澧水特大桥风场观测系统方案设计与计算

以张花(张家界—花垣)高速公路澧水特大桥为工程背景,论述了简支地锚式悬索桥风场观测系统的方案设计,针对缆索悬挂系统及锚固系统进行了结构有限元分析和强度验算,计算结果表明设计方案满足各项功能要求。

星载GNSS-R海面风场观测载荷关键技术设计与验证

目前海面风场观测手段有限,基于全球导航卫星系统反射信号处理(global navigation satellite system reflection,GNSS-R)的天基观测为全球风场信息获取提供了全新的手段。GNSS-R海面风速探测技术具有全天时、全天候、低功耗、宽覆盖、多信号源、低成本等特点,日益获得了广泛的关注。由于GNSS系统设计之初的目标是面向全球用户提供基于无线电伪距测量的被动导航服务,并非设计为天基遥感辐射源,所以GNSS-R反射信号具有观测点离散、信号功率弱、信号处理算法运算量大等特点。以捕风一号卫星为研究对象,对GNSS-R信号处理算法和处理系统进行了研究。针对GNSS-R信号特点和星载实时处理需求和约束,提出在短时循环相关和旋转变换的基础上配合动态相位补偿技术在数据处理不失真的条件下将GNSS-R信号处理运算量减小到传统算法的1/8.99;同时设计了基于FPGA的反射信号处理系统,并完成地面及在轨试验。试验结果表明设计的GNSS-R信号处理系统和快速算法满足了卫星对实时5幅DDM处理的要求,DDM处理结果有效支撑了后续风场反演。

瑞利测风激光雷达系统性能改进与中高层大气风场观测

开展了瑞利测风激光雷达系统性能改进和效率提升研究,改进接收系统光信号的耦合效率、传输效率和采集效率,使改进后的接收机光学效率比原接收机提高1.874倍,解决了系统在紫外波段光学效率低的问题。优化了校准参数,并将标准具表面反射率提高至80%,使激光频率锁定精度满足系统探测精度的需要。增加60m准静态零风速实时校准管道,消除多普勒零点偏移产生的测量误差,提高了系统探测精度。利用改进的瑞利测风激光雷达进行大气风场探测实验,与探空气球相比风速和风向最大相差6.73m/s和24.6°,平均相差1.28m/s和2.65°,获取了多区域高时空分辨率的风场数据,为研究中高层大气变化规律、认识空间环境的区域变化特征提供了必要的数据支持。

近地面强风不同间隔滑动平均统计特性的对比分析

为深入研究我国沿海地区的风场特性,基于2008年在温州地区实测获得的两次近地面台风风场数据,以3s、10s、1min和10min为间隔,利用滑动平均法,进行了近地面强风10min滑动平均统计特性的对比分析。研究表明,相对于采用10min为间隔的滑动平均(10min离散平均法),以3s、10s和1min为间隔的滑动平均对实测风场数据的利用更加充分,能获得连续而密集的风场特性统计值,而且其结果具有更好的连续性,能较好地揭示出平均速度、风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度和脉动风速功率谱密度函数的连续变化趋势及其短时段内的强风脉动规律;与3s和10s滑动平均相比,因1min滑动平均的计算量小,在进行风场统计特性分析时1min滑动平均方法更加简洁有效。

60km车载瑞利测风激光雷达研制

目前我国尚缺乏25~60 km大气风场实时探测手段,为此研制了60 km车载瑞利测风激光雷达。介绍了系统总体结构,对分系统的研制做了详细描述。为提高风场反演的精度,设计了标准具通过率函数校准系统。提出了标准具通过率函数校准方法,并开展实验对标准具通过率函数进行了校准。校准结果表明,接收机性能稳定,各参数测量标准差均小于0.06。该系统在德令哈地区对15~60 km大气风场进行了观测,获得了水平风场的测量结果,并与当地探空气球的探测结果进行了比对,30 km以下一致性较好。对风速、风向测量误差进行了计算,40 km以下,风速测量误差≤4 m/s,风向测量误差≤6°,40 km以上,风速测量误差≤8 m/s,风向测量误差≤18°。该系统设计合理,性能稳定,能够实时探测10~60 km大气风场。

基于2013年马甸桥北气象塔实测数据的北京城区地貌风速谱分析

基于实测的风场特性研究是结构抗风中的基础性工作之一。脉动风速谱作为风场特性的主要参数之一,描述了风的能量在频率上的分布情况。Van der Hoven最先测得的包括宏观气象尺度峰值和微观气象尺度峰值的风速谱在风工程领域具有奠基性贡献。由于早期采集设备精确性不高、计算分析水平不足,以及近年来城市化进程加快,城市地貌下全频率范围的风速谱有待进一步考查。该文采用2013年北京气象塔47 m、80 m和140 m高度处超声风速仪测得的风速数据,计算分析了反映宏观和微观气象尺度变化的全频率风速谱,并和Van der Hoven风速谱以及其他学者的实测谱进行了对比。结果表明:反映宏观气象尺度变化的低频风速谱除了在周期约为4天处存在峰值外,在周期约为1天(24小时)处的峰值非常明显,而在12小时周期处的峰值相对微弱;与宏观气象尺度峰值相比,高频微观气象尺度峰值较为微弱,且随高度增加,宏观气象尺度峰值逐渐增加,而微观气象尺度峰值相差不多。考虑到结构抗风设计时关注的是强风条件下的高频段风速谱,该文挑选平均风速大于8 m/s的风速样本,对其微观气象尺度风速谱进行了讨论,并和经典风速谱进行了对比,发现不同高度处的实测高频风速谱曲线相互吻合,且实测谱与Kaimal谱接近。

海上风能资源观测与评估研究进展

风能资源观测评估是风电开发建设的前提基础,海上风电投资成本巨大,更需准确评估风能资源以减少风电投资风险。从传统气象站观测到多平台遥感探测,从简单数理统计到耦合模式数值模拟,观测数据的丰富和技术方法的成熟,使得海上风能资源评估的可靠性越来越高。站位资料匮乏、遥感资料丰富是海上风场观测数据特点。运用多尺度耦合模式,同化多源遥感探测资料和站位观测资料,以多方式技术融合形式开展海上风能资源评估,是区域风能资源评估方法的主流发展方向。风电场风能资源评估应着重注意观测数据质量、数据插补订正、重现期风速推算及风能参数长年代修正等方式方法的选择,这些因素可直接影响未来风电场运行效益。