Transcript 风场的调整

放射性核素大气中迁移的风场计算模
式研究
报告人：杨振中
指导老师：王德忠、张继革
同组人：陈彦良、宫连兵、张少典
报告内容
• 1：课题背景
• 2：现有的风场计算模式
• 3：诊断方法的风场模拟
（1）初始风场的获取
（2）风场的调整
• 4：风场计算模式的计算机实现
背景
• 放射性核素大气中迁移规律的研究一个重要
部分是风场。如果这个风场不反映实际情况，
弥散模式的质量就不可能很好。由于发生事
故的核设施周围提供的观测台站数目不可能
很多，必须采用一定的技术，通过这些分散
的数据来得到整个风场。现有的风场计算模
式根据复杂性不同分为诊断方法和预报方法。
现有的风场计算模式
预报方法：使用控制大气运动的整个原始的方程
式，在一套初始条件和边界条件下，预报稳定的
风场。
优点
• 使用控制大气运动的整
个原始方程式
• 对观测资料依赖性小
• 能比较客观的反应实际
的大气情况
缺点
• 模式复杂
• 计算时间长
• 无法满足应急响应的要
求
现有的风场计算模式
诊断方法：首先利用实测资料进行内插来求得
初始场,然后引入物理约束，得到既符合连续性
条件，又接近原始内插风场的结果
优点
缺点
• 模式简单
• 计算时间短
• 对观测资料依赖性较
大
本人在研究中采用诊断方法进行风场模拟
诊断方法进行风场模拟
选用诊断方法的原因
• 实际应用中计算机性能的限制
• 核电站周围有足够数量的风场观测点（秦山
地区有14个）
诊断方法进行风场模拟
风场模拟步骤
一、插值法获得初始风场
二、引入物理约束对风场进行调整
初始风场的获取
垂直插值按下述方法处理：对有探空资料的测点，根
据实测的风速、风向内插，求得各给定高度的风速、风向
值，也可利用高度为10m的风资料测点，按幂次率测算高
度为10m以上的风速，即
u( z)  u10 /( z / 10)
p
式中u10， 为10m的风速；z为所求风速的高度；P为大气稳定
度和地面粗糙度的函数。
初始风场的获取
如果有现场近地面层观测资料，最好采用适合放射性
核素扩散区域的P；如果条件不允许，可以采用表1推荐的
值P（200m以下）
初始风场的获取
水平方向把观测资料内插到较细的网格点上有多种方
法，其中权重内插法和多项式内插法是计算效率较高的方
法，这里采用权重内插法。并且在计算权重时引入地形起
伏的因素。
通常所用的权重函数为：
W (r )  1 / r
其中r为待求点与测点之间的距离
2
初始风场的获取
为了考虑地形起伏的影响，在权重函数中增加一个反
映地形起伏变化程度的因子h，即权重函数取如下形式：
1
W ( r , h)  a b
r h
其中r的含义如前所述，指数a和b为非负数，h则表示气象测点
与待求点之间地形高度变化的总量。指数a可取常用值2，指数b的大
小，表示地形起伏因子h在权重函数中的作用大小，即b值越大，h对
结果的影响越大。对于特定的地形区域，b的取值可以依据试验确定。
初始风场的获取
3
4
1
2
5
h15=h12+h23+h34+h45
初始风场的获取
观测风速矢量为：
U  iuk  jvk
uk和vk分别为速度矢量U的二维速度分量
对于施放区任一网格点(xi,yi)，风速为 U  iui  jvi 则：
n
U ical 
W U
j
j 1
n
W
j 1
j
n
obs
j
Vi cal 
obs
W
V
 j j
j 1
n
W
j 1
j
j≠i，i=1，2，…，n
风场的调整
用插值法获得的风场不能保证烟幕浓度的连续性，当
需要大气垂直运动资料时，插值风场也无法反映大气的垂
直运动。为了克服上述缺点，在进行风场模拟时，还要按
照一定的物理约束对插值风场进行调整。
使用变分法对风场进行调整。
风场的调整
基本原理：
变分法是风场调整常用的方法，其原理是使调整后的
风场和观测内插风场之差最小，同时满足连续性方程：
u v w
 
0
x y z
风场的调整
引入泛函数：
E(u , v , w ,  )
*
*
*
u* y* w*
  [ (u  u )   (v  v )   (w  w )   (


)]dxdyd
x y 
2
1
*
* 2
0
2
1
*
* 2
0
2
1
*
* 2
0
为了使x、y、σ坐标系中插值风场满足风场连续方程，同
时使得风场改变值最小，必使泛函数 E(u* , v* , w* ,  )
取极小值。
风场的调整
对泛函数进行求解：
*
*
*

u

v

w
 2  2 1 2  2
2
0
0
0


(
)


2

(


)
1
2
2
2
x
y
 2 
x y 
由λ的控制方程式以及给定的边界条件，采用迭代
方法求解 ，解出的值代回方程，就可求得u*v*w*
完成对风场的变分法调整。
风场计算模式的计算机实现
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• Using fewer than six
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• This is the last bullet
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