一种基于广域数据的风场设计方法

技术领域

本发明涉及风场研究技术领域，尤其涉及一种基于广域数据的风场设计方法。

背景技术

空间大气风场是重要的环境因素。最大风切变在飞行器的姿态控制系统设计、制导精度分析和载荷分析中，起到尤为重要的作用。分析空间大气风切变的特性，研究其对飞行器的影响对精确飞行有重要的参考价值。风速是气象研究中一个很重要的参量，它与大气环流、大气能量、大气质量有密切的关系。目前已经有关于地表面风速场的分析，发现在近地面层年平均和季节平均风速均存在显著减弱的变化趋势，而对高空风速场还缺少一个全面系统的分析研究，本发明针对小尺度范围内风场缺乏必要的数值预报方法的现状，在研究中尺度数值预报模式WRF模式的基础上，进行高分辨率的精细化风场模拟研究。实时业务化风场预报的需求，建立基于WRF预报模式的业务化风场实时预报平台，实现初始场资料下载整理、初始场数据预处理、模式运行、预报产品制作的全自动化。开展空间大气风场预报，建立可靠的风场预报模型，有助于人类更深入地理解大气空间，为人类开展活动提供保障。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，提出一种基于广域数据的风场设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种基于广域数据的风场设计方法，具体包括以下步骤：

S1、风场数据的获取：

S1.1、数据的获取：通过气球将无线电探空仪升空，气球在空中以300～500米/分钟的速度上升，荷载质量为1～2千克，探测高度在0～40千米，在测风的同时测量空中的温度、气压和湿度，获取的数据传输至地面观测台；

S1.2、矢量平均法获取风速以及风向；

S2、风场特征的统计：

S2.1、收集与整理气象探空风场资料的历史数据；

S2.2、对这些数据进行检查鉴别，排成数列；

S2.3、分析时间数列，从中寻找风场随时间变化而变化的规律，得出一定的模式；

S3、风场模型的构建；

S4、风场载荷预报系统的构建；

S5、风场方案设计。

作为一种优选的实施方式，所述步骤S1.2具体为：在两个风速分量都为零时，其矢量表示为W

v＞0，则/>

v＜0，则：

v＝0，则wd＝270，u≥0，

wd＝90，u＜0；

定义W

作为一种优选的实施方式，所述步骤S2.1具体为：从互联网上下载近10年气象探空风场数据，分别统计每日探空资料早8点和晚20点的探测数据，得到早晚不同的风场强度，风向等的统计特征。

作为一种优选的实施方式，所述步骤S2.2具体为：对步骤S2.1中获取的气象数据进行数据重复的筛查，以及按照日期进行排列。

作为一种优选的实施方式，所述步骤S2.3具体为：定义11月至翌年3月为冬季风时期，6～9月为夏季风时期，4～5月和10月为夏、冬季风转换的过渡时期，基于时间序列法，以500m为高度间隔统计不同高度层的年平均月分布特征。

作为一种优选的实施方式，所述步骤S3具体为：

S3.1、WRF动力框架的构建：WRF-ARW采用的是地形追随的静力气压垂直坐标，垂直坐标定义为：η＝(p

μ＝p

其中，静力方程为：/>

其中，a表示任何一个变量，γ＝c

S3.2、预报模型的构建：预报变量表示为：

由此可得到动量方程的扰动形式：

质量守恒方程和位势方程为：

位温和水汽方程保持不变：

扰动形式的静力平衡关系为：

湿空气的状态方程：p＝p

作为一种优选的实施方式，所述步骤S4具体为：

S4.1、大涡模拟流程：根据步骤S3中，结合WRF-LES大涡模拟，设置在一定的区域范围内，模拟时长24–48小时情况下，风速和风向的演变特性，通过调整WRF-LES大涡模式的初始场参数，对比模拟分析不同初始场情况下的风场特性，具体如下：在WRF模式和LES模拟区域之间采用双向嵌套，运行双向嵌套是在不同的网格分辨率下同时运行多个域并且各个区域之间存在相互作用，粗网格提供了边界值，细网格则会将一部分计算值返回给粗网格，从而形成反馈，其中，采用单向嵌套的Ndown，WPS预处理系统个中Geogrid.exe为地形处理程序，在水平方向上进行网格划分并对地面静态数据进行插值，生成地形文件，地形文件与初始气象数据Met文件经过WPS预处理系统生成的垂直方向分层Met文件，Met文件作为运行WRF模式Real.exe的输入进行初始化插值处理，把运行Real.exe的输出作为Ndown.exe程序的输入，最终将Ndown程序的输出作为WRF模式Wrf.exe的输入进行模拟运算；

