一种复杂地形地区风场地理数值模拟方法

摘要

本发明涉及一种复杂地形地区风场地理数值模拟方法，直接从网上得到研究区域的NetCDF数据和DEM数据，不需要研究区域测风站的数据，与传统利用矢量数据进行插值不同采用栅格数据进行插值，节省了数据预处理的时间；计算方法简单，可在较短时间内获取研究区域风速数据；其中，建立了基于反距离权重插值的非线性权重方程，利用Cressman客观分析方法和计算机数值模拟原理逐步订正风场权重函数的距离系数和起伏度系数，通过迭代法求解非线性权重最佳逼近方程，提高了复杂地形地区风场数值模拟的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复杂地形地区风场地理数值模拟方法，属于风速测量术领域。

背景技术

风能资源作为一种清洁的可再生能源，在我国全境分布不均匀，为了方便风电场选址，需要确定某一地区风能资源的大小。

现有风速检测常会涉及NCEP、DEM、IDW，NCEP是由美国环境预报中心和美国大气研究中心联合推出的气象数据，栅格数据形式向全世界免费提供使用，其中包括风速，温度等数据，因其公开时间长，免费等因素被广泛应用于气象模拟和预测方面；NECP数据有两种形式，都可以被ArcGIS直接读取，DEM(Digital Elevation Mode数字高程模型)是测绘，地理信息领域特有的数字模型，它是用一组有序数值阵列来表示地面高程的一种实体地面模型，在ArcGIS桌面工具中以栅格数据形式存在，引入DEM地形因子可提高复杂地形地区风场地理数值模拟的精度。

反距离权重插值法(Inverse Distance Weighted，IDW)是以插值点与样本点之间的距离为权重进行加权平均，其中离插值点越近的样本点赋予的权重越大。基于地形的反距离权重的插值法是在反距离权重插值法的基础上加入了海拔因素，形成了一个含有高程的内插权重函数，此方法提高了插值的精度。

传统的基于测风站的预测方法需要常年观测，浪费了一定的人力和物力，而且在一些地形复杂的地方有一定的困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用全新控制策略，能够高效、准确实现风速模拟的复杂地形地区风场地理数值模拟方法。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种复杂地形地区风场地理数值模拟方法，包括如下步骤：

步骤A.获得目标区域所对应的实际DEM地理格网数据、实际观测风场地理格网数据、以及模拟观测风场地理格网，模拟观测

风场地理格网中的各网格内为空，且模拟观测风场地理格网与实际观测风场地理格网数据在分辨率、左上角坐标、中心点彼此相一致；然后进入步骤B；

步骤B.初始化循环次数n＝1，以及针对风场权重函数的距离系数a、风场权重函数的起伏度系数b分别初始化为预设数值，且a的值与b的值相等，然后进入步骤C；

步骤C.分别针对目标区域所对应模拟观测风场地理格网中的各网格，获得目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别相对实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i的权重值I表示目标区域所对应模拟观测风场地理格网中网格的总数量，m表示预设网格周围领域网格的数量，然后进入步骤D；

步骤D.分别获得目标区域所对应模拟观测风场地理格网中各网格内的模拟风速然后进入步骤E；

步骤E.获得如下公式：

获得当前循环次数n下的衡量参数RMSE_n，然后进入步骤F；

步骤F.判断循环次数n是否等于1，是则进入步骤H；否则而进入步骤G；

步骤G.判断RMSE_n是否不大于预设衡量阈值，以及RMSE_n-RMSE_n-1的值是否不大于预设衡量差值阈值，若以上两个判断结果同时为是，则获得当前循环下a、b的值，并进入步骤I；否则进入步骤H；

步骤H.针对a、b的值，分别递增彼此相等的预设变化值，更新a、b的值，然后返回步骤C；

步骤I.生成分辨率为目标区域所对应实际观测风场地理格网数据、预设第二倍数的地理格网，作为目标区域所对应的插值模拟风场，插值模拟风场中的各网格内为空，且插值模拟风场的投影坐标、格网大小、格网左上角坐标与实际观测风场地理格网数据一致，以及预设第二倍数大于1，然后进入步骤J；

