基于垂直分层降尺度技术的城市地面风速精细化模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种基于垂直分层降尺度技术的城市地面风速精细化模拟方法，包括步骤：将城市区域网格化，确定每个格点的混合层高度，根据混合层高度将格点划分为不高于所述混合层高度的受地面下垫面影响相对较大的粗糙子层以及高于所述混合层高度的受地面下垫面影响相对较小的惯性子层；将气象站监测的指定高度风速推算至位于惯性子层内的高空，然后将高空各站点风速插值到所有格点或所需要的部分格点上，然后对每个格点的插值风速按照下垫面不同，考虑不同高度其来风方向不同范围内粗糙度对风速的影响，分别推算至地表模拟高度。本方法可实现对长时间尺度、区域性的城市风速进行精细化模拟，有效的解决复杂下垫面风速观测问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
基于垂直分层降尺度技术的城市地面风速精细化模拟方法


[0001]本专利技术涉及气象监测模拟
，特别涉及一种基于垂直分层降尺度技术的城市地面风速精细化模拟方法。

技术介绍

[0002]IPCC第五次评估报告指出，全球各地(尤其城市地区)风速总体呈现减弱的趋势。然而风的极端性和危险性却没有随之减弱，反而有所增强。影响中国的台风虽然数量变化不大，但强度却明显增强，近10年之中，影响我国的台风有一半左右都是风力超过12级的强台风或超强台风。众所周知，风速随着高度的增加而增大。随着城市化进程的发展，城市范围越来越大、建筑平均高度越来越高，大风引起的气候风险亦越来越大。大风不仅对沿海港口和船只造成影响，还对城市玻璃幕墙、广告牌、轨道交通等带来巨大的气候风险，影响城市的安全运行。因而，在城市区域开展风速的研究具有重要的意义。
[0003]目前，对于城市风速的监测主要依托于中国气象局布设的气象台站(国家级气象站和区域自动站)中风速仪、风廓线雷达等仪器设备进行定点观测。站点观测的最大优势在于其基于仪器观测，获取的风速资料最为可靠，并且通过长时间的连续观测积累，可以获得该站点长时间序列的风速资料。然而，由于城市下垫面复杂，风速局地性差异极大。即便通过布设更多站点，加大观测密度，亦无法获取城市每一个位置风速信息，无法满足对城市风速空间分布的精细化刻画的要求。
[0004]为了获取城市风速空间分布，空间上的统计插值技术(线性和非线性插值方法)被应用于城市风速的分析中，不同的统计插值技术虽然有不同的适应范围，但都具有易操作、计算量小等特点。随着研究与业务的需求以及计算能力的提升，包含动力过程的风速数值模拟技术被引入到城市风环境研究分析中，主要包括中尺度气象数值模式(如WRF)和CFD模拟。不论是气象数值模式还是CFD仿真模拟，对计算机的计算能力要求较高，且各自在空间范围和分辨率上有不同的要求。具体地：
[0005]统计插值技术：统计插值技术包括克里金插值方法(Kriging)、反距离权重(IDW)、样条插值法(Spline)等线性及非线性插值方法。统计插值技术是纯统计学方法，基于一定的数据假设。如反距离加权法是基于“地理第一定律”的基本假设：即两个物体相似性随他们的距离增大而减少。它以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本赋予的权重越大；样条插值法是使用一种数学函数，对一些限定的点值，通过控制估计方差，利用一些特征节点，用多项式拟合的方法来产生平滑的插值曲线。依靠站点风速观测数据，对所需空间每一个格点进行统计插值，即可得到风速的空间分布。但是，统计插值技术没有考虑城市下垫面的变化，不同下垫面将会形成不同的城市粗糙度，进而引起风速在空间分布上的差异。因此，其准确性存在较大缺陷；另一方面，其空间分辨率依赖于站点的密集程度，一般国家级气象站间距在20km左右，无法满足城市精细化风速的需求。
[0006]数值仿真模拟技术：包括中尺度气象数值模式(如WRF)和CFD模拟。WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式是由美国环境预测中心(NCEP),美国国家大气研
究中心(NCAR)等美国科研机构中心着手开发的一种统一的中尺度天气预报模式，通过对大气动力学方程组求取近似解，可以对大气的全要素包括温度、降水、风等进行仿真模拟。其具有的可移植，易维护，可扩充，高效率，方便等特点，已被广泛用于风速的模拟中，并通过耦合城市冠层模式获得较高的分辨率。CFD是英文Computational Fluid Dynamics(计算流体动力学)的简称。它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说，CFD相当于“虚拟”地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为CFD是现代模拟仿真技术的一种。但是，数值仿真模拟技术中WRF模型模拟技术更适合中尺度大气的空间模拟，缺乏对大气边界层的模拟能力，并且在空间精度上无法满足精细化的要求；另一方面，由于其对计算量的需求巨大，在实际应用中如城市区域可行性论证工作中无法对风速进行历史30年以上的模拟，一般采用典型年代替其平均状况。CFD仿真模拟技术的适用场景则是特定情景下的城市微尺度风速模拟。虽然能实现对米级别空间分辨率的模拟，但其具有一定局限性。一方面，其并不是对实际大气状况进行模拟，而是通过给定背景风场，实现在背景风的情景下风速的流动模拟，因而无法实现对区域历史风速的实时模拟；另一方面，由于空间分辨率高，其对计算量的需求巨大，仅仅适用于城市微尺度(10km范围以内)的，无法适用于大范围的精细化风速模拟需求。
[0007]目前，对长时间尺度、大范围区域性的精细化风速降尺度方法研究的缺乏，成为了桎梏与城市精细化风速模拟相关的各项科研与业务的发展，如精细化的区域风环境模拟、大风灾害预报预警业务、城市通风环境研究、楼宇风资源评估等等，这也对风速的精细化研究提出了更高的需求。

