中国近海ASCAT和ERA-Interim风场资料的评估

利用中国近海23个浮标对2015年一整年的ASCAT轨道风场和ERA-Interim再分析风场进行质量评估,并对比了ERA-Interim和CFSV2两种再分析风场资料在中国近海的适用性。结果表明:ASCAT在中国近海与浮标风速的一致性优于ERA-Interim,而二者与浮标风向的一致性则相差不大。同时,对比CFSV2与ERA-Interim的误差统计结果发现,CFSV2的风速误差较ERAInterim略小,风向误差相差不大。

丘陵地区10 m高度以下近地面风场实测及非平稳特性分析

为确定10 m高度以下风场特征以指导光伏支架结构设计,在陕西汉中某拟建光伏电站场址内开展了近地面风场实测.由于实测结果存在较高的低频能量,分别选用平稳模型和基于离散小波变换的非平稳模型,研究了10 m以下近地面风场的平均风速、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度和风功率谱等特征参数,并与规范取值进行对比分析.结果表明:丘陵地区10 m以下近地面风场具有一定的非平稳特性;平稳模型会高估风的湍流强度和湍流积分尺度;非平稳模型较好地提取了时变平均风速,提高了样本的平稳性,且与光伏结构易发生共振的高频部分能量密度有所增大,能量接近Kaimal谱和von Karman谱,高于平稳模型结果,更具适用性.

基于SHAP重要性排序和时空双流的多风场超短期功率预测

针对多风场风功率预测中时空特征提取不充分的问题,提出一种基于空间、时间双流特征提取的功率预测方法。采用沙普利加性解释(SHAP)方法分析原始高维数值天气预报(NWP)中各变量的重要性,选择贡献度高的变量子集作为预测模型输入,降低模型复杂度。构建基于自适应动态邻接矩阵的改进图注意力网络(IGAT)提取多风场的动态空间特征;同时将多头注意力机制(MHA)与时间卷积网络(TCN)结合,加强关键时序特征的学习。使用前馈神经网络输出多风场功率预测结果。以西北某十风场的数据进行案例研究,结果表明所提模型的预测效果优于其他模型。

不同防风设施过渡段接触网风场特性分析

研究目的:大风经不同防风设施过渡段后形成涡流区,在接触网及承力索附近形成大风增速区,加大接触网的风偏和振动,对接触网的安全性、稳定性及抗疲劳性产生更大影响。为研究不同防风设施过渡段接触网处的风场特性,根据兰新高铁明洞与路基挡风墙防风过渡段的典型结构,基于数值计算及风洞试验,对列车在隧道、明洞、挡风屏和挡风墙等不同防风设施运行时的接触网处风场特性进行研究。研究结论:(1)不同线路结构风速变化规律基本一致,来流风速经过车身绕流作用,风速先急剧增大,随着列车逐渐远离监测点,风速减小并最后趋于稳定;(2)防风设施过渡段承力索处风速较接触线处大;(3)不同防风设施过渡段隧道口及隧道与路基挡风墙过渡段风速峰值较大,运行时应给予重点关注,建议采用弹性定位器等措施,改善弓网的运行状态;(4)本研究成果可为防风设施过渡段的接触网设计提供依据。

HY-2C卫星散射计海面风场产品的检验评估

基于中国近海浮标的逐小时海面风矢量实测数据、ASCAT散射计风场数据以及欧洲中期天气预报中心的第五代全球再分析数据(ERA5)的逐小时风场数据,使用统计分析方法对HY-2C卫星散射计海面风场数据产品进行检验评估,检验使用的是2~24 m/s风速区间内的数据。结果表明:使用11个浮标共计3351个样本数据作为真值进行检验,风速和风向的均方根误差分别为1.01 m/s和20.7°;使用8304963个ASCAT样本数据进行检验,风速和风向的均方根误差分别为0.66 m/s和11.5°;使用ERA5风场数据进行全球区域检验,风速和风向的均方根误差分别为1.05 m/s和12.0°;使用ERA5风场数据进行西北太平洋区域检验,风速和风向的均方根误差分别为1.19 m/s和15.5°。由此可见,HY-2C卫星散射计海面风场产品质量的可信度较高,能够较好地满足业务化应用的精度要求。

