基于多种测风设备的局地区域风场监测方法技术

一种基于CFD的风场模型构建及多种测风设备的局地区域风场监测方法，1)构建业务保障区域地理信息模型：根据业务保障区域要求，再适当外延确定业务保障区域边界条件，利用GIS得到的精确地形信息，结合业务保障区域地貌特征，构建含有高程、粗糙度等信息的业务保障区域地理信息模型；2)构建计算流体力学CFD风场模拟模型：通过数值方法求解流体力学控制方程的离散解，根据业务保障区域的地理模型，进行CFD数值模拟，得到以不同方向、不同风速、不同阵风特性的CFD风场模拟结果；业务保障区域网格大小的选择都需要结合地形地貌条件进行确定，以达到最小的计算量和最优的模拟结果；3)观测点敏感性分析，4)建立区域风场监测系统。4)建立区域风场监测系统。4)建立区域风场监测系统。

【技术实现步骤摘要】
基于多种测风设备的局地区域风场监测方法


[0001]本专利技术涉及大气风场的监测方法，尤其是一种结合实测风场、流体模式计算风场查询匹配，实现局地范围内(半径20km左右、5km高度范围内)大气风场的监测，为航空飞行、军事活动等提供局地实时监测资料。

技术介绍

[0002]风是大气中热力与动力作用的产物，空气在大气压力梯度的作用下流动时就形成了风，它是由于太阳对地球表面不均匀加热造成大气温度、密度和压力的差别而产生的，同时也受到地球的自转、地表粗糙度以及地形变化等的影响。风场信息对于分析气压场的分布、了解气团特性、云、雾的产生和消散等具有重要作用，是航空飞行起降、炮兵防空兵作战、生化、核武器的布防等均需考虑的关键气象要素。气象业务中的高空风探测，一般是指对地面至空中三十多公里高度范围内各个高度上水平气流的方向和速度，即风向、风速的测定。实时、准确的高空风探测资料是进行天气分析预报的最基础资料，也是实施空投和空降、炮兵和防空兵弹道修正等军事气象保障的基本资料。气象业务中，通常利用随气流飘动的物体(通常为气象气球或气象气球与探空仪组成的气球系统)作为示踪物，利用其在空中运动的轨迹来进行高空风的探测，称之为轨迹法测风，主要技术关键在于连续、准确获取飞行中气球(或气球系统中的探空仪)的位置信息。
[0003]目前主要采用以下几种手段跟踪气球：光学测风经纬仪、无线电经纬仪、一次测风雷达、二次测风雷达、GNSS高空探测系统、INS高空探测系统等。光学测风经纬仪探测容易受到能见度、低云的影响，高空风的探测高度难以得到保证；无线电经纬仪、测风雷达系统复杂，体积和重量较大、便携性差，低仰角时测风误差极大；GNSS测风精度高，不发射大功率电磁波、体积和重量较小，但系统定位依赖于空间导航星座存在且可靠，卫星导航信号频点公开。
[0004]气象业务中，可采用两种高空风测量方法。一是直接探测法，通常利用随气流飘动的物体(通常为气象气球或气象气球与探空仪组成的气球系统)在空中运动的轨迹来进行高空风的探测，称之为轨迹法测风。通常采用光学测风经纬仪、测风雷达、GNSS探空系统(GNSS是全球定位导航系统的总称)等，获取气球位置进而探测高空风。由于操作繁琐，代价高，通常每个气象站每天实施1次到2次的探测。二是地基遥感探测法，目前部分台站已经安装有天气雷达、风廓线仪、激光测风雷达、声达等设备，可实现对高空风场的单点连续观测，时间分辨率和垂直分辨率均较高，但空间探测范围有限，主要测量的是垂直方向上的水平风场。
[0005]地表粗糙度直接影响风随高度的分布(即：风廓线)。风在高空流动时以平稳风速前进，但是接近地面时由于各种地面粗糙元(建筑物、河流、山丘等)作用，风速减小，风的动能产生损失。减小的程度随离地高度增加而降低，直至达到某一高度时，其影响可以忽略不计，此高度称为梯度风高度。当地表粗糙度由一种类型变为另一种类型时，近地层风廓线会变得非常复杂，在下风方向要经过一段距离后，才能使风重新适应新的粗糙度而变得平稳。
[0006]地形起伏变化对大气边界层中风特性的影响比地表粗糙度更为重要，不仅会改变风的大小和方向，同时影响风的稳定性，产生湍流效应。在起伏较大的地形下，邻近的两地之间风速风向的差别往往很大，受到地面摩擦力的影响，近地面的风廓线会发生扭曲，甚至在个别地点形成风的漩涡。因此在同一天气系统下，地形不同，对应的风能分布也完全不同，即使处于同一地形下的不同位置，风特性的分布也可能差异很大。
[0007]由于现有风场观测设备只是单点布设，而布设地点与测风资料需求位置之间在时空上通常并不一致，且不同测风设备均有自己的适用条件导致现有风场测量方式无法满足需求。随着航空飞行对风场监测在时间上、空间上的高精度需求，迫切需要实现精细化、高时空分辨率的局地区域风场监测。因此，针对区域精确地形、多点布控的先进风场观测系统结合计算流体力学模型，构建高时空分辨率区域风场监测方法，为航空飞行、军事活动等提供高空风场气象保障。

