基于大涡模拟的小区气候态精细化风环境模拟试验

对具有复杂下垫面的小区精细化风环境进行数值模拟是当前城市气象研究的热点,而针对具有复杂地形的山地型城市（如重庆）的研究还比较匮乏。本文采用能显式分辨下垫面陡峭地形和复杂建筑物的计算流体力学（CFD）模式对重庆市渝北区龙湖社区气候态下的精细化风环境进行高分辨率的数值模拟。结果表明,下垫面能显著调节小区内风场的分布,风速大值区主要出现在九龙湖等开阔区域以及与中尺度背景入流方向一致的街道中。在夏季,小区整体风场以东南风为主,而其他3个季节则以偏东风为主。4个季节中,夏季小区内的风速最大,平均风速为0.3 m/s左右,局地能出现大于背景风的风速,可达0.8 m/s;其他3个季节的风速则较弱,区域平均的风速在0.2 m/s左右。不同的建筑物布局对局地风环境的影响也不同:单个孤立高层建筑迎风面的近地面存在明显地绕流,局地风速有所增加,而在背风面则形成尾流区,水平风速较低;在低矮分散的建筑群,建筑物的整体高度不高,区域内流场相对来说比较一致,风速较大,有利于小区的通风;在密集高层建筑群内,由于建筑物群本身的布局比较封闭,加之不同建筑物的环流场存在相互干扰及影响,使得小区近地面风速几乎为零,不利于小区通风和污染物扩散。建筑物的这些影响在城市冠层内尤为明显,高度越高这种影响越弱。     

风电场不同高度的50年一遇最大和极大风速估算

风电场50年一遇最大和极大风速是决定风电机组极限载荷的关键指标, 也是风电项目开发中机组选型和经济评估的关键指标之一。该文重点从气象学角度, 结合我国风电项目开发的实际情况, 提出5 d最大10 min平均风速取样法, 用Ⅰ型极值概率分布来估算风电场不同高度50年一遇最大风速; 以附近气象站长期的历年最大风速及与风电项目内测风塔同期的逐日最大风速资料, 修正所得结果。再以实测到的大风速段的最大阵风系数, 推算风电场不同高度50年一遇的极大风速。并利用内蒙古巴彦淖尔市乌兰伊力更风电场300 MW项目1年的实测风资料及内蒙古乌拉特中旗气象站的测风资料, 估算乌兰伊力更风电场内不同高度上50年一遇的最大和极大风速。     

基于频谱补偿和数值模拟技术的江苏近海大气边界层百米高度处极端风速研究

在平均风速基本满足近海风力发电需求的前提下,近海大气边界层百米高度处极端风速的合理估算成为中国海上风电开发领域的研究热点。与低纬度海域台风极端风速的广泛研究不同,由于缺乏有效的技术手段,对于台风影响相对较少的中纬度海域,极端风速的科学认识明显不足。研究以江苏近海为例,通过频谱分析技术,定量刻画了数值模拟风速能谱在高频波段的能量衰减和截断特征;进而利用风速能谱曲线在频率域的积分及其在高频波段的补偿,实现无观测区域年最大风速的估算。与台风风场数值模拟技术相结合,综合考虑了中国中纬度海域受寒潮大风和热带气旋大风影响的复杂、特有气候特征,建立了一套可推广应用的近海大气边界层百米高度处极端风速估算的新方法。据此推算了江苏近海100 m高度处50年一遇的极端风速。结果表明:受寒潮大风影响,江苏北部海域的50年一遇风速超过40 m/s;少量北上的热带气旋则造成响水和如东附近海域40 m/s,甚至44 m/s以上的50年一遇风速;中部盐城附近海域的50年一遇风速则普遍低于35 m/s。研究成果不仅为该海域近海海洋工程的开发设计及安全运行提供重要的科学支撑,同时也有助于加深对中国极端气候事件的科学认识和大气边界层科学理论的发展。      

