云南大理復(fù)雜地形上風(fēng)場(chǎng)的模擬研究

周曉鷗, 曹 樂, 于瀟萌, 孔維奇, 張其林

(南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院, 南京 210044)

大風(fēng)是云南地區(qū)的災(zāi)害性天氣之一,給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來重大損失。由于云南地區(qū)地處低緯度高原,地形地貌復(fù)雜多樣,更有超過80%的面積為山地,所以云南微氣象、微地形條件下風(fēng)害的形成機(jī)理、變化規(guī)律與臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)等不同,具有明顯的地域特征，即受地形影響較大。復(fù)雜的云南地形致使局部環(huán)流、“狹管效應(yīng)”明顯。因此,云南地區(qū)時(shí)常因風(fēng)害造成輸電線路的運(yùn)行故障,跳閘頻發(fā),給人民生產(chǎn)生活帶來極大不便。因此研究云南地區(qū)特殊復(fù)雜地形上大風(fēng)的天氣規(guī)律,對(duì)預(yù)報(bào)大風(fēng)天氣具有重大意義。

關(guān)于復(fù)雜地形上的大風(fēng)天氣,學(xué)者們的相關(guān)研究主要可分為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬3類。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析是通過收集大量的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行分析和概括總結(jié)。楊芳園等[1]對(duì)云南省的一次颮線大風(fēng)天氣進(jìn)行了中尺度特征分析,第一次探究了地面大風(fēng)天氣與地面流場(chǎng)之間的關(guān)系,從而可提前1 h預(yù)報(bào)颮線。楊智等[2]采用渦動(dòng)相關(guān)法分析了觀測(cè)資料,探討了大理近地層中湖陸風(fēng)、峽谷風(fēng)特征以及形成原因和影響因素,得到大理不穩(wěn)定層結(jié)白天比夜間多,湍流白天多于夜間并隨著風(fēng)速的增大而減小的結(jié)論。徐安倫等[3]通過分析全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)探空加密觀測(cè)資料,得到云南洱海湖濱區(qū)大氣邊界層厚度、位溫、比濕、風(fēng)速、風(fēng)向等的垂直結(jié)構(gòu)。其中風(fēng)向在高層因受大尺度環(huán)流控制,以西風(fēng)為主；中層氣流則主要被地形影響,局地環(huán)流明顯；而低層白天盛行東風(fēng)和東南風(fēng),夜間多為西風(fēng)和西南風(fēng)。楊澄等[4-5]利用大理基本氣象站1971—2010年地面觀測(cè)的風(fēng)資料并結(jié)合NCEP[6](National Centers for Environmental Prediction)高空風(fēng)資料,分析了大理市大風(fēng)日數(shù)的年變化、年代際變化、季變化、月變化、日變化以及大風(fēng)風(fēng)向和風(fēng)速的特征。此外,還選取大理地區(qū)近年來5個(gè)冬季大風(fēng)個(gè)例進(jìn)行分析,討論了導(dǎo)致青藏高原東南側(cè)大風(fēng)產(chǎn)生的環(huán)流背景和動(dòng)力、熱力因子。此外,學(xué)者們還對(duì)不同下墊面特性的大風(fēng)天氣時(shí)空分布特征進(jìn)行了詳細(xì)分析[7-10]。

風(fēng)洞試驗(yàn)研究是按照各實(shí)物比例縮小,在地面人工環(huán)境中固定擺放研究物的模型,使用人造氣流來模擬各種復(fù)雜地形上的風(fēng)場(chǎng)。譙澤診[11]利用風(fēng)洞試驗(yàn)方法,對(duì)兩種新式擋沙墻的擋風(fēng)效果進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究,為大風(fēng)區(qū)域防風(fēng)防沙的工程措施提供評(píng)價(jià)支撐。趙爽等[12]和田連博等[13]分別以不同的大跨越輸電塔體系為背景,通過分析氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn),研究了導(dǎo)線與輸電塔之間的關(guān)系。

