基于WRF模式的承德某復(fù)雜山地風(fēng)電場(chǎng)數(shù)值模擬研究

劉越

摘 要：利用中尺度WRF模型模擬承德壩下某風(fēng)場(chǎng)，旨在研究不同參數(shù)化方案在復(fù)雜的山地地形的模擬精度。研究結(jié)果表明，同實(shí)測(cè)風(fēng)速相比，兩種參數(shù)化方案模擬精度均較高，可以用于復(fù)雜山地地形的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)插補(bǔ)、風(fēng)資源評(píng)估等方面。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模式；WRF；山地風(fēng)電場(chǎng)；測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)插補(bǔ)

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）22-0013-03

Abstract： A mesoscale WRF model is used to simulate the wind resources of a wind farm in Baxia region of Chengde， in order to assess the accuracy of different parameterized schemes in complicated mountain. The results show that two schemes， compared with the measured wind speed， both have high accuracy， which can be used to interpolate the measured wind as well as wind resource assessment in complex mountain wind farm.

Keywords： numerical model； WRF； mountain wind farm； wind data interpolation

引言

山地風(fēng)電場(chǎng)是當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)的主要方向，山地風(fēng)電場(chǎng)具有地形地貌復(fù)雜、投資風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn)。準(zhǔn)確的風(fēng)資源評(píng)估是保障風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量和投資收益關(guān)鍵因素之一，高質(zhì)量的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)則是準(zhǔn)確風(fēng)資源評(píng)估的前提。山地風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔易因凝凍浮冰、雷電、設(shè)備儀器故障難以及時(shí)修復(fù)等因素導(dǎo)致測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)大量缺測(cè)情況，測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)完整率往往較低。對(duì)于缺測(cè)數(shù)據(jù)主要依靠Merra數(shù)據(jù)或氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，這些數(shù)據(jù)與測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)的相關(guān)性往往較差。本文通過(guò)利用WRF（Weather Research Forecast）模式對(duì)承德某風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究?jī)煞N不同參數(shù)方案的對(duì)模擬數(shù)據(jù)精度的影響，并探討開展復(fù)雜山地風(fēng)電場(chǎng)的中尺度的必要性。

1 數(shù)值模擬方案

模擬區(qū)域選擇在承德壩下某風(fēng)電場(chǎng)，其位于燕山山脈北部，地貌單元屬于高中山地貌，海拔900m～1820m之間，地形起伏較大，溝壑叢生，區(qū)域植被茂密。

1.1 WRF模式簡(jiǎn)介

WRF模式系統(tǒng)是由許多美國(guó)研究部門及大學(xué)的科學(xué)家共同參與進(jìn)行開發(fā)研究的新一代中尺度氣象預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)。WRF模式系統(tǒng)具有可移植、易維護(hù)、可擴(kuò)充、高效率、方便等諸多特性。

WRF模式是一個(gè)完全可壓非靜力模式，控制方程組都寫為通量形式。網(wǎng)格形式與MM5的Arakawa B格點(diǎn)不同，而是采用Arakawa C格點(diǎn)，提高了模式在高分辨率模擬中的準(zhǔn)確性。模式的動(dòng)力框架有三個(gè)不同的方案：前兩個(gè)方案都采用時(shí)間分裂顯示方案來(lái)解動(dòng)力方程組，即模式中垂直高頻波的求解采用隱式方案，其他的波動(dòng)則采用顯示方案，這兩種方案的最大區(qū)別在于它們所采用的垂直坐標(biāo)的不同，他們分別是幾何高度坐標(biāo)和質(zhì)量（靜力氣壓）坐標(biāo)。第三種模式框架方案是采用半隱式半拉格朗日方案來(lái)求解動(dòng)力方程組，這種方案的優(yōu)點(diǎn)是能采用比前兩種模式框架方案更大的時(shí)間步長(zhǎng)[1-4]。

WRF模式系統(tǒng)已成為改進(jìn)從云尺度到天氣尺度等不同尺度重要天氣特征預(yù)報(bào)精度的工具。為了滿足模擬實(shí)際天氣的需要，模式還必須要有一套物理過(guò)程，比如輻射過(guò)程、邊界層參數(shù)化過(guò)程、對(duì)流參數(shù)化過(guò)程、次網(wǎng)格湍流擴(kuò)散過(guò)程、以及微物理過(guò)程等。WRF模式可以重點(diǎn)考慮1-10公里水平分辨率的氣象變量預(yù)報(bào)，相對(duì)MM5，WRF采用了更為先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算和資料同化技術(shù)，采用了更為完善的物理過(guò)程（尤其是對(duì)流和中尺度降水過(guò)程），可以實(shí)現(xiàn)多重移動(dòng)套網(wǎng)格性能。

WRF模式有廣泛的應(yīng)用前景，包括在天氣預(yù)報(bào)、大氣化學(xué)、區(qū)域氣候、純粹的模擬研究等方面的應(yīng)用，它將有助于開展不同類型、不同地域天氣過(guò)程的高分辨率數(shù)值模擬，提高天氣預(yù)報(bào)的分辨率和準(zhǔn)確性。在風(fēng)電領(lǐng)域，WRF模式主要應(yīng)用于風(fēng)功率預(yù)測(cè)和風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址。

