中国海风能密度预报

利用NCEP预报风场,对2013年3月中旬发生在中国海的一次强冷空气过程进行分析,并利用预报风场计算得到这期间的风能密度,实现"风能密度数值预报",可为风电机采集风能提供日常保障,以提高装备的采集、转换效率。结果表明,1)NCEP预报风场可以很好地刻画冷空气给中国海带来的大风过程,从曲线走势、相关系数、偏差、均方根误差、平均绝对误差等分析也发现,NCEP预报风速在中国海具有很高精度。2)冷空气影响的海域,伴有明显的大风的过程,风能密度也出现明显的增幅。冷空气影响渤海时,该海域大部分区域的风速在10 m/s以上,大值中心在16 m/s以上;风能密度基本都在1 400 W/m2以上。冷空气影响的海域容易出现10 m/s以上的大风,对应区域的风能密度基本都在1 400 W/m2以上;冷空气的边缘海域风速也在8 m/s以上,风能密度在350 W/m2以上。3)利用NCEP预报风场,对海上风电场的风速、风能密度进行预报是可行的,可为风能开发、防灾减灾提供科学依据。     

基于GIS的高海拔山区风电场智能微观选址研究

风电场微观选址是风电场建设的关键问题,关系到整个风电场建设的成败。目前常用的风电场选址设计软件在处理高海拔山区复杂地形时,由于地形对各处的风速影响较大,风能资源评估结果不够准确,导致选址效果并不理想。本文提出一种基于GIS空间分析的风电场智能微观选址方法,首先在GIS软件中对研究区的风能资源进行评估,得到风能资源的分布结果;通过山脊线、山顶点的自动提取,再对风能资源分布、山脊线、山顶点的结果进行叠置分析,在风能资源丰富的区域,选取山脊线上的山顶点位置布置风电机组,提供了初步的微观选址方案。本文通过云南省姚安县三道箐地区的风电场项目实例,对该方法的有效性进行了验证。结果表明,运用本文方法得到的风电场微观选址结果与实际项目的结果很接近,可以作为高海拔山区风电场微观选址。     

复杂山区地形条件下ERA5再分析地表气温降尺度方法

高时空分辨率的气温栅格数据是多种地学模型和气候模型的重要输入。山区地形复杂,气温空间异质性强,如何获取高时空分辨率的山区地表气温数据一直是研究热点与难点。本文选择地形复杂的河北省张家口市作为试验区,基于局部薄盘样条函数对ERA5再分析日均近地表气温（2 m高度）进行空间插值,并利用随机森林算法,结合少量气象站观测气温数据、地形地表参数数据构建日均气温订正模型和气温逐时化模型,实现空间分辨率由0.1 °（约11 km）到30 m的逐时气温降尺度,最后将该模型拓展应用于其他时间与区域,检验本文发展的降尺度方法在没有站点观测数据条件下的时空移植性。结果显示,本文降尺度方法得到的高时空分辨率山区气温数据精度较高,1月均方根误差（RMSE）平均值为2.4 ℃,明显优于气象站点插值结果,且气温相对高低的空间分布更为合理、纹理更加丰富;将该方法应用到其他时间与区域的RMSE平均值分别为2.9 ℃与2.5 ℃,均小于再分析资料直接插值所产生的误差。研究结果总体表明,在气象站点较少甚至没有时,可利用本文方法通过ERA5再分析气温准确获取复杂地形条件下的山区高时空分辨率气温数据。     

广西山地风能资源开发利用可行性分析——以大容山为例

利用大容山自动观测站2004年8月～2006年7月气象观测资料和容县气象站1958～2006年7月测风资料,对大容山的风能资源各参数进行了详细计算和分析,并结合预选风电场的地形地貌、交通运输、联网条件、环境保护等状况对大容山风能资源开发利用进行了可行性分析评价.结果表明：大容山年平均风速为7.2m/s,年平均风功率密度为390.8W/m^2,其风能资源丰富,且交通运输、联网、工程地质等条件较好,可选择在坡度较小的山头或山腰建设风电场,预选风电场可布置750kW的风机45台,总装机容量约为34MW.     

