复杂地形区域近地层风场的WRF模拟研究

风能资源评估是风能开发利用的关键环节之一,它是制定风能规划、风电场选址和风电功率预测的重要基础。本文采用WRF中尺度大气模式对湖南省湘西自治州某风电场区域进行高分辨率数值模拟,模拟时间为2011年5月19日8∶00—5月24日8∶00,采用4层嵌套结构,最内层水平分辨率为1 km×1 km,并将模拟结果中的小时平均风速(10 m、50 m、70 m)、温度和压强与实测数据进行对比分析。研究结果表明,应用WRF模式对复杂地形区域进行值模拟,不但可以对风速、温度和压强进行较好地模拟,还能刻画出复杂地形局地风场特性。为风能资源评估提供了一种可行的评估手段。     

溧水河乌刹桥段一次雨雾的数值模拟研究

应用WRF数值天气预报模式对溧水河乌刹桥段一次雨雾进行数值模拟,模拟时间为北京时间2007年12月05日20∶00至2007年12月06日20∶00,采用4层嵌套结构,最内层水平分辨率为1 km×1 km。模拟并分析了溧水河乌刹桥段的第二层嵌套范围的海平面气压场、风场、液态水含量、相对湿度等分布情况,并将溧水河乌刹桥位置的10m风速模拟值和能见度计算值分别与气象站实测值进行了对比分析。研究结果表明,应用WRF数值天气预报模式对这次溧水河乌刹桥段雨雾的风场、相对湿度、能见度等模拟效果较好,此次溧水河乌刹桥段雨雾的成因为处于低压槽及均压区,有利于水汽聚集,水汽易达到饱和;相对湿度大,在85%以上;微风,风速为2-4 m/s,有利于雾天气形成和维持。     

湍黏系数对浅滩海域三维风暴潮的影响

利用WRF大气模式和基于有限体积法的三维海洋数值模型FVCOM,建立了连云港及其附近浅滩海域的三维风暴潮流数学模型。运用k-ε和MY-2.5两种不同的湍流模型,对"韦帕"台风作用下的三维风暴潮流进行了数值模拟,并对计算得到的三维风暴潮流流场结果和垂向湍流黏性系数结果进行了对比分析。计算分析结果表明,两种不同湍流模型计算所得的风暴潮增水差别很小,可以忽略;但在风生流较强的时间段内,MY-2.5湍流模型计算所得的水平流速流向沿垂向分布并不一致,而k-ε湍流模型的计算结果较好,与实测分层潮流资料更为符合。研究结果表明,垂向湍流黏性系数沿水深的垂向分布对浅滩海域风暴潮流水平流速的垂向结构至关重要,建议选用k-ε湍流模型计算垂向湍流黏性系数和湍流扩散系数。     

基于TOPSIS的长江上游流域降水模拟与预报研究

为研究长江上游流域高精度的短期降水模拟和预报,优选适宜于流域的WRF模式参数化方案组合,构建了模式中不同微物理过程、陆面过程和积云参数化方案组合,建立了包含平均绝对误差、布莱尔评分、TS评分和合格率多个指标的定量综合评价体系,提出了基于TOPSIS多属性决策的最优参数化方案优选方法,并在长江上游流域选取了4场典型强降雨过程进行模拟分析。研究结果表明:在长江上游流域采用微物理过程WSM3方案、陆面过程Noah方案、积云参数KF方案条件下,WRF模拟降水与实测降水的空间分布和降水量级更为相符。     

基于长期与中长期嵌套的水库优化调度

为解决水库优化调度过程中时间尺度不同而导致的水库综合效益不高的问题,以防洪与兴利为目标,将水库长期优化调度与中长期优化调度进行嵌套,建立水库多目标优化调度嵌套模型。其中,多目标问题通过约束法将防洪目标转换为硬性约束后,再转化为求解发电量最大值的单目标问题。算法方面,综合对比后确定长期优化调度采用动态规划算法求解、中长期优化调度采用遗传算法求解。为验证嵌套模型的优化效果,以澄碧河水库为例,进行水库优化模拟调度。结果表明:在满足防洪目标的前提下,嵌套模型优化调度方案相较于长期优化调度方案和实际调度方案效益均更高,验证了嵌套模型在水库优化调度问题中的优越性。     

