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。     

复杂地形风场的精细数值模拟

风能是一种重要气候资源,随着我国风电规模的迅速增大,发展风能资源评估系统和风功率预测系统已成为一项重要的研究内容。国内外对复杂地形风场结构的数值模拟有大量研究,随着计算机能力增强,以往用于空气动力学精细流场计算的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模式越来越多地在气象领域得到应用,人们开始研究用中尺度预报模式和CFD模式结合进行复杂地形风场的数值模拟。本文的耦合模式系统采用中尺度气象模式(WRF),通过嵌套网格到内层尺度(一般是几公里),然后通过耦合CFD模式Fluent软件获得高分辨率(水平30~100 m,垂直150 m高度以下10 m)的风速分布资料,得到精细化的风场信息。通过对鄱阳湖北部区域和云南杨梅山复杂地形的风场模拟,提供了风能评估和预报的一种可行的方法。     

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。     

青岛地区边界层结构的数值模拟

本文建立了一个非静力的三维细网格边界层模式，对青岛地区复杂下垫面条件下的边界层结构和湍流特征作了数值模拟，模式采用能量闭合方案，舍弃了静力近似，以提高空间分辨率和模式精度。模拟以实测资料为初始输入，对该地区风场和湍流场作了较细致的模拟分析，与观测资料相比，结果合理地一致。结果表明了陡峭地形和不规则海岸线对局地风场和湍流场影响很大。     

复杂地形与建筑物共存情况下的风场模拟研究

下垫面的复杂性一直是数值模拟所面对的主要难题之一,尤其当复杂地形和建筑物同时存在时,问题变得极其困难,几乎已有的任何单一模式都难以很好模拟出复杂地形上建筑物周边的风场精细结构。为解决这一问题,提出利用中尺度模式RAMS与CFD模式FLUENT耦合的方法,利用RAMS的模拟结果驱动FLUENT进行复杂地形上建筑物周边风环境的精细模拟。数值模拟试验以“鹦鹉”台风登陆期间的香港国际机场为研究对象,模拟了强风条件下机场周边的风场精细结构。将模拟结果与南北两侧跑道边的6个自动站观测数据进行对比,发现风速与风向都较为一致,并较好地描述了由于建筑物所导致的机场南侧着陆航道上的横向风切变,解释了台风期间南侧跑道两架飞机着陆困难的原因。      

三维山体过山气流流场特征的数值模拟

采用高阶矩湍流闭合方案，建立了一个细网格、高分辨率、三维非静力ＰＢＬ数值模式，并由其模拟了三维山体条件下的流场结构和湍流场特征。为反映数值模拟结果的可靠性，对中性条件下三维山体流场进行了风洞试验。与数值模拟结果对比分析表明，数值计算与风洞试验结果有较好的一致性；使用该模式模拟山体条件下的流场结构能取得较好的结果；将模拟结果作为随机游动扩散模式的三维风场及湍流场资料输入，为复杂地形条件下大气污染的研     

复杂地形城市冬季大气污染的数值模拟研究

采用中尺度大气动力模式与大气扩散模式相结合的方法，针对复杂地形条件下兰州市冬季无明显冷空气入侵天气过程时段（1994年12月2－3日）的大气污染状况，进行污染物（二氧化硫和烟尘）浓度分布的数值模拟研究，分析了模拟的风场的气温层结随时间的变化以及污染物浓度的分布及其变化，进一步分析了模拟的风场和气温层结与污染物浓度分布的关系。结果表明，该模式系统对兰州市大气边界层结构及污染物浓度的分布有较好的模拟能力，并证明了该模式系统可适用于兰州市大气质量预测预报研究。     

WRF模式对夏季黑河流域气温和降水的模拟及检验北大核心CSCD

利用NCEP/DOE再分析资料驱动中尺度区域模式WRF对1999 2008年夏季(6 8月)黑河流域及周边地区气温和降水进行了模拟,并检验了区域气候模式在山区复杂地形条件下的模拟性能,客观评估了复杂地形条件下气候模拟的性能。气温和降水空间分布的对比分析表明,高分辨率WRF模式较粗分辨率的再分析资料能更精细地模拟出复杂地形条件下山区气温和降水的分布特征,充分体现了高海拔山区复杂地形对气温和降水空间分布的影响。通过BSS指标对气温、降水模拟的定量评估表明,在复杂地形条件下,WRF模式可以在几乎所有观测站点提高气温模拟的准确性,也可以为复杂山区没有观测站点地区气温的空间分布和量值提供数据支持。对降水量模拟的准确性低于气温模拟,半数的站点模拟值较再分析资料更接近观测值,位于祁连山东南侧站点降水量模拟值偏大,可能与WRF模式中地形对水汽输送的抬升作用有关,也可能与观测站点对该区域的代表性有关。     