S4.2、风场载荷预报系统的构建：基于MPI并行运算方式，通过过编写定时脚本程序并调用Shell脚本实现预报平台的自动化运行，Shell是命令解释性语言，是Unix/Linux系统的用户界面，提供了用户与内核交互操作的接口，接受用户输入的命令并把它送入内核去执行，为公用程序，在用户登录的时候启动，采用bash Shell版本，并且融入了C Shell和K Shell的功能。

作为一种优选的实施方式，步骤S4.2中，风场载荷预报系统的具体工作流程如下：

S4.2.1、模式参数的传递与模式的定时启动：通过设定参数件路径、起始时间和预报长度，实现对模式运行过程中的namelist自动修改；

S4.2.2、模式的定时启动：将crontab作为Unix/Linux系统下的定时任务触发器，通过预先创建crontab文件，crontab文件有六个域，每个域之间用空格或者Tab键分开，之后通过cron服务使用户能够在指定的时间执行某些程序；

S4.2.3、初值资料的自动获取：连接美国NCEP数据服务器，通过Shell的wget命令每日定时下载GFS模式数据，wget是Unix/Linx环境下用于从互联网提取文件的工具，支持代理服务器和断点续传功能，能够自动地递归远程主机的目录，找到符合条件的文件并将其下载到本地服务器；

S4.2.4、预报产品制作的自动化：模式自动运行结束后，对模式预报结果进行后处理，之后生成预报的产品。

作为一种优选的实施方式，根据步骤S4建立的预报模型，得到风场在某段时间存在的大致的确定的方向∝0，分别计算最多风向、99％概率最大风速、平均条件风、最小条件风和最大风切变，进而给出综合矢量风，基于一定概率的风场，进行大涡模拟，补充说明高层大气风场特性，具体为：

S5.1、计算最大概率风速分布：

此时，风速w的分布条件为：

Hi为参考高度，ui和vi分别为Hi高度的纬向风和经向风，H为其他高度，u和v分别为H高度的纬向风和经向风，当H＞Hi时：u′＝u-u

条件风的统计特征量：在参考高度Hi上出现最大风条件下，其他高度H上的风都是由风切边而得来的，定义为条件风，条件风的数学期望：

在H＜Hi，E(u|u

E(v|v

在H＞Hi，E(u|u

E(v|v

在H＝Hi，E(u′|u

E(u|u

E(v′|v

E(v|v

S5.2、m

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明利用新的风场计算方法及新的统计方法得到风场特性，并且建立了一个具有高时空分辨率的历史风场数据集，为检验风场数值模拟结果及实时预报产品提供历史统计风场数据集。

本发明根据不同地点是否受季风的影响，划分不同的四季，非季风区按照一年四季，春夏秋冬来划分，而即使都是季风区，但每个地点受到季风影响时间不同根据实际情况划分季节，得到更合理的风场特性研究分析。

基于历史气象风场数据，结合高分辨率WRF-LES大涡模型模拟分析风场特性，搭建所需的风场预报系统，实现业务化风场实时预报，且实现自动化的实时风场预报。

附图说明

图1为本发明一种基于广域数据的风场设计方法的流程图；

图2为本发明一种基于广域数据的风场设计方法中WPS预处理系统的流程图；

图3为本发明一种基于广域数据的风场设计方法中WRF运行流程图；

图4为本发明一种基于广域数据的风场设计方法中风场预报自动化运行平台流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1-4所示，本发明提供一种技术方案：一种基于广域数据的风场设计方法，具体包括以下步骤：

S1、风场数据的获取：

S1.1、数据的获取：通过气球将无线电探空仪升空，气球在空中以300～500米/分钟的速度上升，荷载质量为1～2千克，探测高度在0～40千米，在测风的同时测量空中的温度、气压和湿度，获取的数据传输至地面观测台；

S1.2、矢量平均法获取风速以及风向；

S2、风场特征的统计：

S2.1、收集与整理气象探空风场资料的历史数据；

S2.2、对这些数据进行检查鉴别，排成数列；

S2.3、分析时间数列，从中寻找风场随时间变化而变化的规律，得出一定的模式；

S3、风场模型的构建；

S4、风场载荷预报系统的构建；

S5、风场方案设计。

其中，所述步骤S1.2具体为：在两个风速分量都为零时，其矢量表示为W

v＞0，则/>

v＜0，则：

v＝0，则wd＝270，u≥0，

wd＝90，u＜0；

定义W

其中，所述步骤S2.1具体为：从互联网上下载近10年气象探空风场数据，分别统计每日探空资料早8点和晚20点的探测数据，得到早晚不同的风场强度，风向等的统计特征。

其中，所述步骤S2.2具体为：对步骤S2.1中获取的气象数据进行数据重复的筛查，以及按照日期进行排列。

其中，所述步骤S2.3具体为：定义11月至翌年3月为冬季风时期，6～9月为夏季风时期，4～5月和10月为夏、冬季风转换的过渡时期，基于时间序列法，以500m为高度间隔统计不同高度层的年平均月分布特征，其中，步骤S2.3在非季风区内按照一年四季进行划分，即季风区域按照“定义11月至翌年3月为冬季风时期，6～9月为夏季风时期，4～5月和10月为夏、冬季风转换的过渡时期”进行时间的划分，而非季风区则按照一年四季进行时间的划分。