上海地区沿海（江）岸非汛期不同重现期最大风速估算

非汛期不同重现期最大风速是沿海(江)岸堤防设计标准、工程安全性和投资成本估算的一个重要参数。文中基于上海崇明、宝山、南汇、奉贤和金山5个沿海(江)岸气象站历史风速观测资料和横沙岛测风塔10 m高度逐日最大风速资料,采用极值I型分布估算了上海地区沿海(江)岸非汛期(1—5月和10—12月)各风向不同重现期最大风速。结果表明,上海地区沿海(江)岸非汛期的最大风速以W风最大,SW风最小。沿海(江)岸非汛期50 a一遇最大风速为23.3—28.3 m/s,小于上海地区基准风速(30.0 m/s)。各地非汛期不同风向50 a一遇最大风速的最大差值为3.4—8.1 m/s,同一重现期各地沿海(江)岸10 m高度最大风速极值也相差较大。崇明区域非汛期沿海(江)岸最大风速最大,其次是南汇区域,宝山区域最小。上海地区最大风速一般都出现在沿海地带,其分布与上海实际地理、地表状况相符。     

珠江口海域热带气旋气候特征及最大风速计算

根据1949～2011年热带气旋路径资料,统计分析了影响珠江口海域的热带气旋气候特征,包括热带气旋频数、强度及路径趋向等特征,结果显示,在近63a间共有75个热带气旋样本影响珠江口海域,有3个年份出现多达4个热带气旋影响该海域;出现12级以上强风的台风样本约占总数的3成;热带气旋的移动方向以西北和偏西方向为主,约占总数的7成.分别采用x2检验和Колмогоров法对热带气旋样本频数及最大风速序列分别进行拟合适度检验,结果表明,影响珠江口海域的热带气旋最大风速服从Poisson-Gumbul复合极值分布,计算影响珠江口海域的热带气旋中心附近的概率风速,得到的50a一遇10min平均风速为51.1m.s-1,100a一遇10min平均风速为56.8m/s.     

城市化对石家庄站近地面风速趋势的影响

利用1972—2012年石家庄城市站和4个乡村站地面风速资料,采用城乡对比方法,对石家庄城市站地面风速序列中的城市化影响进行分析,结果表明,石家庄站年和季节平均地面风速和平均10 min最大风速的长期下降趋势,主要是由城市化因素引起。具体结论如下：(1)石家庄站年和四季平均风速、平均10 min最大风速和大风日数均呈极显著的减少趋势,年平均减少速率分别为-0.15 (m/s)/10a、-1.05 (m/s)/10a和-2.90 d/10a;乡村站年平均风速呈微弱下降趋势,年平均10 min最大风速减少较为明显,年大风日数减少趋势非常显著,减少速率分别为-0.02 (m/s)/10a、-0.21 (m/s)/10a和-2.19 d/10a。(2)石家庄站年平均风速下降趋势中的城市化影响为-0.13 (m/s)/10a,城市化影响非常显著,城市化贡献率达到86.0%。该站春、夏、秋、冬季平均风速变化的城市化影响分别为-0.16 (m/s)/10a、-0.10 (m/s)/10a、-0.13 (m/s)/10a和-0.15 (m/s)/10a,城市化贡献率分别为82.8%、87.6%、88.6%和85.4%。(3)石家庄站年平均10 min最大风速变化趋势中的城市化影响为-0.84 (m/s)/10a,城市化贡献率为79.7%;春、夏、秋、冬季平均10 min最大风速变化趋势中的城市化影响分别为-0.94 (m/s)/10a、-0.80 (m/s)/10a、-0.60 (m/s)/10a和-1.01 (m/s)/10a,城市化贡献率分别达到90.4%、78.6%、64.9%和79.1%。(4)城市化对石家庄站年大风日数减少的影响不显著,但冬季大风日数减少仍明显与城市化过程有关。     

