基于天气研究与预报模式的林区风能评估

林业生态区风场因林木植被生长周期存在季节性变化特性,使得林区风能评估相较于平原沿海地区具有一定复杂性。采用天气研究与预报(WRF)模式,结合本地化森林冠层特征参数,对复杂地形林业生态区的风场进行数值模拟,并利用激光雷达实测数据对WRF模拟结果进行对比验证,建立复杂地形林区风场模拟方法,进而对复杂地形林区的风能资源进行评估。结果表明:采用WRF模式的林区风场模拟应充分考虑森林的季节性变化,采用本地化的森林冠层特征参数是提高林区风场模拟精度的有效手段。此外,受地形地貌影响,林区风场表现出明显的地形微气候特征,该特征随着离地高度的升高而减弱,当高度达到150m后开始具有稳定且可利用的风能资源。

考虑台风影响的大型风力机风致响应特性研究

与良态风场相比,台风场会显著影响风力机受力性能。为解决此问题,采用中尺度WRF和小尺度CFD对“鹦鹉”台风进行精细化数值模拟。并以某风电场5 MW大型风力机为分析对象,结合ANSYS软件重点对台风场和良态风场下风力机耦合体系风致响应、受力稳定性以及极限承载力等进行对比分析。研究结果表明:对比良态风场,台风作用使风力机表面三维气动力分布模式更加复杂,且明显增大了机舱-叶片-塔筒一体化耦合体系的结构响应,同时大幅降低了结构整体屈曲稳定和极限承载能力,主要结论可为此类风力机在台风环境下的受力预测提供参考。

南海海域海表面温度对低空大气波导数值模拟的影响研究

为了研究海表面温度(sea surface temperature,SST)对低空大气波导数值模拟的影响,针对南海海域基于天气研究与预报(weather research and forecasting,WRF)模式开展了不同SST对低空大气波导数值模拟的影响研究.结果表明:精确的SST对低空大气波导数值模拟影响最大,其次是更新周期;美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)提供的最优插值SST给出的大气波导模拟结果最好,正确率为68.2%,且波导底高平均误差和标准差最小,这是由于其模拟的相对湿度和气温变化较为准确,其次为气候预报再分析系统(climate forecast system reanalysis,CFSR)给出的SST方案较好;此外不同嵌套网格方式对大气波导数值模拟也有影响,在最优方案中子网格模拟的大气波导正确率和发生概率分别提高了11.8%和10.4%,虚报率降低了2.4%.该研究可为南海低空大气波导的精确预报提供技术支撑.

基于中尺度数值大气模式的海雾特征参数研究

为了研究掠海激光类武器在海雾气溶胶环境下的回波特性,需要进一步获取海雾气溶胶的特征参数。基于中尺度数值大气模式的天气研究与预报模型,在垂直空间针对海雾所在空间区域设置更为密集的η分层,对2015年4月28日~2015年4月29日的渤海海雾过程进行数值模拟分析,得到云水混合比、雾顶高度等海雾特征参数的数据,进而计算出影响激光回波的水平能见度数据。研究结果表明:对于海雾所在空间区域(海拔高度400 m以下),增大η分层数能够进一步细化海雾的特征参数,提高获取的数据精度;能见度参数可以通过云水混合比等海雾特征参数推算得到,其精度受海雾参数精度影响。

北京重污染事件中污染物输送轨迹模拟与分析

应用天气研究与预报(weather research and forecasting,WRF)模式以及三维拉格朗日轨迹模式,以北京2003年10月18—22日出现一次重污染过程为例,研究反气旋系统控制下污染物的输送规律和移动路径,并分析环境和气象观测数据,阐述其成因.结果表明,当反气旋均压控制北京地区时,由于地方性环流起主导作用,污染物在反气旋控制区内徘徊,形成地方性风输送积累;当反气旋后部偏南风经过北京地区时,本地区累积的污染物向东北输送,最终在低压区汇聚垂直抬升,进入自由大气.