其中，所述步骤S3具体为：

S3.1、WRF动力框架的构建：WRF-ARW采用的是地形追随的静力气压垂直坐标，垂直坐标定义为：η＝(p

其中，静力方程为：/>

其中，a表示任何一个变量，γ＝c

S3.2、预报模型的构建：预报变量表示为：

由此可得到动量方程的扰动形式：

质量守恒方程和位势方程为：

位温和水汽方程保持不变：

扰动形式的静力平衡关系为：

湿空气的状态方程：p＝p

其中，所述步骤S4具体为：

S4.1、大涡模拟流程：根据步骤S3中，结合WRF-LES大涡模拟，设置在一定的区域范围内，模拟时长24–48小时情况下，风速和风向的演变特性，通过调整WRF-LES大涡模式的初始场参数，对比模拟分析不同初始场情况下的风场特性，具体如下：在WRF模式和LES模拟区域之间采用双向嵌套，运行双向嵌套是在不同的网格分辨率下同时运行多个域并且各个区域之间存在相互作用，粗网格提供了边界值，细网格则会将一部分计算值返回给粗网格，从而形成反馈，其中，采用单向嵌套的Ndown，WPS预处理系统个中Geogrid.exe为地形处理程序，在水平方向上进行网格划分并对地面静态数据进行插值，生成地形文件，地形文件与初始气象数据Met文件经过WPS预处理系统生成的垂直方向分层Met文件，Met文件作为运行WRF模式Real.exe的输入进行初始化插值处理，把运行Real.exe的输出作为Ndown.exe程序的输入，最终将Ndown程序的输出作为WRF模式Wrf.exe的输入进行模拟运算；

S4.2、风场载荷预报系统的构建：基于MPI并行运算方式，通过过编写定时脚本程序并调用Shell脚本实现预报平台的自动化运行，Shell是命令解释性语言，是Unix/Linux系统的用户界面，提供了用户与内核交互操作的接口，接受用户输入的命令并把它送入内核去执行，为公用程序，在用户登录的时候启动，采用bash Shell版本，并且融入了C Shell和K Shell的功能。

其中，步骤S4.2中，风场载荷预报系统的具体工作流程如下：

S4.2.1、模式参数的传递与模式的定时启动：通过设定参数件路径、起始时间和预报长度，实现对模式运行过程中的namelist自动修改；

S4.2.2、模式的定时启动：将crontab作为Unix/Linux系统下的定时任务触发器，通过预先创建crontab文件，crontab文件有六个域，每个域之间用空格或者Tab键分开，之后通过cron服务使用户能够在指定的时间执行某些程序；

S4.2.3、初值资料的自动获取：连接美国NCEP数据服务器，通过Shell的wget命令每日定时下载GFS模式数据，wget是Unix/Linx环境下用于从互联网提取文件的工具，支持代理服务器和断点续传功能，能够自动地递归远程主机的目录，找到符合条件的文件并将其下载到本地服务器；

S4.2.4、预报产品制作的自动化：模式自动运行结束后，对模式预报结果进行后处理，之后生成预报的产品。

其中，根据步骤S4建立的预报模型，得到风场在某段时间存在的大致的确定的方向∝0，分别计算最多风向、99％概率最大风速、平均条件风、最小条件风和最大风切变，进而给出综合矢量风，基于一定概率的风场，进行大涡模拟，补充说明高层大气风场特性，具体为：

S5.1、计算最大概率风速分布：

此时，风速w的分布条件为：

Hi为参考高度，ui和vi分别为Hi高度的纬向风和经向风，H为其他高度，u和v分别为H高度的纬向风和经向风，当H＞Hi时：u′＝u-u

条件风的统计特征量：在参考高度Hi上出现最大风条件下，其他高度H上的风都是由风切边而得来的，定义为条件风，条件风的数学期望：

在H＜Hi，E(u|u

E(v|v

在H＞Hi，E(u|u

E(v|v

在H＝Hi，E(u′|u

E(u|u

E(v′|v

E(v|v

S5.2、m

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。