CN115146562A - 一种基于中尺度气象要素边界速度场赋值方法 - Google Patents

一种基于中尺度气象要素边界速度场赋值方法 Download PDF

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王东光
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Abstract

本发明名称为：一种基于中尺度气象要素边界速度场赋值方法。技术领域涉及风资源评估领域，具体而言，涉及一种基于中尺度气象要素边界速度场赋值方法。包括：获取中尺度模式输出数据计算得到的中尺度气象要素数据；根据中尺度气象要素建立边界速度参考场uc、摩擦风速参考场us；使用边界速度参考场对近地层以上边界速度场进行赋值；使用中尺度气象要素数据对近地层以下边界速度场进行赋值。发明解决了在风资源评估过程中为模拟区域在设定边界条件时没有实测数据基础，完全用主观设定的环境风况构造模拟区域的边界条件的问题，采用与实际发生过的历史风况相近的气象要素进行边界条件赋值，提高了模拟计算结果的准确性。

Description

一种基于中尺度气象要素边界速度场赋值方法
技术领域
本发明涉及风资源评估领域，具体而言，涉及一种基于中尺度气象要素边界速度场赋值方法。
背景技术
利用数值模拟技术进行风资源评估是近年来兴起的新的技术方向，在基于计算流体力学(CFD)数值模拟的风资源评估过程中，需要设置合适的入口边界条件，尤其是速度场的边界初始值，合理的初始边界速度场能够提高模拟计算收敛的速度，提高模拟计算结果的准确性。但是在目前主流的CFD风资源评估计算软件中，都是简单地使用风速廓线进行边界速度场赋值，或者是用主观设定的环境风况构造模拟区域的边界条件，即边界条件的设定没有实测数据基础，这就使得计算结果不能完全反映真实的实际风资源情况。
本发明实现了一种基于中尺度气象要素边界速度场赋值方法，使用经过再分析处理的中尺度输出数据计算得到的中尺度要素数据，采用大气边界层理论以及插值技术生成边界条件，以此对边界速度场进行赋值。用基于中尺度气象要素数据对模拟区域的边界速度场进行赋值，解决了在设定边界条件时没有实测数据基础，完全用主观设定的环境风况构造模拟区域的边界条件的问题。特别地，当所述赋值方法用于风力发电风资源评估时，在模拟区域范围的边界处，采用与实际发生过的历史风况相近的气象要素进行边界条件赋值，提高了模拟计算结果的准确性。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于中尺度气象要素边界速度场赋值方法。特别地，还包括如何将所述方法用于对模拟区域边界速度场进行赋值，至少解决了在设定边界条件时没有实测数据基础，完全用主观设定的环境风况构造模拟区域的边界条件的问题。特别地，当所述赋值方法用于风力发电风资源评估时，在模拟区域范围的边界处，采用与实际发生过的历史风况相近的气象要素进行边界条件赋值，提高了模拟计算结果的准确性。
根据发明实施例的一个方面，提供一种基于中尺度气象要素边界速度场赋值方法，该方法包括：获取中尺度模式输出数据计算得到的中尺度气象要素数据；根据中尺度气象要素建立边界速度参考场uc、摩擦风速参考场us；使用边界速度参考场对近地层以上边界速度场进行赋值；使用中尺度气象要素数据对近地层以下边界速度场进行赋值。
进一步地，获取中尺度模式输出数据计算得到的中尺度气象要素数据，包括：当所述方法用于风力发电风资源评估时，中尺度气象要素数据包括以下内容：各个中尺度格点的风速分量ux，uy，uz、地面温度T、摩擦风速u*、铅直热通量HFX。
中尺度气象要素数据是按照中尺度位置格点进行组织的，每个位置格点至少包含15个高层以上的数据。
加载所有边界面网格，获取各个边界面网格的坐标、距地面高度h、地面的海拔高度zg；
找到与各个边界面网格水平距离小于R的所有中尺度格点，为每个边界面网格生成一个临时对象，每个临时对象单元包括：水平距离小于R的所有中尺度格点的下标、中尺度格点到网格的距离di、中尺度格点风速分量ux，uy，uz、风速分量在垂直方向的梯度
Figure BSA0000278115530000021
进一步地，根据中尺度气象要素建立边界速度参考场，包括：当所述方法用于风资源评估时，包括：
建立边界速度参考场时会同时考虑地形的影响和海拔高度的影响；
