WRF与CFD嵌套的局地台风风场数值模拟研究

摘要

在我国每年都会遭受数十个台风的袭击，由台风引起的暴雨、强风以及海浪潮等对我国东南沿海地区（特别是经济发达地区）造成严重威胁。为了提高预防台风灾害能力，减小台风造成的损失，需要获取近地面台风风场信息，为台风风险分析以及台风作用下建构筑物抗风设计等提供条件。由于台风路径的不确定性和测试仪器的限制，实测获得台风风场往往是不现实的。最新一代中尺度天气预报和数据同化系统Weather Research and Forecast（WRF）代表了当前中尺度模式领域最新的科研成果，它包括了目前最全面的大气物理过程和更为优化的动力框架，这使得 WRF的应用前景将会更加广阔。
　　本文采用WRF模式对历史上登陆我国东南沿海地区的三个台风案例做了数值模拟，并利用WRF模拟获得的数据为计算流体力学（CFD）模型提供初始条件，以实现两个不同尺度模式之间的嵌套运算，完成台风风场精细化降尺度模拟，获得考虑局部地形影响的台风风场。
　　本文介绍了中尺度 WRF模式及其台风模拟的数值计算方案；针对局地地形台风风场模拟，结合CFD模型，提出了WRF和CFD嵌套的数值计算方案。采用WRF模式中的三种边界层方案，即YSU方案、Mellor-Yamada-Janjic（MYJ）方案和MRF方案，和三种积云对流参数化方案，即Kain-Fritsch（KF）方案、Betts-Miller-Janjic（BMJ）方案和Grell-Devenyi（GD）方案的9种不同组合，对历史上三个台风案例：0812号台风“鹦鹉”、0814号台风“黑格比”和1003号台风“灿都”进行数值模拟，分析各种方案下WRF对台风路径、强度、台风近中心处最大风速、风向等的模拟效果。并建立了深圳市塘朗山地区的CFD模型，提取 WRF模式对1003号台风“灿都”的高精度数值模拟结果，作为CFD模型的初始风场条件，实现 WRF模式与CFD方法之间的数据传递，完成嵌套运算。对其模拟结果的分析表明，仅使用WRF模式不能精确模拟近地面台风风场特征，而将 WRF模式与 CFD嵌套运算，可以很好地模拟近地面台风风场特征，其结果对工程应用有重要价值。

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第1章 绪论

1.1课题背景及研究目的和意义

1.2国内外研究现状

1.3课题来源

1.4本文的主要研究内容与研究方法

第2章 WRF与CFD的降尺度计算方案

2.1引言

2.2中尺度WRF模式

2.3 CFD嵌套模拟数值计算

2.4嵌套方法

2.5本章小结

第3章 WRF对台风的数值模拟

3.1引言

3.2典型台风算例

3.3 WRF模拟结果分析

3.4本章小结

第4章 CFD模型降尺度模拟区域台风风场

4.1引言

4.2局部地形台风风场模拟

4.3考虑建筑群的山地区域台风风场模拟

4.4本章小结

结论

参考文献

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