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。

西北太平洋台风风场模型中Holland B系数区域特征研究

Holland B系数是台风风场关键的形状参数,间接表征台风影响范围及强度。基于JTWC最佳路径数据集以及台风中心探测记录数据,构建了最大风速半径以及飞行层最大风速的统计模型;利用典型台风期间地面气象站点观测数据,采用误差分析方法,比较了7种Holland B系数计算方法对于风场模拟结果的影响,确定了最优HollandB参数模型;以"卡努"台风为例对Holland B系数进行敏感性分析,结果表明Holland B系数越大,极值风速越大,台风风场风速高值区范围越集中;利用CMA-STI热带气旋最佳路径数据集,计算了西北太平洋海域历史台风中心的Holland B系数,并对其空间分布特征进行统计分析,结果表明:1)西北太平洋海域低纬度地区比高纬度地区更易出现高Holland B值的台风;2)我国登陆台风中心Holland B系数从南到北逐渐减小,高值省份依次为海南省、广东省、广西壮族自治区、福建省以及浙江省。

考虑风切变影响的三维尾流模型风场实验

针对目前风力机尾流模型只能描述远尾流区域的尾流分布而忽略了近尾流区域的尾流特征的问题,基于双高斯函数,利用流量守恒定理并通过旋转修正推导了一个新的三维尾流模型。该尾流模型考虑了风切变的影响,并且能够描述近尾流区域以及远尾流区域的三维尾流分布特征。采用两台地基扫描激光雷达进行了风场实验,实验数据表明水平方向的近尾流分布类似于对称双高斯形、远尾流区域类似于对称高斯形,而垂直方向由于受到风切变的影响,在近尾流区域尾流分布类似非对称双高斯形、远尾流区域分布类似非对称高斯形。利用实测数据对三维尾流模型预测的水平剖面以及垂直剖面进行了对比验证,验证结果表明三维尾流模型的预测曲线和实验数据吻合良好,其平均相对误差大部分都在5%以内。新提出的三维尾流模型能够较好地预测风力机下游的整个尾流区域的空间分布,可为风电场的布局提供优化方案。

台风结构与强度以及环境场对西北太平洋台风尺度估计的影响研究

台风风场径向廓线模型对台风灾害的评估以及台风尺度的研究具有重要的价值.利用西北太平洋2001-2020年的台风最佳路径观测数据,评估了目前国际上应用比较广泛的六个分别基于经验参数和物理过程的台风风场径向廓线模型对台风尺度(台风大风半径,R17)的估计精度,并探讨了台风结构、强度等内部因素以及垂直风切变和移动速度等环境因子对模型精度的影响.评估发现,所有模型均高估了R17较小的台风而低估了R17较大的台风,且R17越小,高估越明显,R17越大,低估越严重.总体而言,Willoughby et al发展的基于参数的模型具有最小的估计偏差且与观测记录之间最高的相关性.研究还发现,台风内核尺度(最大风速半径,RMW)和强度(最大地面风速,V_(max))对不同模型的影响具有显著的差异性.此外,在高环境风切变和高移速条件下,模型的估计偏差的量级会显著增加.以上研究为进一步完善适用于不同环境条件下,不同结构与强度台风的风场模型提供参考.

