[发明专利]一种基于简化地形气动参数的风场动力降尺度方法

说明书

本发明提出一种基于简化地形气动参数的风场动力降尺度方法，该方法包括如下步骤：基于计算流体力学对简化地形进行数值模拟得到简化地形的气动参数；基于地形高程数据、土地利用类型数据和所述气动参数对中尺度网格角点位置的风速在降尺度网格内进行再分配以实现风场降尺度计算。本发明方法基于二维简化地形的气动参数，并加入高分辨率的地形高程数据和土地利用类型数据，设计出新的风场动力降尺度方案。

技术领域

本发明属于气象计算技术领域，具体涉及一种基于简化地形气动参数的风场动力降尺度方法。

背景技术

近年来，随着计算机的不断发展，计算能力和计算资源的提高，全球各机构数值模式的水平分辨率已经达到2～10km，且正在向1km迈进。理论上，随着水平分辨率的提高，数值模式对边界层过程的模拟在时空上应更精细，定量上更准确，但事实可能截然相反(周博闻等，2016)。在1km级的水平分辨率范围内，最具能量的边界层对流涡处于部分可分辨、部分次网格状态，因此基于集合平均的传统边界层参数化方案并不适用，Wyngaard(2004)定义这个区域为“灰区”(水平分辨率为100～2000m)。因此，在目前的技术条件下，全球各机构的中尺度数值模式尚不具备百米级水平分辨率的风场预报能力。

目前动力降尺度技术的应用主要集中在风电场、城市等特定区域，其水平尺度通常仅为数十公里，无法满足水平尺度达数百公里甚至上千公里的大区域系统(如输电线、铁路等)对高分辨率风场的需求。

中国专利CN108363882A公开了一种基于动力降尺度模式的山区输电线路设计风速推算方法，采用中尺度WRF模式可提供水平分辨率为1km×1km的降尺度数据，然后将风速模拟结果插值到工程处。首先，该专利并不能实现复杂地形条件下的风场预报，仅仅能实现风场评估和模拟；其次，该专利也不能得到水平分辨率为百米级的高分辨率风场，其水平分辨率仅为1km×1km。

中国专利CN107688906A介绍了一种多方法融合的输电线路气象要素降尺度分析系统及方法，能够通过降尺度技术对小区域或某一指定点位的气象要素做出精确预测。首先，该专利仅能实现小区域或者某一固定点位的气象要素预测，不能对水平尺度达数百公里甚至上千公里的大区域范围进行预测；其次，该专利的降尺度方法是基于统计降尺度，而非动力降尺度方法，其方法对观测资料依赖性较高，在我国许多没有气象观测资料的地区无法开展应用。

中国专利CN106326625A公开了一种耦合WRF与OpenFOAM模式的风场模拟方法，能够将WRF的几公里水平分辨率的数据降尺度为OpenFOAM的30m分辨率数据。然而，同已有的WRF中尺度模式嵌套小尺度CFD模式一样，该专利使用的动力降尺度方法仅适用于水平范围为数十公里的区域，无法满足水平尺度达数百公里甚至上千公里的大区域系统；另外，由于OpenFOAM软件计算的时效性问题，该专利方法仅适用于风场的模拟和评估，不能适用于风场的预报。

中国专利CN102930177B公开了一种基于精细边界层数值模式的复杂地形风电场风速预测方法，能够预测风电场周边500平方公里、水平网格分辨率为100m的近地层风速，且将70m高度近地层风速预测与观测的平均均方根误差从3.13m/s提高到2.62m/s，相关系数从0.56提高到0.59。然而，该专利所采用的精细边界层模式仍仅适用于水平尺度为数十公里的风电场区域范围，无法满足水平尺度达数百公里甚至上千公里的大区域系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于简化地形气动参数的风场动力降尺度方法，基于二维简化地形的气动参数，并加入高分辨率的地形高程数据和土地利用类型数据，设计出新的风场动力降尺度方案。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于简化地形气动参数的风场动力降尺度方法，该方法包括如下步骤：

基于计算流体力学对简化地形进行数值模拟得到简化地形的气动参数；