在计算底层高度的速度参考场时，充分考虑地形及地表高度h对风速的影响；在计算高层的速度参考场时将减小地表高度的影响，主要考虑海拔高度z对风速的影响；这两个高度层的分界线距地面高度和海拔高度分别为图2中hs和zs；
对每个边界面网格高度h进行变换，得到
Figure BSA0000278115530000022
消除地形的影响；
基于变换后的高度h′建立参考场uc；对于每个边界面网格，由上至下遍历临时对象，找到第一个低于边界面网格高度h′的中尺度层级，获取该高度层中尺度格点对象单元的高度h0、风速分量ux0，uy0，uz0、风速分量在垂直方向的梯度
Figure BSA0000278115530000023
通过加权计算得到uc的三个分量，保存到uc参考场；
本发明中使用的加权方法为反距离平方加权算法：
Figure BSA0000278115530000024
其中N为与本网格及边界面水平距离小于R的所有中尺度格点个数；di为第i个中尺度格点到本网格的距离；uxi，uyi，uzi为第i个中尺度格点在h′高度的插值：
Figure BSA0000278115530000025
Figure BSA0000278115530000026
Figure BSA0000278115530000031
使用中尺度气象要素摩擦风速u*建立摩擦风速参考场us：
Figure BSA0000278115530000032
其中u*i为第i个中尺度格点的摩擦风速。。
进一步地，使用边界速度参考场对近地层以上边界速度场进行赋值，包括：
设定图2中的近地层高度bs，在近地层高度以上及以下采用不同的方法对边界速度场进行赋值；
使用参考场uc中对应的边界面网格数据对近地层以上边界速度场进行赋值。
进一步地，使用中尺度气象要素数据对近地层以下边界速度场进行赋值，包括：
使用中尺度气象要素数据和摩擦风速参考场us建立近地层非中性风廓线：
Figure BSA0000278115530000033
其中：
Figure BSA0000278115530000034
其中：
Figure BSA0000278115530000035
其中z0为地表粗糙度值，设为固定值，或者通过地形文件设置；u*为摩擦风速参考场us中对应边界面网格的数据值；L为莫宁-奥布霍夫长度，计算如下：
Figure BSA0000278115530000036
其中HFX为中尺度气象要素铅直热通量；T为中尺度气象要素地面温度；cp为空气的等压比热容，量纲为J/(kg*K)；g为重力加速度，量纲为m/s2；κ为冯·卡门系数；ρ为空气密度值。。
进一步地，在对近地层以下边界速度场进行赋值时，会通过修正近地层风廓线的方式对接近地层边界，使得近地层上下平滑过渡，并使用修正后的风速值对近地层以下边界速度场进行赋值，包括：
图2中修正后的近地层风廓线实现方法为：
Figure BSA0000278115530000041
其中us(bs)为边界面网格位置在近地层边界处通过中尺度格点数据反距离平方加权得到的风速；un(bs)为非中性风廓线相同高度的风速；un(h)为近地层非中性风廓线在h高度的风速值；u(h)为h高度修正后的风速值。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是基于中尺度气象要素边界速度场赋值方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的参数定义示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及说明书附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
术语解释
模拟区域，是表示在风资源评估分析过程中，采用CFD技术进行风资源计算的区域。
地表粗糙度，是表示地球表面粗糙程度并具有长度量纲的特征参数。
下面结合图1基于中尺度气象要素边界速度场赋值方法的流程图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
步骤101，获取中尺度模式输出数据计算得到的中尺度气象要素数据。中尺度气象要素数据包括以下内容：各个中尺度格点的风速分量ux，uy，uz、地面温度T、摩擦风速u*、铅直热通量HFX。可选地，每个位置格点至少包含15个高层以上的数据。
加载所有边界面网格，获取各个边界面网格的坐标、距地面高度h、地面的海拔高度zg。
