的年平均風速以及與風電場測站觀測同期的長期測站年平均風速，然后在縱坐標軸上找到對應的風場測站的兩個風速值，并求出這兩個風速值的代數差值。（3）風電場測站數據的各個風向象限內的每個風速都加上對應的風速代數差值，即可獲得訂正后的風電場代表年風速風向資料。▓來源：天源科創（文：項目開發部 叢明）
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