1.风切变指数定义
在近地层中，风速随高度的变化显著。造成风在近地层中垂直变化的原因有动力因素和热力因素，前者主要来源于地面的摩擦效应，即地面的粗糙度，后者主要表现为与近地层大气垂直稳定度的关系。当大气层结为中性时，湍流将完全依靠动力原因来发展，这时风速随高度变化服从普朗特经验公式：
式中：k为von Karman常数，k=0.4;u*为摩擦速度，u*=(τ/ρ)1/2，其中τ为表面剪切应力，ρ为空气密度。
假设混合长度随高度变化有简单指数关系，由此推导的风切变指数律为：
式中：un和ui分别为高度在zn和zi处的风速，α为风切变指数。
2.风切变指数的影响因素
风切变指数受大气稳定性的影响严重，在中性(neutral)、稳定(stable)与不稳定(unstable)等不同大气条件下，风廓线的变化很大。此时，需要考虑大气稳定性的影响，式(1)表示的对数律公式需要进行大气稳定性的修正，修正后的表达式为：
式中：φ为与大气稳定性相关的函数，不稳定条件时φ为正值，稳定条件时φ为负值，中性条件时φ为零。
大气稳定性可以采用Ridson数来描述，其表达式为：
其中：g为重力加速度，一般取g=9.81m/s2;T为计算层的平均温度，K;t为在高度z处的温度;u为在高度z的风速。一般至少需要2个不同高度的温度值和风速来计算温差和风速差。大气稳定性一般可以按Ridson数分为非常稳定、稳定、中性稳定、不稳定、非常不稳定等5类。
风切变指数受地面粗糙度的影响，不同地区的风切变指数是不同的，受大气稳定性的影响，即使同一地区在不同时间段内的风切变指数也是不同的。
3.风切变指数计算方法
(1)利用全部数据计算风切变指数
如果测风塔数据完整率高，没有数据缺测现象，可采用全部数据计算风切变。具体方法是：对实测数据中每一组数据都利用指数公式计算其风切变指数，再取所有计算结果的平均值作为总风切变指数。
(2)去除小风速后计算风切变指数
风机的切入风速一般为3～4m/s，故3 m/s以下风速对风机功率没有贡献，且在小风速下，数据误差大，可以去除以后再计算。具体方法是：去除各个高度3m/s以下的风速数据，对剩余的每一组数据都利用指数公式计算其风切变指数，再取所有计算结果的平均值作为总风切变指数。
(3)利用年平均风速计算风切变指数
根据各高度年平均风速数据利用指数公式计算出风切变指数。
(4)利用典型速度段风速计算风切变指数。
湍流强度I15是10min平均15m/s风速下的湍流强度值，是环境湍流强度的特征值，进行湍流强度分析时一定要计算的重要指标。选取距离轮毂高度最近的测风高度(70m)处(15±0.5m/s)的数据，将同组的各高度风速数据利用指数公式计算风切变指数，再取所有计算结果的平均值作为总风切变指数。
(5)利用风廓线拟合，得到拟合的幂律曲线，从而得到整个测风高度的风切变指数。
将各个高度的平均风速绘制散点图，然后根据指数关系进行曲线拟合，得到风切变指数拟合曲线，从而得到风切变指数。
在计算风切变指数时，选用几种不同的计算方法，然后根据计算得出的风切变指数与幂律公式推算已知高度的风速，再利用各自推算出的风速与实测风速进行对比分析，根据其误差的大小反过来进行判断各方法计算风切变指数的准确度。
4.建议
(1)从风切变角度分析风速随高度的变化具有一定的参考价值，但在利用风切变指数值推算风电场某一高度的风速时，应结合风电场的实际情况进行多方法比较，选择适合本风电场的风切变指数计算方法，进行各高度风速的推算及风资源的评估论证。
(2)由于塔筒价格的变化对不同轮毂高度的动态收益会有显著的变化，建议在确定风电机组轮毂高度时，除参考风切变对各高度风资源的影响外，还可以通过详细的技术经济比选确定合适的高度。
(3)在推算风速时，可以采用两种方法，一是根据风切变指数与年平均风速来推算已知高度的年平均风速，二是根据风切变指数与月平均风速来推算已知高度的月平均风速。
