摘要
计算风工程采用的小尺度计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics，简称CFD）方法难以考虑真实气象背景影响。针对该问题，近年来涌现出了从中尺度数值天气预报模型（NumericalWeatherPredictionModel，简称NWP）获取CFD来流边界的降尺度计算方法。然而，中小尺度模型的控制方程、时空分辨率以及湍流闭合方案差异显著，当前研究对两者嵌套计算所需的数据传递、湍流闭合模型调整、数值稳定性及可靠性改进等缺少系统性认识。针对上述问题，本论文基于NWP-CFD单向嵌套计算思路，以近地边界层风场的复原模拟为研究目标，系统完善了相关计算方法，具体工作包括： 构建了基于湍流模型常数调整和反距加权插值数据传递的降尺度计算框架。对比分析了天气研究与预报模式（WeatherResearchandForecastingmodel，简称WRF）的边界层参数化方案与CFD湍流闭合方案的差异；基于一致性涡粘系数处理方法，调整了CFD中标准k??湍流模型的经验常数，并分析了其对NWP风剖面的自保持性影响；基于反距加权插值构建了CFD非稳态求解所需的来流边界；采用正交验证方法获得了插值变量的平滑误差和估计误差方差，并评估了插值效果对采用邻域搜索方案和距离衰减系数的敏感性；最后，通过复原Askervein山丘和风门山算例实测期间的近地风场，初步验证了所提降尺度计算框架的效果。 围绕降尺度模拟面临边界层风剖面演变及模型求解差异的问题，采用松弛边界过渡和质量守恒调整算法突破了CFD来流边界在非稳态计算时难以确定的限制。该方法使CFD所有侧边界条件从NWP模拟的风速、湍动能及耗散率变量插值得到，解决了CFD求解出现的不合理流场形式。从简单对流体系出发探究了侧边界处理对降尺度计算的数值稳定性影响，发现修正过渡形式对数值稳定的改善最明显。基于遗传算法优化了松弛强度的空间变化形式，并结合浅水方程验证了优化效果。进一步将优化结果拓展到复杂地形风场模拟中，发现CFD采用开放边界获得的时均流场趋于合理。 分析了温度层结和地转偏向力对CFD求解边界层风场的影响。结合位温变量调整了CFD能量输运方程源项，湍动能及耗散率输运方程的浮力驱动源项；结合开源程序OpenFOAM验证了莫宁-奥布霍夫相似律剖面在不同层结算例的自保持性。进一步以ALEX17山地地形风场为研究对象，评估了WRF-Fluent和WRF-OpenFOAM降尺度框架对近中性和弱稳定边界层的模拟效果；发现当壁面函数考虑地表粗糙长度及稳定度修正函数影响、湍流常数考虑科氏力影响时，两个框架对湍动能及背风面风速的预测存在差异，但均提升了近地风场模拟精度。 分别从中、小尺度模型出发探讨了影响台风近地边界层风场模拟效果的因素。发现Kain-Fritsch积云对流方案和Goddard微物理过程对复原台风路径、近中心最大风速及最低气压表现较为稳健。进一步对比雷达实测风剖面发现，NWP模拟结果受内部暖心结构影响高估了近地面风速，而谱逼近同化的应用降低了风速模拟误差。分析发现，台风登陆点附近稳定边界层层结样本比例接近30%，该现象抑制了CFD模拟复杂地形风场的湍流发展，减弱了背风面风速分离的强度。 建立了一种用于降低CFD模拟近地平均风速误差的趋势项同化模型。该模型基于实测数据与NWP模拟结果反映气象背景的差异，重新构造了CFD来流边界的风速剖面。较牛顿松弛逼近同化，所提方法可消除实测同化点附近的不合理尾流区，且修正效果不受经验参数取值影响。以香港九龙湾密集建筑群风环境模拟为研究对象，发现经趋势项同化修正后，测点附近风速和风向的一致性得到明显改善，平均绝对误差显著降低。
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