台风“艾克”(2008)的海面风场模型研究

台风风场模拟的准确性对台风风场后报工作具有重要意义,目前通过参数模型构建台风边界层的海面风场是较快速且常用的方法之一。以2008年侵入墨西哥湾的大西洋第8号台风“艾克”为例,选取多种参数模型对比研究台风风场模拟的效果。实验结果表明,台风风场模型的选择对台风风场模拟效果具有显著影响。采用Jelesnianski-1风廓线模型即可较好地再现“艾克”台风风场的时空特征;此外,具有可变系数的Holland等气压模型风场和Miller等风廓线模型风场则具有较好的适用性,通过调整可变系数使得参数风场的风廓线贴合实际台风案例。整体而言,基于理想模型的参数风场能基本反映台风核心区域的海面风场特征,但对外围背景风场模拟效果不甚理想,而分析及再分析风场数据则能较好地反映台风外围的背景风场,因此采用参数风场与分析及再分析风场融合的方式构建台风风场,可显著提高台风“艾克”风场的数值模拟效果。

大型浅水湖泊高时空分辨率风场特征数值模拟研究:以巢湖为例

【目的】大型浅水湖泊的风场是影响湖泊流场、水体富营养化和藻华运移聚集规律的关键因素之一,仅依托气象站点的观测数据难以有效捕捉湖面风场在空间和时间上的快速变化。为精细刻画湖泊高频变化风场,辨识其时空变化特征,【方法】以巢湖为研究对象,综合利用气象观测数据、全球再分析数据集和地理静态数据,通过中尺度天气预报模式和地理空间分析技术,模拟分析巢湖地区2019年高时空分辨率的风场变化过程。【结果】结果显示:巢湖区域风速由东向西、由南向北、由湖面向陆面逐渐减弱;湖面主导风向为东风和偏东风,主导风速为二级至四级,湖面平均风速在11月最大,12月次之,5月最小,不同季节湖面平均风速由大到小依次为冬季、秋季、夏季和春季。【结论】结果表明:巢湖在白天(夜晚)出现冷(暖)湖效应,其风场在早上6时和夜晚23时出现陆风和湖风转换;西半湖受湖陆风和城市热岛影响显著,在夏季会出现明显的环湖湖风锋,其湖风锋穿透内陆距离约4.7~9 km;东半湖受山谷风影响显著,在东南部山脉以东湖区易形成低风速区,在湖口附近受狭管效应易形成高风速区。通过研究成果可进一步认知巢湖区域风场特征,为巢湖水生态环境治理提供技术支撑。

偏转风场下高层建筑设计风速的风向折减因子

提出了超高层建筑设计风荷载估算过程中考虑风场偏转影响的强风风速风向折减因子修正方法。在风洞中模拟了一个方形截面超高层建筑刚性模型。在偏转风场和无偏风场工况下,根据提出的修正方法计算了北京地区和南京地区高层建筑设计风速的风向折减因子,分析了风场偏转对高层建筑气动力风向折减效应的影响。结果表明,偏转风场会使建筑风压存在偏移现象,最不利风压出现的风向角与无偏风场下不同,而在考虑风向折减效应的风荷载估算方法中,如果忽略风场偏转的影响就可能导致超高层建筑风荷载的低估,使得结构设计偏于危险,提出的修正方法能够有效解决这一问题。

基于CCMP的台湾海峡海面风场时空特征变化分析

利用1993-2022年最新版交叉标定多平台风场资料(CCMP V3.1),针对台湾海峡海面风场的年、季、月、日变化特征进行了分析。结果表明:台湾海峡及台湾岛周边海域风场具有明显的空间分布特征,地形效应导致不同海域出现风速极大值区和极小值区。其中台湾海峡中部受“狭管效应”的影响,在冬季风速最大,风向基本与海峡走向平行;夏季风速低于海峡外部的风速,无“狭管效应”。此外,海面风场还具有明显的季、月变化特征,冬季盛行东北风,风速为全年最高;夏季盛行西南风,风速最低;春、秋两季风场特征相似,皆盛行东北风;冬季风比夏季风盛行期长,约占全年的四分之三。对风场的年际变化分析时,结果表明夏季风向易发生较大角度的偏转;年平均风速保持基本平缓的线性趋势,在一些年份的异常偏高或偏低与海气相互作用现象厄尔尼诺-南方涛动的发生相关。研究日变化特征时则发现,在夜间20时风速和风向波动最大;风速一天内存在周期性变化;风向日变化夏季偏转最明显。