數(shù)值模擬是利用計(jì)算機(jī)求解流體流動(dòng)的各種守恒控制偏微分方程組的技術(shù),從而模擬仿真實(shí)際的流體流動(dòng)情況的一種方法。李致宇[14]在考慮大風(fēng)和覆冰這兩個(gè)因素對(duì)輸電桿塔的影響下,提出了一種桿塔功能函數(shù)模型并進(jìn)行了檢驗(yàn),對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。陳業(yè)國(guó)等[15]運(yùn)用中尺度數(shù)值氣象研究與預(yù)報(bào)(weather research and forecasting，WRF)模式[16]對(duì)一次華南強(qiáng)颮線過程進(jìn)行了模擬研究,得出此次颮線過程的觸發(fā)和維持機(jī)制。王澄海等[17]通過新一代WRF模式對(duì)新疆“2·28”大風(fēng)過程進(jìn)行了模擬分析,得出其觸發(fā)機(jī)制不僅有地形和天氣環(huán)流系統(tǒng),還有大氣的斜壓性產(chǎn)生的垂直速度導(dǎo)致的高空動(dòng)量的垂直輸送,以及大風(fēng)發(fā)生前地面的非絕熱加熱引起的感熱和潛熱通量的增加。同年,湯浩等[18]也對(duì)此次大風(fēng)天氣過程使用WRF模式進(jìn)行模擬,表明新疆的特殊復(fù)雜地形和極大地氣壓梯度是造成此次大風(fēng)的重要原因。羅嘯宇等[19]運(yùn)用 ANSYS/Fluent18.0對(duì)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”中受損線路周邊的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了輸電線路附近復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響。Jubayer等[20]通過數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)復(fù)雜地形上的風(fēng)速進(jìn)行了估算。

關(guān)于近地層大風(fēng)天氣已有大量觀測(cè)及模式的研究,但目前已有的研究多是針對(duì)平坦地形條件下的風(fēng)場(chǎng)及其變化規(guī)律,對(duì)具有特殊微地形條件下的風(fēng)場(chǎng)變化規(guī)律特別是局部大風(fēng)形成機(jī)理卻認(rèn)識(shí)不足。因此,針對(duì)云南大理這一具有特殊地形的地區(qū),對(duì)局地地形上的風(fēng)場(chǎng)運(yùn)用三維大渦模式OpenFOAM(open field operation and manipulation)[21]進(jìn)行小尺度高分辨率數(shù)值模擬,從而獲取該區(qū)域內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向的時(shí)空分布,分析研究近地層大風(fēng)的形成和演變機(jī)理,以減少當(dāng)?shù)匾蝻L(fēng)災(zāi)造成的各種電力故障及其產(chǎn)生的人民生命財(cái)產(chǎn)損失。

1 數(shù)據(jù)與方法

選取云南大理南的45～47號(hào)電線桿塔區(qū)域(云南大理南部)作為研究區(qū)域,中心觀測(cè)點(diǎn)為 46號(hào)桿塔處(100.24°N,24.83°E)。首先將該研究區(qū)域的下墊面地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB、SOLIDWORKS、ANSYS ICEMCFD 等軟件進(jìn)行計(jì)算域的生成以及網(wǎng)格的劃分；接著選用合適的次網(wǎng)格模型,從而得到較為精確的大氣邊界層內(nèi)的湍流混合強(qiáng)度的空間分布；再將第二步所得到的湍流混合強(qiáng)度分布耦合到具有第一步所生成的邊界形狀的復(fù)雜計(jì)算域中的三維大渦模式OpenFOAM中,在添加適合復(fù)雜下墊面的壁面模型后進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。論文的數(shù)值計(jì)算得到南京信息工程大學(xué)高性能計(jì)算中心的計(jì)算支持和幫助。

