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。     

CFD方法在贵州分散式风电场资源评估中的应用研究

该文采用CFD软件Meteodyn WT,对贵州中部某分散式风电场进行模拟,模拟时段为2013年1-12月,水平分辨率100 m,垂直分辨率10 m,通过对比实测资料与模拟数据,研究基于CFD的数值模拟方法对复杂地形风能资源数值模拟的适用性,探索其服务于分散式风电开发发展规划制定的可行性.研究结果表明该方法应用于贵州复杂地形是可行的,在没有测风塔观测或者测风塔资料较少的情况下,可得到高分辨率的区域风能资源分布,为分散式风电发展规划的制定和风电场前期建设的选址提供科学依据.     

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。     

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。     

WRF模式对济南地区夏季近地面气象场模拟效果评估

不同地区中尺度气象模式WRF的模拟性能存在明显差异,本文利用数值模拟和统计方法,评估了WRF模式在济南地区的模拟性能,并对比研究地形和土地利用对WRF模式模拟性能的影响,为WRF模式在济南地区的业务化运行提供参考。结果表明:WRF模式能较准确的模拟济南地区近地面气象场及其时间变化特征;统计分析发现,WRF模式对济南地区近地面气温、比湿、风速及风向的模拟准确率分别为72.5%、59.6%、29.4%和36.2%。WRF模式模拟的济南地区夏季比湿偏低、风速偏高,模拟的风速存在系统性偏差。下垫面对WRF模式的模拟结果有显著影响,10 m风速的均方根误差(RMSE)与地形、坡度、模式格点和观测站点的地形偏差显著相关,与坡度的相关系数最大;2 m气温的RMSE仅与地形偏差显著相关,在复杂地形区比较站点观测气温与模式格点气温时,需考虑地形偏差的影响。     

下垫面对WRF模式模拟黑河流域区域气候精度影响研究

利用高精度的土地覆盖、土壤质地类型和地形高度值替换了天气研究和预报模式Weather Research and Forecasting Model(WRF)中的相关数据,通过数值模式试验检验了下垫面数据对WRF模拟精度的影响。同时,通过与黑河综合遥感联合试验中7个测站观测数据的比较,以平均误差、均方根误差和相关系数为指标,分析了WRF模式下垫面数据改变对近地表气象要素的模拟精度的影响。结果表明:(1)WRF模式本身的地形高度信息在黑河流域上游地区有较大误差,造成了一定的模拟误差。而使用高精度的下垫面数据可以提高WRF模式在黑河流域上游复杂区域的模拟能力;(2)2m气温除了随地形高度递减外,还受土壤质地和土地覆盖小幅度影响,而且进行地形订正后的2m气温与2m湿度的模拟在下垫面为水体的区域对比强烈,因此为模式提供准确的水体分布信息也至关重要;(3)2m气温和湿度等要素的模拟差异值与地形高度资料的差异呈负相关,而降雨量的差异与地形高度差异呈微弱的正相关,与土壤质地差异和土地覆盖差异的相关性也比较弱。     

2013年华中区域中尺度业务数值预报的客观检验

应用国家气象中心模式检验方法,对华中区域中尺度业务数值预报模式WRF和中国气象局下发的GRAPES模式2013年1-12月的预报产品（包括降水、2 m温度场、850 hPa温度场、850 hPa风场和500 hPa位势高度场预报）进行统计检验。检验结果表明：所有要素24 h预报均优于48 h;对于晴雨预报,GRAPES模式TS评分高于WRF,但随着降水量级增大,WRF的TS评分基本都高于GRAPES,同时WRF降水预报范围明显偏大;分析2 m温度场的均方根误差及预报准确率发现,WRF的2 m温度场预报优于GRAPES,且暖季预报优于冷季;形势场要素分析表明,WRF对850 hPa温度场和风场预报具有相当大的优势,全年误差变化较稳定,而对500 hPa位势高度场的预报误差存在一定的季节性特征,即夏半年WRF高度场预报优于冬半年,GRAPES模式则相反。总体上,华中区域中尺度业务数值模式产品对天气预报具有一定的参考价值。     

中尺度WRF数值模式系统本地化业务试验

利用中尺度WRF数值模式及WRF三维变分同化系统,在对比试验的基础上,选取了适合本地的积云过程、微物理过程和辐射过程的方案组合;选择了NCEP/GFS作为模式的背景场;统计计算了以云南为中心的区域背景误差协方差并替换了三维变分同化系统中原有的背景误差协方差;同时,考虑模式底层高度与地面观测站高度的差异,进行了地面资料地形订正.通过上述试验研究,建立了本地化的中尺度WRF数值预报业务系统,该系统能较好地刻画本地下垫面的动力和热力状况,预报能力有明显改善.     