中国岛礁区热带气旋不同空间分辨率风场模拟比较研究

中国岛礁数量众多,地形复杂,受热带气旋灾害影响大。高空间分辨率热带气旋风场模拟有助于表达风速空间异质性,对面积相对较小的岛礁地区开展高分辨率模拟具有重要意义。文章利用热带气旋路径、岛礁分布、土地覆盖以及数字高程数据,按照1000、90和30 m分辨率风场模型模拟了中国岛礁区历史热带气旋风速,分地形类型对比分析了各分辨率下岛礁模拟风速大小的差异性,并比较了不同空间分辨率热带气旋100 a一遇风速的差异。结果表明:1)30 m空间分辨率风速模拟准确率更高,模拟风速与8个站点实测风速的均方根误差为4.28 m/s,比90和1000 m模拟结果误差分别降低了0.08和1.04 m/s;2)不同空间分辨率模拟风速误差与地形类型相关,浙江省舟山市朱家尖岛90和1000 m模拟风速与30 m模拟风速的对比表明,平均风速模拟差异比例在山峰地形下分别为6.57%和7.61%,山谷地形下分别为21.28%和17.35%,峭壁地形下分别为22.85%和23.37%,且30 m模拟风速对于迎风坡与背风坡地形转换更敏感;3)对于100 a一遇热带气旋风速,30 m模拟风速会出现最大的风速值且空间差异更大。以浙江省舟山市朱家尖岛为例,1000、90、30 m分辨率下的模拟风速最大值分别为71.13、73.18和79.97 m/s,标准差分别为3.88、3.72和7.18 m/s。

中法海洋卫星散射计风场资料融合与检验

单一的海面风场资料存在观测点稀少、分布不均匀或难以覆盖全球等问题,利用多源风场资料进行融合,实现快速标准网格化,一方面可有效覆盖海面,另一方面可提升风场业务化精度。为了促进以我国自主可控散射计风场资料为主的多源海面风场融合效果提升,本文收集了四种海面风场资料:浮标、船舶报、ASCAT散射计反演风场以及国产中法海洋卫星散射计(CSCAT)反演风场资料,并进行了相关的融合试验与验证。首先对比验证CSCAT散射计风场资料质量,再利用时空加权插值法和最优插值法,以CSCAT散射计资料为核心,辅以其他风场资料进行日平均全球风场融合与3 h区域风场融合,最后对融合风场进行了质量检验。试验结果表明:CSCAT散射计风场资料在数据准确度及数据稳定性上略逊于ASCAT散射计;散射计风与船舶报两种资料融合后的全球风场可以满足一定的业务化精度需求;最优插值法更适合应用于太平洋海域,时空加权插值法更适合应用于印度洋海域,在大西洋海域两种方法融合效果相近;时空加权与最优插值集成方法下的3 h区域融合风场质量较全球日平均风场更高。本融合方法实现简便、运算快捷、融合数据可靠,特别是在观测极端稀疏区域,可为需求部门快速获取高分辨率海面标准网格化风场提供一定参考。

基于城市中心区实测风场的高层建筑风荷载特性

风剖面是影响高层建筑风荷载特性的主要因素。为了探究城市中心区风场下高层建筑的风荷载特性,选取了北京气象塔2013年−2017年连续观测的实测风速数据,采用指数率模型并结合城市边界层分层结构对实测风场风剖面进行了拟合。通过刚性模型风洞测压试验得到了宽厚比D/B=1,2,4三种超高层建筑在实测风场下的风荷载,并将试验结果同规范中的B、D类风场进行了对比。研究表明:基于分层结构,采用指数率模型拟合得到的实测风场幂指数为0.35,其平均风速剖面同D类风场相似,湍流度剖面则大于D类风场;与B、D类风场下的风荷载相比,实测风场对超高层建筑的平均风荷载影响较小,对脉动风荷载的影响较大,且建筑宽厚比增大后,其在实测风场下的脉动风效应显著增强;建筑基底横风向和扭转向力矩系数间具有较强的相关性,且存在极值相关性,特别是90°风向角时的D/B=4建筑,两种相关性在实测风场下均显著增强。

