地形對風速之影響

台灣地區多山，而山區的風場往往因為地形的影響，風速、風向變得更難以預 測。「建築物耐風設計規範」(2014)中的地形修正參數適用於平坦地區中一座獨立山 丘、單一山脊或斷崖之地形。但中央氣象局的山區測站大多設置在連續山丘地形，非 獨立山丘或山脊，譬如鞍部、竹子湖測站位於陽明山區、阿里山測站位於阿里山區、

日月潭測站位於南投埔里山區。且這些測站位置大多在半山腰一小塊地形平坦處，因 為受到周遭地形的遮蔽，量測得風速大多小於平地或山頂之風速。玉山北峰測站因為 接近峰頂，較不受地形的遮蔽效應。而蘭嶼測站位於蘭嶼島的山頂上，距離海平面 324 公尺，風由四面八方吹來，毫無遮蔽。而氣流經過測站時，有風速加速流過地形 之效應，故量得風速皆偏大。換言之，地形對風速的影響因地形、風向、測站位置等 因素而變，很難用一個簡單公式予以修正。正確的研究方法是製作地形的縮尺模型，

放在風洞內，在不同風向狀況下，量測測站位置的風速剖面以瞭解該地形對風速的影 響，及風速剖面適用的指數和梯度高度。但這部分的工作不在本計畫範疇內，需要另 一個計畫來完成。因此本研究藉由風洞實驗量測風吹過連續的對稱山丘的風速剖面，

來決定山區風場的風速剖面指數和梯度高度，希望藉由相同的風速剖面指數和梯度高 度來簡化不同高度之風速的換算，做為計算地表風速、工程設計之用。

本研究的風洞實驗是在中央大學土木系的風洞中進行，此風洞是一個低風速、開 放、吸入式風洞。其主要構造部份可分為進口段、收縮段、試驗段及動力段。進口段 內包括蜂巢管與四層整流細網的整流裝置，用以控制試驗段入口處之流況，使其為低 紊流強度之流況。風洞之收縮段為兩個三次曲線相接而成，收縮比為 1:4。風洞全長 30 m，試驗段長 18.5 m，寬 3.05 m，高 2.1 m，側壁有玻璃可用來觀測風洞中流況，最高 風速可達 20 m/s。為了避免馬達及風扇轉動而引致的振動會影響試驗品質，動力段與 試驗段接縫處為一軟性帆布相連，且動力段具有一獨立基座，以防止振動傳遞到試驗 段。

風洞試驗段利用渦流產生器與粗糙元模擬出邊界層流，渦流產生器的高度 h = 1.4 m，底部寬度 b = 0.275 m，間距 0.3 m。粗糙元為高度 4.7 cm，寬度 4.7 cm 之方塊，間 距 5 cm。上風山丘之中心位於距離風洞試驗段入口 1.8 m 處，圖 49 為流場示意圖，下 游距離 x 由上風山丘中心處往流場後方量測，z 為由風洞地板算起之垂直距離。山丘 模型由高度 0.02 m 的圓形平板堆疊而成，山丘總高度 H = 0.2 m，底部寬度 L = 0.8 m，

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坡度可隨意調整，兩座山之間的間距也可以調整。風洞實驗中三種不同坡度分別為 S

= 37%、50%、77%，山丘模型阻滯比為 13%。

實驗中使用四孔風速計 Cobra probe (Turbulent flow) 來量測風場三維速度及紊流 擾動速度(turbulent velocity)。本實驗中風洞之風扇轉速為 1100 rpm，速度之採樣頻率 為 1000 Hz，採樣時間為 180 sec。地表的風場因為受到地表邊界的影響，風速的垂向 剖面呈不均勻分佈，稱為大氣邊界層流(Atmospheric Boundary Layer flow)。依據地表粗 糙度的影響程度又可以分為近地層與外域層，可採用對數律(Logarithmic law)或指數律

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其垂直紊流強度較大，在自由流中紊流強度較小，平均約為w/Uo = 10.9%。圖53為單 一山丘(坡度S = 0.50)頂部的風速剖面圖，圖54比較雙山丘之上風和下風山丘頂部的風 速剖面圖，山頂的風速十分接近。圖55為雙山丘頂部中心線之縱向紊流強度剖面圖，

下風山丘頂部的紊流強度大於上風山丘頂部的紊流強度。

圖 49. 雙山丘風洞模型之示意圖和照片 資料來源：本研究整理

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Velocity profile at the top of upwind hill (x = 0)

Z (m)

Mean Velocity U (m/s)

Exp., Slope S = 0.37

Inlet velocity profile

z (m)

U/Uo Exp., Uo = 12.32 m/s Exp., Uo = 8.39 m/s Fitted line

Setup for CFD at x = -3H

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0 5 10 15 20 25 30

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

at the top of single hill (x = 0)

Z (m)

I_u (%)

Exp., Slope S = 0.37 Exp., Slope S = 0.50 Exp., Slope S = 0.77

圖 52. 不同坡度單山丘頂部中心線之縱向紊流強度u/Uo剖面圖 資料來源：本研究整理

0 5 10 15 20

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

at the top of single hill (x = 0)

Z (m)

I_w (%)

Exp., Slope S = 0.37 Exp., Slope S = 0.50 Exp., Slope S = 0.77

圖 53. 不同坡度單山丘頂部中心線之垂向紊流強度w/Uo 剖面圖 資料來源：本研究整理

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0 2 4 6 8 10 12 14

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

1.2 Velocity profile at the top of hill

Z (m)

U (m/s)

above upwind hill above downwind hill

圖 54. 雙山丘頂部中心線之時間平均風速剖面圖 資料來源：本研究整理

0 5 10 15 20 25 30

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

at the top of the hill

Z (m)

I_u (%)

above upwind hill above downwind hill

圖 55. 雙山丘頂部中心線之縱向紊流強度剖面圖 資料來源：本研究整理

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圖 56. 全台設計風速建議值 資料來源：本研究整理

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