基于WRF-LES的门头沟地区近地面风场模拟与边界层方案敏感性研究

近地面风场与人类生活密切相关,精细准确的风场模拟可以为气象实况产品提供数据支撑。目前,中尺度模式的时空分辨率无法满足局地精细化模拟的需求,因此本研究基于中尺度模式（WRF）内层嵌套大涡模拟（LES）,采用五层双向嵌套在门头沟东部区域展开百米近地面风场模拟。结合地面观测,设计边界层和亚网格模型敏感性试验,对比1 km分辨率下YSU和LES边界层方案对里层嵌套的影响,检验和评估不同亚网格模型在真实大气中的适用性。结果表明,在中微尺度过渡分辨率1 km开启YSU边界层较LES边界方案模拟效果更佳,在保持捕捉湍流细节的能力下,拥有较低的误差。不同的亚网格敏感性试验中,1.5TKE, SMAG, 1.5TKE＿NBA和SMAG＿NBA四种亚网格模型差异较小,统计指标上,SMAG的均方根误差最低,相关系数最高。同时,四种亚网格模型依旧存在模式本身造成的高值低估,低值高估的现象,SMAG在风矢量分布和风速风向概率密度分布中与观测最为接近。在风场的瞬时空间分布上,SMAG＿NBA表现出对细小的湍流捕捉能力的优势。     

关中盆地近地面风场和大气输送特征分析

利用2017年151个地面气象站的逐时观测数据和相关高空资料分析关中盆地近地面风场与输送特征。首先分析盆地内代表性站点的风速和风向观测事实,然后用CALMET风场诊断模式和轨迹计算模式获取当地逐小时风场和每日逐小时传输轨迹,分析风场类型。结果表明:关中盆地内日平均风速约1～3 m s?1,夏季风速高、秋冬季低;盆地中央的主导风向以沿地形走向的东北风和西南风为主,盆地四周测站的主导风向表现出顺着地形向盆地中央汇流的趋势。各站主导风向的季节变化不大。盆地内风场分为系统控制型、弱天气背景型和局地环流型3类,全年出现日数比例分别占8%、17.3%和74.7%。以山谷风日夜循环为特征的局地环流型风场最多。以西安城区为源点的大气输送轨迹显示,系统控制型风场以偏东北方向的输送为主,弱天气背景型和局地环流型风场的轨迹输送都大致以偏东北和偏西（以及偏西南）沿盆地走向以及偏东南朝向秦岭山地这三个方向为主。局地环流型的轨迹影响范围小,集中于盆地中央和南侧山地之间,表明这是一种不利于污染扩散的风场类型。     

中国主要城市群在灰霾污染下的近地面风场特征

利用2015-2016年全国PM2.5质量浓度站点资料及CCMP(Cross Calibrated Multi-Platform)风场再分析资料,对中国华北、长三角、珠三角以及四川盆地主要城市在PM2.5污染下的近地面风场及其影响进行统计分析.结果表明:(1)近地面风速与PM2.5质量浓度表现为负相关,低风速有利于PM...     

近地面风场变化对太湖蓝藻暴发影响的数值研究

蓝藻水华是在特定的气象和水文条件下,已成为优势种群的蓝藻群体在水体中发生水平、垂直位置的改变而形成.选取2007年6月24日和9月8日发生的2次蓝藻暴发个例,利用WRFV2模式进行较高分辨率数值模拟,研究了在蓝藻成为优势群体之后的上浮积聚阶段近地面风向风速对蓝藻水华面积变化和活动范围的影响.通过数值模拟结果与EOS/MODIS卫星遥感监测到的蓝藻信息的对比分析发现,蓝藻的活动对湖区近地面风场变化的反应相当迅速,蓝藻大面积暴发过程往往对应着有利的风向风速变化:如风速小、系统性东北风、辐散环流等.研究表明通过对太湖地区各气象要素的高分辨率数值模拟,可以预测蓝藻的暴发和演变情况,为太湖蓝藻暴发的预测预警提供气象依据.     

华东地区地面和高空风场的多模式集成精细化预报研究

基于欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)、中国国家气象中心业务运行的中尺度数值预报系统(Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System Meso, GRAPES-Meso)、美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)的全球预报系统(Global Forecast System, GFS)、GRAPES全球预报系统(GRAPES-GFS)4个模式风场预报资料,利用双线性、反距离加权、三次样条、克里格等插值方法对华东及周边地区(110°～130°E,20°～40°N)2020年1—4月逐日地面和高空风0～72 h集合预报资料进行降尺度处理,得到满足机场及终端区气象保障的精细化风场预报。此外,还对精细化风场预报做多模式集成。结果表明,对于风场的精细化格点预报,反距离加权插值方法误差最小,为最优水平插值方法。基于扩展复卡尔曼滤波的多模式集成...     

