CN115146563A - 一种基于中尺度气象要素的大气稳定度参量生成方法 - Google Patents

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CN115146563A CN202210824462.XA CN202210824462A CN115146563A CN 115146563 A CN115146563 A CN 115146563A CN 202210824462 A CN202210824462 A CN 202210824462A CN 115146563 A CN115146563 A CN 115146563A
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蒋河川
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Abstract

本发明名称为：一种基于中尺度气象要素的大气稳定度参量生成方法。技术领域涉及风力发电技术领域，具体而言，涉及一种基于中尺度气象要素的大气稳定度参量生成方法。包括：采用中尺度模拟结果文件，从中提取与风速和大气稳定度相关的参量，按时间点计算梯度理查德森数；对所有时间点的梯度理查德森数求算术平均，得到指定时间范围的梯度理查德森数平均值；进而得到指定时间范围的莫宁奥布霍夫长度。发明实现了一种对大气稳定度进行定量计算的方法，能够计算特定时间段、指定地理位置和高度的大气稳定度参量，当所述方法得到的计算结果用于对风廓线的修正时，实现了对边界风廓线有依据合理的修改，从而使CFD模拟过程中边界条件的设置更加合理。

Description

一种基于中尺度气象要素的大气稳定度参量生成方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体而言，涉及一种基于中尺度气象要素的大气稳定度参量生成方法。
背景技术
基于CFD的风场模拟过程中，通常使用对数风廓线来描述大气边界层之下的风速分布，并根据风场所在地的大气稳定度对风廓线加以修正。目前的测风条件不能提供计算大气稳定度的所需数据，导致实际工程当中，缺少对大气稳定度进行定量分析的依据。又由于大气稳定度随日夜交替而变化，且随高度的变化而变化，依据经验对大气稳定度进行主观判定，可能会导致不可接受的偏差。
发明内容
本发明提供了一种基于中尺度气象要素对大气稳定度进行定量计算的方法，能够计算特定时间段、指定地理位置和高度的大气稳定度参量，包括梯度理查德森数时间序列和均值。特别地，还包括如何使用计算得到的理查德森数计算莫宁奥布霍夫长度，实现对大气稳定度的定量分析。
根据发明实施例的一个方面，提供一种中尺度气象要素对大气稳定度进行定量计算的方法，该方法包括：从中尺度数据中，选择一个水平格点和高度层的指定时间范围内的参量数据，所述参量数据组合为第一数据集合；根据第一数据集合的数据，计算生成单一时间点的理查德森数，每个时间点一个结果，称为第二数据集合；对第二数据集合的数据，按时间进行算术平均，得到指定时段内的理查德森数；根据指定时间段内的理查德森数，计算得到指定时间段内的莫宁奥布霍夫长度。
进一步地，从中尺度数据中，选择一个水平格点和高度层的指定时间范围内的参量数据，所述参量数据组合为第一数据集合，包括：获取待计算大气稳定度参量所处地理位置周边的中尺度模拟结果数据，比较该结果数据中所有格点到关注位置的水平距离，取水平距离最近的格点位置坐标序号，记为(x，y)；比较该结果数据中，坐标序号为(x，y)的位置点的地面高度与指定地面高度的差值，差值最小的高度层，其层号记为i；获取水平格点为(x，y)层号为i和i+1的所有数据，取出时间落在指定时间范围内的数据；从数据中，取出如下所述参量名的数据，形成第一数据集合。
获取Time时间参量，获取第i层和第i+1层的参量名称如下：U、V、W、PH、PHB、T；获取单一层的参量名称如下：HGT、UST、TH2；
进一步地，根据第一数据集合的数据，计算生成单一时间点的理查德森数，每个时间点一个结果，称为第二数据集合，包括：
计算该水平格点第i层和i+1层的距地面高度z和风速u：
zi＝(PHi+PHBi)/g-HGT
zi+1＝(PHi+1+PHBi+1)/g-HGT
Figure BSA0000278117580000021
Figure BSA0000278117580000022
其中，g为重力加速度，取值为9.81，HGT为单一层参量数据，与层数无关。
计算位温梯度
Figure BSA0000278117580000023
风速梯度
Figure BSA0000278117580000024
Figure BSA0000278117580000025
Figure BSA0000278117580000026
其中下标i表示层级序号，i为低一层的值，i+1表示高一层的值。
计算梯度理查德森数Ri
Figure BSA0000278117580000027
所有时间点的Ri形成第二数据集合。
进一步地，对第二数据集合的数据，按时间进行算术平均，得到指定时段内的理查德森数均值
Figure BSA0000278117580000028
包括：
将第二数据集合中所有元素求算术平均，得到