1.1 復(fù)雜地形計(jì)算域及其網(wǎng)格的生成

網(wǎng)格質(zhì)量決定了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,因此需要生成高質(zhì)量網(wǎng)格來提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。首先需得到經(jīng)過自編MATLAB程序處理的計(jì)算區(qū)域的地形數(shù)據(jù)(地形數(shù)據(jù)來源于srtm數(shù)據(jù)[22],水平尺度約為3.6 km×3.6 km,選取區(qū)域的中心經(jīng)緯度為100.24°N,24.83°E),將之作為散點(diǎn)群集導(dǎo)入三維機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)SOLIDWORKS生成計(jì)算域下墊面[圖1(a)],然后將生成的下墊面導(dǎo)入網(wǎng)格生成軟件ANSYS ICEMCFD,在此下墊面基礎(chǔ)上添加側(cè)面和頂面。因大氣邊界層高度約為1 km,為充分考慮其湍流流動(dòng)影響區(qū)域,將垂直方向上的高度設(shè)為 2 km,從而生成完整的計(jì)算域[圖1(b)]。最后對(duì)該計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,生成可應(yīng)用在本研究的流場(chǎng)解算器OpenFOAM中的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在水平方向上,計(jì)算域邊界處的網(wǎng)格分辨率為45 m,中心加密處水平分辨率為30 m,而垂直分辨率為40 m。

圖1 計(jì)算域下墊面及整體計(jì)算域及網(wǎng)格

1.2 三維大渦模擬中的次網(wǎng)格模型的選取

目前應(yīng)用于湍流的數(shù)值模擬方法主要分為 3種：直接數(shù)值模擬(DNS)、雷諾平均方法(RANS)和大渦模擬(LES)。直接數(shù)值模擬(DNS)可以獲得湍流場(chǎng)的精確信息,但現(xiàn)有的計(jì)算資源無法滿足模擬需求。雷諾平均方法(RANS)可以計(jì)算高雷諾數(shù)的復(fù)雜流動(dòng),但該方法輸出的是平均運(yùn)動(dòng)結(jié)果,不能反映流場(chǎng)的細(xì)節(jié)信息。而大渦模擬(LES)方法可以直接計(jì)算大尺度渦的運(yùn)動(dòng),并且通過建立次網(wǎng)格模型來體現(xiàn)小尺度渦的運(yùn)動(dòng)對(duì)大尺度渦的運(yùn)動(dòng)的影響,因此該方法既可以得到較雷諾平均方法更多的動(dòng)態(tài)信息,又比直接數(shù)值模擬計(jì)算量小,因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用。研究中采用的即大渦模擬的方法,對(duì)大氣邊界層內(nèi)的湍流混合強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

在大渦模擬中,把湍流運(yùn)動(dòng)通過濾波方法分解成大尺度運(yùn)動(dòng)和小尺度運(yùn)動(dòng)兩部分,大尺度運(yùn)動(dòng)可通過數(shù)值求解微分方程直接計(jì)算,而小尺度運(yùn)動(dòng)對(duì)大尺度運(yùn)動(dòng)的影響在運(yùn)動(dòng)方程中則表現(xiàn)為類似雷諾應(yīng)力一樣的應(yīng)力項(xiàng),此應(yīng)力稱為次網(wǎng)格雷諾應(yīng)力,需要用次網(wǎng)格模型來模擬。目前,在大渦模擬中經(jīng)常廣泛采用的次網(wǎng)格模型有標(biāo)準(zhǔn)的Smagorinsky模型[23]、動(dòng)態(tài)渦黏性模型、動(dòng)態(tài)混合模型[24-26]等。其中Smagorinsky模型是第一個(gè)被廣泛應(yīng)用于大渦模擬中的次網(wǎng)格模型。在該次模型中,次網(wǎng)格應(yīng)力的表達(dá)式為

(1)

(2)

研究中采用的次網(wǎng)格模型相較于參數(shù)化方法,具有物理意義明確、精度高、健壯性好等特點(diǎn),并在之前的關(guān)于大氣邊界層的大渦模擬研究中[27]已被證明了可以很好地計(jì)算邊界層內(nèi)的有效湍流黏性,因此可以滿足研究邊界層內(nèi)湍流混合強(qiáng)度的計(jì)算精度要求。