辽宁地面风场特征的数值分析

利用中尺度模式进行辽宁地面风场数值分析 ,揭示辽宁几个准定常的中尺度系统 ,模拟地面风场的日变化特征。     

多源数据融合在强对流天气中地面风场的识别应用

利用多普勒天气雷达探测数据、常规观测资料和ERA5再分析资料,综合分析了2019年7月6日发生在江苏省的一次强对流天气过程的天气形势和雷达回波强度演变特征,并进行了多源数据融合的试验。试验通过VAP技术将雷达径向速度数据反演为矢量风场,并利用典型相关分析的方法（CCA）对雷达径向速度资料反演的风场、再分析资料的风场和气象自动站资料的风场进行数据融合。通过风场融合试验,获得了强对流系统更加丰富准确的地面风场信息,与雷达探测的特征对应,消除了反演风场的量级误差,填补了被过滤的风场信息,恢复了气流的旋转特征。强对流天气过程中,江苏省地区受高空冷涡影响,在高空冷槽、高空急流、低层切变线和地面辐合线的配置条件下,形成了上干冷、下暖湿的层结不稳定结构。通过融合风场的识别：强对流天气系统发展阶段,地面有气旋性辐合流场,包含中γ尺度气旋和辐合线,与反气旋和辐散相伴。气旋性气流对应着雷达回波中的入流缺口,辐合线位于风暴前沿（移动方向）。强对流天气系统强盛阶段,地面流场转变为强辐合弱旋转,灾害性天气发生。     

GRAPES地面风场同化方案研究

随着预报准确度要求以及同化分析循环周期的缩短,具有高时空分辨率的地面观测资料在同化系统中也越来越受到重视,而且一个好的资料同化系统应该能够给出模式近地面动力、热力和湿度状况的合理分析。利用GRAPES区域同化预报系统(GRAPES——Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System),在近地层Monin_Obukhov相似理论的基础上,考虑了边界层的动力和湿热力约束,建立新的地面风场观测算子。将此新方案与目前GRAPES系统使用的三次样条插值的地面同化方案进行高度场预报试验、统计试验以及降水预报的TS评分比较,结果表明,加入新方案地面风场资料同化后,预报效果和对降水的预报能力都比旧方案有所提高。     

利用中尺度模式与诊断风场模型进行风电功率预报

风电往往与常规电源不同,具有很大的间歇性、随机性和不可控性,大容量的风电接入电网将会对电力系统安全、稳定运行带来严峻挑战。对风电场的风力进行短期预报,是解决这一问题的有效途径。本文利用中尺度模式与诊断风场模型进行风电场输出功率预报。通过模拟发现,逐时风速预报效果较好,可以反应出风速的变化、大小及趋势。模拟与实况一致性和...     

用AutoCAD分析成都市夏季地面风场特征

建立成都市夏季风流场不同监测点风向、风速数据库和风矢量数据库,采用Wendlell反平方内插法,在AutoCAD上绘制测试区域风矢量图,并与成都市地图叠加,分析夏季地面风场的特征,认为当地面风速处于1.5～2.0m/s时,市区容易形成风的辐合切变,其发生频率为90%;小风时,市区出现风辐合切变的频率为11.8%;当地面风速≥2.0 m/s时,市区几乎不出现风的辐合和切变.     

Non-Gaussian Lagrangian Stochastic Model for Wind Field Simulation in the Surface Layer

Wind field simulation in the surface layer is often used to manage natural resources in terms of air quality, gene flow(through pollen drift), and plant disease transmission(spore dispersion). Although Lagrangian stochastic(LS) models describe stochastic wind behaviors, such models assume that wind velocities follow Gaussian distributions. However,measured surface-layer wind velocities show a strong skewness and kurtosis. This paper presents an improved model, a non-Gaussian LS model, which inco...     

