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《中国气象科学研究院》 2017年
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模式背景场及边界层参数化方案对近地层风场预报的影响

李玉鹏  
【摘要】:近地层风场的预报是风能资源利用的重要关注点。背景场资料是区域模式的初边值来源,而模式近地层的湍流过程需要边界层参数化方案来描述。因此,两者对近地层风场的预报有着重要的影响。利用WRF中尺度模式和GSI同化系统分别研究了背景场资料和边界层参数化方案对蒙西地区的风场预报试验,并利用该地区的70个国家地面站和18座测风塔资料对试验结果进行了评估和分析。模式背景场使用GFS资料和T639资料的试验结果表明:(1)两种背景场资料的预报都能较好地再现蒙西地区模拟时段内的风场变化情况;两种背景场预报的10 m风速都较观测偏高,对风向的预报都有比较小的顺时针偏差;(2)多种统计指标分析表明GFS对10 m和70 m风速风向的预报效果稍好于T639,但两者差异较小;(3)模式的分辨率和预报时长对预报结果有比较显著的影响;分辨率为4 km的风场预报效果要优于分辨率为12 km的预报效果;第12~35时的风场预报效果优于第36~59时的预报效果,而第60~83时的预报效果最差;(4)风场预报误差较大的站点主要集中在阴山山脉南部的低海拔地区,表明复杂的地形分布会影响模式的预报效果。对比7种不同边界层参数化方案的试验表明:(1)各方案的预报都可以抓住实际风速风向的演变和位相变化;YSU方案对10 m风速的预报效果最好,ACM2对70 m风速预报效果最好;各方案对10 m风场的预报差异较70 m的更为明显,且模拟的风速偏大;模式对低风速的预报能力较差;(2)各方案对有效风速(3m/s 15 m/s)的预报效果最好,对满发风速(15 m/s 25 m/s)的预报效果次之,对无效风速(m/s)的预报效果最差;(3)各方案都能模拟出风速风向的日变化特征,表现为白天风速随时间增大和风向的顺转,傍晚到夜间风速的减小和风向的逆转;(4)TEMF、YSU以及ACM2方案对风切变指数的预报较好,大气层结的稳定性对低层风场的模拟有比较重要的影响。综合而言,模式背景场采用GFS资料和T639资料均能得到较好的预报效果。模式水平分辨率采用4 km时结果较为理想,预报时效在12~35小时优于其他时段。就边界层参数化方案而言,YSU方案10 m风速的预报效果明显优于其他方案,各方案对70 m风速的预报效果差异较小,其中ACM2表现相对较好。TEMF、YSU以及ACM2方案对风切变指数的预报较好。复杂地形是影响近地层风场预报效果的重要因素,大气层结的稳定性影响着低层风场的模拟效果。
【关键词】:WRF模式 风场预报 风能发电 背景场 边界层参数化方案
【学位授予单位】:中国气象科学研究院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P456.7
【目录】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-9
  • 第一章 引言9-19
  • 1.1 研究背景及意义9-10
  • 1.2 风速预报的方法10-12
  • 1.2.1 统计学方法10-11
  • 1.2.2 动力学方法11-12
  • 1.3 国内外风电预报的研究进展12-15
  • 1.3.1 风资源评估研究进展12-13
  • 1.3.2 模式对风场预报的研究进展13-15
  • 1.4 问题的提出15-16
  • 1.5 本文章节安排16-19
  • 第二章 预报系统简介及资料方法19-31
  • 2.1 预报系统框架及模式基本设置19-20
  • 2.2 WRF模式简介20-23
  • 2.2.1 WRF模式概况20-22
  • 2.2.2 WRF模式边界层参数化方案介绍22-23
  • 2.3 GSI同化系统简介23-25
  • 2.3.1 GSI系统概况23-24
  • 2.3.2 GSI 3Dvar同化方法介绍24-25
  • 2.4 资料介绍25-27
  • 2.4.1 观测资料介绍25-26
  • 2.4.2 背景场资料介绍26-27
  • 2.5 风场预报检验方法介绍27-31
  • 第三章 背景场对风场预报的影响31-43
  • 3.1 试验设计31
  • 3.2 结果分析31-40
  • 3.2.1 试验的整体预报效果分析31-35
  • 3.2.2 多统计量检验分析35-37
  • 3.2.3 模式分辨率及预报时长对风场预报的影响37-38
  • 3.2.4 风场预报误差的空间分布特征38-40
  • 3.3 本章小结40-43
  • 第四章 边界层参数化方案对风场预报的影响43-57
  • 4.1 试验设计43
  • 4.2 结果分析43-55
  • 4.2.1 试验的整体预报效果分析43-49
  • 4.2.2 风速误差的分段分析49-51
  • 4.2.3 风场预报误差的日变化特征分析51-52
  • 4.2.4 稳定度指数分析52-55
  • 4.3 本章小结55-57
  • 第五章 总结与讨论57-61
  • 5.1 主要结论57-59
  • 5.1.1 背景场试验结论57-58
  • 5.1.2 边界层试验结论58-59
  • 5.2 讨论59-61
  • 参考文献61-67
  • 致谢67-69
  • 个人简介69

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