1.3 三維大渦模擬的建立

使用開源軟件OpenFOAM來求解三維Navier-Stokes方程組[28],從而來捕捉空氣的流動(dòng)以及各氣象要素的時(shí)空分布。在運(yùn)用三維模式OpenFOAM求解流場(chǎng)方程的過程中,使用1.1節(jié)中生成的具有復(fù)雜地形條件的計(jì)算域以及網(wǎng)格數(shù)據(jù),對(duì)于湍流的處理則采用1.2節(jié)所述的次網(wǎng)格模型來計(jì)算流場(chǎng)中的有效湍流黏性。計(jì)算還需添加了可準(zhǔn)確代表研究區(qū)域氣象要素的初始場(chǎng)和邊界場(chǎng)等信息。為研究不同風(fēng)向條件下復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)場(chǎng)變化的影響,采取理想狀態(tài)下的風(fēng)向作為風(fēng)速的初始入口邊界場(chǎng)(東南西北4個(gè)風(fēng)向)。因云南省年平均風(fēng)速為2～3級(jí)(取平均值3 m/s),且大風(fēng)天氣的平均風(fēng)速較少超過17 m/s,瞬時(shí)風(fēng)速較少超過24.0 m/s[5],選取入口風(fēng)速為3～30 m/s,每間隔3 m/s計(jì)算一個(gè)算例。根據(jù)《風(fēng)力等級(jí)》(GB/T 28591—2012),每一級(jí)間隔約為3 m/s,4個(gè)風(fēng)向共40個(gè)算例。由于目前該算例采用理想狀態(tài)下的風(fēng)速風(fēng)向作為風(fēng)速的邊界場(chǎng),且該計(jì)算在一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定,因此目前輸出7 200 s的計(jì)算時(shí)間。此外,在計(jì)算域的兩側(cè)和頂部施加對(duì)稱邊界條件,這意味著法向速度為零以及這些邊界上的其他變量都為零梯度。在計(jì)算域的出口處,施加零靜壓。對(duì)于地面,還使用了適用于復(fù)雜地形的M-O(Monin-Obukhov)壁面模型[29]。

模式中處理近壁面區(qū)域通常有兩種方法：一種是壁面函數(shù)法,即使用一種稱之為壁面函數(shù)(wall function)的半經(jīng)驗(yàn)方法來計(jì)算壁面與充分發(fā)展湍流區(qū)域之間的黏性影響區(qū)域。另一種方法則是修改湍流模型使其能夠求解近壁的黏性影響區(qū)域,稱為壁面模型法(wall model)。本文模擬就是使用了壁面模型法。

目前最常使用的壁面模型是M-O壁面模型,該模型基于Monin-Obukhov相似率,假設(shè)壁面處的應(yīng)力張量τs形式為

(3)

(4)

式(4)中：|U|是下墊面上部第一個(gè)節(jié)點(diǎn)中心點(diǎn)的速度值,而Ui是其在x和y方向上的速度分量。

2 計(jì)算結(jié)果及討論

2.1 模式準(zhǔn)確性驗(yàn)證

首先對(duì)計(jì)算模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。模擬一個(gè)平坦下墊面情況下大氣邊界層中風(fēng)場(chǎng)以及溫度場(chǎng)變化的標(biāo)準(zhǔn)算例,并與文獻(xiàn)[27]的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。該算例的計(jì)算設(shè)置可參見文獻(xiàn)[27]。圖2展示了在平坦下墊面情況下,運(yùn)用OpenFOAM所計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)算例中平均風(fēng)速的垂直分布。該算例中的平均風(fēng)速和風(fēng)向在計(jì)算9 h后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從圖2可見，風(fēng)速隨高度增加,并且在150 m左右達(dá)到超過9 m / s的峰值,隨后在高空處降低至初始設(shè)置的地轉(zhuǎn)風(fēng)速(8 m/s)。此外,模擬中地表風(fēng)的風(fēng)向達(dá)到36°[圖2(b)],這些風(fēng)速與風(fēng)向的結(jié)果都與文獻(xiàn)[27]中的模擬結(jié)果一致,從而驗(yàn)證了OpenFOAM模式計(jì)算平坦下墊面時(shí)邊界層內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的準(zhǔn)確性。此外,計(jì)算中還得到地表的摩擦速度約為0.22 m/s,這也與Poulos等[30]在晴朗天氣,近地面靜風(fēng)即穩(wěn)定邊界層條件下進(jìn)行的CASES-99(cooperative atmosphere-surface exchange study)外場(chǎng)觀測(cè)中所獲得的摩擦速度的合理范圍(0.22～0.59 m/s)一致。