WRF模式对夏季黑河流域气温和降水的模拟及检验

利用NCEP/DOE再分析资料驱动中尺度区域模式WRF对1999 2008年夏季(6 8月)黑河流域及周边地区气温和降水进行了模拟,并检验了区域气候模式在山区复杂地形条件下的模拟性能,客观评估了复杂地形条件下气候模拟的性能。气温和降水空间分布的对比分析表明,高分辨率WRF模式较粗分辨率的再分析资料能更精细地模拟出复杂地形条件下山区气温和降水的分布特征,充分体现了高海拔山区复杂地形对气温和降水空间分布的影响。通过BSS指标对气温、降水模拟的定量评估表明,在复杂地形条件下,WRF模式可以在几乎所有观测站点提高气温模拟的准确性,也可以为复杂山区没有观测站点地区气温的空间分布和量值提供数据支持。对降水量模拟的准确性低于气温模拟,半数的站点模拟值较再分析资料更接近观测值,位于祁连山东南侧站点降水量模拟值偏大,可能与WRF模式中地形对水汽输送的抬升作用有关,也可能与观测站点对该区域的代表性有关。     

修正WRF次网格地形方案及其对风速模拟的影响

复杂地形区域风场模拟的准确率一直是风能研究领域的难点和重点。WRF模式是目前风能评估领域应用最广泛的天气数值模式之一,但该模式在复杂地形区域存在对平原、山谷风速高估且对山顶风速低估的系统性误差,并有研究建立次网格地形方案以订正误差。而次网格地形方案在不同水平分辨率下常出现错误的修正结果,该文基于高精度地形高程数据分析了方案失效的主要原因,发现其方程组中判断山体形态特征的阈值-20在过低和过高水平分辨率下均失去参考性。针对这一原因,将方案中影响关键参数C_t的地形高度算子与模式水平分辨率进行拟合,形成地形高度算子与水平分辨率相依赖的线性关系,获得不同分辨率下更适合的山体形态阈值。通过与自动气象站10 m风速对比分析了修正前后WRF对低层风速的模拟效果,结果显示:修正后的次网格地形方案能够分别在较低和较高分辨率下,部分矫正原方案错误的订正结果,使低层风速模拟更接近实况。修正后的次网格地形方案可为复杂地形区域开展高分辨率风场模拟提供参考。     

复杂地形区域之大气环境容量

复杂地形区域之风场及污染物的输送,受地形影响往往是非均匀的,这类地区大气环境容量的估算也有别于平坦地形区域。本文以粤东山区之梅州市工业居民混合区为例,介绍了复杂地形条件下大气环境容量的计算方法。主要包括:1.确定地形影响下近地面之主要流型.2.合理给出模式调整前容量的初估值,以尽量减少模式调整的工作量.3.建立非均匀风场条件下的环境容量调整模式.4.通过模式调整得出大气环境容量的准确值。     

中尺度数值模式中初始场和地形的不同处理对降水预报的影响及相对比较

与天气尺度系统相比,中尺度天气系统的风场较重要,散度场和降水量有很好的相关性。那么在中尺度模式的初始资料处理中是否能延用天气尺度模式的处理方法,如风场的无辐散处理等。另一方面,中尺度系统中强迫过程如地形的作用也很重要。这两方面分别有过不少研究,但对某一地区,特别是地形复杂的地方,弄清中尺度数值模拟是对初始场还是对地形处理敏感,将有助于中尺度模式的研究改进和地形作用的探讨。     

精细PBL模式及其诊断应用

在已建立的一种三维非静力细网格E-ε湍能闭合的动力学框架基础上,作了一些改进的技术处理和试验,包括:(1)利用GIS提供的地形资料,较精确地计算太阳辐射,进而诊断地面温度;(2)引进位势流概念,处理稳定层结条件下初始内插风场的风向变化;(3)引入动力学调整项(αobs-α).在此基础上,就地理信息系统(GIS)提供的一个60km×48km区域作了边界层结构和湍流特征的数值模拟试验,并与实测作了比较,讨论了精细PBL模式的模拟效果,结果表明,新建的PBL模式能较好地模拟表征出复杂下垫面地域的陡峭地形和不规则海岸线对局地风场和湍流场的动力和热力学作用.     

