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。     

复杂地形风场多尺度耦合数值模拟研究

目前,风场的多尺度耦合数值模拟成为研究热点。为构建WRF-LES模型,采用6层嵌套对湖南省湘西自治州某风电场区域进行多尺度耦合数值模拟实验,结合风电场区域的5001#、5002#测风塔实测数据,对比分析了中尺度模拟与LES小尺度模拟的小时平均风速、温度和压强。结果表明:WRF中尺度与LES小尺度都能对目标区域的小时平均风速、温度和压强进行有效的模拟。在风场模拟方面,LES的模拟风速普遍比中尺度模拟的风速大,在风速为≥8 m/s时,LES模拟的风速较中尺度模拟更加接近实际风速。而且,LES模拟较中尺度模拟结果相比,具有更高的水平分辨率(111m),精细化程度更高,更加能够反映出地形对风场的影响情况。     

泄洪雾化对天气环境影响的松弛同化方法研究

为实现在综合考虑地形和环境背景场条件下,模拟泄洪期间局地区域天气环境的变化情况,以数值天气预报系统为基础,建立了泄洪雾化对天气环境影响的松弛同化方法。结合大岗山水电站一次降雨过程和实际观测资料,拟定了泄洪雾化同化数据分类设置的参考值范围。运用泄洪雾化对天气环境影响的松弛同化方法,对大岗山水电站泄洪期间的天气环境变量进行了同化计算。由于大岗山水电站仅有2015年9月14日15∶30—16∶40泄洪数据,选取2015年9月14日16∶00时刻模拟数据分析得到,在考虑风向变化的条件下,风速变化值为8.76 m/s,纵向影响范围约2.1 km;温度降低了3.32℃,纵向影响范围约2 km;相对湿度升高了8.71%,纵向影响范围约2.8 km。模拟结果表明,风速受水舌风影响风向改变、风速升高,温度受泄洪雾化降雨影响降低,相对湿度受雨雾蒸发影响升高。同化模拟的结果均向观测数据趋近,模拟结果符合实际的观测情况。     

基于数值模拟的南四湖风能资源初步评估

基于气象站与测风塔的区域风能资源评估具有较大局限性,前者无法获得风机轮毂高度处的风速资料,评估精度较低,后者难以获得较长时间观测资料,对平均风速的年际变化反映不足,且评估成本较高。选取南四湖周边地区为研究对象,基于WRF构建该地区数值天气预报模式,在NCEP FNL资料的驱动下实现南四湖地区2000-2016年的小时风场模拟。提取80m高度处风场模拟信息,通过年平均风速、年平均风功率密度、年可利用小时数、年内风速分布、主风向等指标,对该地区风能资源进行了初步评估,认为该地区风能资源具备一定开发利用价值,且靠近南水北调东线泵站群等能源消耗中心,有利于风电的就地消纳,为该地区风能资源详查和开发利用提供了一定的参考。     

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。     

城市化对河南省极端降水空间分布的影响

针对城市化对极端降水空间分布的影响问题,利用城市冠层模型结合WRF(weather research and forecasting)中尺度天气预报模式对河南省2021年"7·20"特大暴雨进行数值模拟,并结合国家级地面观测站实测降水数据对该模型的模拟精度进行了验证.结果表明,考虑城市冠层影响的耦合模型能更好地模拟出区...     

风场和吞吐流对洪泽湖流场的影响分析

采用MIKE21建立洪泽湖二维水动力数学模型,通过对模型参数的率定,使得模型的计算结果能较好地与实测值相符合,进而研究了不同风场和吞吐流条件下的洪泽湖水动力特性,比较了2013年洪泽湖在5、10 m/s风速和无风条件下的流场。结果表明:风速会改变流场强度的大小而不会改变流场结构;同时,风场的作用会影响洪泽湖的出流能力,湖区流速随风速的增加呈减小的趋势。吞吐流是影响洪泽湖流场的主要因素,采用2007洪水年进行模拟时,进出口湖区流场会发生明显改变。洪泽湖的溧河洼区和成子湖区流场结构主要由风场决定,而南部湖区和东部湖区流场结构由风场和吞吐流共同决定,且以吞吐流为主。研究结果可以为洪泽湖物质输移规律研究提供理论基础。     