此外,模式還模擬了復(fù)雜下墊面情況下高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型的風(fēng)荷載算例,即利用CAARC(commonwealth advisory aeronautical research council)模型[31-32]來驗(yàn)證復(fù)雜下墊面時(shí)OpenFOAM模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。CAARC模型是驗(yàn)證數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)模型之一,其具體設(shè)置可見文獻(xiàn)[33],并在2/3建筑物高度的水平面上布置20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力的測(cè)點(diǎn)位置,用于測(cè)量風(fēng)壓系數(shù)。目前已有一整套關(guān)于CAARC標(biāo)準(zhǔn)算例的詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,以驗(yàn)證風(fēng)洞及數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。圖3體現(xiàn)了CAARC模型標(biāo)準(zhǔn)壓力測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)壓系數(shù)文獻(xiàn)值[33]與OpenFOAM模擬值的對(duì)比情況。結(jié)果表明OpenFOAM數(shù)值模擬結(jié)果與CAARC模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差均在5%之內(nèi),由此可以得出,OpenFOAM可以很好地模擬復(fù)雜下墊面情況下實(shí)際大氣的風(fēng)場(chǎng)的變化情況。

圖2 計(jì)算9 h后的平均風(fēng)廓線風(fēng)速、風(fēng)向的垂直分布

圖3 CAARC模型的風(fēng)壓系數(shù)的文獻(xiàn)值與模擬值對(duì)比[33]

綜上所述,OpenFOAM可以很好地捕捉平坦下墊面及復(fù)雜下墊面情況下大氣風(fēng)場(chǎng)的變化及分布,因此可以用來進(jìn)行本文中關(guān)于復(fù)雜地形條件下風(fēng)場(chǎng)時(shí)空分布的研究。

2.2 模擬結(jié)果分析

在研究中進(jìn)行了固定風(fēng)向風(fēng)速(東南西北4個(gè)不同風(fēng)向)共40個(gè)算例的模擬,并選取了項(xiàng)目中 46號(hào)桿塔處作為中心觀測(cè)點(diǎn)(x=1 800 m,y=1 800 m),高度為桿塔高度(z=2 336.9 m,相對(duì)高度h=35.9 m)。數(shù)值模擬計(jì)算的空間計(jì)算域尺寸為3.6 km×3.6 km×2 km(垂直方向距離下墊面最低點(diǎn)2 km,距離最高點(diǎn)約1.3 km),網(wǎng)格數(shù)為100×100×50且中心處加密,中心區(qū)域(1.8 km×1.8 km)的空間水平分辨率為30 m,垂直分辨率為40 m。計(jì)算時(shí)間步為每5 s輸出一次計(jì)算結(jié)果,共輸出7 200 s的結(jié)果。

以下對(duì)不同條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行展示和分析。

2.2.1 入口為南風(fēng)3 m/s

圖4所示為研究區(qū)域的初始入口風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)、風(fēng)速為固定3 m/s情況下,計(jì)算7 200 s后的結(jié)果。由圖4(a)可見，由于在該區(qū)域內(nèi)北部的地形較為平坦,因此計(jì)算域北部風(fēng)處于較為平直的狀態(tài)。而從圖4(b)又可以看到，區(qū)域的東南部海拔最高；即地形起伏比較大的地方風(fēng)速的增大幅度較大。結(jié)合圖4(a)、圖4(b)可以看到，風(fēng)吹過山脈后,在山峰迎風(fēng)坡處,由于地形的強(qiáng)迫抬升,使得風(fēng)速增大,最大值約為4.4 m/s。而同時(shí)由于山脈的阻礙作用,在山坡背面風(fēng)速急劇減小,風(fēng)速大小降為約1.5 m/s,同時(shí)風(fēng)向也發(fā)生了相應(yīng)的變化。此外,從中還可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)吹過山峰后衰減的趨勢(shì)是相同的,但衰減不同,這可能是由于不同坡度高度的影響所造成的。由側(cè)視圖[圖4(c)]可以看到，在計(jì)算域東北角風(fēng)向發(fā)生了改變,這是由于東北角地形有凸起,地形較周圍變化比較劇烈,該處上空處的氣流有所增大,并且產(chǎn)生下沉氣流。