基于空间插值的风场模拟方法比较分析

计算流体动力学方法是目前风场空间格局模拟的主要方法之一,该方法由于受到软硬件局限,多应用于小尺度的风场模拟及分析。该方法精确程度极大地依赖于3D建模的精细程度和迭代计算模型的准确程度,与现实风场的发育过程存在明显差异。而随着物联网技术的发展,我们可通过大量的现场传感器进行风场数据的实时采集,为风场动态实时化模拟提供精确的参数。为了确定风场动态实时化模拟的最佳方法,本文以中国科学院城市环境研究所园区内32个风场传感器的月平均风速数据为研究案例,综合分析了反距离权重插值、全局多项式插值、局域多项式插值、径向基函数插值、最近邻域法插值、普通克里格插值6种空间插值方法,并采用交叉验证的方法对插值结果进行比较。结果表明,反距离权重插值在模拟的误差范围、模拟的准确度、反映极值的能力上优于其他5种方法,为1:500尺度的风场空间格局模拟提供了参考。     

地形横向密度扰动对于区域大地水准面建模的影响

分别利用Helmert和KTH法模拟试算了不同地形起伏区域内横向密度扰动对于大地水准面的影响。结果表明,在地形起伏较小的平原或丘陵地带,横向密度扰动的影响一般不会超过cm级,在精度允许的范围内可以忽略其影响;在地形起伏较大的山区,横向密度扰动的影响可达cm甚至dm级,对于cm级大地水准面精化而言,需要考虑其影响。此外,基于Helmert与KTH法解算的结果在地形起伏剧烈的山区差异较大,由于Helmert法计算地形效应时忽略了外区地形质量的影响,其解算结果可能存在偏差。总体而言,在地形起伏剧烈的山区建模时,需利用多种计算方法基于实测数据分别进行试算,通过计算的变密度大地水准面与实测的GPS水准数据进行比较分析,得到适合该区域的大地水准面建模方法。     

HY-2散射计风速降雨影响的神经网络校正

海洋二号搭载的笔形圆锥扫描微波散射计(HY2-scat)是国内第一个业务化运行的,可提供大量实时海面风场数据的微波传感器。由于Ku波段散射计测风原理和微波传输特性,受到降雨影响的散射计反演风场数据准确度降低。降雨导致的微波传播路径衰减,雨滴对微波直接后向散射导致的回波能量增加和雨滴对海表面毛细波的干扰等综合效应,使得降雨条件下散射计测风风速计算值偏高,风向计算值偏差较大。针对散射计反演风速受降雨影响的特点引入神经网络模型,使用准确度较高的NWP数值预报模式风场数据作为参考,对受降雨影响的HY-2散射计反演L2B级标准风场数据产品进行校正,改进HY-2散射计反演风矢量在降雨条件下的准确度。与受降雨影响的散射计反演风场风速偏差相比较,经过神经网络校正后的风速偏差减小,说明该方法适用于改善受降雨影响的HY-2散射计测风风速精度。     

结合质心Voronoi图优化的三维Douglas-Peucker地形简化算法

在多尺度TIN的自动构建过程中,为使各尺度数据保持地形的主要特征,需要选择合适的地形简化方法提取地形的结构特征信息。传统的3D Douglas-Peucker算法通过设定距离阈值参数对地形进行简化,简化后只保留了山脊线、山谷线等主要地形特征,而未考虑局部细节,难以顾及局部地形起伏变化明显的区域;而质心Voronoi图能够以地形因子作为密度函数,通过迭代驱动种子点向地形起伏较大的区域聚集,但其在主要地形特征的表达方面有缺失。为此,本文将二者的特点结合,在利用传统的3D Douglas-Peucker算法简化的同时,通过质心Voronoi图迭代加入局部起伏较大的特征点,综合考虑主要结构特征及局部起伏对地形进行简化,并在多个简化级别下对原始3D Douglas-Peucker算法和本文优化算法进行了对比。实验结果表明,相对于原始算法,本文优化算法在各简化级别下简化误差降低13.6%以上,具有更高的地形表达精度,且能够更好地逼近原始地形。     