Analysis and numerical study of a hybrid BGM-3DVAR data assimilation scheme using satellite radiance data for heavy rain forecasts

A fine heavy rain forecast plays an important role in the accurate flood forecast, the urban rainstorm waterlogging and the secondary hydrological disaster preventions. To improve the heavy rain forecast skills, a hybrid Breeding Growing Mode (BGM)-three-dimensional variational (3DVAR) Data Assimilation (DA) scheme is designed on running the Advanced Research WRF (ARW WRF) model using the Advanced Microwave Sounder Unit A (AMSU-A) satellite radiance data. Results show that: the BGM ensemble prediction method can provide an effective background field and a flow dependent background error covariance for the BGM-3DVAR scheme. The BGM-3DVAR scheme adds some effective mesoscale information with similar scales as the heavy rain clusters to the initial field in the heavy rain area, which improves the heavy rain forecast significantly, while the 3DVAR scheme adds information with relatively larger scales than the heavy rain clusters to the initial field outside of the heavy rain area, which does not help the heavy rain forecast improvement. Sensitive experiments demonstrate that the flow dependent background error covariance and the ensemble mean background field are both the key factors for adding effective mesoscale information to the heavy rain area, and they are both essential for improving the heavy rain forecasts.     

High-resolution flood modeling of urban areas using MSN_Flood

Although existing hydraulic models have been used to simulate and predict urban flooding, most of these models are inadequate due to the high spatial resolution required to simulate flows in urban floodplains. Nesting high-resolution subdomains within coarser-resolution models is an efficient solution for enabling simultaneous calculation of flooding due to tides, surges, and high river flows. MSN_Flood has been developed to incorporate moving boundaries around nested domains, permitting alternate flooding and drying along the boundary and in the interior of the domain. Ghost cells adjacent to open boundary cells convert open boundaries, in effect, into internal boundaries. The moving boundary may be multi-segmented and non-continuous, with recirculating flow across the boundary. When combined with a bespoke adaptive interpolation scheme, this approach facilitates a dynamic internal boundary. Based on an alternating-direction semi-implicit finite difference scheme, MSN_Flood was used to hindcast a major flood event in Cork City resulting from the combined pressures of fluvial, tidal, and storm surge processes. The results show that the model is computationally efficient, as the 2-m high-resolution nest is used only in the urban flooded region. Elsewhere, lower-resolution nests are used. The results also show that the model is highly accurate when compared with measured data. The model is capable of incorporating nested sub-domains when the nested boundary is multi-segmented and highly complex with lateral gradients of elevation and velocities. This is a major benefit when modelling urban floodplains at very high resolution.     

河谷局地气象场的WRF模式边界层方案敏感性分析

在河谷局地气象场对泄洪雾化的影响研究中,不同边界层方案的模拟效果并不明确,需要对边界层方案进行敏感性分析。使用WRF模式获取河谷地形的局地气象场,选择RMM5近地面层方案并搭配使用8种边界层方案进行对比分析。研究表明:风速受到河谷地形的影响,模拟效果不够理想,可耦合小尺度数值模式以提高其模拟效果;WRF能模拟河谷地形的狭管效应、风速增大以及风向逐渐偏向河谷方向,压强和温度的模拟效果较好。综合各气象要素的模拟结果,YSU和MYNN2边界层方案的模拟精度较高。该方法对泄洪雾化效应和水库环境水文气象效应研究具有参考价值。     

长江上游流域短期水文气象耦合预报技术研究

为延长水文预报有效预见期,提高预报精度,采用WRF模型降雨预报作为输入,建立针对长江上游的WRF定量降雨预报模型,利用2014年WRF模型对长江上游的预报结果,采用水文气象耦合的方式,研究输入资料在空间尺度变化的情况下对水文预报的影响。     

双向嵌套法及其在水力计算中的应用

在水力计算数值模拟中 ,计算的网格步长约束着计算精度和工作量 ,计算的范围、计算的网格尺度和计算量总是一对矛盾 .以平面二维水流运动方程为基础 ,兼顾到计算的网格步长、时间步长和计算的范围 ,应用了双向嵌套网格法 .工程算例表明 ,双向嵌套网格法具有减少计算工作量、提高模式计算精度的特点     