不同台风风场在浙江海域台风浪模拟中的适用性研究

将Holland风场与ERA5风场相结合,通过引入一个随风速半径变化的权重系数,构建了混合风场,进而利用MIKE21 SW建立了浙江海域台风浪模型。使用Holland风场、ERA5风场、混合风场作为输入风场模拟1918号台风“米娜”期间的风速和有效波高,验证结果说明Holland风场和ERA5风场均无法准确反映真实风场和有效波高,而本文构建的混合风场弥补了两种风场的不足。为验证混合风场在浙江海域是否具有普适性,选取近5年影响浙江海域最为严重的5个典型台风进行台风浪数值模拟实验,并开展误差统计分析。结果表明:Holland风场在台风中心周围的风速模拟表现较好,最大风速的平均相对误差为8.62%~10.19%,但10 m s以下风速的平均相对误差较大,为29.76%~44.29%;ERA5风场在台风中心周围的风速偏小,最大风速的平均相对误差为17.64%~25.77%,但10 m s以下风速的平均相对误差比Holland风场小,为19.64%~32.00%。对5个台风的模拟中,由Holland风场、ERA5风场和混合风场驱动得到的台风浪有效波高平均相对误差的平均值分别为29.92%、25.62%和22.82%,均方根误差的平均值分别为0.46 m、0.42 m和0.39 m,一致性指数分别为0.94、0.95和0.96。上述结果说明本文构建的混合风场在浙江海域具有普适性,能够提高台风浪的模拟准确度。

基于风场实验的三维叠加尾流模型特性研究

针对目前存在的尾流模型对叠加尾流空间分布特征描述不完整的问题,提出了一种基于双高斯函数的三维叠加尾流模型(3DJGF-M模型),以达到对叠加尾流更准确、全面地预测。首先,修正了三维双高斯全尾流模型(3DJGF模型)的尾流膨胀系数,该系数不需要多次试验计算来确定,可减少计算成本;其次,通过引入风切变的影响,修正了速度亏损叠加原理;此外,以3DJGF模型为基础,利用考虑风切变的叠加原理推导了3DJGF-M模型;最后,利用激光雷达进行了风场实验,验证了3DJGF-M模型的准确性。结果表明:3DJGF-M模型在预测整个尾流区水平剖面以及垂直剖面的相对误差基本都在5%以内,预测效果良好,对于风电场布局优化有较大的应用潜力。

基于Holland风场的台风浪数值计算

在海岸工程中,台风浪的影响较大。为了提高台风风场模拟精度,基于Holland台风风场模型,选取不同的最大风速半径参数和B参数进行组合,将模型构造风场与实测浮标风速资料进行比较分析,误差统计表明,Willoughby风速半径公式和Vickery的Holland B参数公式组合之后的计算误差最小,对风场的模拟效果最好。然后采用SWAN近岸波浪模型,选取最优风场参数,模拟了1323号"菲特"台风过境期间浙南地区的台风浪。模拟结果表明,最优组合参数生成的台风风场,对台风浪的模拟结果较好。当台风登陆时,温州地区的有效波高超过了10 m,明显高于其他区域,近岸波高等值线分布较为密集,台风移动方向右侧有效波高相对较大。台风进入内陆以后,波高迅速减小至4 m左右。

基于风场降阶模型空飘气球航迹预测仿真

为有效控制空飘气球航迹,提出了一种通过非线性模型降阶处理风场数据,仿真模拟空飘气球航迹的方法。首先基于大量的历史实验数据,建立风场数学模型,对当前时刻与未来一段时间内的风场分布情况进行预测;然后,仿真模拟不同高度层空飘气球的运动情况,并在MATLAB软件中创建图形用户界面,动态展示其运动轨迹曲线。研究表明,空飘气球能够通过主动选择合适的弱风层,实现长时驻空与一定范围内的区域驻留。该方法可促进空飘气球飞行控制技术的发展。

台风和台风模型研究综述

我国东南沿海及近海区域风能资源丰富,但也是受台风严重影响的区域。认识台风结构,并探究和预测台风高发区域的风场特征,对海上风电场的运行安全至关重要。首先详细阐述了台风的成因以及结构特征,在此基础上,总结参数台风风场模型的原理以及关键参数,并对风场模型中各关键参数进行了详细阐释。台风风场模型应用范围广,但仍需要进一步完善和验证以提高预测准确性,便于更好地服务工程实际。

