风观测对障碍物距离要求的定量评估

为定量评估气象站风观测对障碍物的距离要求,通过流体力学模式(Computational Fluid Dynamics,CFD)对单体建筑物进行了敏感性试验分析,并用河北沽源构筑物观测试验对模拟结果进行了验证。结果表明:(1)按照来流风速90%进行风速影响范围评估,障碍物对风速的影响距离为迎风面上3倍建筑物高度,背风面为28.5倍建筑物高度;按风向偏差10°进行风向影响范围评估时,障碍物对风向的影响距离为迎风面1.4倍建筑物高度,背风面为6.8倍建筑物高度,侧风向为2.8倍建筑物高度,垂直方向上为4倍建筑物高度。(2)对来流风速、建筑物厚度、建筑物高度、建筑物视宽角、来流风向的敏感性分析表明,10 m风速、风向测量对障碍物距高比的要求随背景风速的增大而增大;随着建筑物厚度的增大,10 m风速、风向观测对距高比的要求减小;当障碍物高度6 m时,对10 m风速、风向观测影响不明显,当障碍物高度6 m时,对距高比的要求随障碍物高度的增加而减小;随着建筑物视宽角的增大,10 m风速、风向观测对距高比的要求增大;来流风向与建筑物呈45°时,风速影响区域增大,风向影响区域水平方向增大、侧方向减小。     

基于大涡模拟的冬奥赛区风环境精细化评估

风是北京冬奥会场外赛事考虑的首要气象因素, 精细评估竞赛场地核心区域风环境对赛道施工建设、遴选防风方案及赛事安排非常必要。以北京冬奥会延庆赛区为中心, 将2009—2021年冬奥赛事月份(2—3月)天气环流场进行客观天气环流分型(分为93组), 采用北京城市气象研究院睿图-大涡模式系统对各组的典型个例开展37 m×37 m分辨率风场模拟。利用赛道周边12个自动气象站数据检验结果显示: 2 m温度、10 m风速和风向平均偏差分别为0.45℃, 1.51 m·s-1, 11.23°, 预报技巧较高。基于分型模拟数据获得赛场平均风、极大风分布及大风风险概率, 高山滑雪赛场赛道起点平均风速为15 m·s-1, 超出影响决策点概率为60%, 风险较大; 而赛道中、后段风险较小, 超过影响决策风速概率小于2%。     

基于CFD技术的陡峭山体风场模拟方法研究

为更好将计算流体力学(CFD)技术应用于陡峭山体的风场模拟研究,文中对其中两个关键技术问题进行了研究,一是适宜的CFD解域顶高问题,二是入流边界条件设置方法问题。研究采用了香港国际机场的多普勒雷达径向速度观测资料,通过CFD模拟结果与观测结果对比验证展开研究。对于解域顶高,一般环境流体力学或建筑风工程领域要求顶高越高越好,例如5倍于地面障碍物的垂直高度,究其原因,主要是为了获得地面障碍物周边的整个流场结构,避免顶边界过低影响障碍物顶部流场的准确性。通过数值试验发现,若模拟关心的区域为较低海拔高度时,不必完全拘泥于该要求,对一座高度为1000m量级的山体进行模拟,顶高为3000和6000m的两组试验在边界层中低部给出的模拟结果没有显著差别。进行了3组边界条件设置方法的对比试验,结果表明单纯采用廓线法不足以充分描述来流信息,二维插值法尽管提供了更高分辨率的边界数据,但其结果总体上逊于0维插值法。研究表明,CFD可以很好地描述山地激发的涡旋/波动脱体运动,比单纯采用中尺度模式效果要好得多。在利用CFD工具研究复杂山地风场时,应本着"实用主义"的精神设置物理模型、参数和选取适当的方法、边界条件,以达到模拟精度和计算量的优化平衡,并足以用于研究所关心的具体问题。     

基于ENVI-met的北京典型住宅区微气候数值模拟分析

基于三维微气候模拟软件ENVI-met,以北京典型住宅区为研究对象,建立实况及设有屋顶绿化两种场景下的三维数值模拟模型,对研究区的微气候特征进行模拟分析。结果表明：微气候ENVI-met模型经过多次参数校正后,模型模拟结果与实测结果较接近,能较好反应微尺度气候的分布特征;屋顶经过简单的绿化后具有较好的降温增湿效果,使研究区平均温度降低了2—3℃,相对湿度增加了2.7％,风速由0.32—2.70 m·s－1降低至0.40—1.11 m·s－1,整体下降了0.34 m·s－1。ENVI-met通过三维模型可有效地应用于微气候模拟评价中,对评估当地微气候设计和城市规划具有一定的应用性。     

