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中小尺寸风能数值模式在资源评估中的应用

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来源: 作者: 2018-10-30 11:34:39

中小尺寸风能数值模式在资源评估中的应用

导读:

今年来,中、小尺度数值模式在风能资源评估中的应用技术得到快速发展,起目的主要就是为了解决风能资源评估观测资料在空间分布密度和观测时间长度方面的限制。

今年来,中、小尺度数值模式在风能资源评估中的应用技术得到快速发展,起目的主要就是为了解决风能资源评估观测资料在空间分布密度和观测时间长度方面的限制。虽然数值模拟并不能代替现场观测, 但利用数值模式能够较好地模拟低层大气风场分布, 可以弥补观测资料的不足, 尤其是在山地等复杂地形区域的数值模拟, 在一定程度上减少了风能资源评估的不确定性。  一、模拟评估系统WEST介绍  1、气候背景场分类  地表以上至100 m 左右高度的风资源分布状况对于风能资源的开发利用极为主要。在中纬度地区, 近地层风场主要与地转风、大气层结和地表因素等的影响有关, 而地表因素主要包括地形高度、地表粗糙度和地表温度等。本文中利用海平面地转风进行分类气候背景场分类, 得到了没有地形影响的大尺度气候背景场类型, 然后再根据各个背景场类型的特征, 构造出模式初始场, 模拟时地形随时间变化并逐渐达到实际的地形高度, 最终得到由实际的地形驱动模式产生的实际风场分布。  进行大尺度气候背景场分类时, 将风向划为16个风向区间, 每一个风向区间又根据14 档风速区间(2,4,6,8,10,12,14,16,18,22,26,30和》34ms -1 )以及0m 与1500m 高度上地转风速切变划分(不包括0~2 ms - 1的区间) ,即可得到最多432 种组合的气候背景场分类类型。所用气候资料为43 年(年) 的逐日4时次的NCEP/ NCAR 再分析资料, 空间分辨率为2. 52. 5,垂直范围由10~1000hPa共17层。分类时通过四层等压面(1000,850,700和500hPa) 上的温度、湿度和气压计算得到对应高度(0,1500,3000和5500m) 上的地转风。再将计算得到的0 m处地转风速、风向和风速切变经过统计分析, 得到各个NCEP 格点的多年气候背景场类型发生的频率统计结果。  2、中尺度模式MC2  WEST 模型中的中尺度模式MC2 ( The Me2soscale Comp ressible Community Model) 是加拿大大气环境局数值预报研究所和魁北克大学蒙特利尔分校共同开发研制的一个新的中小尺度数值模式,它的控制方程为全弹性、可压缩、非静力的连续的全欧拉方程,采用半拉格朗日平流方案和半隐式时间差分方案,最终通过Helmholtz 方程完成积分求解。MC2 中采用的物理过程参数化方案主要包括: 湍流垂直扩散过程、地面热量水汽收支过程、重力波拖曳过程、湿对流过程、可分辨尺度的凝结过程、红外辐射过程、太阳辐射过程等。这些都使得MC2 的精度很高,并对各种尺度的天气现象具有较强的模拟能力。到目前为止,大量试验已证明MC2 是在复杂地形条件下具有较高时空分辨率的模式。  3、统计模块  最后将各气候背景场类型发生的频率作为权重,对于每个类型的模拟结果进行加权平均得到区域平均风能资源分布状况,最终形成风能资源数据库。WEST 的评估结果从地表到20 km 高空共28层,其中近地面1. 5 km 高度范围内分为10 层。统计模块可以根据这28 层的结果通过风速对数扩线插值得到任意高度上在中性层结条件下近地层的风场分布。  二、模拟方案  利用43年(年)的NCEP/ NCAR再分析资料进行了气候背景场分类,通过中尺度模式模拟,对模拟结果进行统计分析,最终得到中国区域10~120 m 高度上的风资源图谱,这里给出80m 高度上的中国年平均风速分布图(图1) 。  图1:WEST 模型模拟的中国离地80 m 高度的  年平均风速分布(单位: m s - 1 )

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