为解析不同稳定度情况下多种风机排布配置对尾流效应的强度、作用范围和风能利用效率的影响,以鄱阳湖地区风电场为例,使用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecast)和Fitch尾流模型进行模拟实验。结果表明:在不同大气层结稳定度情况下,单个风机尾流效应的影响范围能够达到下游4~10 km处,对下风向风速的削弱强度可达-0.2^-1.2 m/s。在风的来向上风机数量越多,下游风速减弱越大;正方形紧密排布风电场的尾流效应对风速的削弱效果最明显,而空心菱形稀疏排布风电场的尾流区风速更容易恢复。由于不稳定的大气层结内热力和动力湍流交换强度更强,更有利于尾流区内中动量的交换和下传,因此稳定大气层结的尾流效应影响范围比不稳定大气层结更广。风机所在位置垂直剖面上的湍流动能呈现中心最强、向外耗散的特征,QKE(湍流动能的两倍)随着高度增加而先增至最大值(>19 m2/s2),再减至0左右,之后趋于稳定,最大值出现在约离地90 m的高度,估计尾流效应的垂直影响范围可达约离地1.1 km的高度。
本文根据不同类型云影响地面短波辐射的差异,提出利用地面短波总辐射变化检测识别淡积云以及计算淡积云水平尺度的方法,并对该算法进行误差分析,统计内蒙古草原地区夏季淡积云的水平尺度及其辐射强迫。结果表明:淡积云检测方法能比较好地识别、筛选出淡积云天。淡积云水平尺度和淡积云所在高度的风速成正比,风速测量的准确性直接影响淡积云水平尺度估算准确性;淡积云水平与垂直尺度比对计算淡积云水平尺度影响最大;云移动经过遮挡太阳直射辐射的时段内,太阳天顶角变化的影响可以忽略不计。内蒙古草原地区夏季淡积云短波辐射强迫小时平均为-134.1 W m-2,水平尺度平均值为1129 m,水平尺度的概率密度呈幂指数分布。
干热风是常发生在中国北方冬小麦产区的高温、低湿、风速较大,并伴随有强热量交换和水分蒸发过程的农业气象灾害.当其发生时如果不能保证作物水分的供给,将严重影响产量.因此,开展干热风发生机理的准确模拟与预报,对指导采取适时的农田管理措施,保障小麦产量至关重要.本文应用中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting)输出结果驱动北京大学陆面模式PKULM(Peking University Land Model)的模拟方法,结合气象台站观测与风云3A卫星遥感反演的叶面积指数数据,对关中平原2008-2013六年间干热风过程中农田生态系统温度、湿度、风速、感热通量、潜热通量等陆气交换特征进行了数值模拟.准确模拟出了干热风发生期间的大气温度、相对湿度、风速、土壤温度、土壤含水量及冠层感热通量、总感热通量、冠层潜热通量和总潜热通量等关键要素特征,揭示了本地区干热风的两种形成机制.模拟结果表明:WRF对干热风过程的温度场、湿度场与风场模拟比较准确,PKULM对于植物在干热风过程中、特别是气孔关闭阶段的感热、潜热通量的模拟明显优于WRF-Noah LSM(Noah Land Surface Model)的模拟效果.模拟结果与相应气象要素的观测值数值接近、变化趋势一致,在实际干热风发生时间段内的各要素模拟值均达到干热风指标,因此使用本模式系统模拟预报干热风灾害是可行的.
为了修正中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting model)对低层风速模拟的系统性误差,有学者在新版本WRF模式的YSU(Yonsei University)边界层参数化方案中加入了两个地形订正方法:Jiménez方法和UW(University of Washington method)方法.本文利用这两个地形订正方法,选取了两个时间段,对北京地区的地面气象要素以及气象要素垂直廓线进行了个例模拟研究,模拟结果和观测数据的比对表明在北京地区:是否采用地形订正,对地面温度的模拟几乎没有影响;采用地形订正后,模式对地面风速的模拟有明显的改进,两种方法对风速模拟的差别主要体现在山/丘陵地区;Jiménez方法在山/丘陵地区的模拟风速明显偏大,而采用UW方法进行订正后,模拟的风速减小,更接近观测值;两种方法在山谷地区对风速均有一定的过度订正.通过分析气象要素的垂直廓线发现,不同地形订正方法主要影响的是2000m以下的低层风速.总体而言,UW地形订正方法在北京地区更为适用,采用UW方法后,模拟得到的地面气象要素的各项统计参数基本达到了统计基准值.
本文以大气边界层物理、大气动力学、土壤物理、水文学和生物物理等理论为基础,研发了一系列适用于不同时空尺度的大气边界层与陆面物理过程模式:(1)基于地表能量和水分平衡方程,构建了新一代北京大学陆面物理过程模式(Land Surface Physics Process Model of Peking University,LSMPKU);(2)基于城市街谷冠层结构以及相应物理过程,构建了北京大学单层城市冠层模式(Modified Single Layer Urban Canopy Model of Peking University,UCMPKU);(3)基于计算流体力学理论,构建了北京大学街区尺度模式(Block Scale Model of Peking University,BSMPKU).通过模拟研究表明:上述模式在各自的时空适用尺度上均能很好地模拟出相应尺度上的主要大气物理过程,在与其他同类模式的对比实验中表现出明显的改进和提高.