风廓线与测风塔资料在地面风场预报中的应用研究

运用四维同化方法将风廓线雷达和测风塔资料应用到WRF模式中,通过对比资料同化前后模式对地面风场的预报效果可知,加入风廓线雷达和测风塔资料后模式对风速的预报效果有明显提高,对风向的预报也有一定程度的改善;资料同化结束后,模式预报在49h内对地面风场预报效果仍有明显改善,但随着模式预报时间的增加,在模式积分49h以后,同化资料前后模式对地面风场的预报效果无明显变化。另外,通过对资料同化前后模式对风速预报误差的分析可知,在对模式风场预报的改进中风廓线雷达资料的贡献大于测风塔资料的贡献。     

Evaluation of High-Resolution WRF Model Simulations of Surface Wind over the West Coast of India

This paper presents results from a statistical validation of the hindcasts of surface wind by a high-reso-ution-mesoscale atmospheric numerical model Advanced Research WRF （ARW3.3）, which is set up to force the operational coastal ocean forecast system at Indian Na- tional Centre for Ocean Information Services （INCOIS）. Evaluation is carried out based on comparisons of day-3 forecasts of surface wind with in situ and remote-sensing data. The results show that the model predicts the surface wind fields fairly accurately over the west coast of India, with high skill in predicting the surface wind during the pre-monsoon season. The model predicts the diurnal variability of the surface wind with reasonable accuracy. The model simulates the land-sea breeze cycle in the coastal region realistically, which is very clearly observed during the northeast monsoon and pre-monsoon season and is less prominent during the southwest monsoon season.     

丽江机场地面风场特征及气象保障分析

本文利用丽江机场2013~2015年自动气象站地面风场资料,分析了地面风场变化特征,并就地面风的飞行气象保障进行了总结。结果表明:丽江机场各季盛行偏西南风,且风速最大;东北风频率较大,常造成顺风超标;白天盛行西南风,夜晚和早晨盛行东北风;大风主要出现在1~4月12~18时;风切变有93%出现在冬春季。     

两种模式在风电场风速预测应用中的对比

利用2011年12月至2012年11月贺兰山风电场测风塔实测资料和同期WRF、BJ-RUC模式预测结果,对2种模式在风速预测中的应用进行对比分析。结果发现,月尺度上,2种模式预测的风速月均值普遍较实测值高,且WRF较BJ-RUC更接近实测值;WRF预测的月平均风速标准差普遍较实测低,而BJ-RUC普遍比实测大;春季WRF预测效果整体上较BJ-RUC好,其它季节WRF预测的月平均风速均方根误差较BJ-RUC的小,但与实测风速的相关性较BJ-RUC与实测风速相关性差。日尺度上,凌晨至中午前后和傍晚至前半夜2个时段,2种模式预测风速普遍比实测值大,而中午至傍晚时分正相反,预测值普遍较实测小。2种模式对〉12 m·s^-1风速预测的均方根误差最小,其次是3~12 m·s^-1,〈3 m·s^-1风速预测的均方根误差最大,但BJ-RUC对3~12 m·s^-1范围风速的变化趋势把握能力较好。WRF和BJ-RUC都普遍低估了1~4 m·s^-1风速段的频次,对5~10 m·s^-1范围频次普遍明显高估,对10 m·s^-1以上风速,WRF预测频次较实测低,而BJ-RUC预测频次则较实测高。BJ-RUC对该区风向的预测能力较WRF好。     

包头市达茂旗风区风场特征分析

利用包头市达茂旗气象站1971-2009年38a的日逐小时风向、风速的地面观测资料,对达茂旗风区地面风的平均日变化、月变化、季变化、年变化等进行分析,结果表明:从1971-2009年的年平均风速总体呈现减小的趋势;全年较大风主要出现在春季,4月份平均风速最大;从小时平均值变化曲线看出,00-13时风速逐渐增大,到13时风速达到最大后逐步减小;此外,利用位于该风区内70m测风塔小时数据分析了风速垂直变化曲线,并根据风机发电对风速的要求,分析了有效风速百分比的日变化曲线.     