Figure BSA0000278117580000029
Figure BSA00002781175800000210
n为第二数据集合中元素个数。
进一步地，根据指定时间段内的理查德森数均值，计算得到指定时间段内的莫宁奥布霍夫长度，包括：
根据
Figure BSA00002781175800000211
的正负，计算莫宁-奥布霍夫长度L：
若
Figure BSA00002781175800000212
即不稳定的情况下，
Figure BSA00002781175800000213
若
Figure BSA00002781175800000215
即稳定的情况下，
Figure BSA00002781175800000214
本发明具有如下的有益效果：
本发明首先从中尺度数据获取相关气象参量值，经过本发明所属方法的计算，实现了一种大气稳定度定量计算的方法，使得对大气稳定度的评价有了定量的依据；特别地，当所述方法得到的计算结果用于对风廓线的修正时，实现了对边界风廓线有依据合理的修改，从而使进行风资源评估时CFD模拟过程中边界条件的设置更加合理，具有很好的实际应用价值。
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是根据本发明实施例的建模与使用方法的流程图；
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
中尺度数据，是指对包含指定地理位置的区域执行中尺度模拟，得到的包含模拟结果的netcdf文件。
指定时间范围，是指计划计算的大气稳定度参量所代表的时间范围，该时间范围可以连续，如计算指定一天中连续几小时的大气稳定度参量，也可以是不连续的，如计算某个月所有日期相同时间段的大气稳定度参量。
下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
步骤1，下载再分析气象资料数据，如欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA5数据；所下载数据应能够支持后续WRF过程的运行；
步骤2，使用下载得到的再分析气象资料数据，以关注位置点为中心，执行WRF中尺度模拟处理，得到中尺度模拟结果数据；
步骤3，获取中尺度模拟结果数据中的格点经纬度信息，找到距关注位置的水平距离最近的格点，取该格点位置坐标序号，记为(x，y)；
步骤4，获取中尺度模拟结果数据中坐标序号为(x，y)的位置点各高度层的PB、PHB参量和HGT参量，计算各高度层的距地面高度；第n层的距地面高度计算公式如下：
zn＝(PHn+PHBn)/g-HGT
计算zn与指定地面高度的差值，差值最小的高度层，其层号记为i；
步骤5，获取水平格点为(x，y)层号为i和i+1的所有数据，取出时间落在指定时间范围内的数据；从数据中，取出如下所述参量名的数据，形成第一数据集合；
获取Time时间参量，获取第i层和第i+1层的参量名称如下：U、V、W、PH、PHB、T；获取单一层的参量名称如下：HGT、UST、TH2；
第一数据集合以时间为索引，每一时间点包括如下数据成员：
HGT、UST、TH2；第i层和第i+1层的U、V、W、PH、PHB、T；
步骤6，从第一数据集合中，依次取出每一时间点的数据，计算生成该时间点的理查德森数，每个时间点一个结果，称为第二数据集合，步骤如下：
1)计算第i层和i+1层的距地面高度z和风速u：
zi＝(PHi+PHBi)/g-HGT
zi+1＝(PHi+1+PHBi+1)/g-HGT
Figure BSA0000278117580000041
Figure BSA0000278117580000042
其中，g为重力加速度，取值为9.81；
2)计算位温梯度
Figure BSA0000278117580000043
风速梯度
Figure BSA0000278117580000044
Figure BSA0000278117580000045
Figure BSA0000278117580000046
3)计算梯度理查德森数Ri
Figure BSA0000278117580000047
所有时间点的Ri形成第二数据集合；
步骤7，将第二数据集合中各时间点的Ri求算术平均，得到指定时间段内的理查德森数平均值
Figure BSA0000278117580000051
Figure BSA0000278117580000052
n为第二数据集合中元素个数。
步骤8，根据指定时间段内的理查德森数平均值
Figure BSA0000278117580000053
计算莫宁-奥布霍夫长度L：
若
Figure BSA0000278117580000054
即不稳定的情况下，
Figure BSA0000278117580000055
若
Figure BSA0000278117580000056
即稳定的情况下，
Figure BSA0000278117580000057
计算所得莫宁奥布霍夫长度L和梯度理查德森数
Figure BSA0000278117580000058
即为所选水平格点和高度层的指定时间范围内的大气稳定度代表参量值，可用于大气稳定度的判定，也可用于对风廓线的修正。

