第1章　引言
　　本书主要介绍风能涉及的气象知识。风能开发大致包括两方面内容：风资源评估和载荷。本书重点关注风资源评估涉及的气象知识，但在湍流一章（第6章）中也介绍了风机载荷方面的基础理论。
　　本书的每一章均对应一个主题，各章均从最基础的内容开始，而后逐渐深入。章节末尾附有习题，部分习题具有一定发散思维的性质，可供读者进行发散思考。为提高本书的可读性，书中设计有思考题，读者可根据兴趣选择解答或略过。部分习题可在书中找到答案，读者必须知晓答案才能继续阅读。思考题和练习题的解答过程并不复杂，只需准备好笔、纸和计算器，当然如有计算机则可以简化计算。
　　书中引用了包括专著、论文和网站在内的大量资料作为参考。这一方面是遵守承认他人工作的学术传统，同时也是为了方便读者获取更多的信息。虽然现在已是信息时代，人们很容易从互联网免费获取各种信息，但这并不适用于参考文献的引用，查找参考文献不是点一点鼠标那样简单。
　　本书的写作原则是通俗易懂，我希望读者在阅读本书时感觉是在进行一次旅行，一次你我同行的旅行，这会让书中部分内容像是你我之间正在聊天，而我始终认为通过这种方式来呈现主题能够帮助读者更好地理解问题的实质。
　　本书章节安排如下。首先从气象学基础（第2章）开始，主要介绍基本的气象理论。随后讨论气象的观测原理与方法（第3章）。对于气象观测，无论使用气象桅杆还是遥感仪器，其最终目的都是获取观测点位的大气垂直结构。因此，第4章主要介绍大气的垂直结构。风的垂直结构通常称为风廓线，是大气多尺度运动的结果，但实际上对风廓线进行精确描述绝非易事。理解大气运动有助于导出风廓线，因此第5章主要论述局地气流。而后为湍流（第6章），湍流是物理中最难以理解的部分之一，但本书尽可能地帮助读者去理解湍流的实质。第7章讨论了尾流，即上游风力涡轮机导致下游风速减小的现象。为了更深入地理解大气运动的本质，严格意义上应对所有尺度的气流和尾流都进行观测，但实际上多采用数值模拟的方式来获取相关信息。因此，第8章重点介绍数值模式及其数值模拟的思路和理论。第9章为总结。
　　为了便于读者快速了解重要的公式和知识点，附录A列有相关问题的“备忘录”，可作为快速参考指南。
　　本书涉及的部分数据和视频可通过网站获取。作者将在该网站就相关内容进行讨论（在有新信息可用的情况下）和勘误（如有）。最后，作者还将在网站上发布相关信息以供读者参考。
　　我的目标和希望是读者阅读完本书后能够对风能气象学有一个基本的了解。如前所述，书中将以通俗易懂的语言来描述问题，我也希望读者继续对感兴趣的问题展开研究。
　　此外，读者在阅读相关章节时可能会意识到他们很少能够直接用“是”或“否”来回答书中所列出的问题；相反，问题的答案通常是“视情况而定”。这也是本书的主要目标之一，让读者自行对知识点进行归纳，发现问题并解决问题。
　　读者也将习惯于边阅读边思考问题的阅读方式，从练习1.1开始，我们将逐步得到风能的基本理论。
　　练习1.1　想象一下，如果将足球球门悬于半空（用于表示一定体积的空气），且球门面积正好为1m×1m，设风以10m/s的速度穿过球门，那么1s内有多少立方米的空气通过球门门框？
　　为了保证读者能够理解问题，可将其分解为多个步骤。
　　已知球门面积为，风速为，若一个长10m的长方体在1s内穿过球门，可知有
　　（1.1）
　　空气穿越门框。
　　练习1.2　设空气密度为，通过球门门框区域的空气质量为多少？
　　空气块体积为10m3，可知通过球门门框的空气质量为
　　（1.2）
