基于CFD动力降尺度的登陆台风微尺度风场结构研究

Limited by temporal-spatial resolution of observations, insufficient understanding exists concerning the effect of complex terrain on fine wind structure of typhoons, which has become a bottleneck problem to suppress the ability of typhoon disaster warning. The dynamical downscaling scheme, which combines the mesoscale meteorological model and microscale computational fluid dynamics (CFD) model, offers a promising technical approach for both research and forecast of the microscale wind field of typhoons as a new trend. ..A new method that investigates the microscale wind structure of landfalling typhoons based on the CFD precomputation is put forward in this study. The microscale wind field with hundreds or tens meters grid spacing is obtained by designing the dynamical downscaling scheme over complex terrain in coastal regions of China. Then the impact of complex terrain on dynamical properties of the microscale wind field is examined by adopting discrete wind directions and discrete atmospheric stabilities. Significantly, the turbulence structure of typhoon inflows in different regions such as the typhoon eye, eyewall and outer band, which own different turbulence features over complex terrain, is also analyzed in coastal regions of China. This study is supposed to achieve a new understanding towards the near-surface fine wind structure of landfalling typhoons. Moreover, the dynamical downscaling scheme is expected to offer valuable references for both research and forecast of landfalling typhoons and owns a good application prospect.

受观测资料时空分辨率所限，我们对复杂地形影响下的台风风场精细结构认识不足，这已成为制约台风灾害预警能力提升的瓶颈问题。中尺度气象模式和微尺度计算流体力学（CFD）模式相结合的动力降尺度技术作为微尺度风场研究和预报的一个新趋势，为深入开展台风风场结构研究提供了一个有前景的技术途径。..本项目拟提出一种基于CFD流场预计算的台风微尺度风场结构研究新方法，建立我国沿海复杂地形条件下台风微尺度风场的动力降尺度方案，得到百米级或十米级分辨率的台风微尺度风场。在此基础上，研究不同来流方向、不同大气稳定度条件下，我国沿海不同区域的复杂地形对登陆台风近地面微尺度流场动力特性的影响，重点关注不同湍流特性的台风来流（如台风眼、眼墙区、外围雨带区等）其湍流风场结构受地形影响的变化规律。本项目预期将在登陆台风近地风场结构方面取得新认识，所建动力降尺度方案有望成为台风精细风场研究和预报的重要参考，应用前景良好。

受观测资料时空分辨率所限，我们对复杂地形影响下的台风风场精细结构认识不足，这已成为制约台风灾害预警能力提升的瓶颈问题。中尺度气象模式和微尺度计算流体力学（CFD）模式相结合的动力降尺度技术作为微尺度风场研究和预报的一个新趋势，为深入开展台风风场结构研究提供了一个有前景的技术途径。. 本项目基于二维简化地形的CFD数值模拟，建立了二维简化地形气动参数数据库，并采用风洞试验验证了数据的精度和有效性。在此基础上，研制建立了台风微尺度风场的动力降尺度方案（STIDM），获得了任意复杂地形条件下的台风微尺度（百米级）风场，并利用观测数据对STIDM降尺度方法进行了误差评估和检验。利用加利福尼亚气象模式（CALMET）研究了复杂地形条件下CALMET物理参数化方案和水平网格分辨率对台风近地面平均风场的影响；基于CFD大涡模拟方法研究认识了典型复杂地形对台风近地面微尺度平均风场及湍流结构的影响机制；利用测风塔观测数据研究了台风大气层结状况及不同大气稳定度下近地面风场特性，剖析了不同大气稳定度对台风近地面风场特性的影响规律；利用激光测风雷达等观测研究了我国东南沿海典型登陆台风的近地面风场精细结构特征。. 本项目执行期间（2019—2021年）共发表期刊论文10篇，其中包括：SCI论文5篇，EI论文1篇，中文核心期刊4篇。共发表会议论文2篇，完成技术报告2篇。申请国际发明专利2项，申请国内发明专利5项，获得软件著作权登记2项。共与2家单位进行了本项目成果转化，金额总计84.9万元。. 本项目研究成果已在电网、风电、保险、港航等领域取得良好应用，将为复杂地形条件下台风近地面精细风场（百米级分辨率）预报和研究提供技术支持及重要参考，预期将为交通、土木等更多行业提供技术支撑和服务。