本发明属于数值模拟领域，具体涉及一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法与装置。
背景技术：
1、
2、海上风电场运行区域位于海气边界处，涉及海洋、波浪、大气与海上风电场之间复杂的大气海洋动力耦合、热量和物质交换过程的多物理多尺度相互作用，是能量与物质交换的敏感地带。截止目前为止，人们对海上风电场运行区域的海-浪-气-场耦合作用机理尚未完全认知，同时尚缺乏有效、可靠且高可信的研究手段，这限制了海上风电技术创新发展，严重影响了海上风资源高效开发利用。
3、中尺度数值天气模拟系统天气研究与预报，是海气边界层大气物理过程及海上风电场流场特性研究重要工具，近年来，为了更加准确的实现海上风资源预报，在大气模式中耦合海气模型成为了研究的重点。例如，申请号：cn202010062642.x公开了一种基于中尺度海气耦合模式的天气预报方法及系统，通过构建多种中尺度大气模式构建多模式天气模拟系统，结合历史数据进行深度学习计算得到海洋模型参数，最终得到天气预报结果。申请号：cn 202211384677.0公开了区域海气浪耦合模式的气象水文要素一体化数值预报系统及其运行方法，包括耦合器mct和后处理模块post，实现了大气海洋海浪三个模式的耦合。申请号cn201510001502.0提供一种海洋模式和气象模式的一体化耦合方法，采用耦合器技术，便于海气耦合模式各子分量模式的发展和维护；采用“非通量订正”的耦合方式能够保证海气界面通量的守恒。申请号cn 201910533456.7提供了基于经验订正的风浪流耦合海洋环境数值预报方法，通过构造经验订正场，并与预报初始时刻的模拟结果相加，构造更加精确的预报初始场；用大气海洋耦合数值模型开展数值预报，得到风、浪、流预报结果。申请号cn 202211712024.0提供了一种基于海气浪耦合作用的风电资源预测方法及系统，在耦合大气、海洋以及波浪模式的基础上加入了风电资源预测模型，获取区域风电资源预估结果。
4、然而，已有的相关专利很少在采用多模型耦合的同时考虑到海上风电场的作用与影响，由于海上风电场运行过程中尾流的影响，势必会导致下游的风速发生改变。因此，在考虑了海浪气作用的基础上，需要进一步添加风电场模型，开发一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法与装置。
技术实现思路
1、本发明的目的在于解决现在技术中存在的问题，并提供一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法与装置。
2、本发明是通过以下技术方案来实现的：第一方面，一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法，该方法步骤如下：
3、(1)获取目标海域数据，包括目标海域的气象数据、目标海域的地形、水深和海洋预报数据；
4、(2)基于步骤(1)中目标海域的数据，针对海洋、波浪和大气模式以及风电场参数化模型进行网格划分，分别制作海洋、波浪和大气模式的初始场以及边界场；
5、(3)基于步骤(2)中得到的海洋、波浪和大气模式的网格、初始场和边界场，根据各模式的敏感性要求，为不同模式设置模式参数；
6、(4)通过分布式mct并行耦合器，设置耦合过程的数据交换间隔，完成大气模式、海洋模式和波浪模式的耦合，实现各模式之间模拟分量的传递与数据交换；
7、(5)基于步骤(4)中的耦合模式，将风电场参数化模型添加到大气模式中，通过在大气模式中修改风电场参数化控制文件，打开风电场参数化开关，添加风电场参数化模型所需的风机配置文件和风力机点位信息，得到目标海域的中尺度海洋-波浪-大气-风电场耦合数值预报模式；
8、(6)基于步骤(5)中的海洋-波浪-大气-风电场耦合数值预报模式，通过数值模拟得到目标海域小尺度的风场、波浪场、流场以及风电场的功率输出数据。
9、进一步地，步骤(1)中，所述海洋预报数据，包括海上温度、盐度、水位、流速以及潮汐变化数据。
10、进一步地，步骤(2)中，所述的网格划分，其中大气模型和风电场参数化模型采用同一套结构化网格，海洋模型和波浪模型采用同一套结构化网格；所述的初始场和边界场为大气模式和海洋模式的启动的初始设置和边界条件，波浪模式依靠大气模式和海洋模式传递的数据作为边界条件进行模拟。
11、进一步地，步骤(3)中，所述模式参数设置为大气模式模拟过程中的输入输出设置、时间步长设置和物理参数化方案设置，包括微物理过程方案、积云参数化方案、长波辐射方案、短波辐射方案、行星边界层方案和近地面方案；海洋模式模拟过程中的边界层方案设置、湍流混合方案设置、拉伸系数设置、时间步长设置和输出格式设置；波浪模式模拟过程中的时间步长设置、模式运行方式设置、低摩擦方案、浅水碎波设置、白帽耗散设置和输出格式设置。
12、进一步地，步骤(4)中，所述的各模式之间模拟分量的传递和数据交换，通过分布式并行耦合器，大气模式将模拟的海表面风速传递给波浪模式，将模拟的海表面风速、大气压力、海表面温度、海面剪切应力、净热通量、感热通量、潜热通量、短波辐射通量以及长波辐射通量传递给海洋模式；海洋模式将模拟的海表面温传递给大气模式，将模拟获得的海洋流速、水位传递给波浪模式；波浪模式将模拟获得的波高、波向、谱峰、周期、波长传递给海洋模式和大气模式；如此往复，在整个求解时间步长内，完成数据传递和交互。