　　注意此处未采用空气密度的实际值（约为），原因是此处仅希望得到一个一般表达式。
　　练习1.3　已知风速为，试求出通过面积为1m2的球门门框的空气质量。
　　利用式（1.1）和式（1.2）可得
　　（1.3）
　　以上为推导过程的第一部分，第二部分将与动能有关。
　　练习1.4　动能的定义是什么？
　　根据物理学定义可知：
　　（1.4）
　　练习1.5　将通过面积为1m2球门门框的空气质量与动能方程相结合，计算通过1m2球门门框的空气动能是多少？
　　结合式（1.3）和式（1.4）可得
　　（1.5）
　　即得到通过球门门框空气的动能。
　　式（1.5）是风能气象学中最基本的方程之一，它表示空气动能与风速的立方成正比，也可理解为面积为1m2的风力涡轮机转子平面能够将风能转换成电能的最大值。
　　第2章　风能气象学基础
　　本章主要介绍风能气象学的基础理论，首先从理解风的形成开始，然后是对天气系统等大气运动的讨论。本章大部分内容都可在气象学教材和文献中找到。但经本书的收集和整理，读者能够更为便利地获取相关信息。本书列有许多参考文献供读者参考，其中较有价值的是Robin McIlveen出版的专著（McIlveen，1986），读者也可在网站进行查询。
　　2.1　风形成的成因
　　练习2.1　请思考为什么会有风？[书中有两类练习：第一种（如本练习题），答案就在练习题之后，第二种读者需自行思考]。
　　这是一个基础问题，答案既不是气压差（当然，与气压差有关），也不是温差（也是因为温差）。之所以给出这两种解释，是因为根据经验，它们是大多数人认可的首选答案。从风形成的根本原因来看，真正的答案应为南北两个极区单位面积接收的能量要比赤道少。图2.1为地球的示意图。从图中可以发现，地球表面在极区被放大拉长，就单位面积的地球表面而言，极区接收的能量远比赤道地区的要少，这将导致热量在赤道地区“聚集”。然而，这种能量的“聚集”在物理学上不可能长期维持，因此这将导致赤道地区的暖空气上升，极区的冷空气下沉，进而在赤道和两极之间形成垂直环流，并将赤道地区多余的热量输送至南北两极，从而使热循环系统达到平衡。
　　图2.1　地球的示意图
　　（赤道上单位面积接收的太阳辐射能量多、两极少，从而导致赤道暖空气上升，极区冷空气下沉）
　　但在进行天气实际分析时会发现天气图上很少能看到如图2.1所示的赤道-极地气流，其原因是未考虑地球的自转效应。当考虑地球自转后，可引入一个视示力，即科里奥利力（简称科氏力，见2.3.2节），在科里奥利力的作用下，风向将发生改变（转向），从而导致大气运动更为复杂。图2.2给出了全球大气环流的示意图，全球大气循环中最重要的并不是如图2.2所示的各种环流（尽管这些环流非常明显），而是西风气流和季风。
　　图2.3给出了全球天气实况图。从图中可以发现，实际的大气运动及其有关的现象非常复杂！
　　由此可见，地球上风的形成与赤道和南北两极吸收的太阳辐射差异有关。事实上风的形成是由辐射差异和地球自转共同造成的。
　　本节回答了风形成的原因这一基本问题，接下来将从大气的垂直结构开始讨论大气其他的基本性质。
　　2.2　大气的垂直结构
　　大气的垂直结构如表2.1所示。人类生活在对流层中，大部分天气现象也发生于对流层，飞机在飞行过程中会进入平流层。若将大气圈各层视为若干个“球体”，那么当跨越不同的“球体”时会存在所谓的“停顿”。例如，对流层和平流层之间存在“停顿”，即对流层顶。每两个球体之间均存在这种“停顿”，例如，中层和热层之间存在这种“停顿”即对流层顶。温度范围为近似值。温度随高度的变化见图2.4。