面向地形数据的点云简化算法

针对地形点云数据量大、表面特征复杂多样等特点,提出面向地形数据的点云简化算法。基于K-D Tree搜索各点K邻域,构建点集空间拓扑关系|应用移动最小二乘法计算各点曲率,通过曲率的划分,在平缓区域按距离进行简化,保证整个算法的效率|在突变区域根据曲率简化,确保曲率变化大的关键特征信息不丢失,从而实现点云数据的简化。利用基于熵理论的定量评价方法,通过实例验证该方法的可行性和普适性。     

塌陷区地形分形生成方法与应用

由于煤炭开采而形成的塌陷区地形形态复杂,本文利用分形插值理论模拟了塌陷区地形。在Matlab语言环境下,实现了塌陷区基于遗传算法求取无标度区最优解和基于FBM分形插值算法,在此基础上求解分形特征参数H和σ。对概率积分法预计的数据进行分形内插绘制地表下沉图,取得了理想的效果。     

基于HASM方法的黑河流域潜在蒸发量的模拟

潜在蒸发作为研究蒸发及区域水循环的重要因素之一,其模拟结果对相关领域的研究应用具有重要影响。利用 2000-2009年“黑河流域每日四次常规气象观测数据集”所提供的12个气象站点的潜在蒸发数据,对黑河流域潜在蒸发量进行模拟。首先针对潜在蒸发的特点,分析影响研究区域潜在蒸发的气象因素、地理及地形因素,使用多项式回归和逐步回归的方法对研究区域潜在蒸发进行了背景趋势模拟,选出影响潜在蒸发的最优影响因素组合,在此基础上采用高精度曲面建模（HASM）方法,结合站点实测数据,对去掉趋势后的残差进行精度修正。本文使用kriging法、IDW法和Spline法插值所得潜在蒸发数据,以及“黑河流域1980-2010年3 km 6 h模拟气象强迫数据”作为对照,比较验证模拟精度。模拟结果表明：HASM方法模拟精度最高,模拟结果分布合理,表明该方法在潜在蒸发模拟中具有应用前景。该方法所得到的潜在蒸发数据可作为基础地理数据供相关研究应用。     

顾及风向和风速的空气污染物浓度插值方法

随着经济的快速发展,中国大部分地区空气污染状况日趋严重。空气污染物浓度插值对于进一步分析污染物时空分布情况,估计不同地区人群的暴露风险,制定防范措施具有重要作用。然而,现有空间插值方法由于没有充分考虑风向和风速因素对于污染物扩散的影响,故直接应用于空气污染物浓度插值,会对插值结果造成不利的影响。因此,本文提出一种顾及风向和风速的空气污染物浓度插值方法（Direction-Velocity IDW,DVIDW）。该方法首先根据离散气象站点处的风向和风速数据建立风场表面,然后利用风场数据计算空气污染物的扩散距离,根据扩散距离计算风场中待求点与采样点间的最短路径距离,最后由最短路径距离替代欧式距离进行反距离加权插值。本文分别采用2组实际空气污染物浓度数据,对DVIDW方法和其他常用的空间插值方法进行实验对比分析,验证了本文方法的可行性和优越性。     