步骤J.根据所获a、b的值，按照的计算方式，针对插值模拟风场，进行基于起伏度的反距离权重插值，获得目标区域所对应观测风场地理格网模拟数据，然后进入步骤K；

步骤K.判断目标区域所对应观测风场地理格网模拟数据的分辨率是否达到预设分辨率要求，是则即获得满足预设分辨率要求的目标区域所对应观测风场地理格网模拟数据，并结束模拟方法；否则将目标区域所对应观测风场地理格网模拟数据，作为目标区域所对应的实际观测风场地理格网数据，并返回步骤A。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤A包括如下步骤：

步骤A1.获得目标区域所对应的实际观测风场地理格网数据、以及覆盖目标区域的实际DEM地理格网数据，然后进入步骤A2；

步骤A2.初始化目标区域所对应模拟观测风场地理格网，模拟观测风场地理格网中的各网格内为空，且模拟观测风场地理格网与实际观测风场地理格网数据在分辨率、左上角坐标、中心点彼此相一致，然后进入步骤A3；

步骤A3.初始化目标区域所对应的DEM地理格网，并根据目标区域所对应实际观测风场地理格网数据分辨率的预设第一倍数，由覆盖目标区域的实际DEM地理格网数据中提取，构建目标区域所对应实际DEM地理格网数据，其中，预设第一倍数大于1，然后执行步骤B；

所述针对步骤K中的判断，否则将目标区域所对应观测风场地理格网模拟数据，作为目标区域所对应的实际观测风场地理格网数据，并返回步骤A2。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤C包括执行如下操作：

分别针对目标区域所对应模拟观测风场地理格网中的各网格，按如下公式：

获得目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别相对实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i的权重值I表示目标区域所对应模拟观测风场地理格网中网格的总数量，m表示预设网格周围领域网格的数量；表示目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别相距实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i的距离；d_imax表示目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别相距实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i距离的最大距离；表示目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别与实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i的起伏度之差，基于目标区域所对应的实际DEM地理格网数据所获；r_imax表示目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别与实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i起伏度之差的最大值；然后进入步骤D。

作为本发明的一种优选技术方案，所述目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别与实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i的起伏度之差按如下过程进行求得：

首先获得实际观测风场地理格网数据中与目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格相对应的网格，并获得该网格周围的预设m个领域网格j_i；

接着获得目标区域所对应实际DEM地理格网数据中、与模拟观测风场地理格网中第i个网格相对应的网格p，以及获得目标区域所对应实际DEM地理格网数据中、与实际观测风场地理格网数据中各领域网格j_i相对应的网格q；

然后在目标区域所对应实际DEM地理格网数据中，获得网格p分别与各网格q之间连线所经过的网格，作为各个途径网格；并基于目标区域所对应实际DEM地理格网数据，提取网格p的DEM数据、各个网格q的DEM数据、以及各个途径网格的DEM数据；

最后分别针对各网格q，沿网格p至网格q的连线，获得连线上各组相邻两网格DEM数据差值之和，作为网格p与网格q之间的起伏度之差，即获得目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别与实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i的起伏度之差

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤D包括执行如下操作：

分别针对目标区域所对应模拟观测风场地理格网中的各网格，按如下公式：

获得目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格内的模拟风速式中，表示实际观测风场地理格网数据中与模拟观测风场地理格网中第i个网格相对应网格、周围第j_i个领域网格内的实际风速，然后进入步骤E。

本发明所述一种复杂地形地区风场地理数值模拟方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所设计复杂地形地区风场地理数值模拟方法，直接从网上得到研究区域的NetCDF数据和DEM数据，不需要研究区域测风站的数据，与传统利用矢量数据进行插值不同采用栅格数据进行插值，节省了数据预处理的时间；计算方法简单，可在较短时间内获取研究区域风速数据；其中，建立了基于反距离权重插值的非线性权重方程，利用Cressman客观分析方法和计算机数值模拟原理逐步订正风场权重函数的距离系数和起伏度系数，通过迭代法求解非线性权重最佳逼近方程，提高了复杂地形地区风场数值模拟的精度。

