一种基于地形的风速修订方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于地形的风速修订方法及系统，包括预先建立地形订正因子；根据地形对应的订正因子与相应位置的风速数据进行拟合，得到修订后的风速趋势变化量；基于修订后的风速趋势变化量计算修订后的风速，同时还给出了从数值天气预报模式中提取中间结果进行订正改动，然后通过趋势量再返回模式进行下一步计算的数据接口方法，替代原有的仅靠边界层模块计算出的风速变化趋势量。本方案在模式以外订正复杂地形上的风速，不影响模式本身的稳定性，同时提高了风速模拟精度。

A Method and System of Wind Speed Revision Based on Terrain

The present invention relates to a terrain-based wind speed revision method and system, including the establishment of terrain correction factor in advance, the fitting of terrain correction factor with wind speed data at corresponding locations to obtain the revised wind speed trend variation, the calculation of revised wind speed based on the revised wind speed trend variation, and the extraction of the revised wind speed from the numerical weather prediction model. The results are revised, and then the data interface method is used to calculate the next step by returning the trend to the model, instead of the original wind speed trend calculated only by the boundary layer module. The scheme corrects wind speed on complex terrain outside the model, does not affect the stability of the model itself, and improves the accuracy of wind speed simulation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于地形的风速修订方法及系统
本专利技术属于电力气象
，具体涉及一种基于地形的风速修订方法及系统。
技术介绍
风电机组的出力特性显著依赖于风场所处的环境大气流场。大气运动是一个涉及到流体运动、辐射过程、水汽相变、生物化学过程等的复杂物质循环和能量流动的物理过程。随着数值解法和计算机运算速度的发展，数值模式方法采用超大型计算机，应用地球流体动力方程和有关物理法则，对全球或区域的历史天气/未来天气进行定量化再现/预测，已经成为国内外学者对风能资源评估和尾流效应的数值模拟研究的必不可少的方法。开展区域风能资源的数值模式模拟与风能资源实测相结合的方式是进行风能资源普查或评价的有效手段。特别是海陆、湖陆及山地复杂地区的风能资源评估和风电场的选址，通过数值模拟的方法更具有理论和实际应用意义，因而对于风力发电的足够时间尺度和空间尺度的模拟，对于改善风能预报、风机排布、风机机械维护和风机设计都是必不可少的。常用的数值模式有商业风能评估软件和中尺度数值天气预报模式(Meso-scaleNumericalWeatherPredictionModel)、大涡模式等。其中，中尺度数值天气预报模式因其具有良好的业务操作性、能够捕捉到当前的天气现象等优点，在计算能力允许的条件下，被广泛应用于新能源的功率预测领域。常见的中尺度天气预报模式有WRF模式、MM5模式、RAMS模式和RSM模式等。其中，WRF作为新一代的中尺度气象模式被广泛的应用于大气、海洋和环境等领域。数值天气预报模式中增加了越来越多的物理过程，大大增加了模式的复杂性。但是在中尺度数值天气预报模式中，近地面的低层风速往往被高估，比如多个版本的WRF模式中风速模拟值偏大的现象一直存在。这种高估极大限制了数值天气预报模式在风能以及空气质量等需要高精度风速的研究领域的应用。究其原因，在模式中为了模拟中尺度的大气演化，而采取中等的空间分辨率，中等分辨率不能解析复杂地形，因此中尺度数值模式中使用的是对真实地形进行平滑之后的地形数据。由于实际中的一些地形信息和植被等对大气流动的拖曳作用没有在模式中体现出来，这样直接导致了对风速的高估。针对复杂地形影响近地层风速模拟精度的问题，有学者提出使用“有效粗糙长度”的概念对高估的风速进行订正；也有学者通过向动量方程中引入一个汇项(减弱动量)来表达次网格地形，以达到对高估的风速进行订正的目的。但是这两种方法都具有显著弊端，这两种方法引入的粗糙长度变化将使得模式最底层高度降低，并同时影响到热交换和水汽交换过程的计算过程，进而影响模式的水热模拟能力。
技术实现思路
为了弥补上述缺陷目前现有的两种复杂地形风速订正方法具有影响模式整体计算模拟能力的弊端。本专利技术于提出一种基于地形的风速修订方法及系统，以修正中尺度数值天气预报模式中的风速高估现象，从而提高模式风速模拟精度，有利于风资源的评估和预报工作。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：一种基于地形的风速修订方法，所述方法包括：预先建立地形订正因子；根据地形对应的订正因子与相应位置的风速数据进行拟合，得到修订后的风速趋势变化量；基于修订后的风速趋势变化量计算修订后的风速。优选的，通过下式修订风速趋势变化量：其中，u和V分别表示中尺度数值天气预报模式边界层的水平风分量和风速；u*表示摩擦速度；Δz是中尺度数值天气预报模式边界层的厚度；ct为地形订正因子。进一步地，所述预先建立地形订正因子由下式确定：其中，Δ2h为地形的无量纲拉普拉斯算子，σsso为次网格尺度地形的标准差，α为空气密度，e为自然对数函数的底数；α＝(Δ2h+30)/10，当Δ2h＞-20时，表示当下区域为山谷或者平原，当Δ2h＜-20时，表示当下区域为山地或者丘陵。优选的，在所述根据地形对应的订正因子与相应位置的风速数据进行拟合之前还包括，将风速数据从数值模式的数据流中导出；所述将风速数据从数值模式的数据流中导出的方法包括：基于导出数据请求任务，设置配置信息；根据所述配置信息，确定导出数据格式；将风速数据从中尺度数值天气预报模式中的边界层数值模式数据流中导出，并将需要导出的数据转换为所述格式的导出数据。优选的，在所述得到修订后的风速趋势变化量之后和所述基于修订后的风速趋势变化量计算修订后的风速之前还包括：将订正后的风速趋势变化量导入数值模式中；所述将订正后的风速趋势变化量导入数值模式中包括：调用数值模式的数据回流接口，将订正后的风速趋势变化量导入数值模式中。进一步地，基于修订后的风速趋势变化量计算修订后的风速包括：在数值模式中采用修订后的风速趋势变化量计算修订后的风速。一种基于地形的风速修订系统，包括：定义模块，用于预先建立地形订正因子；订正模块，用于根据地形对应的订正因子与相应位置的风速数据进行拟合，得到修订后的风速趋势变化量；计算模块，用于基于修订后的风速趋势变化量计算修订后的风速。优选的，所述订正模块，包括确定单元，用于通过下式修订风速趋势变化量：其中，u和V分别表示中尺度数值天气预报模式边界层的水平风分量和风速；u*表示摩擦速度；Δz是中尺度数值天气预报模式边界层的厚度；ct为地形订正因子。优选的，所述定义模块，包括建立单元，用于由下式确定预先建立地形订正因子：其中，Δ2h为地形的无量纲拉普拉斯算子，σsso为次网格尺度地形的标准差，α为空气密度，e为自然对数函数的底数；α＝(Δ2h+30)/10，当Δ2h＞-20时，表示当下区域为山谷或者平原，当Δ2h＜-20时，表示当下区域为山地或者丘陵。进一步地，所述系统还包括导出接口模块，用于根据导出数据请求任务，设置配置信息，并将需要导出的数据转换为所述格式的导出数据。与最接近的现有技术比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提出在中尺度数值天气预报模式中的一种基于地形的风速修订方法及系统，预先建立地形订正因子；根据地形对应的订正因子与相应位置的风速数据进行拟合，得到修订后的风速趋势变化量；基于修订后的风速趋势变化量计算修订后的风速。该方案考虑了现有模式中被平滑削弱的地形导致的地表拖曳力不足、以致模拟风速偏高的问题，使用地形订正因子代表地形订正及调节与植被有关的地表拖曳作用，对中尺度数值天气预报模式中的风速进行了有效订正，尤其适合复杂地形下的风速计算和风能资源评估。本专利技术还给出了从数值天气预报模式中提取中间结果进行订正改动，然后通过趋势量再返回模式进行下一步计算的数据接口方法，替代原有的仅靠边界层模块计算出的风速变化趋势量，利用WRF将自动进行下一步更新变量计算，将风速的地形订正效果更正到风速中去，在不影响模式本身的稳定性的前提下提高了计算精度、简化了计算的步骤。附图说明图1为本专利技术实施例中提供的一种基于地形的风速修订方法总流程图；图2为本专利技术实施例中提供的基于新型地形拖曳系数的风速订正方法流程图；图3为本专利技术实施例中提供的在WRF模式中使用风速地形订正后风速改善结果示意图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。一种基于地形的风速修订方法，包括：如图2所示，横向为数值模式中的数据流，在数据流中的一环，将边界层模式求解出的风速进行导出，然后使用基于地形订正因子对其进行拖曳订正，最后将结果通过数据回流接口将订正后风速返回到模式中，以达到风速订正的目的。如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于地形的风速修订方法，其特征在于，所述方法包括：预先建立地形订正因子；根据地形对应的订正因子与相应位置的风速数据进行拟合，得到修订后的风速趋势变化量；基于修订后的风速趋势变化量计算修订后的风速。

