基于地面模型的近地面风场特征研究

基于地面模型的近地面风场特征研究

0城市大气边界层物理模型观测结果表明，随着时间的推移，实际的风速大小和方向总是随着时间的推移而变化。根据中国科学院大气物理研究所北京综合气象观测塔的资料分析,曾庆存团队发现冷锋过后的强风期间,风速具有规律性的阵风结构,阵风周期以(3~6)min为主,叠加在周期不很稳定的平均流场(基流)上以上文献研究中物理模型多具有对称性,现实中的建筑小区、街道等也具有对称分布特征.研究中引入来流的实时变化,流场湍流特征将更加复杂.二维的简化模型既有利于简化问题,又有助于更直接地揭示物理过程本质.因此,本文以简化的时变来流为边界条件,利用大涡模拟方法研究时变来流条件下近地层风场的演化过程,特别是垂直交换过程,通过对瞬时风场和对流场的统计分析结果,揭示时变来流条件下大气边界层近地面流场的空间特征及其与时变来流和地面粗糙度的内在联系.1数值模型1.1大试现象的控制方程我们采用LES(大涡模拟)模拟时变来流条件下的边界层风场.基于空气不可压缩假设,将Navier-Stokes方程作过滤,可得到大涡模拟的控制方程组式中,式中,Δ为滤波尺度(m);C1.2二维表面模型时变来流条件下,来流的风速风向随时间变化.为了便于分析时变来流特征与风场演化规律的内在联系,我们采用简化的时变来流条件,即只考虑来流风速随时间的变化.在不详细刻画下垫面几何结构、只考虑地表起伏(粗糙度)影响的情况下,模拟可以在二维空间进行.将下风向设为x轴方向,垂直方向设为y轴方向,首先建立一个二维理想平坦地面模型(ModelP).模型计算区域大小为600m×300m,网格大小2m×2m,网格总数45000个.另外,为了考虑地形因素对空间风场特征影响,在平坦地面上增加一个10m高的楔形结构,以示地面的起伏,称为粗糙地面模型(ModelR10).楔形的纵剖面为钝角三角形,尺度为:高10m,迎风坡倾角15°,背风坡倾角30°.粗糙地面模型计算区域大小为600m×300m,网格大小为2m×2m,楔形周围网格进行局部加密,网格总数47134个.1.3时间推移条件的实现进口风速分布函数与Kastner-Klein式中,U时变来流的初始风速数据在北京综合气象观测塔观测结果上提取1.4压力零梯度控制数值模拟在CFD开源软件包OpenFOAM入口速度边界条件按前文所述设置,压力零梯度;出口速度设为零梯度,压力设为定值;顶部设为滑移边界条件;地表和楔形表面设为无滑移边界,压力零梯度.数值计算模型和边界条件的设置形象地表示如图2.2结果与分析2.1空气黏度引起的来流风速随时间的变化特征,引起垂直风速随时间的变化规律,导致垂直风速随时间的变化,造成垂直分布改变,导致垂直分布失去对称在图1所示的时间序列入口边界条件下,首先对平坦地面二维模型的近地面空间风场进行数值模拟,得到八个阵风过程某时刻的近地面空间瞬时流场,如图3所示,列出了阵风峰期过程a和阵风谷期过程b的垂向速度的等值线图作为代表.可以看到,来流风速大小变化能引起垂直气流,在阵风峰期时,流场内有明显的下沉气流;而在阵风谷期时,流场内有明显的上升气流,需要注意的是,图3(a)左下角的上升气流并不是进口风速变化引起的,而是空气黏性引起的.这与北京综合气象观测塔的观测规律一致图4给出了与图3(a)和(b)对应时刻的整场速度矢量图.为了突出垂直气流,水平风速取真实值的一半,垂直速度乘以20按照流体力学的理解,观测塔测得的风场既是上游风场作用的结果,也可以是影响下游风场的边界条件.为了更清楚地了解和分析真实变化来流条件下流场的时空变化特征,跟踪多个空间点上的风速随时间的变化.本文分别在靠近进口(x=-90m)的上风向位置和下风向位置(x=300m),在纵向高度为y=47m和y=120m的4个点上,对垂直速度进行1min统计平均,得到1min平均时间序列曲线.作图时,在y=47m高度处的垂直风速不变,而将y=120m高度处的垂直风速增加0.5m·s由于进口来流垂直分布呈现对数规律,在来流风速大小变化时,高空风速的变化量比低空风速的变化量大.在下游流场中任一点上,高空气流速度响应较快,而近地面气流速度响应较慢,导致响应过程中下游风速分布失去对数分布规律,并引起上下交换气流,使风速的垂直分布重新回到对数规律.在来流风速增加时,高空风速的变化量比近地面风速的变化量大,所以高空风速变化较快,导致下游适当位置高空风速先变大,高空气流具有了更高的动压,从而形成下沉气流.来流风速变小时,下游流场风速的响应过程与之前相反,高空气流先减小,动压降低,导致低空气流上升,形成上升气流.2.2垂向流场模型为了揭示时变来流条件下下垫面粗糙度对流场演化过程的影响,在图1所示的入口条件下对粗糙地面二维模型的近地面空间风场进行了数值模拟,得到了各个阵风过程的近地面空间瞬时流场.图6以等值线图的形式给出了阵风峰期a和阵风谷期b中某时刻的垂向流场分布.与平坦地面模型类似的是,阵风峰期过程的垂直流场以下沉气流为主,阵风谷期过程的垂直流场以上升气流为主;不同的是,粗糙地面模型由于楔形结构的存在,迎风面产生上升气流,该上升气流与进口风速变化引起的空间垂向流场相耦合,使近地面垂向气流变得复杂而强烈.与平坦地面模拟结果分析类似,为了分析真实变化来流条件下的粗糙地面模型中风场的时空变化特征,给出了靠近进口(x=-90m)的上风向和x=300m的下风向位置处,垂直高度分别为y=47m和y=120m的4个点上的垂直速度1min统计平均时间序列曲线.同样,作图时y=47m处的垂直速度不变,将y=120m处的垂直风速增加1m·s如前所述,北京综合气象观测塔周围有不同高度的建筑,其近地面的粗糙度对流场有显著影响3垂直流场的影响采用大涡模拟方法,对平坦地面模型和粗糙地面模型分别研究时变来流条件下的近地面空间风场特征.二维平坦地面模型和粗糙地面模型的模拟结果显示,进口风速大小发生变化时,可以引起流场内的垂直气流,在阵风峰期产生下沉气流,在阵风谷期产生上升气流;引起时变来流下模拟区域内垂直气流的原因在于下游流场对来流变化的响应时间存在高度差异,高空响应更快,形成上下层流动压差,并导致空气垂直流动;下垫面粗糙度对垂直速度有显著影响,下垫面粗糙度越大,空间场中产生的垂直速度越大,其影响范