再截取該計(jì)算結(jié)果中心點(diǎn)的x方向和y方向的剖面圖(圖5)。在這些剖面圖中,暗色區(qū)域代表氣塊向下運(yùn)動(dòng),亮色區(qū)域代表氣塊向上爬升。從圖中x方向的剖面圖[圖5(a)]中可以看出，在地勢(shì)變化較為劇烈的區(qū)域的近地層內(nèi),有大量渦旋湍動(dòng)混合發(fā)生。在此剖面上氣流爬升的速度最大可達(dá)到 1.0 m/s 左右,約為入口風(fēng)速的1/3,而下沉氣流風(fēng)速可達(dá)到0.4 m/s左右。而從y方向的剖面圖[圖5(b)]可以看出，在風(fēng)向垂直于該剖面時(shí),在山峰的兩側(cè),風(fēng)基本上處于向外流動(dòng)的狀態(tài),即是在斜坡表面的兩側(cè),由于地形的變化,風(fēng)向會(huì)轉(zhuǎn)為下谷風(fēng),而且該下谷風(fēng)往往會(huì)出現(xiàn)極強(qiáng)陣風(fēng)的狀態(tài)。從中可以看出上升氣流最大，約為0.6 m/s,下沉氣流風(fēng)速達(dá)到0.7 m/s。

而從不同高度的z方向的剖面圖(圖6)中可以看出風(fēng)速流動(dòng)的趨勢(shì)。在2 300 m高度處[圖6(a)],由于東南部地形存在山峰,只能看見山峰背風(fēng)坡為小風(fēng)速,在0～1 m/s。而在高度為 2 400 m[圖6(b)]和2 500 m[圖6(c)]處,可以看到由于地形的爬升,風(fēng)速在入口處逐漸增大,而當(dāng)遇到地形的陡然上升時(shí),由于山坡的阻擋作用,該高度處的風(fēng)速在山峰的背風(fēng)坡迅速下降到0～1 m/s。

圖4 南風(fēng)3 m/s時(shí)計(jì)算結(jié)果的俯視圖、全景圖和側(cè)視圖

圖5 計(jì)算域中心點(diǎn)處x方向和y方向的剖面圖

圖7所示是取中心探測(cè)點(diǎn)(x=1 800 m,y=1 800 m,地面高度35.9 m即46號(hào)桿塔高度)處的風(fēng)速變化情況,可以看出，在南風(fēng)情況下,x方向上的風(fēng)速Ux在一段短暫的計(jì)算震蕩后達(dá)到穩(wěn)定,其值在0.5 m/s左右,而y方向上的風(fēng)速Uy在穩(wěn)定后也保持在2.6 m/s的狀態(tài),而垂直方向上的風(fēng)速Uz因?yàn)樵擖c(diǎn)位于背風(fēng)坡為下沉氣流,約為-0.15 m/s。

