FLUENT在复杂地形风场精细模拟中的应用研究

尝试将计算流体力学软件FLUENT用于复杂地形风场的精细模拟研究,进行的一系列数值模拟试验表明:由于采用了中尺度模式较少采用的计算机辅助建模、非结构化网格和有限体积法等技术,FLUENT可以实现复杂地形乃至极度陡峭地形上的风场模拟,完成普通中尺度模式难以完成的任务。相比于普通中尺度模式,FLUENT可以更为精确地描述下垫面的复杂地形特征,因而能够在小尺度范围内得到分辨率更高、且更为准确的复杂地形上的近地层风场模拟结果。     

台风“莫拉菲”登陆期间深圳排牙山周边风场结构的数值模拟研究

以计算流体力学软件FLUENT为工具,模拟台风“莫拉菲”登陆期间深圳大鹏半岛排牙山周边的风场三维结构。通过研究得到了强风条件下山地风场的概念模型,并得到以下结论:(1) FLUENT可较合理地模拟出强风条件下复杂地形的三维风场结构,描述山体对于风场和湍流场的影响;(2) 山体的动力学效应可使高大山体迎风侧和山顶之上的局地风速加大;(3) 高大山体背风侧为弱风区、风速强切变区和强湍流区。      

复杂地形下高精度风场融合预报订正技术在冬奥会赛区风速预报中的应用研究

几乎所有的数值预报模式都存在系统偏差.虽然目前利用统计订正方法降低个别站点的风速偏差已经取得了一些成功,但基于站点的订正具有空间局限性,仍迫切需要基于格点开展复杂地形下高精度风场的融合预报偏差订正.本研究提出了一种复杂地形下北京冬奥赛区不同海拔高度高精度风场的融合预报订正技术.首先利用冬奥山地赛区及周边133个自动气象...     

0414号台风“云娜”的数值模拟

利用美国CAPS的非静力高分辨率区域预报模式(ARPS)对0414号台风"云娜"进行数值模拟,其中把新一代多普勒天气雷达资料分析引入模式,模拟结果表明ARPS模式能较好模拟台风"云娜"的移动路径、中心气压强度变化及台风大暴雨;并利用模式输出的组合反射率与雷达组合反射率资料比较来检验模拟结果.数值模拟结果表明台风自身结构是引起0414号台风西折路径的重要原因;浙南闽北地形对0414号台风的影响作地形敏感性试验结果表明浙南闽北地形使0414号台风移动路径出现右偏现象;浙南闽北地形对0414号台风强度影响较小,地形对深入内陆后台风强度变化有较明显的影响;浙南闽北地形对0414号台风暴雨有增幅作用,降水分布更加不均匀.     

珠江流域4～9月降水空间分布特征和类型

利用美国CAPS的非静力高分辨率区域预报模式ARPS(先进区域预报系统)对0414号台风"云娜"进行数值模拟,模拟结果表明ARPS较好地模拟台风"云娜"的移动路径及台风大暴雨.并着重讨论新一代天气雷达资料对台风"云娜"数值模拟的影响,通过对雷达资料同化进模式与没有雷达资料同化进模式对比模拟的试验结果分析表明:雷达资料进模式,对中高层的风场调整,改进对台风细微结构特征描述,加大近台风中心南侧的西风分量和近台风中心西侧的北风分量,从而改进云娜台风登陆后西行移动路径预报;对扰动温度、雨水混合率、云水混合率及水汽混合率场等调整,改善模式初始场台风中高层成雨条件,对台风降水预报,尤其暴雨的落区、降水分布及其随时间变化的预报有较大改进.     

雷达资料对0414号台风“云娜”数值预报的改进

利用美国CAPS的非静力高分辨率区域预报模式ARPS（先进区域预报系统）对0414号台风“云娜”进行数值模拟,模拟结果表明ARPS较好地模拟台风“云娜”的移动路径及台风大暴雨。并着重讨论新—代天气雷达资料对台风“云娜”数值模拟的影响,通过对雷达资料同化进模式与没有雷达资料同化进模式对比模拟的试验结果分析表明：雷达资料进模式,对中高层的风场调整,改进对台风细微结构特征描述,加大近台风中心南侧的西风分量和近台风中心西侧的北风分量,从而改进云娜台风登陆后西行移动路径预报;对扰动温度、雨水混合率、云水混合率及水汽混合率场等调整,改善模式初始场台风中高层成雨条件,对台风降水预报,尤其暴雨的落区、降水分布及其随时间变化的预报有较大改进。     