找到与各个边界面网格水平距离小于R的所有中尺度格点，为每个边界面网格生成一个临时对象，每个临时对象单元包括：水平距离小于R的所有中尺度格点的下标、中尺度格点到网格的距离di、中尺度格点风速分量ux，uy，uz、风速分量在垂直方向的梯度
Figure BSA0000278115530000051
可选地，R设置为6000米。
步骤102，根据中尺度气象要素建立边界速度参考场。在计算底层高度的速度参考场时，充分考虑地形及地表高度h对风速的影响；在计算高层的速度参考场时将减小地表高度的影响，主要考虑海拔高度z对风速的影响；这两个高度层的分界线距地面高度和海拔高度分别为图2中的hs和zs。可选地，该分界线可以设置为中尺度倒数第二层，获取高度层的平均距地面高度和海拔高度设置为hs和zs。
对每个边界面网格高度h进行变换，得到
Figure BSA0000278115530000052
这样可以消除地形的影响；
基于变换后的高度h′建立参考场uc；对于每个边界面网格，由上至下遍历临时对象，找到第一个低于边界面网格高度h′的中尺度层级，获取该高度层中尺度格点对象单元的高度h0、风速分量ux0，uy0，uz0、风速分量在垂直方向的梯度
Figure BSA0000278115530000053
通过加权计算得到uc的三个分量，保存到uc参考场；
本发明中使用的加权方法为反距离平方加权算法：
Figure BSA0000278115530000054
其中N为与本网格及边界面水平距离小于R的所有中尺度格点个数；di为第i个中尺度格点到本网格的距离；uxi，uyi，uzi为第i个中尺度格点在h′高度的插值：
Figure BSA0000278115530000061
Figure BSA0000278115530000062
Figure BSA0000278115530000063
使用中尺度气象要素摩擦风速u*建立摩擦风速参考场us：
Figure BSA0000278115530000064
其中u*i为第i个中尺度格点的摩擦风速。
步骤103，使用边界速度参考场对近地层以上边界速度场进行赋值。首先设定近地层高度bs，在近地层高度以上及以下采用不同的方法对边界速度场进行赋值。可选地，近地层高度bs可以设置为150米、200米或300米。使用参考场uc中对应的边界面网格数据对近地层以上的边界速度场进行赋值。
步骤104，使用中尺度气象要素数据对近地层以下边界速度场进行赋值。首先使用中尺度气象要素数据和摩擦风速参考场us建立近地层非中性风廓线：
Figure BSA0000278115530000065
其中：
Figure BSA0000278115530000066
其中：
Figure BSA0000278115530000067
其中z0为地表粗糙度值；u*为摩擦风速参考场us中对应边界面网格的数据值；L为莫宁-奥布霍夫长度，计算如下：
Figure BSA0000278115530000068
其中HFX为中尺度气象要素铅直热通量；T为中尺度气象要素地面温度；cp为空气的等压比热容，量纲为J/(kg*K)；g为重力加速度，量纲为m/s2；κ为冯·卡门系数；ρ为空气密度值。可选地，空气的等压比热容cp可以设为经验值1000。可选地，重力加速度g可以设为9.8。可选地，冯·卡门系数κ可设为0.4。可选地，地表粗糙度值z0可以设为固定值，如0.1、0.01，或者通过读取地理粗糙度文件设置。可选地，空气密度ρ值可以通过公式
Figure BSA0000278115530000071
计算得到，其中P为大气压力(单位为Pa)，R为气体常数(单位为J/(kg*K))，取值为287.05，T为温度(单位为K)。可选地，空气密度ρ值可以设置为标准空气密度1.293kg/m3。
步骤105，修正近地层风廓线以对接近地层边界，使得近地层上下平滑过渡，并使用修正后的风速值对近地层以下边界速度场进行赋值。图2中修正后的近地层风廓线实现方法为：
Figure BSA0000278115530000072
其中us(bs)为边界面网格位置在近地层边界处通过中尺度格点数据反距离平方加权得到的风速；un(bs)为非中性风廓线相同高度的风速；un(h)为近地层非中性风廓线在h高度的风速值；u(h)为h高度修正后的风速值。
使用修正后的风速值对近地层以下边界速度场进行赋值，完成边界速度场赋值操作。