圖6 不同高度處的風(fēng)場(chǎng)剖面圖

圖7 南風(fēng)3 m/s時(shí)探測(cè)點(diǎn)風(fēng)速隨時(shí)間變化

2.2.2 入口為南風(fēng)6～30 m/s

當(dāng)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)時(shí),分別計(jì)算入口風(fēng)速為6～30 m/s 情況下的結(jié)果。圖8中顯示了入口風(fēng)速為 6～15 m/s時(shí)各速度分量隨時(shí)間的變化,經(jīng)一段時(shí)間后x、y方向分量均達(dá)到穩(wěn)定。表1所示是南風(fēng)不同入口風(fēng)速條件下中心探測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的x、y、z方向分量的模擬結(jié)果。可以看出，該中心探測(cè)點(diǎn)處的速度基本隨入口風(fēng)速的增加而增加。相對(duì)于入口風(fēng)速來說,探測(cè)點(diǎn)風(fēng)速在y方向(即南風(fēng)方向)上的分量有約10%的衰減。而在垂直方向上均為下沉氣流。各風(fēng)速分量情況均與3 m/s入口風(fēng)速情況一致。圖9 所示則是對(duì)各分量的擬合結(jié)果,圖9表明,探測(cè)點(diǎn)風(fēng)速各方向分量的數(shù)值變化基本與入口風(fēng)速的變化一致,并呈線性關(guān)系。在x方向上的風(fēng)速增量變化約為入口的風(fēng)速增量的15%,在y方向上的風(fēng)速增量則約為入口風(fēng)速增量的91%,而在z方向上的風(fēng)速增量為入口風(fēng)速增量的6%且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即計(jì)算域南部入口風(fēng)速的增大會(huì)使該探測(cè)點(diǎn)處的下沉氣流速度增加。

表1 南風(fēng)條件下各不同風(fēng)速時(shí)中心探測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

2.2.3 其他風(fēng)向固定風(fēng)速3 m/s

在模擬了南風(fēng)不同入口風(fēng)速的基礎(chǔ)上,對(duì)其他風(fēng)向入口風(fēng)速為3 m/s的情況進(jìn)行了模擬分析。

由圖10可得,在北風(fēng)情況下,各方向風(fēng)速在計(jì)算開始時(shí)波動(dòng)都較大,探測(cè)點(diǎn)處x方向上的風(fēng)速在計(jì)算時(shí)間內(nèi)由0左右增大到1.4 m/s左右穩(wěn)定,而y方向上的風(fēng)速逐漸減小,并由初始入口風(fēng)速的南風(fēng)3 m/s減小為0.9 m/s。垂直方向上的風(fēng)速由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值即由上升氣流變?yōu)橄鲁翚饬?最后穩(wěn)定在-0.3 m/s。

圖8 南風(fēng)不同入口風(fēng)速時(shí)探測(cè)點(diǎn)風(fēng)速隨時(shí)間變化

圖9 南風(fēng)不同入口風(fēng)速條件下探測(cè)點(diǎn)風(fēng)速趨勢(shì)圖

圖10 不同風(fēng)向條件下初始入口風(fēng)速為3 m/s探測(cè)點(diǎn)風(fēng)速隨時(shí)間的變化

東風(fēng)條件下該探測(cè)點(diǎn)上x方向上的風(fēng)速增大,至-3.3 m/s左右保持穩(wěn)定。y方向上的風(fēng)速在計(jì)算時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在0.6 m/s。東風(fēng)情況下該點(diǎn)垂直方向上的風(fēng)速穩(wěn)定在-0.2 m/s左右。由此可見在東風(fēng)情況下,探測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速大小受地形變化并不明顯。

西風(fēng)情況下的x方向的風(fēng)速則比入口風(fēng)速增大了約50%,這也是4種風(fēng)向中增大最明顯的一個(gè)情況。并且在垂直方向上,當(dāng)吹西風(fēng)時(shí)空氣的上升速度最大。因此,選取西風(fēng)條件下的不同入口風(fēng)速進(jìn)行進(jìn)一步模擬和研究。

2.2.4 入口為西風(fēng)3～30 m/s

在分析各個(gè)方向初始入口風(fēng)速3 m/s的情況后,發(fā)現(xiàn)西風(fēng)條件下的x方向的風(fēng)速比入口風(fēng)速增大了約50%,由此,又對(duì)西風(fēng)6～30 m/s進(jìn)行了計(jì)算,來研究西風(fēng)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速變化的影響。表2所示為固定入口風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng),風(fēng)速3～30 m/s的計(jì)算結(jié)果,圖11顯示了入口風(fēng)速與觀測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速的x、y、z方向上分量的擬合關(guān)系?？梢娫诓煌奈黠L(fēng)入口風(fēng)速條件下,觀測(cè)點(diǎn)x方向上的風(fēng)速均為初始入口風(fēng)速的1.5倍,且為線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)更是達(dá)到了0.99。而風(fēng)速在y方向上的分量約為入口風(fēng)速的7%,z方向則全部為上升氣流,其值達(dá)到入口風(fēng)速的20%。