基于中尺度气象模式分析的海陆风电场间尾流扰动影响评估

海上风电在“双碳”目标的引领下快速发展,其选址布局若缺乏整体协调规划会因尾流效应损害已建成下游陆上风电场的发电量与经济效益。为提高区域资源利用率,保障风电产业的协调可持续发展,该文以中国盐城某海上风电场及相邻陆上风电场为研究对象,提出一种耦合风电场参数化方案(wind farm parameterization,WFP)和天气研究与预报模式(weather research and forecasting model,WRF)的海陆风电场间尾流扰动影响评估方法(WRF-WFP),通过比较有无海上风电场的算例输出间的差异,分析典型真实大气状况下海上风电场整体尾流强度的空间分布特性,并结合实测数据验证了WRF-WFP的有效性与参数灵敏度。量化评估了典型工况下海上风电场对下游陆上风电场的运行扰动作用的时空特性,归纳了陆上风电场的相对功率损失规律。结果表明在典型大气状况下,海上风电场的尾流可以延伸36~73km,最大宽度5.8~10km;尾流对下游陆上风电场的扰动作用在夜间的频次与强度更为显著,风速衰减达5.83%时,平均功率亏损可达15.47%。

地表太阳辐射参数化改进在高原山区WRF模式降水模拟中的应用

区域气候模式对高原降水模拟存在系统性高估。该文从热力学角度考虑了局地(小尺度)地形对陆气过程的影响,以提高区域气候模式高原降水模拟能力。通过在天气研究与预报(weather research and forecasting, WRF)模式陆面过程模块耦合地形热力效应方案,将二维地形太阳辐射方案改进为三维地形太阳辐射方案,根据山区太阳辐射理论对太阳辐射直射、辐射散射、地形反射过程进行改进,得到改进方案;基于改进方案在亚东河谷开展高分辨率WRF模式降水模拟研究。结果表明:采用改进方案模拟的太阳辐射、降水结果与实测结果更接近,能够降低河谷降水高估的现象。改进方案能够体现出更多地形变化对地表辐射分布的影响:日间,山体坡面由于接收更多辐射得到加热(0.09~0.20℃),产生上升气流,在坡面形成更强上坡风(0.02~0.08 m/s),将河谷水汽携带到坡面以上,水汽在坡面以上区域爬升并形成降水,导致河谷区域降水减少(-4.54~-3.34 mm)、坡面以上区域降水增多(0.59~2.82 mm)。该研究对提高区域气候模式对山区降水的模拟效果具有重要意义。

硫酸盐非均相机制对颗粒物污染的影响:上海典型污染事件的WRF-Chem模拟

硫酸盐气溶胶是大气中细颗粒物(PM_(2.5))的重要组成部分,对霾的形成起着重要作用.传统的模式中硫酸盐生成机制主要包括SO_(2)与·OH的气相反应和SO_(2)·H_(2)O水合物产生的亚硫酸与O_(3)/H_(2)O_(2)的液相反应.SO_(2)非均相生成硫酸盐的机制(在高NH_(3)情景下,以NO_(2)为氧化剂,非均相摄取SO_(2))非常重要,尤其成为重污染期间颗粒物浓度暴发性增长的原因之一.将硫酸盐非均相机制的参数化方案纳入WRF-Chem模式,模拟了2017年1月的长三角区域污染物浓度,评估了硫酸盐非均相反应对颗粒物浓度模拟的提高及其对长三角重污染的贡献.结果表明,传统WRF-Chem模式模拟的上海地区硫酸盐月均浓度为6.5μg·m^(-3),较观测值低估33%;尤其是在重颗粒物污染期间,低估高达127%.加入硫酸盐非均相机制后,WRF-Chem对硫酸盐的模拟效果得到显著提升,月均硫酸盐模拟浓度较传统模式提高2.1μg·m^(-3),更好地与地面观测站点的观测值匹配(标准化平均偏差由-48%~-34%降低到-29%~-13%);尤其是在颗粒物污染时段,硫酸盐浓度的提升高达28.2~37.2μg·m^(-3)(104%~167%).研究提高了对长三角地区冬季大气污染的模拟能力,为制定科学地管控策略提供了支持.