Claims (6)

1.一种基于中尺度气象要素边界速度场赋值方法，其特征在于，包括：
获取中尺度模式输出数据计算得到的中尺度气象要素数据；
根据中尺度气象要素建立边界速度参考场uc、摩擦风速参考场us；
使用边界速度参考场对近地层以上边界速度场进行赋值；
使用中尺度气象要素数据对近地层以下边界速度场进行赋值。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：获取中尺度模式输出数据计算得到的中尺度气象要素数据，包括：
中尺度气象要素数据包括各个中尺度格点的风速分量ux，uy，uz、地面温度T、摩擦风速u*、铅直热通量HFX；
中尺度气象要素数据包括各个中尺度水平位置格点进行组织的，每个水平位置格点至少包含15个高层以上的数据；
加载所有边界面网格，获取各个边界面网格的坐标、距地面高度h、地面的海拔高度zg；
找到与各个边界面网格水平距离小于R的所有中尺度格点，为每个边界面网格生成一个临时对象，每个临时对象单元包括：水平距离小于R的所有中尺度格点的下标、中尺度格点到网格的距离di、中尺度格点风速分量ux，uy，uz、风速分量在垂直方向的梯度
Figure FSA0000278115520000011
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：根据中尺度气象要素建立边界速度参考场，包括：
建立边界速度参考场时会同时考虑地形的影响和海拔高度的影响；
在计算底层高度的速度参考场时，充分考虑地形及地表高度h对风速的影响；在计算高层的速度参考场时将减小地表高度的影响，主要考虑海拔高度z对风速的影响；具体而言，这两个高度层的分界线距地面高度和海拔高度分别为hs和zs；
对每个边界面网格高度h进行变换，得到
Figure FSA0000278115520000012
消除地形的影响；
基于变换后的高度h′建立参考场uc；对于每个边界面网格，由上至下遍历临时对象，找到第一个低于边界面网格高度h′的中尺度层级，获取该高度层中尺度格点对象单元的高度h0、风速分量ux0，uy0，uz0、风速分量在垂直方向的梯度
Figure FSA0000278115520000013
通过加权计算得到uc的三个分量，保存到uc参考场；
本发明中使用的加权方法为反距离平方加权算法：
Figure FSA0000278115520000021
其中N为与本网格及边界面水平距离小于R的所有中尺度格点个数；di为第i个中尺度格点到本网格的距离；uxi，uyi，uzi为第i个中尺度格点在h′高度的插值：
Figure FSA0000278115520000022
Figure FSA0000278115520000023
Figure FSA0000278115520000024
使用中尺度气象要素摩擦风速u*建立摩擦风速参考场us：
Figure FSA0000278115520000025
其中u*i为第i个中尺度格点的摩擦风速。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：使用边界速度参考场对近地层以上边界速度场进行赋值，包括：
设定近地层高度bs；
使用参考场uc中对应的边界面网格数据对近地层以上边界速度场进行赋值。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：使用中尺度气象要素数据对近地层以下边界速度场进行赋值，包括：
使用中尺度气象要素数据和摩擦风速参考场us建立近地层非中性风廓线：
Figure FSA0000278115520000026
其中：
Figure FSA0000278115520000027
其中：
Figure FSA0000278115520000031
其中z0为地表粗糙度值，设为固定值，或者通过地形文件设置；u*为摩擦风速参考场us中对应边界面网格的数据值；L为莫宁-奥布霍夫长度，计算如下：
Figure FSA0000278115520000032
其中HFX为中尺度气象要素铅直热通量；T为中尺度气象要素地面温度；cp为空气的等压比热容，设为1000，量纲为J/(kg*K)；g为重力加速度，设为9.8，量纲为m/s2；κ为冯·卡门系数，设为0.4；ρ为空气密度值。
6.按照权利要求1和权利要求5所述的方法，其特征在于：
在对近地层以下边界速度场进行赋值时，会通过修正近地层风廓线的方式对接近地层边界，使得近地层上下平滑过渡；
修正后的近地层风廓线为：
Figure FSA0000278115520000033
其中us(bs)为边界面网格位置在近地层边界处通过中尺度格点数据反距离平方加权得到的风速；un(bs)为非中性风廓线相同高度的风速；un(h)为近地层非中性风廓线在h高度的风速值；u(h)为h高度修正后的风速值；
使用修正后的风速值u(h)对近地层以下边界速度场进行赋值。
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