中国风能资源空间分布的估算

风能是一种清洁的可再生能源,是太阳能的一种转化形式,但风能开发利用的成本比太阳能开发利用的成本要低,它是可再生能源中最具开发前景的一种能源。科学、准确地估算我国风能潜力及其空间分布是国家对风能资源开发中一项极其重要的基础性工作。本文利用全国395个气象站10年、每日4次的气象观测数据,计算了每个气象站所在地区常年有效风能密度和有效风时数,在此基础上,通过空间内插,形成全国范围的风能密度和有效风时数分布数据。结果显示,在全国范围内:有效风能密度大于150W/m²、100～150W/m²、50～100W/m²、小于50W/m²的区域面积占全国国土总面积的百分比分别为2.51%、16.45%、53.39%和27.65%;有效风时数大于5 000h、4 000～5 000h、2 000～4 000h、小于2 000h的区域面积占国土总面积的百分比分别为5.28%、22.19%、53.54%和18.98%。用风能密度和有效风时数两个指标分别表达风能资源潜力虽然存在局部差异,但在总体态势上基本一致,二者之间的相关系数,...     

基于高斯曲线拟合-FFT方法的南海风场反演

海面风场是海洋学的基本参量,获取海面风场对了解海洋的物理过程以及海洋与大气之间的相互作用至关重要。宽阔的海域面积及复杂的海面状况通常使南海海面上的风场信息很难被及时获取。ENVISAT ASAR是一种全天候全天时监测海面的微波雷达传感器,可实时获取海面风场数据。本文基于已有ASAR数据对南海海面风场进行反演实验,首先将结合高斯曲线拟合的FFT风向反演方法应用于南海风向反演,并参考Cross-Calibrated Multi-Platform （CCMP）风场数据去除180o方向模糊获得海面风向。然后,将高斯曲线拟合-FFT风向与传统的峰值-FFT风向进行对比,最后将准确率较高的高斯曲线拟合-FFT风向分别输入CMOD4模型和CMOD5模型获得海面风速大小。实验结果与CCMP参考数据的比较结果表明,在风条纹不明显的情况下,利用结合高斯曲线的FFT风向反演方法和CMOD4模型风速反演方法可有效地进行南海海面风场反演。该成果对利用SAR数据实时获取南海大面积海面风场信息,尤其是观测点缺乏海域的风场信息,具有重要的指导意义。     

InSAR最小二乘相位解缠权重确定的一种新方法

雷达信号的低信噪比、地形起伏引起的阴影、遮掩以及其它种种原因造成的去相干现象导致相位数据的不连续,使得相位解缠结果出现偏差甚至是完全错误。在分析影响最小二乘相位解缠权重选择因素的基础上,将频域置信度作为权重选择方法进行相位解缠数据处理,结果表明,该方法很好地克服了最小二乘法对于相位坡度欠估计的缺点,且解缠结果具有较高精度和稳定性。     

多面函数参数自适应选取方法在GPS高程拟合中的应用

提出一种综合的多面函数参数自适应选取方法。该方法利用核函数阶数和平滑因子存在最优值以及核函数结点分布应符合高程异常变化趋势的特点,综合利用正交化算法选取核函数结点以及二维粒子群算法确定最佳阶数和平滑因子,实现多面函数参数的完全自适应选取。将该方法应用于地形起伏差异不同的2个测区,结果表明,相比传统经验性方法和部分参数自适应方法,该方法用于GPS高程拟合的精度和可靠性更高。     