鄂东长江公路大桥设计风速推算研究

利用黄石气象站年最大风速资料,在均一性检验基础上,利用极值Ⅰ型分布曲线,推算出气象站处基本风速,结合桥位处一年完整的对比观测,通过比值法把基本风速推算到设计风速。结果表明:(1)黄石气象站年最大风速在1990年前后突然减小,可能与周边建筑物增加以及全球气候变暖共同作用有关;(2)黄石气象站不同重现期(100、50、30、10 a)10 m高处10 m in平均年最大风速(基本风速)分别为25.1、23.3、22.0、19.1m/s;(3)确认气象站到桥位的风速放大系数为1.2;(4)桥位区不同重现期(100、50、30、10 a)10m高处10 m in平均年最大风速(设计风速)分别为30.1、28.0、26.4、22.9 m/s。     

武汉青山长江公路大桥设计的风参数研究

利用黄陂气象站、武汉青山长江公路大桥桥位处新建的测风塔和湖北省农展中心自动气象站风资料,采用极值I型分布法对武汉青山长江公路大桥设计的风参数进行研究,结果表明:(1)桥位区10 m高度年最大、极大风速为分别为17.0 m·s~(-1)、20.9 m·s~(-1),年均大风日数为5.8 d,年最多风向为NNE;(2)气象站100 a重现期10 m高度10 min平均年最大风速(基本风速)为25.6 m·s~(-1),桥位处100 a重现期10 m高度10 min平均年最大风速(设计风速)为29.0 m·s~(-1);(3)风速较大时水平动量的垂直湍流通量较风速小时大、湍流参数较风速小时小、湍流谱密度值较风速小时增大1～2个量级;极大风速发生时1 h内的风攻角为0°～3°。     

ERA5再分析资料对中国大陆区域近地层风速气候特征及变化趋势再现能力的评估

基于台站观测资料,评估了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）最高时空分辨率的第五代大气再分析资料（ERA5）对1979～2018年间中国大陆区域10 m高度风速的气候特征及其变化趋势的再现能力,并同步对比分析了ERA5资料100 m高度风速的特征和长期趋势。结果表明,ERA5资料10 m和100 m风速在空间分布、年—季节—月尺度演变的气候特征方面与台站观测非常一致,10 m风速气候态空间相关系数达到0.66。观测和再分析资料均显示,中国近地层风速呈现出显著的区域性特征,风速大值区主要分布在内蒙古、东北地区西部、新疆北部以及青藏高原西部地区,上述区域的风速季节差异也相对明显,春季风速最大。台站观测、ERA5资料10 m和100 m全国平均风速在4月达到最大值,分别为2.6、3.0、4.5 m s–1,8月为最小值,分别为2.0、2.4、3.5 m s–1。从月平均序列来看,ERA5资料的10 m风速较台站观测偏高0.3～0.5 m s–1,而100 m的风速较10 m风速整体偏高1.2～1.4 m s–1。在风速变化方面,台站观测风速在中国陆地区域整体呈下降趋势–0.4 m s–1（39 a）–1,春季下降趋势最显著[–0.5 m s–1（39 a）–1],且1979～1992年冬季风速降幅最大[–0.7 m s–1（14 a）–1],2013年以后风速逐渐增强。ERA5资料两个高度层的风速在整个中国区域均没有明显的长期变化趋势,4个季节风速变化趋势的空间分布与观测也存在差异,100m风速的长期变化趋势与10 m一致但变化幅度大于10 m风速。总之,ERA5资料对中国大陆区域气候平均风速具有较好的再现能力,但无法呈现台站观测风速的长期变化趋势。     

湛江东海岛二月海陆风环流特征研究

利用2011年2月湛江东海岛风廓线雷达资料,系统分析了湛江东海岛2月平均风场特征及海陆风特征,结果表明:2月湛江东海岛150 m高度处以东偏北出现频率最大,在E、ENE和NE三个方位的风向出现频率之和为66.6%,偏西七个方位的风向出现频率之和仅为1%。以SSW方位为界,偏东风与偏西风的出现频率差异明显。各整点的月平均风速1:00—15:00变化较小,均在1 m/s左右波动;15:00—20:00风速及风速波动都较大,最大值出现在16:00时,为2.1 m/s。2011年2月中只有2日与14日两日符合海陆风日条件,两日共同海风时段为13:00—20:00,持续7 h;陆风时段为2:00—7:00,持续5 h。海风平均风速为2.1 m/s,陆风平均风速为0.8 m/s,海风平均风速明显大于陆风风速。海风与陆风环流垂直高度相差甚小,约1.2 km,风速随高度变化趋势均为先增后减;海风最大风速出现在750 m高度处,陆风出现在500 m高度处,500～750 m高度区间海风环流强度明显强于陆风环流。2 km之上为均匀一致的系统性西风环流。     

