基于风速段的WRF近地面风场模拟及结果评估方法及系统与流程

基于风速段的wrf近地面风场模拟及结果评估方法及系统
技术领域
1.本发明涉及输电线路防护技术领域，尤其涉及一种基于风速段的wrf(weather research and forecasting model，天气预报模式)近地面风场模拟及结果评估方法及系统。


背景技术：

2.风与不同气候条件相结合，会对架空输电线路造成损坏。在风的激励作用下，轻度覆冰的架空输电线路极易发生一种低频、大振幅的自激振荡，即线路舞动，轻则造成金具损坏和断线，严重时可能发生线路倒塔，严重威胁电网安全稳定运行。风场作为线路舞动的动力因素，其模拟结果准确度对线路舞动治理具有重大意义。
3.风场预报通常通过气候模式开展，通过初始气象场条件计算得到风场预报结果，主要提供地面10米的风场预报，通常采用求平均值的方式对风场模拟结果的评估，无法明确各风速和风向上差异的问题，因此，亟需一种基于风速段的wrf近地面风场模拟及结果评估方法。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于风速段的wrf近地面风场模拟及结果评估方法及系统，用以解决现有技术在评估wrf近地面风场模拟结果时无法明确各风速和风向上差异的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
6.一种基于风速段的wrf近地面风场模拟及结果评估方法，包括以下步骤：
7.收集中国气象台站和风电场的测风塔信息及观测数据，将每组测风塔冬季的风速观测数据按天气分为三种，分别为冬季晴天、冬季雨雪天和冬季其他天气；
8.收集美国ncep的fni全球再分析资料作为wrf模式初始气象场数据；
9.采用设定方案进行wrf风场模式计算，得到风场模拟结果；设定方案包括：wrf的第一至第四层网格采用双向嵌套，网格距依次为27km、9km、3km和1km，积分步长为40s；第五重网格采用的嵌套方式是单向嵌套，网格距为200m，积分步长为2s；采用的微物理参数化方案为lin方案(由yuh
‑
lang lin提出的微物理参数化方案)，长波辐射参数化方案为rrtm方案(快速辐射传输方案)，短波辐射参数化方案dudhia方案(由jimy dudhia提出的短波辐射参数化方案)，边界层参数化方案为myj(mellor
‑
yamadajanjic，由janjic zi提出)方案，近地层参数化方案为eta方案(相似理论方案)，路面过程方案为noah
‑
lsm(noah land surface model)方案，积云对流方案为bmj(betts
‑
mille
‑
janjic)方案；
10.以实际观测的风速进行分级统计作为x轴，以多组wrf模式计算结果的风速风向模拟结果与真实观测差值的分布进行统计分析，作为y轴；在不同风速段上对所有的模拟诊断偏差值进行统计，得到该风速段上的平均偏差值、四分位值、中位数和各个偏差段内的出现频率分布。
11.优选地，方法还包括：
12.根据风场模拟结果，对比冷空气过境时与非冷空气过境时的风场模拟结果，统计风速风向值，将各风速段上的偏差评估结果进行对比，分析在两类天气现象下，风速风向的模拟诊断效果的差别。
13.优选地，中国气象台站和风电场的测风塔信息及观测数据包括以下4个测风高度的风速和风向观测数据：分别为10米/60米/70米/80米高度。
14.优选地，其特征收集美国ncep的fni全球再分析资料，还包括步骤：
15.将fnl再分析数据每6h采集一次，水平分辨率为1
°×1°
；网格设置采用的是重嵌套，直层数设置为57层，垂直层在1km以下有9层，eta坐标分别为0.997、0.992、0.985、0.978、0.969、0.960、0.950、0.938和0.925.高度为0.925约为930hpa，离地高度约1km。
16.本发明还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上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上述任一方法的步骤。
17.本发明具有以下有益效果：
18.本发明的基于风速段的wrf近地面风场模拟及结果评估方法及系统，可以实现近地面风场模拟结果的多风速段评估，该方法思路清晰，实用性强，准确率高。
19.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
20.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
21.图1是本发明优选实施例1的基于风速段的wrf近地面风场模拟及结果评估方法的流程示意图；
22.图2是本发明优选实施例2的所有观测站在海峡的地理位置的示意图；
23.图3是本发明优选实施例3的wrf模式设置的五层模拟区域的示意图。
具体实施方式
24.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
25.实施例1：
26.参见图1，本实施例的基于风速段的wrf近地面风场模拟及结果评估方法，包括以下步骤：
27.(1)天气实况数据收集。
28.为明确真实环境中的风场信息，需要收集全国气象台站和风电场的测风塔信息及观测数据。气象站和测风塔观测资料均包括4个测风高度，分别为10米/60米/70米/80米高度的风速和风向观测数据。得到多组测风塔的观测数据。并将每组测风塔冬季的(11月
‑
次年3月)风速观测数据按天气分为三种，分别为冬季晴天(降水量r＝0，天气为晴或多云)、冬季雨雪天(降水量r≥5mm)，和冬季其他天气。
29.(2)wrf模式初始气象场数据收集。