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。     

台风环境风垂直切变的计算

环境风垂直切变小大对台风强度变化有显著影响。通过查阅文献和会议交流发现,由于算法上的细微区别,导致同一个台风在计算环境风垂直切变时结果有所不同,有时差异较大。本研究针对这一问题,以南海快速增强台风为例,利用中国气象局整编的热带气旋年鉴、NCEP FNL、个例数值模拟资料等,计算并对比分析了南海台风在快速增强阶段不同环境风垂直切变计算方案和数据对计算结果的影响,并对业务应用时应该注意的问题展开讨论。     

环境风场对地形对流云发展的影响

通过一个带地形处理的二维弹性对流云数值模式，模拟了斜坡地形上不同的环境风对地形对流云发展的影响。模拟结果表明，环境风场对于地形抬升产生的对流云的发展强度、云体结构以及地面降水等具有重大的影响。当中上层风与爬坡风的方向相反时，环境风切变和中上层风速越大，对流的强度越大；当中上层风和爬坡风方向一致时，环境风切变削弱对流云的最大强度。     

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。      

建筑风环境气候可行性论证实例分析

利用流体力学技术进行气候可行性论证建筑风环境模拟标志着大型工程的气象保障服务正朝着越来越专业和精细化的方向发展。以江西某新建火电厂气候可行性论证为例,提出了一个采用就算流体力学(CFD)方法对项目场址风环境进行有效模拟的技术流程,在考虑建筑物分布时分别以当地50 a一遇的10 min平均最大风速、30 a一遇的10 min平均最大风速作为入流进行模拟,计算得出场址区域的极端风速最大值和最大风压、排气筒出口处的平均风速。以代表气象站30 a一遇的10 min平均风速作为入流条件场对场址的风环境状况进行了模拟,10 m高度处风速为1.4 m/s,210 m高度处为2.3 m/s,240 m高度处为2.4 m/s。这些本地化风参数对火电厂项目中高耸建筑抗风设计、大气污染影响预测具有重要的参考作用。结合实例对模拟方案中的主要技术要点进行了归纳总结,可为重大建设工程项目气候可行性论证中开展精细化风环境模拟提供科学有效的技术支持。     

杭州市化工园区选址的气象环境与评估的数值模拟研究

城市化是国家社会发展的必然趋势，为了在新一轮城市总体规划中能保证杭州市的大气环境质量，优化不同空间尺度的城市规划，协调城市发展与保护环境的关系，本文利用一个三维非静力区域边界层数值模式，对一些典型天气条件下杭州地区的风场和气温的空间分布特征进行模拟分析，并以此为依据，给出选取化工园区的位置的评估意见。模拟结果表明，化工园区的选址宜考虑在杭州市的西南方向。     

风电场流场特性及风机布局数值模拟研究

针对风电场流场特性研究对风力机工作性能提高的重要意义,采用计算流体力学(CFD)方法在单机风力机模拟验证的基础上,对某风电场单风力机和三种布局条件下的风电场流场特性进行了数值模拟研究.考察了不同布局条件下风电场速度、叶轮表面压力以及湍流涡的分布特性.结果表明:叶轮后方尾流效应明显,速度损失随着相对距离的增加而逐渐减小,...     

CFD 在建筑物对气象台站测风影响分析中的应用

受城市化、探测环境变化等人为因素影响,部分气象站风速序列存在不均一性,在使用这类气象站的风速资料时必须进行订正。本文以东山气象站为例,应用测站受建筑物影响前后各5 a的风速资料及探测环境历史沿革资料,利用计算流体力学方法（CFD）研究建筑物对气象站测风数据的影响。结果表明：建筑物与测风杆的相对位置不同,建筑物对测风的影响程度亦不同,测站北面建筑物是影响该站偏北风风速观测的主要因素;研究不同风速下建筑的影响,可得模拟结果与输入风速间呈线性关系,并由此建立风速订正关系式,订正后基本消除了建筑物对N方位风速的影响;订正受建筑物影响较小的NNE方位风速需考虑其他障碍物的影响。本文通过试验,验证了CFD方法可用于定量评估建筑物对测风的影响,从而重建受建筑物影响台站的风速序列。     

