内部边界层形成与特征

粗糙长度发生突变时，如海洋和陆地之间的海岸线，风经过突变线后会发生什么？

如图2-3所示，虚线的左侧为海洋，粗糙长度为0.0002m，右侧为陆地，粗糙长度为0.2m，粗糙长度显然发生了突变。风从海洋吹向陆地。在风到达陆地之前为海洋风，风切变很小，风廓线很陡峭。风到达陆地后，从地表开始感受到了粗糙长度的突变，然而高处还没来得及感受到这一变化，因此仍然是海洋风，遵循海洋风的风廓线。风继续往内陆吹，陆地对风的影响被越来越高的风感受到，下层便形成了遵循新的粗糙长度的风廓线，即陆地风。此时上层仍旧吹着海洋风，而在上层和下层之间必然形成一个过渡层，称作内部边界层（Internal Bounday Layer，IBL）。内部边界层内的风是海洋风和大陆风的混合，是两种粗糙长度共同作用的结果。

图2-3 粗糙长度突变后的风廓线变化

当风经过不同热通量（大气稳定度）的两个下垫面的边界时，也会形成类似的内边界层，称作热内边界层（Thermal Internal Bounday Layer，TIBL），海岸线就是很好的例子。

内部边界层的概念是非常重要的，可以给我们很多启发：

1.较远处的粗糙长度影响更大

风力发电机组脚下的粗糙长度可能无关紧要，因为其影响还远没有达到轮毂高度，甚至风轮底部的高度。例如很多山地风电场，山顶由于风大，植被低矮，粗糙度低，而风电场在大范围内被树林包围，粗糙长度却很大，这样风力发电机组感受到的粗糙长度是周围的树林，而非脚下的草地。在我们描述风电场粗糙长度时，应该注意这一点。(www.xing528.com)

2.与粗糙长度突变线的距离非常重要

图2-3中，如果轮毂高度为80m的风力发电机组位于距离海岸线2000m的地方，那么它面对的主要还是海洋风。如果把该风力发电机组移到距离海岸线8000m的地方，风况则变成了陆地风，海洋的痕迹已经可以忽略了。这就告诉我们，风力发电机组距离粗糙长度突变线的距离十分重要，因为风况可能发生明显的变化，尤其当主导风向垂直于粗糙长度线时。粗糙长度突变线不仅发生在海岸线，在陆地上同样存在，如草地和森林之间。

这里所说的风况包含风廓线、大气稳定度和湍流等诸多方面。因此，在研究测风塔代表性问题时也必须对此做充分的论证。

3.粗糙长度地图的尺寸

既然是远处的粗糙长度的影响可能更大，那么多大尺寸的粗糙长度地图才能把有影响的范围全部囊括其中，满足风资源评估的要求呢？做工程的人喜欢简单而实用的指导原则，但要注意这种原则只是方便和简化我们的日常工作，并非严格的科学标准。

图2-3中的大气下层可以近似为一个直角三角形，两个直角边的比约为1∶100。也就是说，当粗糙长度地图的直径超过轮毂高度的100倍时，就可以基本涵盖对其有影响的粗糙度范围了。对于风电场来说，粗糙长度地图的边界与最外面的风力发电机组间的直线距离应该至少为轮毂高度的100倍。当前流行的风力发电机组轮毂高度一般为60～80m，考虑到风电场本身的范围，粗糙长度地图的尺寸应该达到直径10km左右。