1、大型風電場風功率短期預(yù)報模式系統(tǒng),“大型風電場風功率短期預(yù)報模式系統(tǒng)”由若干“子系統(tǒng)”組成 1 基于WRF的多尺度嵌套模式（適用于較為平坦的地形） WRF是目前國際上最先進的中尺度天氣預(yù)報模式（美國研制，在全球免費使用，可用于全球任意地區(qū)的小時至幾天的中尺度氣象場預(yù)報），通過多層（34層）嵌套，可得到從中尺度（水平網(wǎng)格分辨率小于25km）到風電場尺度（水平網(wǎng)格分辨率不大于1km）的大氣邊界層風場數(shù)據(jù)，再將該數(shù)據(jù)插值到風機所在的水平位置和輪轂高度。,WRF模式簡介 WRF (Weather Research Forecast) 模式系統(tǒng)是由美國大氣海洋研究中心(NCAR) 開發(fā)研究的新一代中尺度

2、預(yù)報模式和同化系統(tǒng)。 WRF模式是一個完全可壓非靜力模式，控制方程組都寫為通量形式。為了滿足模擬實際天氣的需要，模式有一套完整的物理過程，比如輻射過程、邊界層參數(shù)化過程、對流參數(shù)化過程、次網(wǎng)格湍流擴散過程、以及微物理過程等。 WRF模式有先進多重移動套網(wǎng)格性能以及更為完善的物理過程（尤其是對流和中尺度降水過程），特別適合于不同類型、不同地域天氣過程的高分辨率數(shù)值模擬。 WRF模式作為一個公共模式，由美國國家大氣研究中心NCAR負責維護和技術(shù)支持，免費對外發(fā)布，并不斷改進和推出新的版本,2 基于WRF的動力降尺度模式（適用于復雜地形） 當遇到復雜地形時，中尺度氣象模式細小網(wǎng)格的計算結(jié)果會變得不可

3、靠，因此需利用中等網(wǎng)格距（例如5km）的結(jié)果進行降尺度處理。 我們將利用WRF與計算流體力學（CFD）模式Fluent耦合，形成風場精細模擬系統(tǒng)，實際上這也是一種“動力降尺度”的方案。 Fluent并且具有強大的處理復雜流動幾何條件的能力，其自適應(yīng)網(wǎng)格的分辨率可小到米的量級，在預(yù)報復雜地形風場方面具有很大的優(yōu)越性。 該方案需要解決的關(guān)鍵問題或需要克服的困難在于： 必須建立天氣預(yù)報模式WRF與CFD模式Fluent的接口。,FLUENT模式簡介,FLUENT軟件是美國FLUENT公司開發(fā)的通用CFD流場計算分析軟件，它是世界上最著名的用于計算流體流動和傳熱問題的軟件，在航空、航天和其它工程流體力

4、學領(lǐng)域擁有龐大的用戶群。 FLUENT提供的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，對復雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效。可以生成的網(wǎng)格包括二維的三角形和四邊形網(wǎng)格；三維的四面體、六面體及混合網(wǎng)格。FLUENT還可根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對于精確求解有較大梯度的流場有很實際的作用。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整只是在需要加密的流動區(qū)域里實施，而非整個流場，因此可以節(jié)約計算時間。 近年來，因其強大的處理復雜流動的能力， FLUENT逐漸被引入大氣數(shù)值模擬中。,網(wǎng)格分辨率：200米,國家氣象局組織 北大（WRF+PBL）、 南大（RAMS+RPBL）、 大氣所（WRF+FLUENT） 進行模擬方案優(yōu)缺點比較,廬山

5、,鄱陽湖,WRF+FLUENT,CFD降尺度方法（歐洲模式）： 按照不同大小、不同來流方向，對某個特定的地點 x（CFD網(wǎng)格坐標），然后找出中尺度模式（ WRF）中離該點最近的格點所對應(yīng)的CFD風場中的點 y，用 CFD 模擬出一系列的風場，得： 然后由中尺度模式在y點的預(yù)報值，可得的預(yù)報值后，就可得到x點的值：,另一種可選的方案是將WRF與美國環(huán)保局（EPA）的區(qū)域大氣質(zhì)量模擬系統(tǒng)中的邊界層氣象模塊CALMET結(jié)合，達到降尺度的目的。CALMET具有很強的處理地形和海陸不均勻下墊面邊界層的能力（例如地形擾流、內(nèi)邊界層等），早期人們用MM5的 9 km15 km格距輸出資料與CALMET結(jié)合進

6、行風場診斷來開展空氣污染模擬和預(yù)報，曾經(jīng)取得滿意的效果。中國氣象局將其用于全國各省的風能資源詳查模擬，取得了較好的效果。,CALMET模式簡介,CALMET是美國環(huán)保局研發(fā)的區(qū)域大氣質(zhì)量預(yù)測評價軟件中的氣象模塊，我國環(huán)保部將CALMET定為環(huán)評法規(guī)模式。中國氣象局也規(guī)定該模型為全國各省風能資源詳查數(shù)值模擬的降尺度模型。 該模式利用質(zhì)量守衡原理對風場進行診斷，是一個包括地形動力效應(yīng)、地形阻塞效應(yīng)參數(shù)化、差分最小化和一個用于陸面和水面邊界條件的，計算混合層高度、穩(wěn)定度、海陸風環(huán)流、山谷風環(huán)流等的基于三維網(wǎng)格點的邊界層氣象學模型。 CALMET能夠?qū)⒂芍谐叨葰庀竽Ｊ剑ɡ鏜M5）生成的風場數(shù)據(jù)與觀測