风力机风场模型的研究及紊流风场的MATLAB数值模拟

讨论了风剪、塔影和尾流对风场平均速度的影响,介绍了随机理论中离散随机序列与其功率谱、傅立叶谱的关系,研究了紊流风场模型中常用的几种典型的速度功率谱密度模型如Harris速度谱、Kaimal速度谱、Von Karman速度谱等模型。根据随机理论,确定利用速度谱求风速的紊流部分的算法,并用MATLAB编程实现了风力机紊流风场的数值模拟。

近岸非对称型台风风场模型

该文针对近岸台风不对称性非常明显的特征 ,建立了基于特征等压线的不对称型气压场和风场模型 ,该模型简便实用。文章还提出了台风模型风场和背景风场合成、单站资料同化的思想和方法 ,既提供台风过程大范围、长时间风场 。

冲击风稳态流场CFD模拟及三维风速经验模型研究

建筑结构抗风设计中相当多地区的设计风速,往往参考当地气象观测到的雷暴冲击风的最大风速值,但雷暴冲击风的风场与目前抗风设计采用的大气边界层流场相差悬殊,使得设计风速与设计风场并不匹配。本文将在CFD计算结果与已有文献资料进行比较以验证CFD计算模型及参数准确性的基础上,进行了风场特性的全面研究,主要通过改变冲击风描述参数,来研究雷暴冲击风水平风速及竖向风速的分布特性变化情况,研究成果较为完整的描述了冲击风风场特性。最后提出了用于结构抗风设计的水平风速及竖向风速经验模型,较为简明地反映了雷暴冲击风三维风速的空间分布情况,并得到了CFD模拟、实测以及试验结果的验证。该经验模型为雷暴冲击风下的抗风设计计算提供了理论基础。

SRTM数字高程模型在MM5风场模拟中的应用

出于提高基于数值模拟的风资源评估精度的目的,本文对NASA发布的3秒分辨率(90m)SRTM(shuttleradar topography mission,航天飞机雷达地形测绘任务)数据,根据SRTM缺测区域的特点利用直接赋值和双线性多项式内插结合的方法进行填补,并将填补后的SRTM数据作为下垫面的地形高度资料,引入中尺度大气模式MM5中,以研究可提高模拟精度的方法。本文以广东省以及邻近省份地区和近海海域为例,模拟了2002年4月和11月各两天的4个嵌套区域(分别为27km9、km、3km和1km分辨率)的逐时风场,通过与利用USGS地形数据的对比试验,分析了SRTM对近地层风场模拟结果的影响。试验结果表明:与USGS地形数据相比,SRTM数据更接近于真实地形。MM5模式引入SRTM数据后,模拟精度有所提高。地形的变化对风向影响比较明显,但地形的变化引起单点风速的变化情况及其原因比较复杂,有待于进一步研究。

基于多维AR模型的桥梁随机风场模拟

基于自然风特性,通过考虑结构节点间风速时程的空间相关性,采用多维AR模型模拟主梁和桥墩节点随机脉动风速时程,利用FPE准则和AIC准则确定模型阶数,并对模拟过程中的自回归顺序、功率谱密度等问题进行研究。对兰新二线铁路白杨河大桥采用多维AR模型模拟各节点的脉动风速时程,结果表明:当AR模型阶数为4时,模拟功率谱与目标功率谱吻合较好;当自回归顺序颠倒时,模拟功率谱明显偏离目标功率谱。

风场模拟中AR模型的若干问题

自回归(AR)模型具有计算量小,模拟速度快等优良特性,在风场模拟中得到了广泛应用。本文对AR模型进行了系统的研究,将脉动风场模拟中广泛应用的AR模型归为两大类,对模型中的参数从理论上进行了合理的解释。对两种模型模拟脉动风场时涉及到的Wiener-Khintchine公式的变换形式,通过分析对其进行了修正,指出算法上可以采用FFT技术来计算互相关矩阵的元素以提高计算效率。提出了AR模型编程中偶然发现的自回归顺序问题,算例表明两种不同方法的风速时程样本及其无偏自相关估计和自功率谱估计均有较大的影响,希望能引起更多同行对该问题的注意。尽管标量过程AR模型简单且易于掌握,但不能考虑时滞问题。相比之下,理论分析和数值实验都证明,向量过程的AR模型在精度总体要高于标量过程的AR模型,但其运算时间也相应增多。

