基于大涡模拟与中尺度数值天气模式的精细化风场模拟
基于大涡模拟与中尺度数值天气模式的精细化风场模拟
欧敏焯, 吴迪, 张敏
(海南明阳智慧能源有限公司，海南 三亚 572000)
摘 要：【目的】结合中尺度模型与大涡模拟模型，考虑大气边界层变化，开展了亚公里级的项目机组排布的数值模拟，给海上风机项目在选址排布阶段提供发电效能高的排布方案。【方法】将中尺度数值天气模拟结果转换为大涡模拟模型输入的边界条件，并在大涡模拟模型中引入实际风电场运行的模型参数，进行考虑实际大气边界层变化下的风电场空间的环境风场数值模拟试验，基于风电场收集的观测数据，对本风场精细化模拟方案的结果进行评估。【结果】模拟结果表明：将中尺度天气模型的模拟结果转换为大涡模拟模型能读取的动态驱动并基于该模型对风电场所处的风场进行模拟，其模拟结果能再现在实际风电场中，外部风场流经风电场后，外部风场的变化和在风电机群内所产生的尾流及其对于风电场内部风场的影响，且在风机轮毂处的风速模拟值的均方根误差为1.54 m/s。【结论】该考虑中尺度气象要素变化和风电场对环境风场影响的风场精细化模拟方案可为实际项目设计阶段提供相应的指导。
关键词：中尺度数值天气模拟;大涡模拟;尾流效应;风电机组;实测数据
结论
中尺度数值天气模型是目前风电场处环境风场数值模拟的常用模型之一，其中，WRF是应用最为广泛的模型。但是，WRF作为中尺度模型，当应用于时空分辨率较高的，须考虑风电场运行影响的特定模拟问题时，会受到其物理参数化方案不完备，如缺乏考虑风电场影响等因素，最后导致模拟结果较差，而PALM虽然并没有官方支持WRF的模拟结果作为模式输入，但其原生设计上支持中尺度模型的模拟结果作为动态输入，且PALM模式内包含风力发电机的模型，因此其可以更为细致地考虑风电场时空尺度的风场变化。通过WRFinPALM，将WRF模拟结果转换为PALM能读取的具有中尺度气象信息的动态驱动数据，通过PALM对目标风电场位置的环境风场进行数值模拟，得到考虑大气边界层影响和风电场运行影响的环境风场变化结果。结论如下：
1）在不考虑风电场运行对环境风场影响的情况下，中尺度数值天气模型（WRF）是可以较为准确地再现目前区域内环境风场的时空变化。但当目标区域建成风电场后，由于受到风电场运行的影响，单一使用中尺度数值天气模型并不能准确地描述环境风场变化，需要更为完备的物理参数化方案。
2）本文提出了一种基于大涡模拟模型和中尺度天气模型的精细化风电场模拟方案，通过使用包含该区域的中尺度气象要素变化信息的数据，驱动考虑风电场对环境风场影响的PALM模型。该方案可以较为合理地描述实际风电场中的风场变化，为海上风电场项目在投标阶段，设计更佳的风电场机位排布方案，助力降本增效。
3）不同区域的风电场的气候和天气情况存在差异，目前的结果仅代表Z风电场项目的特征，后续可验证其他位置的风电场项目，进一步分析和总结。
随着海上风电逐渐向深远海推进，未来的风电场发展朝着风电机组大型化，风电场内多种机型搭配等方向发展。本文提出的风电场精细化模拟方案并不能考虑多种机型混合的风电场排布，并且目前仍处于离线耦合的方式，因此该风场精细化模拟方案智能应用于数值试验而不能推广到实时的环境风场预报中，并且模拟用时较长。未来将考虑引入深度学习等方式，解决上述的两个问题。
大涡模拟实战：从WRF到PALM的完整数值模拟工作流
