本发明专利技术涉及风能技术领域，具体涉及一种垂直风速变化特征研究方法及其装置。本发明专利技术利用深圳气象梯度塔观测数据，采用赫尔曼指数定律的垂直风速变化规律，其垂直方向的水平速度根据幂律变化，赫尔曼系数为基于表面类型、底层风速的恒定指数系数。为高楼设计最主要的玻璃幕墙围护结构的抗风设计提供了更准确的风力系数参考。采用该方法的装置也具有同样的技术效果。效果。效果。
【技术实现步骤摘要】
一种垂直风速变化特征研究方法及其装置
[0001]本专利技术涉及风能
，具体而言，涉及一种垂直风速变化特征研究方法及其装置。
技术介绍
[0002]幂指数定律是风工程中表达风速与地面高度之间关系的最常用方法之一。对于给定位置，风速随高度增加而增加的相关功率因数称为赫尔曼系数。国内外众多学者对其相关领域进行了研究分析。在1982年，Hsu等人发现，在美国维尔京群岛圣克罗伊岛平坦的南海岸，赫尔曼系数呈现从0.15到0.40的不稳定变化范围。由此可见，传统直接采用的赫尔曼系数值并不能有效用于辨别该地区垂直风速的变化特征，仍需要进一步分析和计算。Rehman等人在2007年使用沙特阿拉伯杜洛姆20m、30m和40m高度处测得的风速值来估算当地赫尔曼系数，计算结果为0.189。同时该研究发现赫尔曼系数有明显日变化趋势—夜间有最高值，白天呈现最低值；而季节性变化不明确。Gualtieri等人使用2011
‑
2013年数据集，该数据集记录了距离卡巴乌气象塔10、20、40和80m处的10分钟记录，并证明大气稳定性是影响赫尔曼系数的关键因素之一。大气不稳定性质在中午左右达到峰值，导致白天赫尔曼系数值最低；而强稳定条件则导致夜间赫尔曼系数达到最大值。
[0003]当前的技术只能通过幂指数定律、对数定律等得出赫尔曼系数随风速增大而不断变小的结论，然而该变化趋势的定量规律并没有被完全揭示。对于一个拥有密集摩天大楼的繁荣城市而言，关注其高层建筑在强风特别是台风灾害影响下的安全问题至关重要。而目前的赫尔曼系数随风速变化趋势的结论并不全面，无法为多高楼地区的台风近地面大风垂直方向演变提供完善支持。因此现有技术存在不足。
技术实现思路
[0004]本专利技术实施例提供了一种垂直风速变化特征研究方法及其装置，以至少解决在定量研究赫尔曼系数如何随底层风速变化的规律并对其完善的问题。以为设计高楼中，基于垂直风速变化，考虑到整体成本和抗风特性要素的权衡，删除负赫尔曼系数存在的极端个例，实现保障高楼建筑安全性的同时降低不必要的成本。
[0005]根据本专利技术的一实施例，提供了一种垂直风速变化特征研究方法，包括以下步骤：
[0006]s1.按时序读入梯度塔13层高度所有风观测数据，对小时最大10分钟平均风速和小时最大3秒风速数据信息进行质量控制处理；
[0007]s2.根据底层风速历史数据，划分百分比间隔的底层风速区间；基于时刻信息，将同一时刻的其他12层风观测数据对应划分到底层风速所划分的风速区间内，各区间内所有数据表示为一组样本群；
[0008]基于赫尔曼指数定律及最小二乘法，拟合计算每组样本群内所有数据，得到基于底层风速区间，所划分的各组样本群中风速随高度变化的规律及赫尔曼系数值；
[0009]s3.获取每组样本群中底层风速的中位数值，并将其与对应样本群计算得到的赫
尔曼系数进行回归拟合，得到赫尔曼系数值随风速变化的指数衰减函数关系式。
[0010]进一步的，所述底层高度为10米。
[0011]进一步的，所述步骤s1中，风向数据范围为大于等于0
°
且小于360
°
。
[0012]进一步的，所述步骤s1中，风速数据范围为大于等于0ms
‑1且小于70ms
‑1。
[0013]进一步的，所述步骤s1中，低空急流导致局部最大风出现时，存在赫尔曼指数由正变负的现象，影响垂直风速变化特征分析结果，此时剔除这一时间段的所述风观察数据。
[0014]进一步的，所述步骤s2中所述百分比间隔为按照每5％的风速间隔进行区间划分。
[0015]进一步的，所述步骤s2中还包括同时分析台风风廓线和一般边界层风廓线的技术要求，且两者数据不混合处理。
[0016]进一步的，所述步骤s2中使用所述梯度塔的第2层至第13层共12层的风观测数据计算相对于第1层风观测风观测数据的风速变化，得到所述赫尔曼系数值。
[0017]进一步的，所述步骤s2中，采用最小二乘法拟合所述赫尔曼系数值，得到阵风20组、平均风20组区间数据依次对应的赫尔曼系数值。