13、进一步地，步骤(5)中，所述的改进的风电场参数化模型为添加了亚网格效应的风电场参数化模型，考虑单位网格内多个风力机尾流效应，通过先后放入单位网格内风力机诱导动量亏损表征风力机干涉作用，即发展了考虑亚网格干涉作用的风电场参数化模型如下：
14、对于已放置n个风力机造成单位网格的风速亏损为：
15、
16、其中为网格中水平速度分量uijk,vijk的变化量，为空间校正系数，为布局校正系数；其中n为放置的风力机数量，m表示风力机的放置顺序，ct为推力系数，代表第m个放置的风力机所受的来流空气速度。δt为wrf模式的时间步长，nij为网格(i,j)内风力机的总个数，δt/(nij-1)代表风力机的放置时间间隔。δzk表示第k层的垂直网格的高度，aijk代表风轮旋转面在网格(i,j)垂直层k上截取的面积。
17、第二方面，本发明还提供了一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，实现所述的一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法。
18、第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现所述的一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法。
19、第四方面，本发明还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法。
20、本发明的有益效果：通过分布式并行耦合器，耦合大气模式、海洋模式以及波浪模式，在此基础上，考虑海上风电场的作用与影响，添加了改进后的风电场参数化模型，形成一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法与装置，减小海上风资源预报以及海上风电场功率预测的不确定性。
1.一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法，其特征在于，该方法步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法，其特征在于，步骤(1)中，所述海洋预报数据，包括海上温度、盐度、水位、流速以及潮汐变化数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的网格划分，其中大气模型和风电场参数化模型采用同一套结构化网格，海洋模型和波浪模型采用同一套结构化网格；所述的初始场和边界场为大气模式和海洋模式的启动的初始设置和边界条件，波浪模式依靠大气模式和海洋模式传递的数据作为边界条件进行模拟。
4.根据权利要求1所述的一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法，其特征在于，步骤(3)中，所述模式参数设置为大气模式模拟过程中的输入输出设置、时间步长设置和物理参数化方案设置，包括微物理过程方案、积云参数化方案、长波辐射方案、短波辐射方案、行星边界层方案和近地面方案；海洋模式模拟过程中的边界层方案设置、湍流混合方案设置、拉伸系数设置、时间步长设置和输出格式设置；波浪模式模拟过程中的时间步长设置、模式运行方式设置、低摩擦方案、浅水碎波设置、白帽耗散设置和输出格式设置。
5.根据权利要求1所述的一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的各模式之间模拟分量的传递和数据交换，通过分布式并行耦合器，大气模式将模拟的海表面风速传递给波浪模式，将模拟的海表面风速、大气压力、海表面温度、海面剪切应力、净热通量、感热通量、潜热通量、短波辐射通量以及长波辐射通量传递给海洋模式；海洋模式将模拟的海表面温传递给大气模式，将模拟获得的海洋流速、水位传递给波浪模式；波浪模式将模拟获得的波高、波向、谱峰、周期、波长传递给海洋模式和大气模式；如此往复，在整个求解时间步长内，完成数据传递和交互。
6.根据权利要求1所述的一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法，其特征在于，步骤(5)中，所述的改进的风电场参数化模型为添加了亚网格效应的风电场参数化模型，考虑单位网格内多个风力机尾流效应，通过先后放入单位网格内风力机诱导动量亏损表征风力机干涉作用，即发展了考虑亚网格干涉作用的风电场参数化模型如下：
7.一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，其特征在于，所述处理器执行所述可执行代码时，实现如权利要求1-6中任一项所述的一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现如权利要求1-6中任一项所述的一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法。
9.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-6任一项所述的一种基于海浪气场耦合的海上风电场数值模拟方法。