基于深度强化学习的风场中浮空器驻留控制

建立了平流层浮空器区域驻留模型,在有动力和无动力推进的情况下,基于马尔可夫决策过程,将具有优先经验回放的双深度Q学习应用于平流层浮空器区域驻留控制。通过平均区域驻留半径、区域驻留有效时间比等参数来评价区域驻留控制方法的效果。典型风场中仿真分析结果指出:在区域驻留半径为50 km、区域驻留时间为3天的任务下,无动力推进的平流层浮空器的平均区域驻留半径为28.16 km,区域驻留有效时间比为83%;有动力推进平流层浮空器的平均区域驻留半径可达8.84 km,可实现区域驻留半径为20 km的飞行控制,区域驻留有效时间比为100%。

紊流随机风场下多相多分裂覆冰输电导线舞动的相间闪络概率评估

针对覆冰输电导线在紊流随机风场中舞动的相间闪络问题,提出了一种多相多分裂覆冰导线舞动的相间闪络概率评估方法。首先,通过生成覆冰导线在紊流随机风场中舞动时的随机风荷载,结合多相多分裂覆冰输电导线有限元模型对紊流随机风场中的导线舞动响应进行模拟;其次,通过等价极值分布法构建了多相多分裂覆冰输电导线舞动时的相间闪络失效准则,基于概率密度演化法发展了一种多相多分裂覆冰导线在紊流随机风场中发生非同步舞动的相间闪络概率评估框架;最后,对某单跨三相四分裂覆冰输电导线算例进行分析。结果表明:1)不同相对位置的覆冰导线相间闪络概率评估结果差异明显,并且相较稳态风场情况,紊流随机风场作用下的各相导线相间闪络概率密度曲线峰值位置左移,峰值存在明显的降低;2)随着紊流度的增加,各相覆冰导线在紊流随机风场中舞动时更易发生相间闪络;3)该跨覆冰导线的相间闪络概率随平均风速的增加呈现先升后降的变化趋势,不同初始风攻角工况的各相导线相间闪络概率差异明显。

低空复杂风场全天候雷达精细探测技术

低空复杂风场通常指距离地面高度600 m以下,局地风速、风向快速变化的风场.其全天候大范围精细探测是雷达科学、气象学等领域的长期难题.低空复杂风场的全天候雷达精细探测涉及传感器设计、三维风场反演和全天候融合等关键技术.本文从激光雷达探测、微波雷达探测、全天候融合及特征危害提取等方面对风场探测的技术内涵及研究现状进行了梳理,并分析了发展趋势,为低空复杂风场全天候精细探测技术发展与应用提供参考.

随机脉动风场作用下输电塔线体系的动力响应分析

输电杆塔及塔线体系(简称塔线体系)是整个电力系统中输电环节的核心部分,沿海地区的强风对塔线体系有着重要影响。为研究在随机脉动风场作用下塔线体系的动力响应特性,文中以广东某地区的1W2C9型鼓型自立式输电杆塔为研究对象,建立输电杆塔的单塔及一塔两线的塔线耦联有限元模型,结合Davenport风速谱与四阶自回归法模拟具有空间相关性的单塔9节点及塔线体系49节点的脉动风场,研究在此脉动风场下的单塔及塔线体系的动力响应,并探究不同风向角对其动力响应的影响。研究结果表明:单塔及塔线体系的动力响应最大值大于其拟静力响应;由于塔线耦联效应的存在,输电线会增加塔线体系的稳定性,降低其动力响应;90°是输电杆塔单塔及塔线体系动力响应的最不利风向角。