洪泽湖区风能资源的数值模拟与应用

利用WRF模式对洪泽湖地区风能资源状况进行数值模拟, 模拟结果风速季节变化的规律是春季最大, 夏季最小;沿湖风速大于陆地, 湖岸带附近风速梯度变化十分明显。风速垂直变化的规律是洪泽湖地区风速随着高度增加而有所增大, 当增加到一定高度时, 风速增幅减弱。并将模拟结果与实测数据进行对比分析, 证明模拟结果是可信的。模拟值在一定程度上可以表现出洪泽湖风能资源的特性, 模拟风速的日变化趋势与实测风速日变化趋势一致, 较好地体现了该时段内风速变化规律, 为洪泽湖地区风能资源开发利用提供科学依据。     

高分辨率合成孔径雷达卫星反演风场资料在中国近海风能资源评估中的应用研究

由于海上测风非常昂贵,实地测风资料严重不足,而卫星反演海面风场资料可以有效地弥补这一缺陷,对近海风能资源评估具有至关重要的意义。近年来,欧洲太空局2002年3月发射的Envisat卫星搭载合成孔径雷达（SAR）图像产品在欧洲近海风能资源评估中得到了广泛应用。文中探讨了空间分辨率约1 km×1 km的SAR卫星反演海面风场资料应用于杭州湾近海风能资源评估的技术方法,通过杭州湾海域的实测风速与SAR卫星反演海面风速数据的对比分析发现：（1）14个实测站点中13个站的相对误差小于20%,其中7个站的相对误差小于10%,平均标准差为2.29 m/s;（2）以SAR卫星反演风速数据为基础计算的风能参数（形状参数和尺度参数）与实测数据计算结果的一致性较高;（3）将该数据同化进入WRF数值模式中,与控制试验相比,大部分检验站点的风速相关系数明显提高,标准差和相对误差也得到改善。SAR卫星反演风场资料可用于中国的近海风能资源评估。     

基于ASCAT风场数据的中国近海风能资源评估

卫星反演海面风场资料能够弥补海上气象测风资料缺乏的不足,对近海风能资源评估具有重要意义。通过ASCAT(Advanced Scatterometer)风速数据与美国及中国近海岸浮标测风资料的对比分析,结果表明,ASCAT风速的均方根误差为1.27 m·s-1。比较利用近海岸浮标逐小时风速及与其相匹配ASCAT瞬时风速计算的各项风能参数,得出ASCAT与浮标的平均风速和风功率密度的残差分别在±0.5 m·s-1和±50 W·m-2以内,该残差占浮标计算结果的比例分别在±8%和±12%以内。使用ASCAT风速资料拟合的Weibull分布函数与浮标的结果较吻合。因此,ASCAT风速资料也能够为海上风能资源评估提供有用的风能参数信息。最后使用ASCAT瞬时风速数据分析了中国近海10 m及70 m高度处的风能资源的空间分布特征,结果表明,台湾海峡平均风速和风功率密度最大。     

晴空热对流泡的风廓线雷达探测研究

文中将风廓线雷达和无线电-声探测系统探测资料用于边界层晴空热对流探测研究.结合探测事例分析了晴空热对流的演变过程和热对流对上层空气的加热效应.在热对流初期,对流高度逐渐抬高,伴有较强上升速度的热对流泡逐渐升高的现象.在热对流旺盛期,热泡合并现象明显,不论是上升还是下沉气流瞬时速度都可以超过1 m/s,可以在约2 km的高度范围内形成一致的上升或下沉运动,并形成闭合环流、周期约1 h.在热对流消退期,对流高度逐渐降低,上升运动变得相对和缓并维持较长时间.在热对流过程中,热泡运动造成气层温度的起伏,热泡与周围温度差可以达到2-4℃.探测结果表明风廓线雷达具有很高的灵敏度,可以探测到晴空热对流泡.并且,风廓线雷达资料具有很高的时间和高度分辨率,可以精细刻画热对流泡的时空分布和演变,配合无线电-声探测系统还可以精确探测热泡温度分布及其对周围温度垂直分布的影响.通过对晴空热对流风廓线雷达探测资料的初步分析,在一定程度上拓展和加深了对热对流泡和边界层热对流运动特征的了解.借助风廓线雷达探测可有效改善低层大气探测,有利于开展低层大气动力与热力过程的数值研究,对于中尺度模式、降水预报的改进等具有重要参考作用.     

昌图风力发电项目主要环境影响分析

通过对昌图风力发电场工程项目的环境影响分析,得出风电类项目对环境的影响主要表现在噪声、阴影和生态等方面,并探讨了对各方面环境影响的分析预测方法及防治措施。