2008年北京奥运会开幕式化学危害预测数值模拟

针对2008年北京奥运会安保,建立了一个复杂的系统,包括两个气象预报模式MM5和RAMS6.0以及一个复杂地形上有毒云团的扩散模式CDM。开发了MM5和RAMS6.0接口模块,发展了基于RAMS6.0气象场预报结果的CDM,实现了对未来36h内的精细气象场和扩散场进行模拟,气象场预报的分辨率为500～1000m,扩散场的分辨率可达到50～200m。基于T213数据,应用MM5进行了水平分辨率为3km的气象场初步预报,将该预报结果转化为RAMS6.0识别的数据格式,应用RAMS6.0对气象场进行分辨率为500～1000m的精细预报,得出北京奥运会期间的风场与湍流量的预报结果。基于该气象场,根据想定,应用CDM对北京奥运会国家体育场"鸟巢"附近发生化学事件时进行了模拟研究,得出危害范围、危害等级、危害开始时间、危害持续时间等时空分布,为奥运会开幕式化学危害应急提供技术支持。     

台风对深港局地风影响数值模及地形敏感性试验

采用WRF中尺度模式和美国国家环境预报中心每6h一次的1°×1°全球再分析资料,分别对西北太平洋1208号台风韦森特及1415号台风海鸥个例进行了数值模拟,结果表明WRF模式可以较好地模拟台风中心移动的路径与强度变化,单点风速的时间变化表明模拟得到的近地风场与实际观测吻合。在模式结果与实际观测比较一致的基础上,开展了改变特定区域内的地形和陆面特征的敏感性试验,通过比较不同站点的观测和模拟风速的变化,探究台风影响下香港及深圳地区地形和下垫面性质的改变对深圳不同地区阵风变化的作用,发现对于登陆粤西或向西移动的台风,香港地形和陆地的阻挡和摩擦作用减弱了台风在深圳中西部地区引起的风速,香港对深圳中西部起到了一定的缓冲和保护作用,另外深圳地区的梧桐山地形所形成的峡口使得盐田港风力增大。     

复杂地形边界层风场的三维局地尺度数值模拟

设计了一个基于有限元方法的中γ尺度复杂地形条件下的三维非静力边界层风场数值模式,利用该模式对河南省登封市阳城工业区周围的实际三维地形进行了数值模拟,并将模拟结果与河南省气象科学研究所的实测资料进行了对比。结果表明,模式对峡谷地形的加速作用、山体的抬升与绕流均有较好的模拟,但是对背风坡涡旋的模拟不太理想。与实测资料的对比显示,在一定的条件下,模式可以得到较好的模拟结果。     

台风对深港局地风影响数值模拟及地形敏感性试验

采用WRF中尺度模式和美国国家环境预报中心每6h一次的1°×1°全球再分析资料,分别对西北太平洋1208号台风韦森特及1415号台风海鸥个例进行了数值模拟,结果表明WRF模式可以较好地模拟台风中心移动的路径与强度变化,单点风速的时间变化表明模拟得到的近地风场与实际观测吻合。在模式结果与实际观测比较一致的基础上,开展了改变特定区域内的地形和陆面特征的敏感性试验,通过比较不同站点的观测和模拟风速的变化,探究台风影响下香港及深圳地区地形和下垫面性质的改变对深圳不同地区阵风变化的作用,发现对于登陆粤西或向西移动的台风,香港地形和陆地的阻挡和摩擦作用减弱了台风在深圳中西部地区引起的风速,香港对深圳中西部起到了一定的缓冲和保护作用,另外深圳地区的梧桐山地形所形成的峡口使得盐田港风力增大。     

北雁荡山地形对2020年“黑格比”台风暴雨影响的数值模拟

2020年第4号台风“黑格比”在浙南登陆后过境北雁荡山期间在山区引发了特大暴雨。基于中尺度数值模式WRFV4.0.2对台风进行高分辨率数值模拟,分析北雁荡山地形对此次台风暴雨的作用,并设置了升降地形敏感性试验。结果表明:数值试验较好地模拟了台风移动及特大暴雨的落区和强度,台风大风区明显不对称分布,台风登陆后第一、四象限过境山区,其东侧强偏南气流向山区输送了充足水汽。台风登陆前山区低空存在一条由台风内核拖曳出的狭长螺旋辐合带,水汽通量辐合与风场辐合相一致。台风眼墙过境时沿着降水中心的迎风坡有强烈上升运动,动力条件极好,水汽输送带由近地面向对流层低层延展,山区有零星对流单体触发加强。台风后部环流影响时在高海拔山区风速减弱、绕流激发了中尺度低涡,强降水中心迎风坡上出现持续性、停滞不动的强正涡度中心,是特大暴雨发生的主要原因。地形敏感性试验中无地形时降水减幅40%~50%,地形高度翻倍降水增幅超过60%。     