基于EFDC模型的人工湖水质保障最佳运行方式研究

以石家庄市正定湖为例,基于EFDC水环境数学模型确定引水规模,分析风场因素对人工湖调水置换效果的影响,并根据不同风向、风速的风场叠加后湖区水龄模拟结果,探明最有利于调水的外部环境条件：正定湖最佳引水风向为偏北风,风速为5m／s时,实现80％水体交换需要2～3d。     

大型浅水湖泊高时空分辨率风场特征数值模拟研究：以巢湖为例

【目的】大型浅水湖泊的风场是影响湖泊流场、水体富营养化和藻华运移聚集规律的关键因素之一,仅依托气象站点的观测数据难以有效捕捉湖面风场在空间和时间上的快速变化。为精细刻画湖泊高频变化风场,辨识其时空变化特征,【方法】以巢湖为研究对象,综合利用气象观测数据、全球再分析数据集和地理静态数据,通过中尺度天气预报模式和地理空间分析技术,模拟分析巢湖地区2019年高时空分辨率的风场变化过程。【结果】结果显示：巢湖区域风速由东向西、由南向北、由湖面向陆面逐渐减弱;湖面主导风向为东风和偏东风,主导风速为二级至四级,湖面平均风速在11月最大,12月次之,5月最小,不同季节湖面平均风速由大到小依次为冬季、秋季、夏季和春季。【结论】结果表明：巢湖在白天(夜晚)出现冷(暖)湖效应,其风场在早上6时和夜晚23时出现陆风和湖风转换;西半湖受湖陆风和城市热岛影响显著,在夏季会出现明显的环湖湖风锋,其湖风锋穿透内陆距离约4.7～9 km;东半湖受山谷风影响显著,在东南部山脉以东湖区易形成低风速区,在湖口附近受狭管效应易形成高风速区。通过研究成果可进一步认知巢湖区域风场特征,为巢湖水生态环境治理提供技术支撑。     

复杂地形区域风场物理过程参数化方案敏感性分析

在地形比较复杂的山地地区,WRF中尺度气象模式对风电场风资源评估和预测的准确性受物理过程参数化方案选取的影响。研究边界层参数化选取了YSU、MYJ和ACM2方案;陆面过程参数化方案选取了Noah、RUC和Pleim-Xiu方案,对湖南省湘西自治州某风电场区域,采用1 km×1 km水平分辨率进行数值模拟研究,分析9种不同试验方案对模拟结果的影响,结合实测的数据对物理过程参数化方案进行敏感性分析。研究表明:对于区域的风速模拟计算,在测风年(2006年9月1日—2007年8月31日)春季的最优物理过程方案为YSU边界条件和RUC陆面过程;夏季的最优物理过程方案为YSU边界条件和RUC陆面过程;秋季的最优物理过程方案为MYJ边界条件和Pleim-Xiu陆面过程;冬季的最优物理过程方案为YSU边界条件和RUC陆面过程。研究成果为复杂地形区域风场的应用提供参考。     

基于WRF的郑州市暴雨中心最大时降雨过程模拟分析

为探究WRF模式对郑州市暴雨中心雨量最大时降雨过程的模拟能力,选用该模式常用的5种微物理过程方案,模拟郑州市2011-2018年发生的14场短时暴雨,结合时空分布、雨型、雨峰和降雨集中度等降雨特征进行分析。结果表明：WRF模式可以模拟出对应场次的降雨,但雨区位置有所偏移;60%以上场次降雨过程时间偏差在180 min内;模式对累积雨量模拟较好,模拟的降雨过程与实际过程相关性较高,但对过程雨量的模拟有所欠缺;采用模糊识别法分析雨型发现,WRF模式对郑州市单峰雨型模拟较好,对均匀类雨型模拟较差;WRF模式对单峰类雨型模拟时,其雨峰偏差基本控制在±30%内;13场降雨模拟结果的降雨集中度与实测结果基本相同。WRF模式总体模拟结果较为理想,可为郑州市短时暴雨研究提供数值方法的支撑。     

