湖北省风能资源的高分辨率数值模拟试验

利用边界层模式CALMET耦合中尺度模式MM5对湖北省的风能资源分布特征进行数值模拟,得到水平分辨率1 km、 垂直高度10~150 m覆盖全省的风能资源分布。通过与测风塔对比发现,模式对九宫山7月、 11月的逐时有效风速的模拟相关系数分别为0.59、 0.57;受下垫面复杂地形的影响,10 m高度上的误差最大,50 m高度的模拟效果好于其他高度。70 m高度上数值模拟风速年均误差为7.21%,逐月平均风速误差范围在6.62%~7.30%之间。全省风能资源的总体分布特征是:中东部大于西部,西部的等值线相对凌乱且密集,冬、 春季风速、 风功率大于秋季,西部地区为风资源较贫乏地区。数值模拟结果虽然存在一定的误差,但模拟得到的风能资源分布趋势是符合本地区气候和地形特征变化规律的,可以作为制定区域风电发展规划的科学依据。在进行风电场选址时,对于误差大于平均水平的地区需要多布设测风塔。     

风电场测风塔选址方法

测风塔在风场区安装的位置直接影响到风电场内的风能资源评估的准确性和代表性。本文通过对风电场内各种地形下的风速变化机理进行分析,推荐出测风塔在各种地形下的最佳安装位置的选址方法。     

海面动力学粗糙度参数化方案对近海风资源评估结果的影响

采用数值模拟手段可以获取风能资源开发利用高度处资源量的区域分布状况,海面的动力学特性对近海面风速的数值模拟结果影响较大,论文采用WRF模式来研究不同海面动力学粗糙度参数化方案对近海及沿海地区风能资源的数值模拟评估结果影响以及方案的适用性.采用不考虑粗糙度变化(P_0)、WRF模式中参数化公式系数为定值的方案(P_WRF)、Yelland和Taylor 的分风速对参数化系数进行取值的方案(P_YT)对杭州湾近海及沿海地区风场进行模拟研究.通过与观测资料的对比分析可以得出以下结论:通过参数化方法改变海面动力学粗糙度可以改进近海和沿海地区风速的模拟效果,且P_YT 方案的模拟效果要优于P_WRF方案;当观测点为海风时,考虑粗糙度变化方案的风速模拟结果改进更加明显;观测点风速低于约8 m/s 时,所有方案模拟结果的相对误差均随风速增加而降低,P_YT 方案的模拟误差最小,P_0 的误差最大;而当风速大于8 m/s 时,相对误差会随风速的增加而增加,P_YT方案模拟误差最大,P_0 方案误差最小.三种方案模拟风能资源差异主要体现在陆地沿海和近海区域,离海岸线较远的陆上地区模拟结果相差不大,在沿海和近海区域方案P_WRF平均风速模拟结果比方案P_YT的偏高约为0.5 m/s,平均风功率密度偏高约为50 W/m².     

辽宁省近地层风切变特征研究

利用辽宁省风能资源专业观测网26座测风塔2009年6月至2010年5月10~70 m（100 m）的逐时梯度风观测数据,研究了辽宁省近地层风切变特征,结果表明：近地层风速随高度变化基本遵循幂指数规律;各塔年风切变指数为0.024 4~0.405 0,没有明显的空间分布规律,主要受局地地形、地貌环境影响,个体差异较大;有11座测风塔年平均风切变指数大于B类风切变指数,26座测风塔空间平均年风切变指数为0.155 1,也略大于B类风切变指数;风切变指数呈现明显的白天小、夜间大的日变化特征,与气温的日变化呈反位相;春季风切变指数明显偏小;大气中性条件下的风切变指数与年平均风切变指数基本相当,稳定状态下风切变指数明显偏大,不稳定状态下最小;风切变指数具有随风速增大而减小的特点,大风条件下的平均风切变指数小于年平均风切变指数,多数测风塔风速≥15 m/s时风切变指数下降至0.1以下。     