基于WRF-LES的干旱湖区近地面风场模拟与敏感性研究

基于6层嵌套的WRF-ARW模式,在新疆博斯腾湖某湖岸地区进行了实际大气条件下的LES近地面风场数值模拟,并依据该地观探测资料开展了模拟结果的比对分析。为了探讨该地陆面特征对模拟结果的影响,分别针对地形分辨率、土壤湿度和地表粗糙度开展了敏感性试验。研究结果表明,在所关注的小尺度研究区域内,WRF-LES通过对大气边界层内大尺度湍涡的直接解析,相比于中尺度模拟,模拟结果更能体现出近地层风场的高度起伏性,进而提高数值模拟的真实性和准确性。为达到预期应用效果,WRF-LES需要与之相匹配的高分辨率的地形数据,此外土壤湿度数据会通过改变地表热通量分配来影响日间大尺度湍涡的发展,进而影响近地面风场模拟结果,而地表粗糙度对WRF-LES近地面风速模拟的影响则较为复杂。     

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。     

基于WRF/CALMET的关中盆地中部典型风场模拟

利用中尺度天气预报模式WRF耦合小尺度诊断风场模型CALMET进行降尺度风场模拟,模拟了2016年12月—2017年2月覆盖关中盆地中部典型天气条件下的1km×1km空间分辨率风场,用气象站观测值与模拟值进行对比分析,对模拟时段和典型天气过程期间关中盆地中部近地面风场特征进行了分析,结果表明:(1)模拟风速、风向与实测风速、风向均基本一致,模拟风场可代表关中盆地中部的真实风场。(2)关中地区风速主要分布在1.6~3.3m/s和0.3~1.5m/s风速区间,风速较小;关中地区除南部由于受秦岭地形的影响以南风和西风为主,其余地区均以东北风为主。(3)当风速较小、天气形势较为稳定时,容易在关中地区中南部出现气流的辐合,不利于污染物的扩散;当风速较大、风场气流较为平整时,扩散条件较好,有利于污染物的扩散。     

酒泉地区风能资源开发优势度分析

运用新一代中尺度模式WRF对酒泉部分地区进行了风场的数值模拟。结果表明,WRF模式对复杂地形条件下的风场具有较好的模拟能力,也能较好地模拟出地形对风速的影响。在此基础上,结合GIS技术在空间信息处理方面的优势,综合考虑各种地理要素的影响,对酒泉地区风能资源进行精细化研究,分析风能资源开发的优势度,发现(1)研究区域具有非常丰富的风能资源,较丰富区以上地区的面积将近达到研究区域的一半;(2)丰富风能资源区与该地区的地形有很好的对应关系,主要处于有地形狭口效应的区域;(3)最有利于风能资源开发的区域在玉门镇以南至昌马,这一片区域的地形平坦,风能资源丰富,又是戈壁,非常适合建设大型风力发电场。这些显示了酒泉地区风能资源开发的优势度分布,能为风电场的选址提供参考。     

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。      

冬奥会小海坨山赛区边界层风场大涡模拟研究

北京市延庆区小海坨山将承担2022年第24届冬季奥运会部分高山滑雪、高山速降等室外赛事。由于室外赛事对近地面风场有着极其严格要求,需要提供百米内分辨率风预报产品。目前广泛使用的高分辨率(1 km)中尺度模式尚不能满足这一预报需求。本文基于中尺度气象模式(WRF)的大涡模拟(LES)功能,针对冬奥小海坨山地区构建在线耦合中-微尺度WRF-LES模式系统,采用四重单向嵌套将水平分辨率从中尺度1 km降至微尺度37 m,对发生在该地区2017年1月13日晴天大风个例开展边界层风场的精细模拟。结合观测,通过设计模式水平、垂直、地形分辨率及边界层方案敏感性试验,检验和评估了WRF-LES作为真实大气模拟工具在复杂地形区域的适用性。结果表明,由于LES能解析大气湍流中部分湍涡能量,相比普通中尺度模式WRF,百米或更高分辨率WRF-LES能捕捉更多大气小尺度运动特征,刻画出局地流场结构,获得更精细、准确的近地面风场信息。为实现精确模拟,模式需引入与水平分辨率相匹配的高分辨率地形高程数据,结合计算资源能力设置垂直网格距。模拟结果表明WRF-LES对复杂山地近地面风场具有超高分辨率模拟应用的潜力和价值,表现出较好的预报能力,可为冬奥会精细气象服务提供技术支持。     

珠峰北坡绒布河谷局地环流的模拟分析

对珠峰北坡绒布河谷地区大气观测实验发现,绒布河谷中地面气流存在明显的日变化,但有别于其它地区的山谷风系统:在凌晨至正午前后基本为＜2m·s-1的小风,而午后至午夜则盛行来自珠峰方向的偏南下山风.由于珠峰北坡地区地形复杂,绒布河谷中地面气流的日变化可能是山谷风、坡风与冰川风等环流系统共同作用的结果.为了分析绒布河谷中风场日变化的主要驱动因子,本文利用一个中尺度气象模式对绒布河谷中典型风场进行了模拟,并借助观测资料对模拟结果进行了检验,进而对风场的时空分布特征及其变化原因进行了探讨.