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。     

岩体非饱和带水分汽液相态转化规律研究

目前关于非饱和带裂隙岩体水分汽液转化规律的研究较少,但在实际工作中,常需要考虑岩体内部水分汽液相态相互转化对岩体造成的影响。以河南宜阳锦屏山为试验场,利用Apresys179-DTH温湿度记录仪对试验场岩壁水汽进行长期监测,从热力学角度研究非饱和带裂隙岩体内部水分汽液转化规律。结果表明:温度是决定水汽运移和液态水产生的关键因素,绝对湿度的变化规律与温度的变化有极强的相关性;春夏两季外界水汽向裂隙岩体移动,绝对湿度上升;秋冬两季裂隙岩体中的水汽向外界移动,绝对湿度下降;裂隙岩体绝对湿度含量较高的时段为22:00点至次日6:00,该时段内易产生液态水,14:00~16:00时,虽然监测孔内水汽含量较高,但难以达到或超过对应温度下的饱和蒸气压,液态水不易产生。     

华北平原典型区域土壤凝结水观测及其影响因素研究

为查明华北平原典型区凝结水发生情况,采用称重法进行了土壤凝结水的初步观测,结果显示:每日14时至次日10时均可观测到凝结水的生成,研究区凝结水大部分来自于大气中的水分,极小部分来源于下层土壤,其主要凝结集中在表层0～5cm范围内,共占观测深度总凝结水量的50%左右。根据土壤凝结水形成的影响因素分析结果,较低的温度、较高的相对湿度和无风的条件有利于凝结水的生成。     

一种新的水面蒸发计算模型的研究

依据水面蒸发过程的物理机制,选用饱和水汽压差、风速、相对湿度、水汽温差4个因子,建立一个以各因子单函数连乘积的形式为基本结构的水面蒸发计算模型．并利用不同气候区多站水面蒸发实验资料,确定模型参数．经全国各地33个蒸发实验站资料检验,此模型的拟合误差较小,移用误差也较小．     

水面蒸发计算模型研究

根据水面蒸发形成机制和水面蒸发量与气象要素关系的试验分析结果 ,选择饱和水汽压差、风速、相对湿度作为水面蒸发计算因子 ;综合国内外水面蒸发计算研究成果 ,选取适用的风速函数和相对湿度函数 ,提出一种具有较强适应性的水面蒸发计算模型 .简要评析目前国内出现的 3个水面蒸发全国通用计算公式 ,指出这 3个公式尚存在欠缺 ,有待进一步完善 ;最后提出水面蒸发计算模型研究应统一水面蒸发量标准 ,正确选择风速函数 ,并应加强水面蒸发计算模型空间变化规律的研究 .     

节水灌溉条件下寒区水稻气孔阻力变化及其影响因素研究

根据黑龙江省中心站和平试验站的现场试验资料，研究了寒区水稻不同生育阶段气孔阻力日变化、全生育期变化，分析了冠层内不同层次叶片气孔阻力垂直变化规律，探讨了气孔阻力与空气湿度、饱和水汽压差、土壤含水率、空气温度、叶室温度、叶气温差、光照等环境因素间的关系。采用偏最小二乘回归方法建立了气孔阻力对环境因子的响应模型。结果表明，不同生育期气孔阻力呈现不同的日变化规律。全生育期气孔阻力变化规律呈现多峰曲线，拔节孕穗期和抽穗开花前期气孔阻力值较小，而抽穗开花末期和乳熟期出现峰值。拔节孕穗期气孔阻力值从上层叶片向下层叶片逐渐增大，后期从上层到下层逐渐减小。对影响水稻气孔阻力的各因素进行因子分析，由空气湿度、饱和水汽压差和土壤含水率组成的“水分因子”为第一主因子，与气孔阻力相关性最为显著，而“温度因子”和“光照因子”对寒区水稻气孔阻力的影响则相对较小；水稻气孔阻力与相对湿度、土壤含水量、叶气温差和光强呈现负相关，与饱和水汽压差、温度呈现正相关。     

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。