Claims (5)

1.一种基于中尺度气象要素的大气稳定度参量生成方法，其特征在于，包括：
从中尺度数据中，选择一个水平格点和高度层的指定时间范围内的参量数据，所述参量数据组合为第一数据集合；
根据第一数据集合的数据，计算生成单一时间点的理查德森数，每个时间点一个结果，称为第二数据集合；
对第二数据集合的数据，按时间进行算术平均，得到指定时段内的理查德森数；
根据指定时间段内的理查德森数，计算得到指定时间段内的莫宁奥布霍夫长度。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：从中尺度数据中，选择一个水平格点和高度层的指定时间范围内的参量数据，所述参量数据组合为第一数据集合，包括：
获取待计算大气稳定度参量所处地理位置周边的中尺度模拟结果数据，比较该结果数据中所有格点到关注位置的水平距离，取水平距离最近的格点位置坐标序号，记为(x，y)；比较该结果数据中，坐标序号为(x，y)的位置点的地面高度与指定地面高度的差值，差值最小的高度层，其层号记为i；获取水平格点为(x，y)层号为i和i+1的所有数据，取出时间落在指定时间范围内的数据；从数据中，取出如下所述参量名的数据，形成第一数据集合；
获取Time时间参量，获取第i层和第i+1层的参量名称如下：U、V、W、PH、PHB、T；获取单一层的参量名称如下：HGT、UST、TH2。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：根据第一数据集合的数据，计算生成单一时间点的理查德森数，每个时间点一个结果，称为第二数据集合，包括：
计算该水平格点第i层和i+1层的距地面高度z和风速u：
zi＝(PHi+PHBi)/g-HGT
zi+1＝(PHi+1+PHBi+1)/g-HGT
Figure FSA0000278117570000011
Figure FSA0000278117570000012
其中，g为重力加速度，取值为9.81，HGT为单一层参量数据，与层数无关；
计算位温梯度
Figure FSA0000278117570000013
风速梯度
Figure FSA0000278117570000014
Figure FSA0000278117570000015
Figure FSA0000278117570000016
其中下标i表示层级序号，i为低一层的值，i+1表示高一层的值；
计算梯度理查德森数Ri
Figure FSA0000278117570000021
所有时间点的Ri形成第二数据集合。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：对第二数据集合的数据，按时间进行算术平均，得到指定时段内的理查德森数，包括：
将第二数据集合中所有元素求算术平均，得到
Figure FSA0000278117570000022
Figure FSA0000278117570000023
n为第二数据集合中元素个数。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：根据指定时间段内的理查德森数，计算得到指定时间段内的莫宁奥布霍夫长度，包括：
根据
Figure FSA0000278117570000024
的正负，计算莫宁-奥布霍夫长度L：
若
Figure FSA0000278117570000025
即不稳定的情况下，
Figure FSA0000278117570000026
若
Figure FSA0000278117570000027
即稳定的情况下，
Figure FSA0000278117570000028
计算所得莫宁奥布霍夫长度L和梯度理查德森数
Figure FSA0000278117570000029
即为所选水平格点和高度层的指定时间范围内的大气稳定度代表参量值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116431951A (zh) * 2023-03-08 2023-07-14 中国长江三峡集团有限公司 利用测风塔实测风速数据确定大气稳定度的方法和装置
CN117390509A (zh) * 2023-10-12 2024-01-12 中国船舶集团风电发展有限公司 一种海面大气稳定度确定方法、装置、设备及介质

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