MM5/CALMET模式系统在风能资源评估中的应用

论文建立了一个适用于区域性风能资源评估的数值模式系统,该系统由中尺度气象模式MM5和微尺度模块Calm et以及风能资源参数计算模块组成。运用该模式系统分别对代表我国沿海风能丰富区的江苏省沿海地区和复杂地形条件下的北部风能丰富区的甘肃省酒泉地区的风能资源进行1 km×1 km高分辨率的逐时模拟,并通过与模拟范围内测风塔观测资料的对比检验该模式系统对我国不同地形条件下的风能资源评估能力。对比结果表明该模式系统可以很好地模拟出这两个地区的风能资源分布情形,不仅各测风塔处的年平均风速模拟值与实测值较为接近,风向频率和风功率密度方向频率也与观测值较为吻合。总体来看,该模式系统对甘肃省酒泉地区的模拟值与实测值的对比结果要优于江苏省沿海地区的对比结果。因此,该模式系统可以用来对我国不同地形条件下的风能资源进行高分辨率的评估。同时通过分析这两个地区70 m高度处的年平均风速、年平均风功率密度、年有效小时数、年发电量的水平分布结果发现,江苏省沿海地区海面上风能资源比陆上沿岸区域丰富,且风能资源沿海岸线往南逐步增加;甘肃省酒泉地区中部的盆地区域由于受南北高山形成狭管效应的作用,风能资源非常丰富。     

环渤海区域风能资源WRF同化模拟及特征分析

利用WRF模式及其3DVAR同化模块,结合环渤海区域风能资源观测网测风塔观测数据,设计并构建了多种3DVAR 同化方案,用来提高环渤海区域风能资源数值模拟初始场质量。以2010 年4 月12 日至13 日一次大风过程为研究对象,利用该同化方案进行了一系列WRF数值模拟对比试验。选择较优的3DVAR同化方案对环渤海区域70 m高度风能资源进行了2009 年6 月1 日至2010 年5 月31 日一整年的数值模拟。模拟结果表明,较优的3DVAR同化方案能有效地改进区域风能资源数值模拟初始场质量,主要体现在模拟值与实测值更为接近,模拟效果得到显著改善。环渤海区域70 m高度年平均风速和年平均风功率密度呈现出南小北大的分布特征,渤海中部和北部风能较大,沿垂直于海岸线向内陆方向,风能参数急剧减小。     

广东省风能资源区划研究

论文以Surfer8.0以及地理信息系统(GIS)软件Citystar3.0为平台,利用广东省86个气象站历史测风资料以及沿海72个风能测风塔临时观测资料,计算广东省空间分辨率为1km×1km格点上风能参数,进行了广东省风能资源的宏观区划和风电场选址区划;估算出广东省离地面10m高度上全省及各区划的风能资源理论可开发量为7.50×10⁴MW,技术可开发量为5.89×10³MW。为广东省风电开发宏观规划以及大型风电场的微观选址提供了科学而且精细的资源依据。     

珠三角土地覆被资料优选及在WRF模式中的初步应用

针对WRF模式中珠三角地区土地覆被资料不准确的现况,从国内外主要的土地覆被产品中筛选与统计年鉴资料相符的产品,与模式内置的静态资料进行对比试验以评估土地覆被资料对模拟结果的影响.试验模拟的时段设为2010—2011年1、4、7、10月.结果表明:①WRF模式内置的MODIS资料在珠三角地区对于建成区高估超过3倍,而主要土地覆被遥感产品中GLC2009资料最为接近统计年鉴和调查结果值;②GLC2009土地覆被数据相比模式内置的MODIS资料,对珠三角区域地表温度、风速、相对湿度的模拟有一定改善,2 m地表气温与观测的平均偏差从0.32℃降至0.08℃;2 m水汽压平均偏差从0.31 hPa降至0.28 hPa;10 m风速平均偏差从0.59 m·s-1降至0.38 m·s-1,其中10 m风速对于土地覆被变化最为敏感;③从空间分布上看,GLC2009资料相对内置的MODIS资料,其对整个模拟区域内的温度、湿度模拟结果有所改善,并且对珠三角城市外围区域风速模拟结果的改善明显;④模拟结果的变化是由于土地覆被类型及其比例的变化直接改变了模式中地表反照率、粗糙度、植被覆盖率、植被气孔阻抗等参数的取值引起的.     