自记风的一次特殊故障

2003年4月9日,泾阳县气象站遇到一次特殊故障:风杯转动正常,风向风速指示器正常,可记录器上风速异常。在观测中,瞬时最大风速约12m/s,记录器上10min平均风速为9m/s属正常,但记录器上10min平均风速达17m/s,比瞬时风速还大,超过历史极值,判定仪器故障。

     

陕西自动与人工观测风对比评估

利用陕西自动与人工平行观测第2年数据—4次定时观测的2min风速、逐时观测的10min风速及风向、日最大风速,分析人工与自动观测的风速差异及风向相符率,并对风速进行显著性t检验。结果表明:自动观测的2min、10min风速大于人工观测值。日最大风速则相反。月平均对比差值及其标准差,2min风速,分别为0.2m/s及0.71m/s;10min风速,分别为0.15m/s及0.39m/s,即两者之间10min风速较为接近。自动与人工观测10min风向相符率平均为42.8%,风向相符率频率以45%为中心,基本呈正态分布特征,且无明显的地域特征,相符率夏半年明显低于冬半年。显著性检验表明,α为0.05时,6.5%的月平均值、20.2%的年平均值由于仪器换型引起了2min风速的显著性差异。     

依安县近30 a风气候特征及开发利用初探

利用依安县国家一般气象站30a(1989-2018年)风速风向资料进行了统计分析。结果表明:依安县近30 a平均风速为2.8 m/s,年均最大风速为10.3 m/s,并且呈减小趋势。大风日数平均为9.3 d呈减少趋势,但极大风速值呈增大趋势。春季比夏、秋、冬季节平均风速大,4月、5月平均风速、最大风速、极大风速均大于其他各月,所以依安县春季是大风频发的季节。春季、秋冬季盛行西北风,夏季盛行东北风。     

桦南地区风能资源数值模拟误差分析

本文使用中尺度数值模型MM5结合微尺度模型CALMET对黑龙江省桦南地区2009年6月-2010年5月进行风能资源数值模拟,并与测风塔实测风速进行误差对比分析。结果表明各高度模拟风速与实测风相关系数在0.47-0.64,除10 m高度外,年平均风速模拟值都略大于实测值,>10 m/s区间与实测风速频率基本相当,高度越高与实测风速越接近。风向模拟随高度增加趋于稳定,主导风向与实测风向也越接近,70 m高度主导风向与实测风主导风向相一致。模型对风能频率的模拟效果优于对风速频率与风向频率的模拟。     

岳阳洞庭湖大桥桥位设计风速推算

利用岳阳气象站1953-2010年年最大风速观测资料,通过时距换算、高度换算及地形订正等处理,构建相当于开阔平地10m高度处10min平均年最大风速58年序列。根据极值Ⅰ型分布曲线,采用耿贝尔法计算出10m高处不同重现期(200年、100年、50年、20年、10年)基本风速,根据洞庭湖区测风塔与岳阳气象站相应时段10min平均月最大风速比值,外推得到岳阳洞庭湖大桥桥位设计风速。根据设计风速,取α=0.131,利用风速随高度变化的指数公式推算到300m以内各个高度层(70m内10m一层,70m以上间隔30m)最大风速。     

1971-2010年虎林市最大风速变化特征

利用虎林市1971-2010年各月10 min最大风速资料,对虎林市最大风速进行统计分析,发现40 a虎林市春季、夏季、秋季、冬季和年最大风速每10 a以1.65 m/s的幅度下降,冬季下降最快,达到每10 a下降1.90 m/s,春季、夏季降低幅度很接近,都小于年最大风速降幅,夏季最大风速下降最慢,且最大风速极值主要出现在秋季和春季。虎林市各月最大风速变化曲线呈＂递减的两峰一谷＂型。     