三杯风速传感器非水平风场测量性能

为解决三杯风速传感器在计量检定条件下与观测场景中环境差异所导致的测量数据误差,致力于研究空气流速计量标准在量值传递过程中的真实性、准确性和一致性,为新一代三杯风速传感器作为计量器具的新产品型式评价提供思路和参考指标,依据杯式测风仪测量方法与自动气象站风速风向传感器检定规程,并在实验中加入了主体由角度编码器构成的自动化转盘系统,设计了三杯风速传感器在非水平风场内测量性能水平实验。通过调整三杯风速传感器在风洞试验段内的倾斜角度,模拟其在自然界非水平风场中的测量状态,同步采集风洞的标准指示风速、三杯风速传感器的实测风速以及其相应的倾斜角度,计算示值误差,利用方差分析、趋势分析、相关性分析和线性回归分析等统计方法,对不同倾斜角度下三杯风速传感器示值误差进行研究,得出了三杯风速传感器在风洞试验段内的示值误差与实测风速和倾斜角度之间的相关关系,提出了三杯风速传感器在非水平风场下的测量性能指标。研究了三杯风速传感器在非水平风场中实测风速与标准风速和倾斜角度的回归关系,提出了三杯风速传感器在计量环境下非水平风场中数据的量值传递修正算法。

一种基于多普勒原理的相干测风激光雷达及其外场应用

精确观测大气风场在气象、军事、航空航天等领域具有十分重要的意义。相干测风激光雷达能够实时有效地进行大气矢量风场探测。为此研制出一款基于多普勒原理的相干测风激光雷达,并进行外场观测验证了其性能。该系统可探测垂直上空45~3000m的水平风场以及垂直气流,最大可探测风速为60m/s。分析比对了该雷达于2021年10月16日08:00―20日00:00在广州市黄埔区气象局观测的数据与同时段同地点微波风廓线雷达的观测数据,结果表明二者具有良好的一致性。重点分析了2021年10月18日10:00―20日00:00的典型观测数据,进一步验证了该相干测风激光雷达所测数据的准确性。该雷达在风场探测上的应用将为气象参数监测和预报精度的提高以及极端灾害性天气的预警提供实时数据支撑。

基于中国中东部多站流星雷达的二维风场观测研究

全天空流星雷达广泛应用于中间层-低热层大气水平风场的观测,为研究该区域大气风场的变化特征提供了重要数据支持.目前流星雷达主要采用单站观测模式,没有水平分辨率,并且只能探测流星区域的大气平均水平风场.为了得到更加丰富且精准的中间层-低热层大气风场信息,本研究介绍了建设在中国安徽地区的多站流星雷达系统,该系统包括安装在蒙城(33.36°N,116.49°E)的一台单站流星雷达和长丰(31.98°N,117.22°E)的一台远程接收机,两地直线距离约为167 km.相比于单站流星雷达,多站流星雷达系统探测到的前向散射流星数目增加了约70%,并且一般可以提供400 km×400 km以上的水平观测区域.除此之外,多站流星雷达系统还可以提供更加丰富的流星观测角度.新多站系统可以实现中间层-低热层大气二维水平风场的观测,在获取平均水平风场以及风场水平梯度的同时,还可以估计水平风场的散度、相对涡度和拉伸、剪切形变信息.多站流星雷达能够提供更多的水平风场参数,对进一步研究中间层-低热层区域的大气动力学过程具有重要意义.不仅如此,未来即将建成的多站流星雷达观测网将会实现中国中东部地区上空的中间层-低热层大气高时空分辨率的三维风场观测,这将有利于促进我们对中间层-低热层区域内的各类波动过程的理解.

郑州“7·20”极端暴雨的双偏振雷达回波与风场特征分析

为了细致地了解郑州极端暴雨的雷达回波特征与内部动力特征间的联系,利用地面自动站、探空、欧洲中期再分析资料以及双偏振雷达,分析了中尺度对流系统发展和成熟阶段的回波和雷达反演的风场结构,揭示了对流系统内粒子相态特征,动力特征等宏微观特征。主要研究结果如下:反射率因子特征为南北向的带状区域逐渐汇集为团状;径向速度特征为低层辐合和风向随高度顺转的强垂直风切变;基于雷达偏振量的分析,给出了对流系统局部结构,进一步的研究表明:差分反射率狭窄的强弧状区域可有效地指示对流系统内的强上升运动,其为极端降水系统的持续性发展提供了动力强迫;剖面上差分反射率柱与差分相位常数柱在空间分布上呈现出分离现象,两者体现出对流系统内的强上升运动,为暴雨的发展与增强提供了强有力的支持。