GRAPES中地形重力波拖曳物理过程的引进和应用试验

在中国新一代全球中期/区域中尺度同化与预报系统(GRAPES)模式中引进了ECMWF地形重力波拖曳物理过程,填补了GRAPES全球中期数值预报系统中物理过程的空白。重新计算了地形重力波过程需要的地形静态资料数据,并与原ECMWF模式的地形静态参数进行了对比分析,验证了模式地形参数的正确性。利用GRAPES模式,进行了地形重力波拖曳物理过程影响的敏感性数值试验;结果表明:引进地形重力波拖曳过程以后,在存在大地形的区域,风场会发生变化,当纬向风遇到青藏高原时,一部分气流会产生爬坡效应而越过高原,使高原上空的西风气流减弱;另一部分气流会绕过高原,在高原的南侧产生绕流;随着模式积分时间的延长,风场变化会越来越明显,地形越复杂,风场的变化也越复杂;连续的模式积分试验结果显示,引进地形重力波过程,可以延长GRAPES模式的可用预报时效,提高了全球形势预报的准确率。通过对一次降水过程的模拟,对地形重力波过程影响降水预报的原因进行了简单分析。结果显示:引进地形重力波拖曳过程后,改变了大气流场的分布,使预报的流场更接近于大气真实状态,从而提高了降水预报的准确率。     

湛江港邻近海域台风浪的模拟研究

对第三代近岸海浪数值模式SWAN及包含的物理过程进行了简要介绍，利用该模式对影响南海湛江港海域的二次台风浪过程进行了模拟研究：由藤田台风风场模型同化相应时刻的台风要素、NCAR/NCEP网格点资料、单站观测资料后，提供模式所需风场；利用自嵌套的方式，提供模式波谱边界条件；两次模拟结果与实际海浪观测资料相符较好，可以为该海域台风浪的模拟预报提供较为重要的参考。     

1999年欧洲圣诞节风暴数值模拟分析

对1999年圣诞期间发生在欧洲中西部的圣诞节风暴进行了分析,认为4个主要的低气压系统中的第二个给法国北部带来了强风暴雨,巴黎的Orly机场阵风速度〉47m／s;第四个低压系统沿法国西海岸产生相似的恶劣天气,并在西班牙的北部海岸及地中海沿岸国家造成了毁灭性的破坏。在法国中部风暴最剧烈的时候,最大阵风〉41m／s;在法国和德国之间的区域,达55m／s。圣诞节风暴造成欧洲国家大约140人死亡,其他损失包括树木、街道和房屋被毁,电力系统和电话中断时间长达数天,受影响的人数大约为1000万,财产损失大约为80亿美元。由于风暴的极端强度和快速发展速度,欧洲大多数国家的数值预报中心没有对这次剧烈天气提供足够的预警。为此,利用中尺度数值预报系统（RAMS）模拟圣诞节风暴,并与ECMWF分析资料以及实况观测资料进行了对比分析。结果表明,RAMS模式能够准确模拟风暴的主要特性、低气压的演变和位置移动、发展的关键时间点、风暴演化期间的平均风场;模拟的平均风场和气象观测网的观测结果相一致;模拟的风暴移动时间和主要新闻媒体的报道相吻合;模式计算的一些特定地区平均风速的时间趋势显示,在阿尔卑斯山脉地区,无论是上风区还是下风区,风暴的时间都被准确地预测;模拟的第一次风暴最低气压值较实际值偏低。     

南海北部风暴潮数值计算中的圆对称台风风场模式

引 言 风暴潮是主要的海洋灾害之一,在南海是由热带气旋引起。由于它对人们的生命财产危害极大,因而引起了广泛的关注。为了研究和预报风暴潮,数值模拟和计算得到了广泛的应用。经验表明,风暴潮模式的结果,很大程度上依赖于气压场和风场模式的质量［１］。本文将对风暴潮数值计算中经常使用的圆对称经验台风风场模式（以及气压模式）和最大风速半径的选取作具体讨论。１　圆对称经验台风风场模式 台风（泛指热带气旋,下同）风场实际上比较复杂,对它的研究包含着广泛的课题。同样,在风暴潮的数值计算中模拟台风风场也有着多种方法,…     

台风模拟中QuikSCAT风场的非对称加强订正及同化应用

针对QuikSCAT 散射计风场资料对台风级别的强风速区还无法准确刻画这个技术问题,引入台风移速、移向、摩擦等客观因素对该风场产品资料进行非对称加强订正;然后利用四维同化技术,并设计了先同化后预报两个阶段的试验方案,对“云娜”台风进行了数值模拟试验。试验结果表明：通过模式约束调整,四维同化技术可以把QuikSCAT 海面风场资料引入到整层模式大气中,并对整层风场和气压场的强度及路径模拟都有很大的改进,而且该资料还提高了预报阶段台风强度的模拟效果,并对登陆点的预报起到了积极作用。     