WT模型在山区高速公路风预报订正中的应用

利用2001—2020年河北省142个国家气象站逐日最大风速资料分析了近20年河北风速变化背景。择选2021年2—5月张家口、崇礼区域日极大风速13.9 m/s以上、日10 min平均风速最大值8 m/s以上的30个代表日，运用张承高速公路沿线崇礼国家气象站、南窝铺及场地2套区域气象站、高家营及西湾子2套交通气象站的逐分钟风向风速观测资料，ECMWF数值模式输出的地面10 m风预报资料，以及3″分辨率的SRTM3地形资料，应用Meteodyn WT模型对张承高速公路沿线2个解域区域内的风预报结果进行了订正和检验。结果表明：WT模型输出风速与实际观测风速相关系数可达0.6225并通过0.001显著性检验，各代表站模拟的结果与实况的误差80%以上在±2 m/s之间，地形开阔处误差明显减小；风向也表现出很高的一致性。说明应用WT模型对山区高速公路沿线风数值预报进行订正是可行的，各地可结合本地地形数据以及相对稳定可靠的风的数值预报产品作为WT模型的驱动数据源，开展本地山区高速公路沿线风的订正应用。     

基于CFD模型的内陆核电厂厂区流场模拟

以内陆某核电厂为例,简述了利用流体力学软件STAR-CCM+模拟内陆核电厂厂区流场及大型自然通风冷却塔雾羽扩散的实现原理,介绍如何将SolidWorks2010建立的核电厂厂区模型导入到STAR-CCM+,给出了STAR-CCM+划分网格的过程,说明了边界层划分的基本假定条件和参数。将STAR-CCM+模拟的数据与风洞实验数据进行了比较,结果显示了较好的一致性。结果表明：在离地面5m的高度处,大型自然通风冷却塔背风面形成较大的空腔区,空腔区风速较小,只有1-1.5 m/s,部分区域达到静风;在冷却塔两侧风速相比入口速度增大了1.66倍;在离开地面100 m的高空,冷却塔背风面的空腔区依然比较明显,冷却塔两侧风速相比入口风速,其变化趋于平稳;在沿主导风向的轴线上,冷却塔两侧风的扰动依次加强;单台冷却塔雾羽最大的抬升高度出现在下风向距离3300 m处,最大抬升高度为690 m,4台冷却塔雾羽在下风向距离3300 m的抬升高度约为850 m,是单台冷却塔的1.23倍。     

塔中一次强沙尘暴过程边界层风场变化特征

利用风廓线雷达探测资料对2010年4月19日塔中一次强沙尘暴过程中的边界层三维风场进行分析研究。沙尘暴爆发前,塔中1 000 m高度内空中风主导风向由偏东风转为偏西风;沙尘暴爆发时,地面至1 500 m高度内为偏东风。近地面风速在沙尘暴爆发初期迅速增大至18.3 m/s,中后期逐渐变小,但依然保持10 m/s左右的较大风速;300～1 000 m高度,沙尘暴爆发时段的风速小于过程前后;1 000～2 000 m高度内,沙尘暴爆发前风速达到最大,然后随时间变化呈递减趋势;3 000 m以上高空风在沙尘暴爆发期间风速可达20 m/s。沙尘暴过程中塔中上空存在明显的沙尘颗粒沉降运动,平均下沉速度为1.2 m/s。     

近50a黑龙江省地面平均风速变化

利用气候统计方法分析黑龙江省近50 a地面平均风速,得出结论:黑龙江省气象观测地面平均风速最大区在中部45°～47°N间,带状分布,其南和北部风速较小;近50 a黑龙江省平均风速呈明显的减小趋势,减小速率为0.3 m/s/10 a;近50 a黑龙江省在大多台站地面平均风速下降的同时,也有台站表现出自己的局地特征,在50 a变化趋势减小的背景下,近10~20 a风速表现为上升。