附图说明

图1是本发明目标区域NetCDF数据和DEM数据示意图；

图2是本发明步骤A3中目标区域所对应实际DEM地理格网数据示意图；

图3是本发明实际观测风场地理格网数据地理格网中心点示意图；

图4是本发明步骤E如何获得起伏度数据例子示意图；

图5是本发明风场地理格网数据观测点与插值点示意图；

图6是实际观测风场数据图；

图7是应用本发明模拟方法经过三次循环后结果图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明所设计一种复杂地形地区风场地理数值模拟方法，实际应用当中，具体包括如下步骤：

步骤A.获得目标区域所对应的实际DEM地理格网数据、实际观测风场地理格网数据、以及模拟观测风场地理格网，模拟观测风场地理格网中的各网格内为空，且模拟观测风场地理格网与实际观测风场地理格网数据在分辨率、左上角坐标、中心点彼此相一致；然后进入步骤B。

实际应用当中，上述步骤A具体包括如下步骤：

步骤A1.获得目标区域所对应的实际观测风场地理格网数据、以及覆盖目标区域的实际DEM地理格网数据，并在ArcMap中采取WGS 84Mercator投影坐标系统，对实际观测风场地理格网数据(此观测风场数据为NetCDF气象数据，2.5°×2.5°栅格数据)和覆盖目标区域的实际DEM地理格网数据(STRM DEM数据，空间分辨率为90m×90m)进行投影，然后进入步骤A2。如图1所示，是本发明目标区域NetCDF数据和DEM数据示意图。

步骤A2.基于WGS 84Mercator投影坐标系统，初始化目标区域所对应模拟观测风场地理格网，模拟观测风场地理格网中的各网格内为空，且模拟观测风场地理格网与实际观测风场地理格网数据在分辨率、左上角坐标、中心点彼此相一致，然后进入步骤A3。

步骤A3.初始化目标区域所对应的DEM地理格网，并根据目标区域所对应实际观测风场地理格网数据分辨率的预设第一倍数，由覆盖目标区域的实际DEM地理格网数据中提取，构建目标区域所对应实际DEM地理格网数据，如图2所示，其中，预设第一倍数大于1，然后执行步骤B。实际应用当中，预设第一倍数具体采用3，此步骤又叫DEM预处理，因为当利用覆盖目标区域的实际DEM地理格网数据模拟时，计算不方便且计算时间长，因此执行此步骤进行DEM预处理，构建目标区域所对应实际DEM地理格网数据。

步骤B.初始化循环次数n＝1，以及针对风场权重函数的距离系数a、风场权重函数的起伏度系数b分别初始化为预设数值，且a的值与b的值相等，然后进入步骤C。

步骤C.分别针对目标区域所对应模拟观测风场地理格网中的各网格，获得目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别相对实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i的权重值I表示目标区域所对应模拟观测风场地理格网中网格的总数量，m表示预设网格周围领域网格的数量，然后进入步骤D。

上述步骤C在实际应用当中，具体包括执行如下操作：

分别针对目标区域所对应模拟观测风场地理格网中的各网格，按如下公式：

获得目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别相对实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i的权重值I表示目标区域所对应模拟观测风场地理格网中网格的总数量，m表示预设网格周围领域网格的数量；表示目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别相距实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i的距离；d_imax表示目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别相距实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i距离的最大距离；表示目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别与实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i的起伏度之差，基于目标区域所对应的实际DEM地理格网数据所获；r_imax表示目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别与实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i起伏度之差的最大值；然后进入步骤D。

如图3所示不同的地理格网的颜色不同，其颜色表示其值且在ArcMap读取时，默认该值是位于地理格网中心点。如图3所示为实际观测风场地理格网数据，实际观测风场地理格网数据中网格共有90个，模拟观测风场地理格网中网格也有90个，但模拟观测风场地理格网为空格网，所有格点的值是0。

其中，目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别与实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i的起伏度之差按如下过程进行求得：

首先获得实际观测风场地理格网数据中与目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格相对应的网格，并获得该网格周围的预设m个领域网格j_i；

接着获得目标区域所对应实际DEM地理格网数据中、与模拟观测风场地理格网中第i个网格相对应的网格p，以及获得目标区域所对应实际DEM地理格网数据中、与实际观测风场地理格网数据中各领域网格j_i相对应的网格q；