汉江“83·10”致洪暴雨重预报研究

受气象监测及预报能力限制,1983年10月3~6日汉江流域的致洪暴雨过程,普遍未能准确预报,从而对丹江口水库防洪调度形成了很大压力。通过比较2015年和1983年气象监测水平、降雨预报水平,利用中尺度数值模式WRF和区域气候模式Reg CM4分别对"83·10"暴雨过程以及1983年以来与"83·10"相似量级来水天气过程进行模拟,在当前技术条件下,重现"83·10"暴雨预报过程,并研究预报效果。研究表明:2015年气象监测预测水平较1983年有本质提高,中尺度数值模式能够提前3 d预测出该过程,区域气候模式能提前一个月预测出1983年10月上旬降雨集中;在当前技术条件下,充分运用现有各种观测资料,综合应用多种数值预报模式,可使汉江上游大范围强降雨过程基本不会漏报。     

基于土壤水动力学的洪水预报模型及其在无定河流域的应用

由于暴雨洪水发生次数少、观测资料不足、产汇流过程复杂等原因,干旱半干旱地区中小河流的洪水预报一直是我国水文预报业务的难点之一。基于土壤水动力学理论计算土壤入渗和地表产流过程,开发了具有物理机制的坡面产流模型;通过搭配中国洪水预报系统的坡面汇流模型,构建了陕西无定河支流大理河的洪水预报方案,以"2017.7.26"暴雨洪水为例进行了典型研究,并分析了降雨输入的时间步长对洪水模拟的影响。结果表明,基于土壤水动力学的坡面产流模型在无定河流域具有良好的应用潜力,但是在应用过程中要特别注意提高雨水情信息的时空分辨率,对于以超渗产流为主、洪水陡涨陡落的北方中小河流,建议采用1 h或者30 min尺度的降雨资料及时间步长进行洪水计算。     

模式水平分辨率对梅雨锋降水定量预报的影响

利用三维非静力平衡中尺度／云模式对1999年6月23日08时～24日08时江淮地区一次梅雨锋系统降水过程进行了五种不同水平分辨率的数值模拟试验。模拟结果表明，提高模式水平分辨率，明显提高了大到暴雨的定量预报(大于25mm和大于50mm)的精度；但研究发现，这种精度的改进随着水平分辨率的进一步提高存在明显的阈界，即在水平分辨率提高到18公里以后，再提高水平分辨率，对暴雨预报成功率的改进幅度不大，因此，对于梅雨锋雨带中尺度强降水的业务预报，将模式水平分辨率提高到18公里比较适宜。     

青狮潭水库降水集合预报模式构建及应用

数值降水集合预报能够降低因单值预报带来的不确定性,是国内外关注的热点。但当前研究多将集合样本预报技巧等同对待,采用集合算数平均得到最终预报结论,这种集合预报方式较为粗放,难以有效区分不同集合样本的差异。针对该问题,本文选择位于广西暴雨中心的青狮潭水库为研究区,构建了基于ETS评分的综合定量评价模型,通过WRF模式21组参数化方案敏感性分析,以及样本数量与集合预报技巧的定量分析,依据ETS评价结果实现了青狮潭水库降水集合预报方案的构建。经验证,本文构建的集合预报方案较集合算数平均预报技巧更高,表现更加稳定。     

ASSIMILATION OF ALTIMETER WIND DATA IN MESOSCALE NUMERICAL MODEL (MM5)

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＣｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍｅｔｈｏｄｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇｓｐａｔｉａｌａｎｄｔｅｍｐｏｒａｌｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｏｆｒａｎｄｏｍｌｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｔｏａｇｒｉｄ ,ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｆａｐｐｌｙｉｎｇｄｙ ｎａｍｉｃａｌｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｔｏｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｂｌｅｍｆｏｒａｔ ｍｏｓｐｈｅｒｅｈａｓｌｏｎｇｂｅｅｎｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄ .Ｃｈａｒｎｅｙｅｔａｌ.( 1 969)ｓｕｇｇｅｓｔｅｄｃｏｍｂｉｎｉｎ…     