30.为较为详细模拟出边界层的特征，收集美国ncep的fni全球再分析资料作为wrf模式初始气象场数据。fnl再分析数据每6h采集一次，水平分辨率为1
°×1°
。网格设置采用的是重嵌套，直层数设置为57层，垂直层在1km以下有9层，eta坐标分别为0.997、0.992、0.985、0.978、0.969、0.960、0.950、0.938和0.925.高度为0.925约为930hpa，离地高度约1km。
31.(3)wrf风场模式计算。
32.wrf的第一至第四层网格采用双向嵌套，网格距依次为27km、9km、3km和1km，积分步长为40s。第五重网格采用的嵌套方式是单向嵌套，网格距为200m，积分步长为2s。采用的微物理参数化方案为lin方案，长波辐射参数化方案为rrtm方案，短波辐射参数化方案dudhia方案，边界层参数化方案为myj方案，近地层参数化方案为eta方案，路面过程方案为noah
‑
lsm方案，积云对流方案为bmj方案。基于以上方案开展wrf模式计算，得到风场模拟结果。
33.(4)各风速段上的偏差评估。
34.为了详细地看出在各个风速上风的区别，首先以实际观测的风速进行分级统计，用x轴表示；以多组wrf模式计算结果的风速风向与真实观测差值的分布进行统计分析，用y轴表示。在不同风速段上对所有的模拟诊断偏差值进行统计，得到该风速段上的平均偏差值、四分位值、中位数和各个偏差段内的出现频率分布。
35.(5)冷空气过境时的风场模拟结果评估对比。
36.为区分出冷空气活动期间与非冷空气活动期间的风场模拟结果差异，需对比冷空气过境时与非冷空气过境时的风场模拟结果，统计风速风向值，将各风速段上的偏差评估结果进行对比，分析在两类天气现象下，风速风向的模拟诊断效果的差别。
37.实施例2：
38.本实施例的基于风速段的wrf近地面风场模拟结果评估方法，包括以下步骤：
39.(1)天气实况数据收集。
40.为明确真实环境中的风场信息，需要收集全国气象台站和风电场的测风塔信息及观测数据。气象站和测风塔观测资料均包括4个测风高度，分别为10米/60米/70米/80米高度的风速和风向观测数据。得到多组测风塔的观测数据。并将每组测风塔冬季的(11月
‑
次年3月)风速观测数据按天气分为三种，分别为冬季晴天(降水量r＝0，天气为晴或多云)、冬季雨雪天(降水量r≥5mm)，和冬季其他天气。本次研究的两次冷空气过程分别在2011年11月5
‑
14日和2011年12月6
‑
15日。参见图2，其中11月冷空气过程中影响琼州海峡的时间大致在8日11时至10日11时，12月过程影响时间大致在8日08时至12日8时。区域气象站的高度10m为在图中为空心圆点，实心圆点则为测风塔，分别为秀英塔、徐闻塔、19011、21002、21004和21005测风塔，均包括4个测风高度，分别为10/60/70/80m高度。总计21个观测点。
41.(2)wrf模式初始气象场数据收集。
42.为较为详细模拟出边界层的特征，收集美国ncep的fni全球再分析资料作为wrf模式初始气象场数据。fnl再分析数据每6h采集一次，水平分辨率为1
°×1°
。网格设置采用的是重嵌套，直层数设置为57层，垂直层在1km以下有9层，eta坐标分别为0.997、0.992、0.985、0.978、0.969、0.960、0.950、0.938和0.925.高度为0.925约为930hpa，离地高度约1km。利用21个观测点的风观测资料来对wrf模拟结果进行评估，评估在冷空气到达琼州海
峡前后，结果与真实风场的差异，从而对wrf模式对近地面风场的精细化模拟诊断能力进行详细评估。一共设计了2组试验，分别是wrf
‑
1km和wrf
‑
200m如表1所示。
43.表1设计的2组试验及其初始气象场
[0044][0045]
(3)wrf风场模式计算。
[0046]
参见图3，wrf的第一至第四层网格采用双向嵌套，网格距依次为27km、9km、3km和1km，积分步长为40s。第五重网格采用的嵌套方式是单向嵌套，网格距为200m，积分步长为2s。采用的微物理参数化方案为lin方案，长波辐射参数化方案为rrtm方案，短波辐射参数化方案dudhia方案，边界层参数化方案为myj方案，近地层参数化方案为eta方案，路面过程方案为noah
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lsm方案，积云对流方案为bmj方案。基于以上方案开展wrf模式计算，得到风场模拟结果。
[0047]
(4)各风速段上的偏差评估。
[0048]
为了详细地看出在各个风速上风的区别，首先以实际观测的风速进行分级统计，用x轴表示；以多组wrf模式计算结果的风速风向与真实观测差值的分布进行统计分析，用y轴表示。在不同风速段上对所有的模拟诊断偏差值进行统计，得到该风速段上的平均偏差值、四分位值、中位数和各个偏差段内的出现频率分布。10m高度上21个观测站上2组试验风的平均rmse如表2所示。
[0049]
表2 10m高度上21个观测站上2组试验风的平均rmse
[0050][0051]
(5)冷空气过境时的风场模拟结果评估对比。
[0052]
为区分出冷空气活动期间与非冷空气活动期间的风场模拟结果差异，需对比冷空气过境时与非冷空气过境时的风场模拟结果，统计风速风向值，将各风速段上的偏差评估结果进行对比，分析在两类天气现象下，风速风向的模拟诊断效果的差别。在本实例中，对
比wrf在精细化1km到后，再精细化至200m，采用单层嵌套的方式模拟至200m，并比较wrf
‑
1km的风场是否有改进。
[0053]
综上可知，本发明可以实现近地面风场模拟结果的多风速段评估，该方法思路清晰，实用性强，准确率高。
[0054]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。