江西山地风电场风速数值模拟方法研究

利用中尺度气象数值模式WRF和动力降尺度模式CALMET,对江西山地风电场不同高度层风速进行4个月逐时数值模拟,结合测风塔实测资料,对两种模式的模拟结果进行准确性、误差特征等方面研究,结果表明:1) WRF模式和CALMET模式均能较好地模拟出风速的日变化特征,在大风速时间段两个模式模拟误差变大,可能是由于出现台风、降雨伴随大风等天气时,WRF模式边界层方案对大风速时拖曳作用不充分造成,今后可考虑通过天气过程模拟的敏感性研究及历史数据对模拟结果进行订正。2)从各月模拟结果来看,WRF模式与CALMET模式各月模拟值与实测值间相关系数均大于0. 65,两个模式对70 m高度层模拟结果均优于对10 m高度层的模拟结果,并且CALMET模式均方根误差低于WRF模式的。3) CALMET模式在各风速段模拟效果均优于WRF模式的。两个模式在0~3 m·s-1低风速的模拟效果最优,在大风速段( 8 m·s~(-1))模拟结果平均绝对误差最大,今后应对大风模拟结果的订正开展进一步研究。     

数值模拟技术在风电场宏观选址上的应用

现有气象站分布稀疏,难以全面反映潜在大风区域。数值模拟技术通过提高分析区域的空间分辨率,弥补气象站点分布稀疏的缺陷。利用中尺度天气预报模式WRF对吉林省西部地区风能资源进行了数值模拟。结果表明：数值模拟结果反映了实际风速日变化和年变化规律,10 m、50 m、70 m高度模拟值与实际观测值相关系数分别达到0.889、0.862和0.865,均达0.001 的显著水平;模拟结果揭示了地面观测资料未反映出来的潜在大风区。经实际立测风塔观测证实,数值模拟技术可以用于风电场宏观选址。同时揭示了模拟的风速较实际风速大,且模拟风速空间分布差异小于观测的风速,说明现有数值模式模拟的精确度还存在着局限性,风电场微观选址仍依赖于立测风塔进行实地观测。     

VARYING SEASONS'' MESOSCALE WIND FIELD CIRCULATION IN HAINAN ISLAND

Using a one-level numerical diagnostic model, the features of surface wind fields in Hainan Island and Leizhou Peninsula and maritime area around it are studied. In the experiments with prevailing synoptic situation for varying seasons there are obvious deflection flows, terrain slope drafts, convergence lines, sea/land breeze and mountain/valley breeze, and difference in season accounts for the features found in the mesoscale distribution.The complex terrain and seatland distribution in the area is shown to be the important cause for the formation of varying mesoscale circulation, and close relationships between local climatic distribution feature and mesoscale circulation are then revealed.     

基于CFD动力降尺度的复杂地形风电场风电功率短期预测方法研究

复杂地形导致近地层风场时空变化大,是影响风电场短期风电功率预测准确率的重要因素。为此,基于中尺度数值预报模式和微尺度计算流体力学模式,建立了风电场短期风电功率动力降尺度预测系统。该系统由中尺度数值预报模式、微尺度风场基础数据库、风电功率预测集成系统组成,能够预测复杂地形风电场中每台风电机组未来72 h逐15 min的发电量。提高了复杂地形风场发电功率预测准确率,同时还可以在上报电网的风电功率预测结果中考虑运行维护计划和限电等因素对实际并网功率的影响。2014年7月-2015年1月的业务预测试验表明,风电场短期风电功率动力降尺度预测系统的月预测相对误差均小于0.2,满足中国国家电网对风电功率预测误差和时效性的业务要求。动力降尺度技术不受具体项目地形复杂程度和历史观测数据样本量的限制,可以在新建风电场中推广应用,具备实际的可操作性。      

