一种基于大气热力学模型的风速垂直廓线插值方法及系统与流程

本发明属于风能，具体涉及一种基于大气热力学模型的风速垂直廓线插值方法及系统。

背景技术：

1、在风能资源评估，特别是考虑气候变化的风能资源长期评估中，通常需要使用全球气候模型（global climate models，gcms）或区域气候模型（regional climate models，rcms）的输出数据。然而，这些模型输出的风速数据通常对应标准高度（如近地表10米高度），或基于模型固有的气压/地形追随坐标体系输出，而非风力发电机实际运行的轮毂高度（通常为80-150米，海上可达200米以上）。

2、传统做法是采用幂律公式或对数律公式，基于固定的风切变指数（α），将低层风速（如10米高度风速）外推至轮毂高度。然而，这种外推方法存在以下缺陷：

3、（1）忽略关键气候反馈。风切变指数本身受大气稳定度（温度垂直梯度）和地表粗糙度影响。在气候变化背景下，海表温度与气温的变化会改变大气稳定度，进而改变风廓线形状。传统固定指数法无法捕捉这一动态物理过程，易导致未来风能资源变化的预测趋势出现偏差，往往夸大变化幅度。

4、（2）数据利用不充分。传统方法仅使用模型输出的10米高度风速这一单一变量，无法利用模型在垂直层次上提供的温度、湿度和气压信息，而这些信息是描述大气层结状态的关键参数。

5、因此，迫切需要一种物理基础坚实、能充分利用气候模型输出信息、可更精确计算风速垂直分布的新型插值方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服如何精确计算风速垂直分布的问题，提出了一种基于大气热力学模型的风速垂直廓线插值方法及系统。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种基于大气热力学模型的风速垂直廓线插值方法，包括以下步骤：

4、步骤一、获取气候模型输出的原生垂直层次气象数据及垂直坐标定义参数；气象数据包括各垂直层次的水平风分量、空气温度、比湿，以及地表气压；

5、步骤二、根据垂直坐标定义参数与地表气压，计算各垂直层次的气压值；根据空气温度与比湿，计算各垂直层次的虚温；

6、步骤三、基于流体静力学平衡，自地表起逐层向上积分，依据气压值与虚温，计算各垂直层次的几何高度；

7、步骤四、确定目标高度所处的垂直层次区间，在对数高度坐标系下对水平风分量进行线性插值，得到目标高度处的水平风分量。

8、进一步地，垂直坐标定义参数包括参考气压与各垂直层次的坐标系数；步骤二中，根据参考气压、坐标系数与地表气压计算各垂直层次的气压值。

9、进一步地，步骤三中，依据气压值与虚温计算相邻两个垂直层次间的气柱厚度，如下式所示：

10、z_{k→k+1}=(r_d\bar{t}_{v,[k,k+1]}/g)ln(p_k/p_{k+1})

11、其中，z_{k→k+1}为第k层与第k+1层之间的气柱几何厚度，r_d为干空气气体常数，g为重力加速度，\bar{t}_{v,[k,k+1]}为第k层与第k+1层之间虚温的算术平均值，p_{k+1}为第k+1层的气压，ln为自然对数函数；

12、自地表起逐层累加气柱厚度，得到各垂直层次的几何高度。

13、进一步地，步骤四中，根据目标高度与垂直层次区间两端几何高度的对数值计算插值权重，如下式所示：

14、weight=[ln(z_target)-ln(z_k)]/[ln(z_{k+1})-ln(z_k)]

15、其中，weight是插值权重，z_target是目标轮毂高度，z_k为第k层的几何高度，z_{k+1}为第k+1层的几何高度，ln为自然对数函数；

16、依据插值权重对垂直层次区间两端的水平风分量进行线性插值，得到目标高度处的水平风分量，如下式所示：

17、u_target=u_k+weight(u_{k+1}-u_k)

18、v_target=v_k+weight(v_{k+1}-v_k)

19、其中，u_target为目标高度处的纬向风速分量，v_target为目标高度处的经向风速分量，u_k为第k层的纬向风速分量，u_{k+1}为第k+1层的纬向风速分量，v_k为第k层的经向风速分量，v_{k+1}为第k+1层的经向风速分量，weight为插值权重。

20、进一步地，步骤四之后，根据水平风分量合成得到目标高度处的水平风速大小与风向。

21、进一步地，在目标高度所处的垂直层次区间内，在对数高度坐标系下对气压值与虚温进行线性插值，得到目标高度处的气压值与虚温；根据目标高度处的气压值与虚温计算目标高度处的空气密度；根据空气密度与水平风速大小计算目标高度处的风功率密度。

22、进一步地，若气候模型直接输出各垂直层次的气压值，步骤二中直接读取气压值；若气候模型直接输出各垂直层次的几何高度，步骤三中直接读取几何高度。

23、第二方面，本发明提供一种基于大气热力学模型的风速垂直廓线插值系统，包括：

24、数据获取模块，用于获取气候模型输出的原生垂直层次气象数据及垂直坐标定义参数；气象数据包括各垂直层次的水平风分量、空气温度、比湿，以及地表气压；

25、虚温计算模块，用于根据垂直坐标定义参数与地表气压，计算各垂直层次的气压值；根据空气温度与比湿，计算各垂直层次的虚温；

26、高度计算模块，用于基于流体静力学平衡，自地表起逐层向上积分，依据气压值与虚温，计算各垂直层次的几何高度；

27、分量插值模块，用于确定目标高度所处的垂直层次区间，在对数高度坐标系下对水平风分量进行线性插值，得到目标高度处的水平风分量。

28、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现一种基于大气热力学模型的风速垂直廓线插值方法。

29、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现一种基于大气热力学模型的风速垂直廓线插值方法。

30、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

31、本发明提出的一种基于大气热力学模型的风速垂直廓线插值方法，本发明基于流体静力学平衡原理重建各垂直层次的几何高度，结合温度、湿度数据计算得到的虚温参与高度计算过程，重建的高度场与气候模型自身的热力学状态严格自洽，规避了传统方法中固定风切变指数的理想化假设偏差，插值得到的风速结果符合大气边界层风廓线的实际分布规律，物理一致性更强。本发明可动态适配大气层结状态的时空变化。计算过程中，气压、温度、湿度的垂直分布特征全程参与高度重建与插值约束，能够内在反映大气稳定度的变化情况。在气候变化背景下的风能资源长期评估中，可准确捕捉气温、海表温度变化对风切变廓线的影响，还原风能资源的真实演变趋势，避免传统固定指数法对资源变化幅度的误判。本发明充分利用气候模型原生垂直层次的多维度气象数据，将水平风分量、空气温度、比湿、地表气压多类要素协同纳入计算框架，而非仅依赖单层近地表风速数据，大幅提升了气候模型输出数据的利用效率，多物理量的相互约束也进一步保障了插值结果的可靠性。本发明采用对数高度坐标系下的线性插值方式，契合近地层风速随高度变化的对数分布特性，结合物理重建的精确几何高度坐标，有效提升了目标高度处风速的计算精度，可为风能资源评估、风电场前期勘测等场景提供可靠的风速数据支撑。