表2 西風(fēng)條件下各不同風(fēng)速時(shí)中心探測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

圖11 西風(fēng)不同入口風(fēng)速條件下7 200 s后探測(cè)點(diǎn)風(fēng)速趨勢(shì)

進(jìn)一步探究初始入口風(fēng)速為西風(fēng)時(shí),探測(cè)點(diǎn)風(fēng)速增大的原因。由圖12所示的研究區(qū)域地形圖可知,研究區(qū)域東南部和中北部分別有高海拔山峰存在,東南部山峰更是高達(dá)2 450 m,相對(duì)地面高度約為700 m。當(dāng)風(fēng)從西邊勻速吹來時(shí),即是從廣闊的低海拔區(qū)域吹向兩座山峰中的峽谷區(qū)域,因此產(chǎn)生了漏斗效應(yīng),致使風(fēng)在吹過觀測(cè)點(diǎn)時(shí)風(fēng)速增加。此外,觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速增加的另一個(gè)原因則是由于觀測(cè)點(diǎn)地處研究區(qū)域東南部山峰的迎風(fēng)坡,風(fēng)速在爬坡過程中也會(huì)產(chǎn)生增加。

圖12 模擬區(qū)域二維地形圖

2.2.5 大風(fēng)預(yù)報(bào)應(yīng)用

為了加強(qiáng)數(shù)值模擬結(jié)果在實(shí)際大風(fēng)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用,統(tǒng)計(jì)分析了2016—2019年云南大理地面風(fēng)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),并與數(shù)值模擬的研究結(jié)果進(jìn)行比對(duì),以提高研究中所得到的結(jié)論在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)應(yīng)用中的價(jià)值。

圖13所示是利用美國(guó)國(guó)家氣候數(shù)據(jù)中心(U.S.National Climatic Data Center, NCDC)[34]上獲取的2016—2019年云南大理地面風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)所繪制的大風(fēng)(風(fēng)速大于17 m/s[5])風(fēng)向的頻率玫瑰圖。該數(shù)據(jù)每年更新。從圖13中可以看到,在云南大理處,當(dāng)風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)時(shí),2016—2019年每年的大風(fēng)頻率都在20%以上,且遠(yuǎn)高于其他風(fēng)向,而這也與研究中模擬所得到的結(jié)論一致。由此,通過該實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及研究中的數(shù)值模擬結(jié)論可得到,未來在大理的大風(fēng)預(yù)報(bào)中,可重點(diǎn)關(guān)注西風(fēng)條件下風(fēng)速的變化,并做好相應(yīng)防風(fēng)措施,從而在最大程度上減少大風(fēng)災(zāi)害所帶來的影響。

圖13 2016—2019年云南大理大風(fēng)日數(shù)各風(fēng)向頻率玫瑰圖

3 結(jié)論

(1)根據(jù)計(jì)算結(jié)果,云南大理白族自治州南部(100.24°N,24.83°E)微環(huán)境地形下山峰迎風(fēng)坡處,由于地形的強(qiáng)迫抬升會(huì)使局部風(fēng)速增大,而當(dāng)同時(shí)由于山脈的阻礙作用,在山坡背面坡風(fēng)速則會(huì)急劇減小,同時(shí)風(fēng)向也會(huì)發(fā)生變化,產(chǎn)生尺度較小的渦旋以及不規(guī)則的回流。

(2)由不同風(fēng)向固定風(fēng)速的計(jì)算,發(fā)現(xiàn)該區(qū)域中心點(diǎn)在吹西風(fēng)時(shí)由于漏斗效應(yīng)水平風(fēng)速有明顯增大情況,x方向上分量約為入口風(fēng)速的1.5倍,而入口風(fēng)速為其他風(fēng)向情況下水平風(fēng)速則沒有太大的變化。而在垂直方向上,在吹西風(fēng)的情況下,該探測(cè)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生明顯的上升氣流,而其他風(fēng)向情況下均為下沉氣流且都接近于零。