7、數(shù)據(jù)結(jié)合起來，可直接使用中尺度氣象模式模擬、預(yù)測輸出的逐時、分、秒格點資料，或?qū)崪y氣象資料，或中尺度氣象模式輸出資料和實測氣象資料相結(jié)合作為輸入資料，給出逐時、分、秒風場、溫度場、混合層高度、大氣穩(wěn)定度等三維網(wǎng)格點氣象數(shù)據(jù)。,3 基于WRF的統(tǒng)計降尺度模式 統(tǒng)計降尺度方法是當前區(qū)域氣候和天氣預(yù)報中被廣泛使用而富有成效的方法。 要利用長期歷史氣象資料，建立起較大尺度背景場和包含有風電場為中心區(qū)域的氣象場之間的統(tǒng)計關(guān)系（風速是必要因子），進而利用WRF的預(yù)報產(chǎn)品提供的大尺度背景場信息，通過統(tǒng)計降尺度方法，進行風電場區(qū)域尺度的風場預(yù)報，與上述多尺度嵌套模式相互比較、印證和補充。這也是目前國際上的一個

8、新的發(fā)展趨勢。 可節(jié)約大量的計算時間，很適合于沒有大型計算機條件的風電場進行風功率短期預(yù)報。 該方案需要解決的關(guān)鍵問題或需要克服的困難在于： 如何獲得風電場大氣邊界層風速分布與較大尺度氣象背景場之間的統(tǒng)計關(guān)系或統(tǒng)計規(guī)律？這需要同時開展歷史觀測資料分析和大氣邊界層加強觀測來解決，同時還要參考國際上已有的研究成果。,Weibull概率密度函數(shù),Weibull累積分布函數(shù),最大似然估算法： 1，能夠直接從風速時間序列估計出參數(shù)c和k ； 2，計算編程容易實現(xiàn),（TonyBurton ，2007）,風速序列按區(qū)間分類,統(tǒng)計降尺度（利用Weibull分布）,風速的統(tǒng)計分布特征Weibull分布,采用內(nèi)蒙

9、錫林郭勒草原100m測風塔數(shù)據(jù)： 4m，10m, 30m, 50m,70m和100m 風杯測量的風速序列，1Hz 2009年5月到2010年4月,風能預(yù)報所需分辨率1km 模式分辨率 WRF：1-6km. FLUENT：30-200m 地形 WRF：陡峭地形積分溢出. FLUENT：自適應(yīng)生成復雜地形貼體網(wǎng)格 邊界條件 WRF：再分析資料通過嵌套網(wǎng)格輸入. FLUENT ：冪指數(shù)風廓線.,WRF/FLUENT 耦合系統(tǒng),地形、土地類型,NWP,其他資料,WRF,WRF提供邊界條件,多層網(wǎng)格嵌套,格點 U, V, W,30110 km,30200 m,16 km,ASTGTM/SRTM,地形數(shù)據(jù)

10、驗證,截取地形,地形投影,生成Journal腳本,由Gambit生成地形曲面,生成體網(wǎng)格,Fluent迭代求解,驅(qū)動 Fluent,求出風場,得到風能密度、發(fā)電量,基于WRF的動力降尺度模式,鄱陽湖平原位于省境北部，為長江及鄱陽湖水系沖積而成的湖濱平原。平原外側(cè)，低丘崗地廣布，地面波狀起伏，海拔在 50-100m 之間，內(nèi)側(cè)湖濱圩區(qū)，海拔多在 20m 以下，地勢低平，港汊縱橫草洲灘地連片，鄱陽湖位居中央。 亞熱帶濕潤季風氣候：氣候溫和，雨量充沛，陽光充足，四季分明。 夏季盛行偏南風，偶爾受到臺風影響，影響期間為偏北風；冬季受西伯利亞和蒙古冷高壓控制和影響，盛行偏北風；春秋兩季為過渡季節(jié)，仍多為

11、偏北風。,1、獅子山70米4層觀測； 2、皂湖（灰山）風電場100米5層； 3、沙嶺100米5層觀測； 4、老爺廟風電場100米4層觀測； 5、磯山 70米4層觀測 6、吉山 70米4層觀測,水平網(wǎng)格比例 54km：18km：6km 格點數(shù)分別為 68*68,91*91,82*64 垂直層數(shù) 為32層，1000米以下有12層 （sigma值為1,0.998,0.996,0.994, 0.992, 0.989,0.983, 0.97, 0.954, 0.934, 0.909, 0.88）,WRF網(wǎng)格設(shè)置（三層嵌套）,WRF物理方案設(shè)置：,微物理 Lin skeme 近地面 Monin-Obukh