台风Rananim登陆期间地形对其降水和结构影响的数值模拟试验

应用非静力平衡中尺度模式MM5(V3.6)，对0414号台风Rananim在登陆期间移动路径和所产生的降水进行了数值模拟研究，模式较好地再现了台风Rananim的移动路径和所产生的降水，但模拟的过程降雨量与实况值还有所偏差。多普勒雷达探测资料表明，台风Rananim登陆期间，强回波带出现在台风移动的右前方，螺旋云带中镶嵌着大量的对流云团；垂直液态水含量的高值区出现在台风中心的西北侧。作者通过在浙江、福建东部沿海一带进行有无地形的数值对比试验，着重讨论了台风登陆期间地形对台风降水、台风结构特征变化的影响。结果表明:（1）台风登陆期间， 地形的影响对台风降雨量有明显的增幅作用。由地形强迫产生的降雨量和地形走向相一致，迎风坡降雨量增加，背风坡降雨量减少，地形影响使浙江东部一带增加的平均降雨量约占该地区模拟平均总降雨量的40%左右。（2）台风登陆期间，地形的强迫作用有利于在低层台风眼的西北侧形成明显的辐合带，高层为明显的辐散区；在中尺度环流场上，地形的影响有利于台风中心西北侧低层中尺度气旋性涡旋系统的发生发展，从而激发中尺度对流云团，形成中尺度雨团，造成了台风中心南北雨区和雨量的不对称分布。（3）地形的强迫作用，可以使台风流场局部发生改变。当地形强迫产生与台风环流同向的中尺度扰动时，将使台风环流局部明显增强；当地形强迫产生与台风环流反向的中尺度扰动时，将使台风环流局部明显减弱。（4）台风登陆期间，地形的影响可以使台风靠近陆地一侧眼壁内的垂直上升速度增大，位涡明显增强，从而造成台风涡旋的增强。     

中国澳门国际机场重着陆事件的天气背景分析北大核心

对2018年8月28日北京首都航空公司CBJ5759航班在中国澳门国际机场发生重着陆事件分析结果,显示:(1)机场位于低空切变线南侧,低空西南急流与海陆地形辐合作用下形成的暖区局地对流引发分散性短时强降水和弱雷暴;对流北侧突然增强的偏南风使机场跑道附近顺风增加,引发低空风切变;(2)高分辨率数值模拟结果表明低空风切变发生时段内存在西南急流脉动,急流北侧的风场由西南风转为偏南风,促使海陆边界的热力和动力不稳定条件加强,有利于局地对流系统发展和其辐散出流增强,加速边界层内风场变化;(3)当飞机在下降过程中经过对流系统前侧激发的偏南风急流区时,水平风的垂直切变形成的顺风切变大于垂直风变化,增加的顺风使飞机空速减小,导致飞机升力减小并造成重着陆;(4)此次事件中天气系统的变化通过影响对流的发展间接促进低空风切变的发生,因此可在对沿海机场的低空风临近预报时通过加强对海上风场变化的监测来预估一定风险。     

一次东南大风天气下近地面风场结构及航空影响分析

利用跑道自动观测、激光测风雷达等资料,对2023年4月7日夜间乌鲁木齐机场一次东南大风天气下近地面风场的细微结构进行分析,探究大风时段13架航班在低空复飞的气象原因,结果表明：此次东南大风为较典型的锋前减压型,其持续期间在机场范围低空风速具有“西强东弱”特征及显著的不均匀性,在进港高峰期的R07跑道五边下滑道上出现强侧风、中度及以上的风切变,使得飞机在着陆过程中操纵困难而导致多架飞机复飞。激光雷达侧风及水平风的垂直分布,能细致反映跑道上低空侧风、风切变随高度和时间的变化特点,而其前30 min风切变告警累积频次迅速增多、维持和峰值时段,与此次航班复飞时段有较好的对应,多次提前告警可为机场发布此类风切变警报提供参考。     

1992年16号台风的数值研究

利用北京大学地球物理系暴雨监测与预报国家重点实验室发展的有限区域数值预报模式，对１９９２年１６号台风进行了１２ｈ数值模拟。时间是从８月３１日１２时（世界时）到９月１日００时。结果显示：模式预报的台风和实际台风的移动方向一致，移动距离相当。模式清楚地预报出了由台风倒槽所造成的强降水。这表明模式对台风路径、台风降水等都有较强的预报能力。还进行了对比实验，研究地形和积云对流等对登陆台风发展和降水的影响。结果表明：地形对台风的位置和降水有重大影响，积云对流除了对台风强度有影响之外，对台风环流的位置和台风的移动速度也有影响。