适合云南地区风功率预测的数值天气预报系统研究

为了探寻适合云南地区风功率预测的数值天气预报系统,利用 GFS 资料为中尺度模式 WRF提供初始场和边界条件,评估了不同模式分辨率、参数化方案对云南地区风速模拟结果的影响。结果表明: 对于云南地区,3 km 分辨率风速模拟效果总体上优于 9 km 分辨率; 不同参数化方案对于风速模拟效果影响较大,其中第 3 套参数化方案( 长波辐射方案选用 Earth Held － Suarez,短波辐射方案选用 RRTMG,陆面过程选用 Noah,积云对流方案选用 Kain － Fritsch,行星边界层方案选用 YSU) 为云南地区的最优化方案,其模拟结果与观测资料均方根误差最小( 区域平均均方根误差约为 1. 67 m / s,17 个观测站点平均均方根误差约为 3. 30 m / s) 。进一步结合功率预测模型分析表明,较优的分辨率 －参数化组合方案可以提升云南地区风电场功率预测合格率达 9. 68% ～ 38. 71% 。研究成果对提高云南地区风电场功率预测水平、制定合理消纳风电计划具有一定的指导意义。     

基于时效匹配法的融合降雨临近预报研究

基于天气雷达外推的降雨临近预报其有效预报期通常不超过3h,而数值天气预报的预热问题"Spin-up"往往导致短期内的预报能力较差。鉴于此,本研究通过"取长补短"设计了一种依据临界成功率指标(CSI)和均方根误差(RMSE)的时效匹配方法,对两者的降雨预报进行融合,并选取了位于大清河水系的阜平、紫荆关流域的4场时空分布均匀程度各异的典型降雨过程进行试验应用。研究基于像素追踪的PBN外推临近预报和数据同化的WRF模式预报,通过时效匹配法实现两者的融合,融合方案为:1 h以内(不含1 h)采用PBN外推预报,1～3 h采用PBN与WRF的融合预报结果,3 h以上(不含3 h)则全部使用数值天气预报。通过对4场典型降雨过程预报效果对比发现:(1)随预见期延长,PBN外推预报权重逐渐下降,WRF模式预报权重逐渐增加;(2)融合权重在降雨初期、末期的变化并不显著,但在降雨发展过程中融合交叉点出现明显变化;(3)融合预报的效果优于两种单独预报,时效匹配法在时空分布均匀的降雨场次表现最好,其次为时间不均匀空间均匀场次,在时空不均匀场次表现较差。     

基于非结构网格的长江口二维三维嵌套潮流数值模拟

三维数学模型多应用于局部水域,无法模拟模型周边的大范围流场.为解决此问题,基于非结构网格有限体积法,建立了长江口二维三维潮流嵌套数学模型.模型嵌套边界采用近似处理方法,假设嵌套边界处网格单元分层水平流速服从多项式分布,该处理方法嵌套边界处的三维计算存在一定误差.将模型应用于长江口大范围水域潮流模拟计算.结果表明,潮位及二维三维潮流验证良好,计算精度满足规范要求,这说明该方法能够模拟大范围水域的二维及三维潮流运动.     

太湖流域设计暴雨的时空分布计算

利用太湖流域1951-2010年的雨量资料,从平均暴雨日数和最大30 d雨量两个方面,分析流域暴雨时空分布特性。太湖流域多年平均暴雨日数、多年平均最大30 d雨量在时间分布上都呈增加趋势但不显著,在空间分布上山丘区均大于平原区。通过对流域和分区时段雨量的重现期进行统计分析,提出两种可能的流域设计暴雨空间组合方案及反映太湖流域暴雨特点的设计暴雨时空分布计算方法,结果表明本文提出的针对太湖暴雨特点设计的暴雨空间组合方案及计算方法合理。     

基于WRF模型的澎溪河流域非点源污染预测EI北大核心CSCD

为精准揭示三峡库区澎溪河流域非点源污染的空间异质性特征,基于WRF模型,构建了反映流域3 km×3 km精细格点降水的流域非点源污染模拟预测模型,对澎溪河流域非点源负荷进行模拟预测。结果表明:与由澎溪河流域6个气象站点2009—2012年观测降水资料得到的径流模拟结果相比,基于WRF模型输出降水的径流模拟精度提高了27%,总磷质量浓度模拟精度提高了31%,总氮质量浓度模拟精度提高了36%;采用WRF模型输出降水模拟的年径流量范围为35.28亿~54.04亿m^(3),总磷负荷均值为1 151.35 t/a,总氮负荷均值为11 759.72 t/a;澎溪河流域总磷、总氮非点源负荷较高的子流域单元多呈集聚状分布在河流水系附近,空间异质性明显。