[0018]本专利技术还提供一种应用如上述任一项所述垂直风速变化特征研究方法的装置，包括：
[0019]数据预处理单元，用于按时序读入梯度塔13层高度所有风观测数据，对小时最大10分钟平均风速和小时最大3秒风速数据信息进行质量控制处理；
[0020]赫尔曼系数计算单元，根据底层风速历史数据，划分百分比间隔的底层风速区间；基于时刻信息，将同一时刻的其他12层风观测数据对应划分到底层风速所划分的风速区间内，各区间内所有数据表示为一组样本群；
[0021]基于赫尔曼指数定律及最小二乘法，拟合计算每组样本群内所有数据，得到基于底层风速区间，所划分的各组样本群中风速随高度变化的规律及赫尔曼系数值；
[0022]变化特征计算单元，用于获取每组样本群中底层风速的中位数值，并将其与对应样本群计算得到的赫尔曼系数进行回归拟合，得到赫尔曼系数值随风速变化的指数衰减函数关系式。
[0023]本专利技术实施例中的垂直风速变化特征研究方法及装置，利用深圳气象梯度塔观测数据，采用赫尔曼指数定律的垂直风速变化规律，其垂直方向的水平速度根据幂律变化，赫尔曼系数为基于表面类型、底层风速的恒定指数系数。为高楼设计最主要的玻璃幕墙围护结构的抗风设计提供了更准确的风力系数参考。
附图说明
[0024]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0025]图1为本专利技术对风观测数据进行等质量控制操作的流程图；
[0026]图2为本专利技术风速区间划分及赫尔曼系数计算的具体流程图；
[0027]图3为本专利技术采用的深圳气象梯度塔13个台站不同阵风、平均风风速范围随高度变化的箱型图；
[0028]图4为本专利技术通过拟合回归得到赫尔曼系数值随风速变化的指数衰减函数过程的具体流程图；
[0029]图5为本专利技术深圳气象梯度塔赫尔曼系数与阵风、平均风风速的拟合曲线图；
[0030]图6为本专利技术的垂直风速变化特征研究方法的架构框图；
[0031]图7为本专利技术的垂直风速变化特征研究装置的架构框图。
具体实施方式
[0032]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0033]需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种垂直风速变化特征研究方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.按时序读入梯度塔13层高度所有风观测数据，对小时最大10分钟平均风速和小时最大3秒风速数据信息进行质量控制处理；s2.根据底层风速历史数据，划分百分比间隔的底层风速区间；基于时刻信息，将同一时刻的其他12层风观测数据对应划分到底层风速所划分的风速区间内，各区间内所有数据表示为一组样本群；基于赫尔曼指数定律及最小二乘法，拟合计算每组样本群内所有数据，得到基于底层风速区间，所划分的各组样本群中风速随高度变化的规律及赫尔曼系数值；s3.获取每组样本群中底层风速的中位数值，并将其与对应样本群计算得到的赫尔曼系数进行回归拟合，得到赫尔曼系数值随风速变化的指数衰减函数关系式。2.根据权利要求1所述的垂直风速变化特征研究方法，其特征在于，所述底层高度为10米。3.根据权利要求2所述的垂直风速变化特征研究方法，其特征在于，所述步骤s1中，风向数据范围为大于等于0
°
且小于360
°
。4.根据权利要求3所述的垂直风速变化特征研究方法，其特征在于，所述步骤s1中，风速数据范围为大于等于0ms
‑1且小于70ms
‑1。5.根据权利要求4所述的垂直风速变化特征研究方法，其特征在于，所述步骤s1中，低空急流导致局部最大风出现时，存在赫尔曼指数由正变负的现象，影响垂直风速变化特征分析结果，此时剔除这一时间段的所述风观察数据。6.根据权利要求5所述的垂直风速变化特征研究方法，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：李晴岚，吴悦媛，李广鑫，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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