然后在目标区域所对应实际DEM地理格网数据中，获得网格p分别与各网格q之间连线所经过的网格，作为各个途径网格；并基于目标区域所对应实际DEM地理格网数据，提取网格p的DEM数据、各个网格q的DEM数据、以及各个途径网格的DEM数据；

最后分别针对各网格q，沿网格p至网格q的连线，获得连线上各组相邻两网格DEM数据差值之和，作为网格p与网格q之间的起伏度之差，即获得目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别与实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i的起伏度之差

基于上述目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格、分别与实际观测风场地理格网数据中其对应网格周围预设m个领域网格j_i的起伏度之差的计算，如图4所示，格点1与格点2连线经过的DEM地理格网两个点，设格点1，格点1与格点2之间的经过的两个点，格点2在DEM地理格网的值为m₁，m₂，m₃，m₄，则r_1,2＝|m₁-m₂|+|m₂-m₃|+|m₃-m₄|。

步骤D.分别获得目标区域所对应模拟观测风场地理格网中各网格内的模拟风速然后进入步骤E。

上述步骤D具体执行如下操作：

分别针对目标区域所对应模拟观测风场地理格网中的各网格，按如下公式：

获得目标区域所对应模拟观测风场地理格网中第i个网格内的模拟风速式中，表示实际观测风场地理格网数据中与模拟观测风场地理格网中第i个网格相对应网格、周围第j_i个领域网格内的实际风速，然后进入步骤E。

步骤E.获得如下公式：

获得当前循环次数n下的衡量参数RMSE_n，然后进入步骤F。

步骤F.判断循环次数n是否等于1，是则进入步骤H；否则而进入步骤G。

步骤G.判断RMSE_n是否不大于预设衡量阈值，以及RMSE_n-RMSE_n-1的值是否不大于预设衡量差值阈值，若以上两个判断结果同时为是，则获得当前循环下_a、b的值，并进入步骤I；否则进入步骤H。

步骤H.针对a、b的值，分别递增彼此相等的预设变化值，更新a、b的值，然后返回步骤C。

步骤I.生成分辨率为目标区域所对应实际观测风场地理格网数据、预设第二倍数的地理格网，作为目标区域所对应的插值模拟风场，插值模拟风场中的各网格内为空，且插值模拟风场的投影坐标、格网大小、格网左上角坐标与实际观测风场地理格网数据一致，以及预设第二倍数大于1，然后进入步骤J。实际应用中，针对预设第二倍数，具体应用3，即生成分辨率为目标区域所对应实际观测风场地理格网数据、3倍的地理格网，即插值模拟风场中网格数量是实际观测风场地理格网数据中网格数的9倍。

如图5所示，三角形的点是实际观测风场地理格网数据网格点也叫观测点，圆形的点是插值模拟风场网格点也叫插值点，插值点是观测点的9倍。

步骤J.根据所获a、b的值，按照的计算方式，针对插值模拟风场，进行基于起伏度的反距离权重插值，获得目标区域所对应观测风场地理格网模拟数据，然后进入步骤K。

步骤K.判断目标区域所对应观测风场地理格网模拟数据的分辨率是否达到预设分辨率要求，是则即获得满足预设分辨率要求的目标区域所对应观测风场地理格网模拟数据，并结束模拟方法；否则将目标区域所对应观测风场地理格网模拟数据，作为目标区域所对应的实际观测风场地理格网数据，并返回步骤A2。

针对实施例，相对如图6所示的实际观测风场数据图，如图7所示应用本发明设计模拟方法经过三次循环，即插值一次，二次，三次的结果图，随着插值次数的增加，精度越来越高。

上述技术方案所设计复杂地形地区风场地理数值模拟方法，直接从网上得到研究区域的NetCDF数据和DEM数据，不需要研究区域测风站的数据，与传统利用矢量数据进行插值不同采用栅格数据进行插值，节省了数据预处理的时间；计算方法简单，可在较短时间内获取研究区域风速数据；其中，建立了基于反距离权重插值的非线性权重方程，利用Cressman客观分析方法和计算机数值模拟原理逐步订正风场权重函数的距离系数和起伏度系数，通过迭代法求解非线性权重最佳逼近方程，提高了复杂地形地区风场数值模拟的精度。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。