[发明专利]一种耦合WRF与OpenFOAM模式的风场模拟方法

说明书

本发明涉及一种耦合WRF与OpenFOAM模式的风场模拟方法，包括：输出并处理中尺度气象模式WRF数据；制作小尺度开源计算流体力学CFD模式OpenFOAM的精细化网络；WRF模式与OpenFOAM模式之间数据传递；驱动OpenFOAM模式进行计算。本发明提供的技术方案实现了WRF模式和OpenFOAM模式的耦合计算，将WRF的几公里水平分辨率的数据降尺度为OpenFOAM的30m分辨率数据，可改善WRF在复杂地形下的风场模拟效果，有助于提升风资源评估和风电功率预测业务水平和提高预测准确度。

技术领域

本发明涉及一种风场模拟方法，具体讲涉及一种耦合WRF与OpenFOAM模式的风场模拟方法。

背景技术

目前，已有一些基于中小尺度模式耦合的风场模拟方法，如中尺度WRF、MM5、KAMM模式耦合小尺度WAsP、CALMET、WindMap、WindSim、Fluent等模式，其中WAsP、CALMET和WindMap属于线性模式，而WindSim和Fluent则属于商业计算流体力学CFD模式。OpenFOAM模式与WindSim和Fluent一样，属于计算流体力学CFD模式，但与前两者不同的是，OpenFOAM模式属于免费的开源模式。

关于WRF模式：风功率预测和风资源评估都需要尽可能准确的中尺度风场模拟数据。目前不论是国内还是国际上，中尺度风场模拟一般使用WRF、MM5、RAMS等中尺度气象模式，其中以WRF模式(WeatherResearch and Forecasting Model)最受欢迎。WRF的开发始于1997年，由美国国家大气研究中心中小尺度气象处、美国国家环境预测中心的环境模拟中心、预报研究处以及奥克拉荷马大学的风暴分析预报中心四部门联合发起建立的，并由美国国家自然科学基金和海洋大气部共同支持。现在，WRF得到了许多其它研究部门及大学的科学家的支持，共同参与进行开发研究。WRF模式系统具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便的等诸多特性，使新的科研成果更为便捷地运用于业务预报。

通过近二十年的开发，WRF模式现在具备最为先进的数值方法和数据同化技术，采用经过改进的物理过程方案，同时具有多重嵌套及易于定位于不同地理位置的能力，重点考虑几公里至几十公里分辨率的水平网格，改进了从云尺度到天气尺度等不同尺度重要天气特征的模拟和预报精度，很好地适应从理想化研究到业务预报等不同应用的需要，并已广泛地使用在风资源模拟和风速预测的业务中。

关于动力降尺度方法和CFD模式：由于WRF属于中尺度模式，重点模拟的是从几公里到几百公里尺度的天气现象，一般只考虑1-10公里分辨率的水平网格，而无法达到几十米分辨率的小尺度精细化模拟。尤其是在复杂地形下，地形对于风速的强迫改变作用难以在WRF中得到体现。因此一般使用降尺度的方法，将WRF输出的低分辨率风速数据转化为高分辨率的精细化数据。降尺度方法分为统计降尺度和动力降尺度，统计降尺度就是利用不同尺度数据间的统计关系进行降尺度插值，动力降尺度就是中尺度模式驱动小尺度模式得到更精细化的风场。动力降尺度方法是直接求解全流场的方法，所以是更为科学合理的方法。

小尺度模式一般分为两种，一种是基于质量守恒的线性模式，一种是基于计算流体力学的CFD(Computational Fluid Dynamics)模式。线性模式计算速度快，但仅适合于平坦地形，对于复杂地形而言最好使用CFD模式。