1.2 參數(shù)化方案的選擇

本文使用的WRF模式設(shè)置如下：模式中心坐標(biāo)北緯41度，東經(jīng)117.5，采用雙層嵌套，水平格點(diǎn)100*100，水平分辨率3km，垂直方向28層，時(shí)間步長(zhǎng)為60s。通過(guò)WPS模塊處理FNL數(shù)據(jù)，并形成WRF模式的氣象初始場(chǎng)。下墊面信息和地形數(shù)據(jù)采用NASA的USGS數(shù)據(jù)。

相關(guān)研究表明不同參數(shù)化方案的選取對(duì)模擬結(jié)果具有較大影響，而近地層風(fēng)場(chǎng)特征的變化主要受邊界層參數(shù)化方案影響較為顯著[5]。

本文利用WRF模式中常見的邊界層方案Yonsei University（YSU）[6]和Mellor-Yamada-Janjic（MYJ）[7]兩種方案模擬承德壩下某山地風(fēng)電場(chǎng)。

1.3 兩種邊界層方案簡(jiǎn)介

Yonsei University（YSU）邊界層方案：YSU是MRF邊界層方案的第二代。對(duì)于MRF增加了處理邊界層頂部夾卷層的方法。

Mellor-Yamada-Janjic（MYJ）邊界層方案：此方案用邊界層和自由大氣中的湍流參數(shù)化過(guò)程代替Mellor-Yamada的2.5階湍流閉合模型。這是將用于Eta模式中的Mellor-Yamada-Janjic方案引入該模式的一種邊界層方案，它預(yù)報(bào)湍流動(dòng)能，并有局地垂直混合。該方案調(diào)用SLAB（薄層）模式來(lái)計(jì)算地面的溫度；在SLAB之前，用相似理論計(jì)算交換系數(shù)，在SLAB之后，用隱式擴(kuò)散方案計(jì)算垂直通量。

兩種方案模擬承德壩下某風(fēng)電場(chǎng)，對(duì)比模擬效果具體參數(shù)見表1。

2 結(jié)果分析

通過(guò)后處理程序GrADS提取80m高度風(fēng)速與兩個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（編號(hào)為1#測(cè)風(fēng)塔和2#測(cè)風(fēng)塔，高度均為80m）。1#測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速和2#測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)平均風(fēng)速分別為6.52m/s和5.36m/s，1#測(cè)風(fēng)塔和2#測(cè)風(fēng)塔位置處YSU方案模擬數(shù)據(jù)分別為6.59m/s和5.50m/s，與實(shí)測(cè)相比分別相差了0.07m/s和0.14m/s；MYJ方案平均風(fēng)速分別為6.33m/s和5.67m/s，與實(shí)測(cè)相比分別相差了0.19m/s和0.31m/s。兩個(gè)方案均平均風(fēng)速接近實(shí)測(cè)風(fēng)速，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

其誤差統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表2，1#測(cè)風(fēng)塔模擬誤差統(tǒng)計(jì)如下：YSU方案平均絕對(duì)誤差MAE為20.06%，MYJ方案MAE為24.55%；YSU方案相對(duì)均方根誤差RMSE為25.82%，MYJ方案RMSE為32.03%。2#測(cè)風(fēng)塔模擬誤差統(tǒng)計(jì)如下：YSU方案MAE為24.47%，MYJ方案MAE為31.05%；YSU方案RMSE為30.19%，MYJ方案RMSE為40.83%。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比見圖1～圖4所示，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的較為吻合，MYJ方案數(shù)據(jù)的偏離程度略高高。從相關(guān)關(guān)系來(lái)看，YSU方案與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系能達(dá)到0.84和0.86，高于MYJ方案與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系0.75和0.715。上述統(tǒng)計(jì)可見，WRF模式也能在復(fù)雜的山地風(fēng)電場(chǎng)取得較高相關(guān)關(guān)系，能為測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)插補(bǔ)提供可靠的依據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用中尺度數(shù)值模式WRF模式并采用兩種邊界層參數(shù)化方案模擬承德壩下某復(fù)雜山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速，通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：（1）即便是在復(fù)雜的山地風(fēng)電場(chǎng)，WRF模式能取得較好的模擬效果。在本案例中，YSU參數(shù)化方案模擬精度略高于MYJ方案，但都取得較高模擬精度。（2）WRF模式可以用于復(fù)雜山地項(xiàng)目測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速插補(bǔ)、風(fēng)資評(píng)估等工作，可以有效解決因缺測(cè)導(dǎo)致測(cè)風(fēng)資源不足的問(wèn)題。亦可以將中尺度數(shù)據(jù)和微尺度模型結(jié)合方法，以提高山地風(fēng)電場(chǎng)資源。（3）受復(fù)雜的下墊面影響，WRF模擬對(duì)風(fēng)速的模擬難免會(huì)有一定誤差，可以采用誤差訂正等方法進(jìn)行修正，再用于測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)插補(bǔ)、風(fēng)資源評(píng)估等工作。

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