一种基于城市冠层人为热的数值天气预报模式的计算模块的制作方法

本发明涉及数值天气预报模式领域，具体而言涉及一种基于城市冠层人为热的数值天气预报模式的计算模块。

背景技术：

随着全球城市化的加剧，地表土地利用类型发生着深刻的改变。城市是人类生产生活活动高度集中的地区，在这些活动中，大量的能源被消耗，随之产生大量的热排放，即城市冠层的人为热排放。在热量平衡物理过程中，人为热的份额大到不可忽略，以空调排热为例，假设有一座200m×50m的10层建筑，每个房间(20m×10m)安装一部1500w的空调，在额定功率下假定热机效率为40％，在盛夏的傍晚平均开机率50％，则折合到地面的能量通量约55w/m²,与城市地表能量平衡过程的其他分量几乎相当。

数值天气预报模式已经广泛应用于天气相关的电力负荷预测和新能源功率预测等研究领域，然而现有技术中，数值天气预报模式的计算模块中缺乏对城市冠层人为热的描述，因此对城市气温的模拟能力较差，大多数情况下会低估城市气温。

因此，有必要提出一种基于城市冠层人为热的数值天气预报模式的计算模块，以解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于城市冠层人为热的数值天气预报模式的计算模块，

该模块包括测量单元和计算单元，测量单元与计算单元相连，计算单元包括：建筑物密度计算单元、人为热极大值计算单元、比例系数计算单元、人为热量计算单元、人为热通量计算单元以及能力平衡方程热量项计算单元。

优选的，测量单元，与人为热通量计算单元和建筑物密度计算单元相连，用于测量确定城市街谷的建筑物平均高度h、街谷平均宽度w、采样点垂直于地表的高度z、采样点空气密度ρ，采样点热传导率cp。

优选的，建筑物密度计算单元，与测量单元以及人为热极大值计算单元相连，用于根据测量单元测得的城市街谷的建筑物平均高度h和街谷平均宽度w计算建筑物密度d。

优选的，人为热极大值计算单元，与建筑物密度计算单元相连，用于根据建筑物密度d值计算人为热的极大值anmax。

优选的，比例系数计算单元，与人为热量计算单元相连，用于根据当前处于一天中的时刻，描述人为热量日变化。

优选的，人为热量计算单元，与比例系数计算单元、人为热极大值计算单元以及人为热通量计算单元相连，用于根据比例系数计算单元得到的比例系数和人为热极大值计算单元得到的人为热的极大值anmax，计算得到人为热量an。

优选的，人为热通量计算单元，与人为热量计算单元、测量单元和能力平衡方程热量项计算单元相连，用于根据测量单元测得的城市街谷的建筑物平均高度h、采样点垂直于地表的高度z、采样点空气密度ρ、采样点热传导率cp，以及人为热量计算单元计算得到的人为热量an，计算人为热通量fq。

优选的，能力平衡方程热量项计算单元，与人为热通量计算单元相连，用于根据人为热通量计算单元得到的人为热通量fq计算能力平衡方程热量项。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：将城市冠层人为热的数据加入到数值天气预报模式的计算中，使得数值天气预报模式能够更加准确的模拟城市气温。

附图说明

图1本发明的基于城市冠层人为热的数值天气预报模式的计算模块；

图2本发明的基于城市冠层人为热的数值天气预报模式的计算方法流程图；

图3为街谷平均高宽示意图；

图4为古观象台的数值天气预报模式模拟结果；

图5为白家庄站的数值天气预报模式模拟结果；

图6为十八里店站的数值天气预报模式模拟结果；

图7为南郊观象台的数值天气预报模式模拟结果。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

本发明公开了一种基于城市冠层人为热的数值天气预报模式的计算模块，该模块包括测量单元1和计算单元2，测量单元1与计算单元2相连，计算单元2包括：建筑物密度计算单元21、人为热极大值计算单元22、比例系数计算单元23、人为热量计算单元24、人为热通量计算单元25以及能力平衡方程热量项计算单元26。

其中，测量单元1，与建筑物密度计算单元21和人为热通量计算单元25相连，用于测量确定城市街谷的建筑物平均高度h、街谷平均宽度w、采样点垂直于地表的高度z、采样点空气密度ρ，采样点热传导率cp。

建筑物密度计算单元21，与测量单元1以及人为热极大值计算单元22相连，用于根据测量单元1测得的城市街谷的建筑物平均高度h和街谷平均宽度w计算建筑物密度d，其计算公式为：

人为热极大值计算单元22，与建筑物密度计算单元21相连，用于根据建筑物密度d值计算人为热的极大值anmax：

比例系数计算单元23，与人为热量计算单元24相连，用于根据当前处于一天中的时刻，描述人为热量日变化。

人为热量计算单元24，与比例系数计算单元23、人为热极大值计算单元22以及人为热通量计算单元25相连，用于根据比例系数计算单元23得到的比例系数和人为热极大值计算单元22得到的人为热的极大值anmax，计算得到人为热量an，其计算式为：an＝anmax*p(t)，其中，p(t)为一个比例系数，是描述人为热量日变化的函数。

p(t)的计算公式为：

其中，t为一天中的时刻，根据观测拟合，γ＝0.557；λ＝-0.106；φ＝-0.137。

p(t)的表达式表现了人为热源的日变化规律，白天人类活动较多，夜间较少。所以，该式的意义不仅体现了人为热量的空间分布的非均匀性，同时也反映了日变化特征。

人为热通量计算单元25，与人为热量计算单元24、测量单元1和能力平衡方程热量项26计算单元相连，用于根据测量单元1测得的城市街谷的建筑物平均高度h、采样点垂直于地表的高度z、采样点空气密度ρ、采样点热传导率cp，以及人为热量计算单元24计算得到的人为热量an，计算人为热通量fq。

能力平衡方程热量项计算单元26，与人为热通量计算单元25相连，用于根据人为热通量计算单元25得到的人为热通量fq计算能力平衡方程热量项。

将求得的fq添加到数值天气预报模式中的能力平衡方程热量项q中，q的计算公式为：q＝le+qs+st+fq，其中，le为蒸发潜能，qs为感热通量，st为地表向下的热通量，fq为城市冠层人为热通量。

图3为街谷平均高宽示意图，据此得到建筑物平均高度h和街谷平均宽度w。

图4-7分别显示了古观象台、白家庄站、十八里店站以及南郊观象台的数值天气预报模式模拟结果，其中a01为未添加城市冠层人为热计算模块的数值天气预报模式模拟结果，a02为添加了城市冠层人为热计算模块的数值天气预报模式模拟结果，根据图4-7的结果显示，添加了城市冠层人为热计算模块的数值天气预报模式模拟结果a02与实际观测值更为接近，因此本发明的基于城市冠层人为热的数值天气预报模式的计算模块能够更加准确的模拟城市气温。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。