12、ov （Janjic Eta）Scheme 陸面 unified Noah land-surface model 邊界層 YSU scheme 長波 rrtm skeme 短波 Goddard short scheme 城市冠層 沒有 積云 Kain-Fritsch scheme（第3 和4層沒有采用積云案） 輸入場： NCEP 1X 1的fnl資料 地形： USGS的30” 資料,Fluent控制方程,在計算流場時，求解雷諾平均的N-S方程： 其中雷諾應(yīng)力 ，全部剪切應(yīng)力（包括亞格子應(yīng)力和分子粘性應(yīng)力）通過RSM封閉。雷諾應(yīng)力輸運方程為：,其中 為對流項， 為分子擴散項， 為應(yīng)力產(chǎn)生項，這些

13、項不需要模式； 下面是湍流擴散項 、應(yīng)力應(yīng)變項 和耗散項 的參數(shù)化方程：,湍流擴散項,應(yīng)力應(yīng)變項,慢速項,快速項,壁面反射項,耗散項,湍流參數(shù)化方案設(shè)置：,Fluent 6.3集成了3種基于Reynolds平均思想的湍流雷諾應(yīng)力方案：標準的k-方案、RNG k-方案和realizable k-方案。realizable k-方案能更好的模擬復雜地形的大氣運動。 realizable k-湍流方案中的常數(shù)，需要根據(jù)模擬問題的不同按經(jīng)驗確定，很多學者給出了針對大氣邊界層的風場特性的經(jīng)驗，其中Gravdahl方案效果最好。,Fluent生成的精細化網(wǎng)格（水平分辨率50米）,免費獲取30m 精度的數(shù)值

14、地形高程數(shù)據(jù)ASTER GDEM， 是美國航天局與日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省共同推出的星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型ASTER（The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer）GDEM (Global Digital Elevation Model )。水平誤差不超過30m，垂直誤差不超過20m。該產(chǎn)品每1度經(jīng)緯度方格劃分一個文件，30m（大約1弧秒）精度，投影系統(tǒng)為WGS84的GeoTiff 地球經(jīng)緯度輸出格式。可以從網(wǎng)站（/）公開下載，也以從中科院數(shù)據(jù)云免費獲得（h

15、ttp:/,吉山觀測塔周邊地形,衛(wèi)星遙感圖,精細化網(wǎng)格,老爺廟觀測塔周邊地形,衛(wèi)星遙感圖,精細化網(wǎng)格,沙嶺觀測塔周邊地形,衛(wèi)星遙感圖,精細化網(wǎng)格,獅子山觀測塔周邊地形,衛(wèi)星遙感圖,精細化網(wǎng)格,皂湖觀測塔周邊地形,衛(wèi)星遙感圖,精細化網(wǎng)格,磯山觀測塔周邊地形,衛(wèi)星遙感圖,精細化網(wǎng)格,模擬方案,總體模擬時間段為2010-12-13至2012-01。 首先使用WRF模式進行6km分辨率的模擬；然后，將WRF模擬的結(jié)果作為fluent的邊界條件，進行CFD計算得到測風塔周圍6km*6km范圍內(nèi)水平50m分辨率、200m高度以下垂直10m分辨率的風能資源分布結(jié)果。,WRF 模擬鄱陽湖風場特征,穩(wěn)定天氣條件

16、：2009-11-05_08:002009-11-06_08:00,2009-11-05 20:00,2009-11-06 20:00,10m高度 風場模擬結(jié)果,2009-11-06 凌晨 00:00,有明顯 的山風,湖陸風 較弱,2009-11-06 上午 10:00,山風轉(zhuǎn)變成谷風,10m高度 風場模擬結(jié)果,2009-11-06 下午 02:00,谷風旺盛 湖風明顯,10m高度 風場模擬結(jié)果,2009-11-06 晚上 08:00,谷風已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樯斤L 湖陸風較弱 很好的模擬了鄱陽湖風場的局地特征,10m高度 風場模擬結(jié)果,2010-12-13 08,2010-12-14 08,2010-1

17、2-16 08,2010-12-15 08,WRF+CFD 模擬鄱陽湖風場及與觀測資料的對比,以一次全國范圍的寒潮降溫天氣過程為例。12月13日至15日，隨著冷空氣的東移南下，江淮至江南地區(qū)大部先后出現(xiàn)了大風、雨轉(zhuǎn)雪天氣 ，直到16日江西等地受高壓脊控制，雨雪停轉(zhuǎn)多云 ，風速減小。,2010-12-13 下午 02:00,鄱陽湖入口 風向為北風 風速較小,10m高度 風場模擬結(jié)果,2010-12-13 晚上 08:00,風向開始由正北轉(zhuǎn)為東北風,10m高度 風場模擬結(jié)果,2010-12-14 凌晨 02:00,風速開始加大,10m高度 風場模擬結(jié)果,2010-12-14 早上 08:00,風向穩(wěn)定 大風在7m/s 左右 一直維持到15日晚上02點,10m高度 風場模擬結(jié)果,2010-12-14 下午 02:00,10m高度 風