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修正WRF次网格地形方案及其对风速模拟的影响

刘郁珏 苗世光 刘磊 胡非

刘郁珏, 苗世光, 刘磊, 等. 修正WRF次网格地形方案及其对风速模拟的影响. 应用气象学报, 2019, 30(1): 70-81. DOI: 10.11898/1001-7313.20190107..
引用本文: 刘郁珏, 苗世光, 刘磊, 等. 修正WRF次网格地形方案及其对风速模拟的影响. 应用气象学报, 2019, 30(1): 70-81. DOI: 10.11898/1001-7313.20190107.
Liu Yujue, Miao Shiguang, Liu Lei, et al. Effects of a modified sub-grid-scale terrain parameterization scheme on the simulation of low-layer wind over complex terrain. J Appl Meteor Sci, 2019, 30(1): 70-81. DOI:  10.11898/1001-7313.20190107.
Citation: Liu Yujue, Miao Shiguang, Liu Lei, et al. Effects of a modified sub-grid-scale terrain parameterization scheme on the simulation of low-layer wind over complex terrain. J Appl Meteor Sci, 2019, 30(1): 70-81. DOI:  10.11898/1001-7313.20190107.

修正WRF次网格地形方案及其对风速模拟的影响

DOI: 10.11898/1001-7313.20190107
资助项目: 

国家自然科学基金项目 41705006

国家重点研究发展计划 2016YFC0208802

北京市科技计划 D171100000717003

国家自然科学基金项目 11472272

详细信息
    通信作者:

    苗世光, 邮箱:sgmiao@ium.cn

Effects of a Modified Sub-grid-scale Terrain Parameterization Scheme on the Simulation of Low-layer Wind over Complex Terrain

  • 摘要: 复杂地形区域风场模拟的准确率一直是风能研究领域的难点和重点。WRF模式是目前风能评估领域应用最广泛的天气数值模式之一,但该模式在复杂地形区域存在对平原、山谷风速高估且对山顶风速低估的系统性误差,并有研究建立次网格地形方案以订正误差。而次网格地形方案在不同水平分辨率下常出现错误的修正结果,该文基于高精度地形高程数据分析了方案失效的主要原因,发现其方程组中判断山体形态特征的阈值-20在过低和过高水平分辨率下均失去参考性。针对这一原因,将方案中影响关键参数Ct的地形高度算子与模式水平分辨率进行拟合,形成地形高度算子与水平分辨率相依赖的线性关系,获得不同分辨率下更适合的山体形态阈值。通过与自动气象站10 m风速对比分析了修正前后WRF对低层风速的模拟效果,结果显示:修正后的次网格地形方案能够分别在较低和较高分辨率下,部分矫正原方案错误的订正结果,使低层风速模拟更接近实况。修正后的次网格地形方案可为复杂地形区域开展高分辨率风场模拟提供参考。
  • 图  1  模拟区域和分析区域(填色为地形高度)

    (黑框为模拟范围,蓝框为小海坨山所在区域)

    Fig. 1  Computational and analytical domains with the terrain elevation (the shadeded denotes terrain)

    (black frame denotes simulation domain, blue frame denotes Xiaohaituo mountain)

    图  2  小海坨山地形(填色)

    (黑色圆点为自动气象站)

    Fig. 2  Analytical domain for Xiaohaituo Mountain (the shaded)

    (black dots denote automatic weather stations)

    图  3  3个个例10 m风速差值集合平均场(填色)(等值线表示地形高度,单位:m)

    (a)T1_1与T0_1的差值,(b)T1_2与T0_2的差值,(c)T1_3与T0_3的差值

    Fig. 3  Ensenble averaged bias of 10 m wind speed of 3 cases (the shaded)(the contour denotes the terrain height, unit:m)

    (a)difference between T1_1 and T0_1, (b)difference between T1_2 and T0_2, (c)difference between T1_3 and T0_3

    图  4  3个个例西大庄科站、二海陀站、小海陀站T0和T1试验10 m风速模拟与实测偏差的平均日变化

    Fig. 4  Ensemble averaged daily bias of simulated and observed 10 m wind speed at Xidazhuangke, Erhaituo and Xiaohaituo of T0 and T1 from 3 cases

    图  5  模拟区域和小海坨山区域不同水平分辨率Δ2h水平分布(填色)

    (等值线表示地形高度,单位:m)

    Fig. 5  Δ2h distribution of computational domain and Xiaohaituo Mountain with different resolutions (the shaded)(the contour denotes the terrain height, unit:m)

    图  6  小海坨山区域30个点的分布

    (填色表示地形)

    Fig. 6  The distribution of 30 points in Xiaohaituo Mountain (the shaded denotes terrain)

    图  7  30个点不同水平分辨率下对应的Δ2h及拟合曲线

    Fig. 7  The corresponding Δ2h values of 30 points at different resolutions

    图  8  3个个例小海坨山区域10 m风速差值集合平均场(填色)(等值线表示地形高度,单位:m)

    (a)T1C_1与T1_1差值,(b)T1C_2与T1_2差值,(c)T1C_3与T1_3差值

    Fig. 8  Ensenble averaged bias of 10 m wind speed of 3 cases in Xiaohaituo Mountain (the shaded) (the contour denotes the terrain height, unit:m)

    (a)difference between T1C_1 and T1_1, (b)difference between T1C_2 and T1_2, (c)difference between T1C_3 and T1_3

    图  9  3个个例西大庄科站、二海陀站、小海陀站T1C和T1试验10 m风速模拟与实测偏差的平均日变化

    Fig. 9  Ensemble averaged daily bias of simulated and observed 10 m wind speed at Xidazhuangke, Erhaituo and Xiaohaituo of T1C and T1 from 3 cases

    表  1  模拟试验设计

    Table  1  Schemes of different experiments

    试验组名称 试验名称 水平分辨率 时间积分步长/s 次网格地形方案
    T0_1 3 km×3 km 18
    T0 T0_2 1 km×1 km 6
    T0_3 333 m×333 m 2
    T1_1 3 km×3 km 18 Jiménez方案
    T1 T1_2 1 km×1 km 6 Jiménez方案
    T1_3 333 m×333 m 2 Jiménez方案
    T1C_1 3 km×3 km 18 修正Jiménez方案
    T1C T1C_2 1 km×1 km 6 修正Jiménez方案
    T1C_3 333 m×333 m 2 修正Jiménez方案
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    表  2  10 m风速统计检验结果(单位:m·s-1)

    Table  2  Statistic results of simulated 10 m wind speed (unit:m·s-1)

    试验 平均偏差 均方根误差
    西大庄科站 二海陀站 小海陀站 西大庄科站 二海陀站 小海陀站
    T0_1 4.057 -0.411 -1.791 1.860 2.626 3.098
    T0_2 1.270 -2.103 -3.955 2.499 2.136 2.473
    T0_3 0.744 -1.838 -0.248 1.873 2.850 3.433
    T1_1 5.813 1.191 0.420 2.497 2.021 2.458
    T1_2 -0.461 1.062 -2.118 1.764 2.042 1.746
    T1_3 -0.742 -3.506 -2.598 1.811 3.820 4.108
    T1C_1 3.135 -0.588 -0.392 1.776 2.391 2.689
    T1C_2 0.055 0.129 -1.200 1.644 1.565 1.591
    T1C_3 0.279 -0.639 -0.016 1.300 1.583 1.791
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-16
  • 修回日期:  2018-08-10
  • 刊出日期:  2019-01-31

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