风能资源是存在于地球表面大气流形成的动能资源。自然界中的风能资源是丰富的。地球上某一地区风能资源的潜力是以该地的风能密度及可利用小时数来显示的。在风能利用中，风速及风向是两个重要因素。风速与风向每日、每年都有一定的周期性变化。估算风能资源必须测量每日、每年的风速、风向，了解其变化的规律。
图4-1 风能转换及利用情况
1.风的产生
风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热和地球自转、公转和地表差异等引起，大气是这种能源转换的媒介。形成风的直接原因，是气压在水平方向分布的不均匀。风受大气环流、地形、水域等不同因素的综合影响，表现形式多种多样，如季风、地方性的海陆风、山谷风、龙卷风等。简单地说，风是空气分子的运动。要理解风的成因，先要弄清两个关键的概念：空气和气压。空气的构成包括氮分子（占空气总体积的78%）、氧分子（约占21%）、水蒸气和其他微量成分。所有空气分子以很快的速度移动着，彼此之间迅速碰撞，并和地平线上任何物体发生碰撞。气压可以定义为：在一个给定区域内，空气分子在该区域施加的压力大小。一般而言，在某个区域空气分子存在越多，这个区域的气压就越大。相应来说，风是气压梯度力作用的结果。而气压的变化，有些是风暴引起的，有些是地表受热不均引起的，有些是在一定的水平区域上，大气分子被迫从气压相对较高的地带流向低气压地带引起的。大部分显示在气象图上的高压带和低压带，只是形成了伴随我们的温和的微风。而产生微风所需的气压差仅占大气压力本身的1%，许多区域范围内都会发生这种气压变化。相对而言，强风暴的形成源于更大、更集中的气压区域的变化。地球上风的运动如图4-2所示。
图4-2 地球上风的运动
2.风向
地球上某一地区的风向与大气环流有关，与其所处的地理位置（离赤道或南北远近）、地球表面不同情况（海洋、陆地、山谷等）也有关。风向一般用16个方位表示（图4-3），也可以用角度表示。
图4-3 风向方位
太阳辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，在不均压力的作用下，空气沿水平方向就形成风。风的形成是空气流动的结果。空气运动，主要是由于地球上各纬度所接收的太阳辐射强度不同形成的。赤道和低纬度地区，太阳高度较大，日照时间长，太阳辐射强度强，地面和大气接收的热量多，温度较高；高纬度地区，太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接收的热量小，温度高。这种高纬度与低纬度之间的温度差异，形成了南北之间的气压梯度，使空气做水平运动，风沿垂直与等压线从高压向低压吹。地球自转，使空气水平运动发生偏向的力，称为地转偏向力，这种力使北半球气流向右偏转，南半球气流向左偏转，所以地球大气运动除受气压梯度力外，还要受地转偏向力的影响。大气真实运动是这两种力综合影响的结果。山隘和海峡能改变气流运动的方向，还能使风速增长；而丘陵、山地摩擦大，使风速减少；孤立山峰却因海拔高而获得更大的风速。
在海陆气流有差异的地区，海陆差异对气流运动也有影响。冬季，大陆比海洋冷，大陆气压比海洋高，风从大陆吹向海洋；夏季相反，大陆比海洋热，风从海洋吹向内陆。这种随季节转换的风，我们称为季风。在海边，白天陆地上空气温度高、气压低，空气上升，海面上温度低、气压高，空气从海面吹向陆地；夜晚海水降温慢，陆地降温快，形成海面空气温度高、气压低，空气上升，陆地上温度低、气压高，空气从陆地吹向海面，此为海陆风。
在山区，由于热力原因引起的白天由谷地吹向平原或山坡，称为谷风；夜间由平原或山坡吹向谷地，称为山风。这是由于白天山坡受热快，温度高于山谷上方同高度的空气温度，坡地上的暖空气从山坡流向谷地上方，谷地的空气则沿着山坡向上补充流失的空气，这时由山谷吹向山坡的风，称为谷风。夜间，山坡因辐射冷却，其降温速度比同高度的空气较快，冷空气沿坡地向下流入山谷，称为山风。
3.风速
从地球表面到10 000 m的高空层内，空气的流动受到涡流、黏性和地面摩擦等因素的影响，靠近地面的风速较低，离地面越高风速越大。风速随高度的变化，可用指数公式或对数公式计算。工程上通常使用指数法，其公式如下：
式中：V——距地面高度为h处的风速（m/s）；
V0——高度为h0处的风速（m/s），一般取h0为10 m；
k——修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值为0.125～0.5；在开阔、平坦、稳定度正常的地区为1/7；中国气象部门通过在全国各地测量各种高度下的风速得出的平均值为0.16～0.20，一般情况下可用此值估算出各种高度下的风速。
风随时间的变化，包括随机变化、每日的变化和季节的变化而变化。通常自然风是一种平均风速和瞬间激烈变动的絮流相叠加的风。如果用自动记录仪来记录风速，就会发现风速是不断变化的，絮流所产生的瞬时高峰风速也称阵风风速。一般所说的风速是指变动部位的平均风速。通常一天之中风的强弱在某种程度上可以看作是周期性的，如地面上夜间风弱，白天风强；高空中正相反，是夜里风强，白天风弱。这个逆转的临界高度为100～150 m。由于季节的变化，太阳和地球的相对位置也发生变化，使地球上存在季节性的温差。因此风向和风的强度也会发生季节性的变化。我国大部分地区风的季节性变化情况是：春季最强，冬季次之，夏季最弱。当然也有部分地区例外，如沿温州地区，夏季季风最强，春季季风最弱。
4.风力
风既有大小，又有方向，因此，风的预报包括风速和风向两项。风速的大小常用几级风来表示。风的级别是根据风对地面物体的影响程度而确定的。风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为12个等级。
风力等级与风速的关系如下：
式中：
——N级风的平均风速（m/s）；
N——风的级数。
风级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小（表4-1）。
表4-1 风级的划分
续表
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