WRF/CALMET/BP预报系统对内陆山区风电场的一次滚动预报检验北大核心

利用以中尺度数值模式WRF/CALMET作为风电场预报系统的动力模块,及BP神经网络法(BP-ANN)作为风电场预报系统的统计订正方法,对重庆市齐跃山风电场进行了一次时间分辨率为5 min的24 h风速、风功率的滚动预报试验,探讨了适用于中国典型内陆山区的风电场预报系统。结果显示:以WRF/CALMET/BP组成的动力—统计预报系统能够较好地模拟出内陆山区的风场特征,系统对正午至傍晚时段的风速预报准确率较高。WRF/CALMET动力模式对于风速中心振幅的模拟能力较好,经过BP神经网络订正后,模拟结果会趋于均值。不同风速段中,模式对低风速段(3~8 m·s^(-1))的预报效果较好,BP神经网络对中风速段(8~14 m·s^(-1))预报结果的订正效果最明显。     

06·6福建大暴雨的数值模拟及复杂地形影响试验

利用WRF（Weather Research Forecast）中尺度模式对2006年6月5-7日福建地区出现的一次大暴雨过程进行了数值模拟,根据模式输出的物理量进行了诊断分析,并通过地形敏感性试验讨论福建地形对此次暴雨的影响。结果表明：中尺度WRF模式成功模拟出了这次暴雨的雨况及高低空流场分布。这是建立在静止锋、低空切变线和低空急流等系统基础上的一次典型的华南准静止锋降水。冷暖气流在底层交汇并产生强烈的垂直上升运动,不稳定能量的释放是暴雨发生和维持的机制之一,位温的垂直分布有利于低层涡度的发展。福建北部的喇叭口地形和武夷山迎风坡共同作用,导致西南气流的转向辐合,触发了中尺度切变线和中尺度涡旋的形成,加速了上升运动和中层对流发展,有利于位于迎风坡的建瓯、邵武、蒲城等地区降水的增强。     

新疆“2.28” 大风的中尺度数值模拟

受西西伯利亚较强冷空气入侵的影响,2007年2月28日02时,乌鲁木齐开往阿克苏的5807次旅客列车,在新疆三十里风区遭遇狂风,造成11节车厢脱轨侧翻。使用WRF模式对这次大风天气过程进行了数值模拟。结果表明：WRF模式较好地模拟了三十里风区大风的演变和分布特征,对逐时风速的模拟较实况偏小,但变化比较同步;很大的气压梯度和特殊的地形是大风形成的主要原因,狭管效应和下坡风同时存在。     

深凹地形边界层风场与湍流场结构及扩散规律的数值研究

建立了一个模拟小尺度复杂地形边界层平均流场和湍流场结构分布特征的三维非静力细网格高阶矩湍流闭合模式,并将此模式与一个拉格朗日粒子随机游动大气扩散数值模式相联结,以边界层气象模式的输出作为扩散模式的输入,构成了一个大气扩和模拟系统,成功地模拟了某地实际深凹露天矿区和理想凹坑地形两种情况下的平均流场、雷诺应力和湍流通量场,分析了其分布特征,并模拟了矿坑内污染物的散布规律     

基于SRTM资料的小海岛CFD计算模型构建——以东澳岛为例

提出了一种利用SRTM资料构建海岛CFD计算模型的技术方法,并以珠江口的东澳岛为对象,进行了模型构建试验及边界层风场的数值模拟试验.实验结果表明,SRTM资料作为开源的资料,可有效地解析空间尺度在1 km以内数量级的海岛地形,并可以此为基础构建用于CFD模拟的计算模型,真实地刻画出岛屿的地形.利用计算模型进行的模拟试验表明,岛屿地形对风场的影响明显,且这种影响可以被计算模型有效地描述.所提出的技术未来在海岛风资源评估、风电场选址、污染扩散等领域有望发挥作用.