随着低空经济的蓬勃发展，无人机、空中出租车等新型交通工具正在重塑我们的城市空间。这场静默的革命不仅带来了经济机遇，更对城市大气环境提出了全新挑战。在距离地面200米以下的城市冠层中，建筑物与大气的复杂相互作用、人类活动产生的热量和污染物，都在塑造着独特的城市微气候。理解和预测这个复杂系统的行为，对于保障低空交通安全、改善城市人居环境具有重要意义。城市气候学正经历着前所未有的发展机遇。从传统的城市热岛效应研究，到新兴的城市边界层动力学探索，科学家们需要更精细的工具来描述城市大气运动的复杂性。大涡模拟（LES）作为一种先进的数值模拟方法，能够精确捕捉建筑物尾流、热羽流等城市特有的湍流结构，为我们打开了认识城市大气环境的新窗口。然而，掌握大涡模拟技术绝非易事。从WRF-LES到PALM，每一个模式都像一把精密的手术刀，需要操作者深入理解其工作原理，熟练掌握其使用方法。
基础理论
1、大涡模拟基本原理
1)控制方程和湍流闭合
2)滤波方法与子网格模式
3)边界条件处理方法
主要模型概述
1、WRF模型概述
1)模型的发展历程
2)模型的基本框架
2、PALM模型概述
1)模型的基本框架
2)模型架构与计算网格
3)动力学核心
4)湍流模块
Python基础
1、NumPy：用于数值计算和数组操作
2、Pandas：用于数据处理和分析
3、xarray：处理带标签的多维数组数据
4、用于：前处理、后处理及可视化
Linux基础
1、Linux文件系统结构
1)文件类型
2)文件查看命令
3)文件操作命令
4)文件权限管理
5)文件查找
6)文件压缩和解压
7)磁盘空间管理
2、环境变量设置
1)环境变量基础概念
2)常见的环境变量
3)查看环境变量
4)设置环境变量的方法
5)临时设置、永久设置
6)编辑用户的配置文件
编译
1、基础编译过程
1）单文件编译
2）多文件编译
3）使用Make工具
4）使用CMake构建系统
5）优化选项
6）常见问题解决
环境部署
1、预编译
2、WRF编译
3、PALM编译
4、环境配置
WRF模拟
1、WPS处理
1)namelist.wps配置
2)通过 geogrid 程序定义模拟区域并插值地形、土地利用等静态数据
3)使用 ungrib 程序解码气象数据,如 GRIB 格式的初始场和边界场
4)运行 metgrid 程序将所有数据插值到模式网格上
2、WRF处理
1)namelist.input配置
2)WRF 模型包含多种物理过程方案的选择:
ndown模拟
1、ndown模拟
1)namelist.wps配置
2)namelist.input配置
3)ndown执行
WRF-LES模拟
1、模型配置
1)模拟域设置
2)网格配置
2、物理参数化
1)次网格尺度湍流模式
3、数值方法
1)时间积分
4、初始和边界条件
1)初始化选项
2)边界处理
QGIS操作
1、数据读入
1)矢量数据读入
2)栅格数据读入
2、数据裁剪
1)矢量数据裁剪
2)栅格数据裁剪
3、坐标转换
1)矢量数据投影转换
2)栅格数据投影转换
4、矢量数据修复
1)几何修复
2)拓扑检查与修复
5、矢量字段编辑
1)字段计算
2)字段管理
3)字段计算器
PALM模拟
1、主要模块介绍
2、配置文件（p3d）
3、自带简单案例模拟
PALM驱动数据制作（WRF4PALM）
1、WRF4PALM基础
1)配置文件介绍
2)执行步骤
PALM静态数据制作（palmpy）
1、PALMPY
1)地形数据（SRTM、GDEM）
2)土地利用数据（清华2017年、ESA）
3)配置文件
4)执行步骤
城市案例研究
1、真实案例模拟
1)不考虑建筑模拟
2)考虑建筑模拟
PALMPY多城市预处理文件