辽东湾温坨子地区冬季水平风场的分布特征

利用辽东湾温坨子地区大气扩散试验资料,采用风场诊断模式,对拟建核电站厂区冬季水平风场的分布特征进行了研究。结果表明：冬季该地区水平风场分布主要有3种形式：(1)呈偏南风型的风场;(2)偏北风型的风场;(3)厂址附近位于高低压中心之间,或整个区域是一均压场,这时系统风弱,局地风(包括山谷风及海陆风)明显,整个区域地面风场比较混乱。夏季该地区水平风场分布主要有4种形式：(1)受季风控制,呈偏南风型的风场;(2)系统风较弱,呈海陆风型的风场;(3)锋前低压控制,产生切变型的风场;(4)受季风控制呈偏北风型的风场。     

温坨子区域地面水平流场分布特征研究

利用辽东湾温坨子地区冬夏两季大气扩散试验资料,采用风场诊断模式,对拟建核电站厂区水平风场的分布特征进行了研究, 以为评估该地区拟建核电站的大气污染扩散状况提供基本参数与依据。结果表明：冬季该地区水平风场分布主要有3种形式：1) 呈偏南风型的风场;2) 偏北风型的风场;3) 厂址附近位于高低压中心之间,或整个区域是一均压场, 这时系统风弱,局地风 (包括山谷风及海陆风) 明显,整个区域地面风场比较混乱。夏季该地区水平风场分布主要有4种形式：1) 受季风控制,呈偏南风型的风场;2) 系统风较弱,呈海陆风型的风场;3) 锋前低压控制,产生切变型的风场;4) 受季风控制,呈偏北风型的风场。     

Characteristics of Near Surface Winds over Different Underlying Surfaces in China: Implications for Wind Power Development

Accurate wind and turbulence information are essential to wind energy research and utilization, among which wind shear and turbulence intensity/scale have seldom been investigated. In this paper, the observational data from the100-m high wind towers in Xilinhot in Inner Mongolia(2009–10; grassland region), Huanghua in Hebei Province(2009–10; coastal flat region), and Xingzi County in Jiangxi Province(2010–11; mountain–lake region) are used to study the variations in near surface winds and turbulence characteristics related to the development of local wind energy over different underlying surfaces. The results indicate that(1) the percentage of the observed wind shear exponents exceeding 0.3 for the grassland region is 6%, while the percentage is 13% for the coastal flat region and 10%for the mountain–lake region. In other words, if the wind speed at 10 m is 10 ms^–1, the percentage of the wind speed at 100 m exceeding 20 ms^–1 for the grassland region is 6%, while the percentage is 13% for the coastal flat region and 10% for the mountain–lake region.(2) In terms of the turbulent intensity in the zonal, meridional, and vertical directions(I_u, I_v, and I_w, respectively), the frequencies of I_v/I_u < 0.8 in the grassland, coastal flat, and mountain–lake regions are 23%–29%, 32%–38%, and 30%–37%, respectively. Additionally, the frequencies of I_w/I_u < 0.5 in the grassland, coastal flat, and mountain–lake regions are 45%–75%, 52%–70%, and 43%–53%, respectively. The frequencies of I_v/I_u < 0.8 and Iw/I_u < 0.5 in each region mean that I_u is large and the air flow is unstable and fluctuating,which will damage the wind turbines. Therefore, these conditions do not meet the wind turbine design requirements,which must be considered separately.(3) At 50-and 70-m heights, the value of the turbulence scale parameter Λ in the grassland region is greater than that in the coastal flat region, and the latter is greater than that in the mountain–lake region. Therefore, under the same conditions, some parameters, e.g., the extreme directional change and extreme operating gust at the hub height in the grassland region, are greater than those in the coastal flat region,which are greater than those in the mountain–lake region. These results provide a reference for harnessing local wind energy resources and for the selection and design of wind turbines.     

西北太平洋历史台风风场重建模型参数试验

基于Yan Meng风场模型, 使用中国近海浮标观测资料, 对影响风场模拟的台风最大风速半径Rmax、压力分布常数B、粗糙度z0 3个参数进行估算试验, 结果表明: 台风中心最大风速Vmax和台风所处纬度的组合方案对估算Rmax更合理; 海面(浮标站)在z0=0.005 m, B=1.0时风速模拟效果较好。选取登陆闽北浙江、北上东海、西进南海、穿台湾岛进入台湾海峡的共19个台风过程进行模拟效果检验发现: 当中央气象台发布的Vmax < 40 m·s-1时, B=1.0, z0=0.005 m模拟的Vmax接近发布的Vmax, 非最强风速区的模拟风速与浮标站观测风速拟合较好, 发布的Vmax≥40 m·s-1时, B=1.4, z0=0.005 m模拟的Vmax接近发布的Vmax, 非最强风速区的模拟风速在B=1.0, z0=0.005 m时更合理。基于该风场模型和参数估算方案, 可重建西北太平洋历史台风风场。