技术实现思路

[0008]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种基于垂直分层降尺度技术的城市地面风速精细化模拟方法，可实现对长时间尺度、区域性的城市风速进行精细化模拟，有效的解决复杂下垫面风速观测问题。
[0009]本专利技术通过如下方案来实现：一种基于垂直分层降尺度技术的城市地面风速精细化模拟方法，包括步骤：
[0010]S1、获取城市地理信息数据，将城市区域网格化；
[0011]S2、根据所述地理信息数据确定每个格点的混合层高度，根据混合层高度将相应格点所在空间划分为不高于所述混合层高度的受地面下垫面影响相对较大的粗糙子层以及高于所述混合层高度的受地面下垫面影响相对较小的惯性子层；
[0012]S3、获取城市区域内气象站的风速风向观测资料，依据所述观测资料及所述城市地理信息数据重复步骤S31～步骤S34，并以得出的数据为基础对城市地面风速进行模拟；其中：
[0013]S31、将所述城市区域内气象站所监测的指定高度风速推算至气象站所在格点的混合层高度并得到混合层高度风速；
[0014]S32、将所述混合层高度风速推算至位于惯性子层内的插值高度并得到插值高度风速；
[0015]S33、采用统计插值方法将所述插值高度风速插值到每个格点所对应的位置并得
到每个格点的格点插值高度风速；
[0016]S34、针对每个格点，先将对应的所述格点插值高度风速推算至对应混合层高度得到格点混合层高度风速，再判断所述格点的建筑平均高度是否小于模拟高度：
[0017]若是，则直接将所述格点混合层高度风速推算至所述模拟高度并得到格点模拟高度风速；
[0018]若否，则先将所述格点混合层高度风速推算至相应的建筑平均高度并得到格点建筑平均高度风速，再将所述格点建筑平均高度风速推算至所述模拟高度并得到格点模拟高度风速。
[0019]本专利技术基于垂直分层降尺度技术的城市地面风速精细本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于垂直分层降尺度技术的城市地面风速精细化模拟方法，其特征在于，包括步骤：S1、获取城市地理信息数据，将城市区域网格化；S2、根据所述地理信息数据确定每个格点的混合层高度，根据混合层高度将相应格点所在空间划分为不高于所述混合层高度的受地面下垫面影响相对较大的粗糙子层以及高于所述混合层高度的受地面下垫面影响相对较小的惯性子层；S3、获取城市区域内气象站的风速风向观测资料，依据所述观测资料及所述城市地理信息数据重复步骤S31～步骤S34，并以得出的数据为基础对城市地面风速进行模拟；其中：S31、将所述城市区域内气象站所监测的指定高度风速推算至气象站所在格点的混合层高度并得到混合层高度风速；S32、将所述混合层高度风速推算至位于惯性子层内的插值高度并得到插值高度风速；S33、采用统计插值方法将所述插值高度风速插值到每个格点所对应的位置并得到每个格点的格点插值高度风速；S34、针对每个格点，先将对应的所述格点插值高度风速推算至对应混合层高度得到格点混合层高度风速，再判断所述格点的建筑平均高度是否小于模拟高度：若是，则直接将所述格点混合层高度风速推算至所述模拟高度并得到格点模拟高度风速；若否，则先将所述格点混合层高度风速推算至相应的建筑平均高度并得到格点建筑平均高度风速，再将所述格点建筑平均高度风速推算至所述模拟高度并得到格点模拟高度风速。2.如权利要求1所述的基于垂直分层降尺度技术的城市地面风速精细化模拟方法，其特征在于，确定每个格点的混合层高度的步骤包括：预设一最低高度；将所有格点分为无建筑的格点和有建筑的格点；对于无建筑的格点，直接将所述最低高度作为混合层高度；对于有建筑的格点，先计算格点内建筑平均高度，再判断所述建筑平均高度是否大于所述最低高度：若是，则将所述建筑平均高度的2～5倍作为混合层高度；若否，则将所述最低高度作为混合层高度。3.如权利要求1所述的基于垂直分层降尺度技术的城市地面风速精细化模拟方法，其特征在于，所述步骤S31利用对数廓线方程(1)计算混合层高度风速征在于，所述步骤S31利用对数廓线方程(1)计算混合层高度风速其中，为气象站监测的指定高度风速，H
h
为混合层高度，Z
d
为零平面位移，H
zd
为指定高度，Z
land
‑
Eff
为地表有效粗糙度。4.如权利要求3所述的基于垂直分层降尺度技术的城市地面风速精细化模拟方法，其
特征在于，所述步骤S32利用对数廓线方程(2)计算插值高度风速特征在于，所述步骤S32利用对数廓线方程(2)计算插值高度风速其中，H
cz
为插值高度，为混合层有效粗糙度。5.如权利要求1所述的基于垂直分层降尺度技术的城市地面风速精细化模拟方法，其特征在于，所述步骤S34利用对数廓线方程(3)计算格点混合层高度风速征在于，所述步骤S34利用对数廓线方程(3)计算格点混合层高度风速其中，为格点插值高度风速，H
h
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涵洧，谈建国，马悦，黄文娟，张志琦，曹煜晨，梁甜，
申请(专利权)人：上海市气候中心上海区域气候中心，
类型：发明
国别省市：