榆中县城大气污染物扩散的观测实验与数值模拟

结合榆中县外场观测实验资料,利用计算流体动力学CFD(Fluent)软件对榆中县城区的流场和污染物扩散形态及规律进行了模拟研究.根据实际测量数据,利用Gambit软件建立了榆中县城区的三维城市建筑模型,导入Fluent进行模拟计算,对模拟结果与观测数据进行了对比分析,结果显示Fluent对流场和污染物扩散的模拟具有较好的一致性;具体而言,对风向、风速的模拟值与观测值的总体相似系数分别为0.876和0.843,对0.5m和27m高度处污染物模拟值和观测值的相关系数分别为0.71和0.72.因此,Fluent软件可用于城市污染扩散的模拟研究,也可以根据其模拟结果指导空气质量检测点的布设.     

榆中县城大气污染物扩散的观测实验与数值模拟

结合榆中县外场观测实验资料,利用计算流体动力学CFD (Fluent)软件对榆中县城区的流场和污染物扩散形态及规律进行了模拟研究.根据实际测量数据,利用Gambit软件建立了榆中县城区的三维城市建筑模型,导入Fluent进行模拟计算,对模拟结果与观测数据进行了对比分析,结果显示Fluent对流场和污染物扩散的模拟具有较好的一致性;具体而言,对风向、风速的模拟值与观测值的总体相似系数分别为0.876和0.843,对0.5m和27m高度处污染物模拟值和观测值的相关系数分别为0.71和0.72.因此,Fluent软件可用于城市污染扩散的模拟研究,也可以根据其模拟结果指导空气质量检测点的布设.     

江西省山地风场风能资源储量及特征分析

论文利用数值模拟GIS空间分析法以及实测与野外勘察调研两种方法规划了江西省山地风能资源的具体分布并定量估算了其储量,此外,还利用山地2座测风塔资料,详细地分析了山地风能资源特性,结果表明:江西省高山地区风能资源呈沿山脉走向的线状分布或孤立山峰的点状分布,技术可开发量约为111×10⁴ kW,技术可开发面积约为136 km²,装机容量约为148×10⁴ kW。山地低层风速和风功率密度较大,随高度的增加略有增大,风切变指数很小,分别为0.017、0.098。山地风场风速和风功率密度日变化明显呈U型分布,正午前后风速最小,凌晨至清晨风速较大,最大风速与最小风速相差1~2 m/s;山地风场有两个接近相反的主导风向,集中在NW-N以及SSW-SSE扇区,对于风机机组布局较为有利。     

宜昌地区中低空风速变化特征分析

利用宜昌1958—2013年逐日探空风资料,通过趋势系数、滑动t检验和小波分析等方法,分析宜昌中低空规定高度平均风速的时间变化,并和同期地面风速变化进行对比。结果表明：1）500和1 000 m高度月平均风速变化均呈双峰曲线,1 500和2 000 m月平均风速变化趋势较为一致,3 000 m月平均风速波动较大。2）从季节分布来看,500~2 000 m平均风速均为春季最大,3 000 m平均风速冬季最大;不同高度层季平均风速随高度上升增幅不同。3）500 m年和四季平均风速的年际变化最剧烈;500~2 000 m,年平均风速的离差系数随高度上升明显减小。4）1971—2013年,宜昌地面10、 500、 2 000、 3 000 m年平均风速显著减小;1 000和1 500 m年平均风速略有增大但未通过显著性检验。5）宜昌中低空平均风速主要经历了20世纪80年代由下降到上升和90年代由上升到下降的突变;冬季平均风速的突变次数最多,夏季平均风速突变次数最少;各高度年、季平均风速的突变次数随高度上升而减少。6）各高度普遍存在8~14 a的较长周期和2~4 a的较短周期,其中较长周期主要出现在夏、秋季,较短周期主要出现在春、冬季。     