基于BEMD分解的地貌分类研究

地貌是指地势高低起伏的变化,即地表的形态。地貌划分对气温、降水、太阳辐照等诸多应用领域都有着重要作用。本文选择空间分辨率为90 m的福建省的数字高程模型(DEM)数据作为地理信号,运用二维经验模态分解(BEMD)进行分解处理,得到多个具有不同尺度、不同物理意义的本征模函数(BIMF1-BIMF3)以及对应余量ORIG。这些BIMF分量对应不同尺度的微观地形,ORIG余量表现为该研究区的地貌分布趋势,体现了平原、丘陵与山地的大致分布区域。运用变点分析法确定最佳计算单元,利用地形起伏度对各个信号区域进行一级分类,依据绝对高度进行二级分类,最后将一级分类与二级分类相结合,实现对地形的分类,这一分类过程体现了研究地区地貌组合复杂的特征。结果表明:①叠加BIMF分量,提取出分量和大于74 m的区域为高频信号区域。该区域以小起伏度的低山为主,并伴随有丘陵和小起伏度中山。②ORIG余量中余量高度小于等于340 m的区域,去除其中包含的高频信号区域后为低频信号区域,该区域以平原、丘陵为主。③剩余区域定义为中频信号区域,该区域的地貌以平丘陵和小起伏的山地为主。研究成果表明福建地貌可分为7种主要类型:低频平原,低频丘陵,中频丘陵,高频丘陵,中频小起伏低山,高频小起伏低山,高频小起伏中山。     

顾及地形的滇中引水工程最低成本线路研究

以滇中引水工程线路规划为例,以资源三号测绘卫星ZY-3 DSM为数据源,以均值变点分析法为理论依据,借助Python语言编程实现研究区地势起伏度最佳统计单元的确定,并运用GIS技术生成地势起伏度和坡度图。再运用专家打分评价方法,确定地势起伏度和坡度的权重,采用基于栅格的成本加权分析法,构建滇中引水工程地形成本栅格。在此基础上,将引水工程线路规划问题转化为GIS最低成本路径求解问题,以栅格数据Dijkstra算法为基础,求解出滇中引水工程最低成本线路。从地形的角度,研究了复杂地形状况下滇中引水工程智能线路规划的方法,可为引水工程提供一定的参考和借鉴。     

基于无人机成像点云的禄丰恐龙谷南缘环状地貌空间特征探测实验分析

为了定量获取复杂地貌构造的特征参数,需要获取高精度、高分辨率的地形地貌数据。在复杂地貌特征探测中,基于无人机航测结合成像点云,可以快速、高效、安全、准确地完成复杂地貌空间探测任务。针对禄丰恐龙谷南缘环状地貌的典型局地场景,采用无人机测量技术获取测区高分辨率的地貌影像数据,构建实景三维场景模型并对其地貌特征进行探测分析研究。试验结果表明:①基于无人机成像点云构建0.2 m分辨率DEM数据能够精准表达研究区真实地貌特征。②通过构建环状场景"内-中-外"7条典型高程剖面线,对比分析证实了研究区地形呈现环形"盆缘"形态特征,内外两侧高程逐渐递减,并且"盆缘"外部剖面高程起伏变化剧烈,地形相较于内部地貌更加复杂。③为进一步探测提取微形地貌特征信息,利用无人机成像原理构建的精准DEM数据结合测区实景三维模型,定量提取了该区坡度、坡向、相对高差、等值线、山脊线、山谷线等相关参数进行精准定量测量及分析探讨。④利用立体三维模型的多视角目视解译与典型场景分析,可清楚辨别出测区冲沟发育以及地质体的节理层理面等微地貌特征。通过以上对地貌三维场景探测试验研究表明,利用实景三维模型能够快速准确呈现测区地貌形态特征,并且成像点云数据综合分析,能够量化、半量化揭示区域构造地质信息。总体而言,无人机测量技术与成像点云3D产品在地质调查中的应用具有实用意义,并具备独特的技术优势。      

格点同化对大气波导数值模拟的影响

利用NCEP再分析资料为背景场及常规的探空资料和地面资料,以2005年6月2日出现在黄海海域的大气波导为例,运用中尺度数值模式MM5,设计了2种初始场不同的数值模拟试验:1)NCEP资料;2)NCEP资料和常规探空资料。研究结果表明:格点同化能够改善大气波导的MM5数值模拟结果,提高MM5的大气波导参数模拟精度;在大气波导分布上,格点同化对陆地大气波导影响较大,对于海上的模拟区域分布几乎没有影响。