江苏沿海低层风场精细化分析模拟研究

摘要

本文在江苏沿海地区观测资料的气候统计基础上,基于中尺度WRF模式,对该地区的低层风场进行精细化的模拟研究。
　　精细化分析方法包括统计分析、数值模拟、插值绘图和公式计算等,经过深入的分析研究获得江苏沿海精细化低层风场的主要特征和相应的风能概况。江苏地区冬季盛行偏北季风,五年平均场显示,10m/s等风速线与海岸线的走向一致,并在海岸线附近最为密集。季节性的风场统计结果显示,夏季低风速频次多,冬季高风速频次多。在垂直方向上,随着高度的增加,相同等级的大风风速冬季出现频次显著高于夏季。将2010年冬季的要素场与五年均值相比,平均气压和气温偏低,而风速偏大。在了解江苏沿海冬季要素信息及风场特征基础上,采用WRF模式对2010年3月19日典型寒潮过程低层风场进行模拟。寒潮入侵时,江苏自北向南气温降温幅度递减,受地面主锋与副锋的影响,整个过程经历首次快速降温,气温弱回升和再次降温三个阶段。大风伴随降温,风速的减弱明显滞后气温的速降,随着气温回升风速增大。
　　过对近地层方案和边界层方案配置效果的对比,确定使用近地层方案MYJ Monin-Obukhov与边界层方案Eta MYJ TKE的配置,对此次寒潮过程低层风场和时间演变特征的模拟效果优于其它方案及配置。为探讨寒潮风场对近海SST和低层气温的响应情况,设计了两个敏感性试验:改变海表温度和改变低层温度场,探讨对低层风场结构特征的影响。试验结果表明,低层风场对海表温度与低层气温的短时过程演变都有显著响应。当近海SST数值增高后,沿海地区风速变化梯度减小,海上风速极大值区强度减弱。当增大寒潮过境前低层暖区气温,导致寒潮强度增强,区域整体风场的响应强度增大。寒潮冷锋移动速度加快,切变线后方的大风风速增强。
　　最后利用以风速分级概率分布为权重,对风速加权求平均计算风功率密度的新方法,初步推算了江苏沿海地区的年平均风资源状况和寒潮过程的风资源状况,并与数值模拟结果进行对比,分析特殊天气过程中风能密度特征。

目录

中文摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景和意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 风能资源总体趋势的调查研究

1.3.2 风场精细化调查方法的研究进展

1.3.3 低层风场研究进展

1.4 本文研究主要内容

1.5 论文结构安排

第二章 资料、方法与模式介绍

2.1 资料介绍

2.2 风能资源调查方法

2.2.1 常规风能资源分析方法

2.2.2 空间插值方法

2.3 中尺度WRF模式介绍

2.3.1 WRF模式动力框架

2.3.2 近地层参数化方案

2.3.3 边界层参数化方案

第三章 观测风场的统计研究

3.1 江苏沿海风场季节变化特征

3.1.1 风速季节变化特征

3.1.2 风向季节变化特征

3.1.3 海表温度、低层气温季节变化特征

3.2 江苏沿海冬季低层风场特征

3.2.1 江苏沿海地区冬季要素场特征

3.2.2 江苏沿海风能冬季特征与夏季的对比

3.2.3 2010年冬季江苏沿海地区风场状况

3.3 寒潮过程风场特征

3.3.1 入侵江苏寒潮分类

3.3.2 大气环流和影响系统

3.3.3 下垫面海温与低层气温

3.3.4 低层温湿要素垂直分布特征

3.3.5 低层精细化风场特征

3.4 小结

第四章 寒潮过程沿海低层风场的模拟研究

4.1 资料与试验方案设计

4.2 WRF模拟结果对比

4.2.1 不同方案风速随高度变化的对比

4.2.2 不同方案对风速模拟的时空对比

4.3 小结

第五章 沿海低层风场模拟中物理过程敏感性试验

5.1 海表温度对风场的影响

5.1.1 试验方案设定

5.1.2 敏感性试验Ⅰ模拟结果

5.2 低层气温对风场的影响

5.2.1 试验方案设定

5.2.2 敏感性试验Ⅱ模拟结果

5.3 小结

第六章 江苏沿海风资源时空特征分析

6.1 改善的风切变指数与风功率密度推算

6.1.1 分级风切变指数计算

6.1.2 加权法平均风速的计算

6.1.3 风功率密度的推算方法

6.2 风功率密度推算结果验证

6.3 风资源空间分布特征

6.3.1 自动站分组

6.3.2 风功率密度分布情况

6.4 寒潮过程风能资源分析

6.4.1 寒潮风功率密度推算结果

6.4.2 寒潮风功率密度模拟结果

6.4.3 江苏沿海局地风功率密度比较

6.5 小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 工作中存在的问题与不足

7.3 工作展望

参考文献

致谢

作者简介