技术实现思路

[0008]本专利技术目的是，提出一种基于CFD的风场模型构建及测风仪器布设方案设计，尤其是局地区域风场监测的技术方案。
[0009]本专利技术的技术方案是，一种基于CFD的风场模型构建及多种测风设备的局地区域风场监测方法，其特征是，步骤如下，1)构建业务保障区域地理信息模型：根据业务保障区域要求，再适当外延确定业务保障区域边界条件，利用GIS得到的精确地形信息，结合业务保障区域地貌特征(区分冬季、夏季、春秋季)，构建含有高程、粗糙度等信息的业务保障区域地理信息模型；2)构建计算流体力学CFD风场模拟模型：计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)模型是通过数值方法求解流体力学控制方程的离散解，用于模拟近地面风场，能充分再现复杂地形下空气的流动，是风场分析技术的发展趋势；根据业务保障区域的地理模型，进行CFD数值模拟，得到以不同方向、不同风速、不同阵风特性的CFD风场模拟结果；业务保障区域网格大小的选择都需要结合地形地貌条件进行确定，以达到最小的计算量和最优的模拟结果；
[0010]3)观测点敏感性分析，确定在业务保障区域根据地貌特征需要多点布控的测风仪器种类和数量；需要现场准确的测风仪器，采用激光测风雷达结合地面风杆进行，通过获取设定探测节点的风场信息，将一部分节点的风场信息作为初始值，将另一部分节点的风场信息作为目标值，通过带入初始值，调整建立的CFD风场模拟模型参数，使能够计算获得目标值的风场信息，继而改变初始值，通过敏感性分析，找到对初始值变化响应最大的位置，即为最敏感位置，安置相应仪器。
[0011]将初始值输入CFD模式，将输出值与目标值的风场信息进行比对。初始值与目标值之间具有对应关系。
[0012]4)建立区域风场监测系统；根据步骤3)敏感性试验结果，构建多点布控的风场观测系统，根据实测的风场观测结果，利用在地理地貌条件下建立的CFD风场模拟模型，查表方式结合优化插值方法，获得该区域范围内任意水平方向和垂直方向的风场。
[0013]进一步的，根据具体的业务需要，如不同航空器飞行对侧风、低空水平风切变和垂直风切变、中高空水平风切变和垂直风切变的飞行起降条件，提出安全预警和安全时间窗口信息。改变初始值，通过敏感性分析，找到对初始值变化响应最大的位置，即为最敏感位
置
[0014]进一步的，各种地形下风场CFD模拟总体流程，该流程分为前处理、模拟计算和后处理三个部分。其中前处理部分包括地形数据的获取及处理、地面及模拟区域建模和网格生成等工作，是风场CFD模拟得以进行的先决条件；模拟计算部分包括边界条件设定(入口风廓线、出口的自出流、壁面及对称边界等)、湍流模型选择、离散格式选择、求解器选择以及进行模拟的初始化等步骤，是风场CFD模拟的主要求解过程：后处理部分包括模拟结果的提取和分析，目的在于更加直观地对风场CFD模拟结果的合理性进行定性和定量的检验，并在基础上提取相关数据进行风场分析。实施例中这些步骤有具体化描述；
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于CFD的风场模型构建及多种测风设备的局地区域风场监测方法，其特征是，步骤如下，1)构建业务保障区域地理信息模型：根据业务保障区域要求，再适当外延确定业务保障区域边界条件，利用GIS得到的精确地形信息，结合业务保障区域地貌特征、区分冬季、夏季、春秋季，构建含有高程、粗糙度等信息的业务保障区域地理信息模型；2)构建计算流体力学CFD风场模拟模型：计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)模型是通过数值方法求解流体力学控制方程的离散解；根据业务保障区域的地理模型，进行CFD数值模拟，得到以不同方向、不同风速、不同阵风特性的CFD风场模拟结果；业务保障区域网格大小的选择都需要结合地形地貌条件进行确定，以达到最小的计算量和最优的模拟结果；3)观测点敏感性分析，确定在业务保障区域根据地貌特征需要多点布控的测风仪器种类和数量；需要现场准确的测风仪器，采用激光测风雷达结合地面风杆进行，通过获取设定探测节点的风场信息，将一部分节点的风场信息作为初始值，将另一部分节点的风场信息作为目标值，通过带入初始值，调整建立的CFD风场模拟模型参数，使能够计算获得目标值的风场信息，继而改变初始值，通过敏感性分析，找到对初始值变化响应最大的位置，即为最敏感位置，安置相应仪器；4)建立区域风场监测系统；根据步骤3)敏感性试验结果，构建多点布控的风场观测系统，根据实测的风场观测结果，利用在地理地貌条件下建立的CFD风场模拟模型，查表方式结合优化插值方法，获得该区域范围内任意水平方向和垂直方向的风场。2.根据权利要求1所述的基于CFD的风场模型构建及多种测风设备的局地区域风场监测方法，其特征是，根据具体的业务需要，如不同航空器飞行对侧风、低空水平风切变和垂直风切变、中高空水平风切变和垂直风切变的飞行起降条件，提出安全预警和安全时间窗口信息。3.根据权利要求1所述的基于CFD的风场模型构建及多种测风设备的局地区域风场监测方法，其特征是，各种地形下风场CFD模拟总体流程，该流程分为前处理、模拟计算和后处理三个部分...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵世军，单雨龙，赵文凯，孙科蕾，姬文明，刘西川，刘磊，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：