西宁地区大气边界层风、温场特征研究

利用西宁地区2009-2011 年地面气象及高空探测资料,统计及数值模拟研究了大气边界层风、温场特征。结果表明,西宁地面风场状况受地形的影响较大,风场复杂。地面较高频率风向与河谷走向基本一致,谷底平均风速较小,在北川河谷及湟中县西南为风速低值区。高空和地面主导风向在100 m以下发生转换,7：00 高空以西风和西西北风为主,19：00 则以东东南风和西西北风为主,风速均以西风和西西北风最大。风速垂直切变在冬季大,夏季小,夏季傍晚的风速垂直切变明显高于清晨。温度场特征表现为冬季出现逆温频率高,夏季低,清晨出现逆温层厚度较傍晚厚且逆温增温率强。逆温特征较黄土高原河谷城市及黄土高原较湿润地区更为明显,但较黄土高原干旱区则相对弱。混合层高度特征表现为春、夏季较高,冬季最小,气温相当的干旱季节混合层高度大于湿润季节,日混合层平均高度约在200～3 000 m变化,变化幅度大,扩散条件的日变化相差较大。     

边界层方案对华北一次污染过程模拟的影响

采用WRF模式中YSU、MYJ和ACM2 3种边界层参数化方案,利用WRF模式和空气质量模式CAMx对2015年11月11~15日发生在京津冀地区的一次污染过程进行了模拟,同时利用地面气象要素、风廓线、秒探空和空气质量观测数据对3种参数化方案下的模拟结果进行了验证对比.一种基于临界垂直湍流交换系数确定边界高度的方法被用于对比3种参数化方案之间垂直扩散能力的差异.结果表明,MYJ方案对10m风速高估最大（平均高估0.66m/s）,对2m温度和2m湿度低估最小,YSU和ACM2方案对地面气象要素的模拟效果相近;ACM2方案对于边界层内垂直廓线模拟效果优于YSU和MYJ方案,但是3种参数化方案对边界层内风速均存在高估（高估可达2.6m/s）;基于临界垂直湍流交换系数方法定义的边界层高度更能反映大气的垂直扩散能力,MYJ方案边界层高度最小,其模拟的PM_2.5浓度最高;MYJ方案对于地面风速的高估,会降低模拟的区域整体PM_2.5浓度,但是会增加风速较大区域下风向的PM_2.5浓度;ACM2方案对边界层垂直廓线模拟最好,夜间底层垂直湍流交换系数计算值较大,使得ACM2方案对于本次过程中PM_2.5等污染物的模拟优于MYJ和YSU方案.     

河谷型城市风场及污染物扩散的CFD数值仿真

为研究河谷型城市地形及其引起的风场和污染物扩散的复杂问题,利用CFD（计算流体力学）方法和复杂地形网格生成技术,建立河谷型城市风场及大气污染分布的数值仿真模型,实现CFD方法在复杂地形空气运动和污染物扩散方面的应用.分别使用LES（large eddy simulation）模型和mixture模型研究兰州市地面风场特征和污染物扩散形态,计算得到的污染物分布结果与实测结果分布一致.结果表明:复杂地形对空气运动的影响很大,如风速因山体屏障作用会呈现带状分布特征,山体后侧易出现弱风区域;同时,风场会密切影响污染物扩散,决定了污染物扩散形态,如幅散能够影响污染物扩散范围及污染水平.而给定西北风条件下,如地面以上10 m、风速为5 m/s、不受地形阻挡情况下,工业区污染物浓度被稀释10倍,约扩散2.2 km;山体阻挡会抑制污染物纵向扩散,表现在山体阻挡情况下污染物稀释100倍时的扩散长度约为相对平坦区域的1/3.此外,不同的入口风向会引起空气运动与山体相互作用发生变化,进而会使得地面风速、局部风场存在差异,造成污染物扩散及分布形态差异.研究显示,CFD方法可行,模型可靠,可以用来研究地形对风场和污染物扩散的影响.