【技术特征摘要】
1.一种基于地形的风速修订方法，其特征在于，所述方法包括：预先建立地形订正因子；根据地形对应的订正因子与相应位置的风速数据进行拟合，得到修订后的风速趋势变化量；基于修订后的风速趋势变化量计算修订后的风速。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下式修订风速趋势变化量：其中，u和V分别表示中尺度数值天气预报模式边界层的水平风分量和风速；u*表示摩擦速度；Δz是中尺度数值天气预报模式边界层的厚度；ct为地形订正因子。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预先建立地形订正因子由下式确定：其中，Δ2h为地形的无量纲拉普拉斯算子，σsso为次网格尺度地形的标准差，α为空气密度，e为自然对数函数的底数；α＝(Δ2h+30)/10，当Δ2h＞-20时，表示当下区域为山谷或者平原，当Δ2h＜-20时，表示当下区域为山地或者丘陵。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述根据地形对应的订正因子与相应位置的风速数据进行拟合之前还包括，将风速数据从数值模式的数据流中导出；所述将风速数据从数值模式的数据流中导出的方法包括：基于导出数据请求任务，设置配置信息；根据所述配置信息，确定导出数据格式；将风速数据从中尺度数值天气预报模式中的边界层数值模式数据流中导出，并将需要导出的数据转换为所述格式的导出数据。5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，在所述得到修订后的风速趋势变化量之后和所述基于修订后的风速趋势变化量计算修订后的风速之前还包括：将订正后的风速趋势变化量导入数值模式中；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王姝，胡菊，靳双龙，姜文玲，冯双磊，王勃，王伟胜，刘纯，宋宗朋，马振强，滑申冰，李明妍，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，国家电网公司，国网山东省电力公司，
类型：发明
国别省市：北京,11