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fluen软件在复杂地形风场模拟中的应用 1 中尺度模式下地形模拟研究 要了解该层的风场特征，就能源能力评价、环境环境评价和气候变化风险评估具有重要意义。然而在复杂地形上, 近地层风场分布具有高度的非均匀性, 观测数据所能代表的范围非常有限, 在这种情况下, 利用数值模拟方法获得复杂地形条件下高分辨率的近地层风场资料, 就显得非常重要。 事实上, 模拟复杂地形上的风场结构, 一直是大气科学中一个重要的问题, 许多学者已经针对大气环境评价、 风能评估等不同方面的需求, 从不同角度展开研究, 并取得了丰硕的成果[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。这些研究主要基于中尺度模式展开, 通常采用地形追随坐标, 通过方程组的坐标变换来描述复杂地形, 在数值计算方法上以差分格式为主。中尺度模式的空间分辨率最高可达到100 m量级, 且在模拟的前处理阶段需要对地形进行不同程度的平滑, 以获得计算上的稳定性。对于中尺度模式而言, 当遇到极为陡峭的地形时, 有可能出现积分溢出的情况。 近年来, 计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 类的模式在气象领域的应用正在得到越来越多的关注, 尤其是在城市微尺度风场及污染扩散研究中已经得到了较广泛的应用。CFD类模式处理复杂几何体的能力引起了一些气象学者的注意, 逐渐尝试将其应用到复杂地形的风场模拟中。例如, 程雪玲等尝试利用地形高程的格点数据建立地形的计算网格模型, 为CFD模拟复杂地形的风场作前期准备。相对于中尺度模式而言, CFD模式的空间分辨率较高 (水平格距最小可达到10 m量级) , 可以更为精细地描述真实地形。然而国内在这方面的研究还相对较少, 为进一步加强这方面研究, 本文利用商业CFD软件FLUENT进行了复杂地形上的风场模拟研究。 2 fluen模拟复杂地形模拟试验 FLUENT是国际知名的CFD软件, 集成了非常丰富的参数化方案和物理模型, 可用于多种流体问题的数值模拟。在数值计算方法上, FLUENT采用了以有限体积法 (Finite Volume Method, FVM) 为核心的方法, 可以用于非结构化网格体系的数值求解。FLUENT的前处理器GAMBIT具有相当强的建模和网格划分功能, 能应对求解域内的各种复杂几何形状。同时, FLUENT还提供了丰富的数据接口, 用于增加必要的物理模型和链接外部数据。FLUENT的这些特性, 使得将其用于模拟复杂地形上的风场成为可能。 为了验证FLUENT应用于复杂地形风场精细模拟的可行性, 本文首先选取北京地区佛爷顶地面观测站的周边区域进行了数值模拟试验, 通过与观测资料的对比, 探讨FLUENT用于复杂地形风场模拟的可行性和准确性。随后利用我国西南某峡谷地区进行了进一步的数值试验, 以检验FLUENT模拟极度复杂 (陡峭) 地形条件下近地层风场的能力。 3 法比的取样值的模拟测试 3.1 模拟结果及数据传递 佛爷顶观测站的经纬度坐标为40.6014°N、 116.1347°E, 位于北京西北山区的佛爷顶山头上, 海拔高度超过1200 m。模拟采用了中尺度模式RAMS与FLUENT结合进行模拟的思路, 具体如图1所示: (1) 首先利用FLUENT的前处理器GAMBIT, 根据100 m×100 m分辨率的地形高程数据建立了以佛爷顶地面站为中心的8 km×8 km范围内的地形CAD模型; (2) 以建立的CAD模型为FLUENT的解域, 并对其进行非结构化网格划分, 生成FLUENT可识别的msh文件; (3) 以NCEP再分析资料为背景场, 利用RAMS进行模拟, 模拟范围包括了FLUENT模拟所涉及的区域; (4) 利用FLUENT的Boundary Profile (BP) 模块, 将RAMS模拟的各时次风速、 气温和地温数据分别传递给FLUENT解域的各个边界; (5) 启动FLUENT进行诊断模拟, 所得到的结果即为该时次的模拟结果。 这种将中尺度模式与CFD软件结合使用的方法, 最早被用于城市街区尺度气象环境的精细模拟, 被证明比单纯利用理想风、 温廓线作为边界条件更为合理和真实。 图2进一步以佛爷顶为例, 展示了模拟方案设置及数据传递流程。RAMS部分的模拟使用NCEP再分析资料作为背景场, 采用4层嵌套网格, 其中第2到第4层网格所覆盖的范围如图2a所示, 模拟区域的中心点为佛爷顶气象观测站所在的位置。模拟区域4层网格的格点数均为52×52×33, 水平格距分别为25000, 5000, 1000和200 m, 垂直格距在底层为30 m, 往上按1∶1.15的比例逐层增加, 模拟区域顶部的最大垂直格距为1200 m。RAMS最内层网格覆盖的区域 (以下称为D4)