基于数值模拟的台风危险性分析综述(Ⅰ)——台风风场模型

台风风场是基于数值模拟的台风危险性分析的重要组成部分。基于现有文献资料,以台风风场内空气微团的运动平衡方程为出发点,对现有的基于平衡运动方程的参数化风场模型进行了评述,并建议选用CE风场;回顾了对风场预测结果有重要影响的两个输入参数的信息获得途径,重点就国内台风区城市应该如何处理这两个参数提出了建议;然后从台风边界层的物理意义出发,评述了现有的边界层模型,建议采用Thompson和Cardone所提的具有物理意义的边界层模型;最后对今后工程风场的发展方向提出了一些看法。尽管从气象学角度来看,三维风场是精度很高的模型,但是其工程实用性还有待考证;在满足工程精度的前提下,简单易行的模型是目前进行台风危险性分析的风场数值模拟的较好选择。

台风模型风场建立及其模式验证

对0814号台风进行了增水模拟,以及建立一个适合0814号台风类型的模型风场,用于将来的风暴潮模拟。文章使用香港天文台数据进行增水模拟验证,在模式未考虑气压、远程天气、径流等因素对增水作用下,模式将误差控制在20%以内,据已有研究结果表明,模式具有一定的准确性。在建立风场模型中,首先,通过对比已有圆对称风场模型,确认Dual模型更为合理;其次利用藤田公式对参数化流入角进行修正,对风场的流向与温度、强度建立联系,并讨论流入角度变化对增水影响;再次,通过叠加移动风场,获得右侧风速偏大的风场,以及讨论其对增水的影响;最后,尝试添加背景风场,并对比添加前后增水变化,发现最大增水点附近增水降低,而台风中心附近和外围区域增水增加。本文认为公式叠加背景风场更加合理,选取背景风场数据最好不包含台风信息。此风场的建立主要为研究南海风暴潮变化机理及后报做铺垫。

考虑台风空间位置的桥址区风特性模型实测研究

风特性是桥梁结构抗风设计的前提条件。为准确表征台风移动对桥址区风特性的影响,利用桥梁结构健康监测系统测得的多次台风实测数据,研究了考虑台风空间位置的桥址区风特性模型。基于已有台风解析模型和台风路径数据,模拟了台风过境期间桥址区平均风速时程,并利用实测结果验证了解析模型的有效性。在此基础上,分析了湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度等脉动风特性参数随桥址区和台风中心距离的变化规律,据此研究了脉动风特性参数的空间分布模型。结果表明,已有台风解析模型可实现桥址区平均风速的模拟;台风空间位置变化对桥址区脉动风特性影响显著,空间分布模型能有效反映台风移动过程中桥址区脉动风特性的基本变化特征,可为大跨度桥梁等工程结构设计与运维提供有益参考。

一种新型的非对称台风海面气压场和风场模型

采用台风外围闭合特征等压线等要素,对圆对称的藤田气压模型进行改进,推导出不含有关参数的非对称台风海面气压场和考虑到径向梯度风的风场模型,并利用该模型对给湛江地区造成了严重风暴潮灾的几次台风过程的海面气压场和风场进行了模拟。结果表明,改进后的台风气压场和风场模型更方便准确。

适用于变化风场条件的危险气体扩散模型改进方法

以应用广泛的危险气体扩散模式SLAB为例,对此类模型在扩散过程中风向和风速保持不变的不合理假设进行了探讨,提出了改进的方法和思路.通过时间单元划分和坐标系旋转平移的方法使SLAB模式能在变化的风向风速条件下进行危险气体的扩散计算,该计算理念更真实地反映实际情况,从而更好地为应急管理部门提供及时、准确的决策支持,最大程度地降低危险事故造成的各项损失.