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风电场与复杂的非均匀大气边界层有着重要的相互作用。风能行业开展的主要工作并不能关注这方面的变化。然而，最近的研究报告表明，通过提高对大气与风力发电机之间相互作用的理解，不但找到了促使风力发电机技术进步的新方法而且改进了风力发电机性能验证和操作流程。风力发电机与大气的相互作用发生在不同的尺度上。了解中尺度大气和风力发电场之间的相互作用可以有助于使风能产业成为电网的基本能源来源。此外，理解大气对风电间歇性的贡献可以提高风力发电预测的准确性。风电场内的风况变化将影响风电场内和邻近风电场内的风力发电机尾流，对这些变化有更深入的了解将可以帮助减轻尾流的影响，甚至允许对这些尾流进行管理，以提高风力发电量。在这里，介绍了我博士期间的研究工作，考虑了风电场与边界层之间的几个突出问题。这项工作主要由三部分内容组成:结合中尺度天气预报模式(WRF)，利用耦合风电场参数化的天气预测模型(WFP)来评估多分辨率条件下的模式性能;研究大气边界层发展和风电场影响下的大气重力波;通过中尺度模拟来优化不同风电场的风机布局。
本文第一部分在介绍了风电场和大气边界层动力学背景的基础上，对近年来风电场参数化方案与天气研究预报模型(WFP-WRF)在多分辨率下的性能进行了评价。结果表明，较高的垂直分辨率和水平分辨率对尾流动力学模拟有较大的影响。相应的风速亏损和湍流动能计算结果与已有研究结果吻合较好。此外，水平分辨率对近地层大气模拟结果的影响显著大于垂直分辨率。尾流场从风电场开始延伸到10km以内的下游，风速差可超过4％;在风电场垂直高度上方150m处或者距离风电场下游25km处，风速差均达到2％左右，这说明，在下游距离超过25km的地方，风力涡轮机对大气边界层的影响可以忽略不计。对近地层气象特征分析表明，近地层夜间和清晨气温升高，水汽混合比增大，地表感热和潜热通量减小;在白天，风力发电场附近的地表温度略有下降，水汽混合比随着地表感热通量和潜热通量的增加而降低。
第二部分的主题是利用WFP-WRF对大气边界层发展和风电场影响下的大气重力波进行了研究。结果表明，在考虑风电场对大气边界层影响的模式时间段内，1800UTC(02:00AM)处边界层最大平均位移为9.6m左右，0600UTC(14:00PM)处边界层最小平均位移约为4.9m。两种情况下，最大的边界层位移均发生在风电场区域内;而同时也注意到除了压力扰动的最大值出现在风电场入口处外，也有其它类似的现象发生。在夜间稳定大气条件下，观测到的风电场边界层位移能激发低对流层大气重力波。
第三部分的主题是探讨风电场的风力发电机最优几何形状布局问题。在测试的4种风电场几何形状布局中，三角形风电场几何布局(TRF)受尾流影响最小，提高了风力发电量。具体而言，三角形风电场(TRF)是将风力发电机沿着风电场的主风向位置错位排列，并在该风向上设置一个面向该风向的基座，以减少尾流对下风向的风力发电机的影响。此外，研究表明，任何迎风向排列风力涡轮机列数较少（如垂直矩形）的布局都要比排列风力涡轮机列数较多（如水平矩形）的布局所产生的尾流损失要小。
最后，本文对正确使用WFP-WRF的重要性进行了讨论，并呼吁为了更好的促进风能产业的发展，各方应共同努力，就风电场的各相关数据的管理和使用制定更加合理的机制。另外提出了未来的工作计划，包括延长不同大气条件下的模拟周期，并考虑其它地形复杂的风电场。
本文第一部分在介绍了风电场和大气边界层动力学背景的基础上，对近年来风电场参数化方案与天气研究预报模型(WFP-WRF)在多分辨率下的性能进行了评价。结果表明，较高的垂直分辨率和水平分辨率对尾流动力学模拟有较大的影响。相应的风速亏损和湍流动能计算结果与已有研究结果吻合较好。此外，水平分辨率对近地层大气模拟结果的影响显著大于垂直分辨率。尾流场从风电场开始延伸到10km以内的下游，风速差可超过4％;在风电场垂直高度上方150m处或者距离风电场下游25km处，风速差均达到2％左右，这说明，在下游距离超过25km的地方，风力涡轮机对大气边界层的影响可以忽略不计。对近地层气象特征分析表明，近地层夜间和清晨气温升高，水汽混合比增大，地表感热和潜热通量减小;在白天，风力发电场附近的地表温度略有下降，水汽混合比随着地表感热通量和潜热通量的增加而降低。
第二部分的主题是利用WFP-WRF对大气边界层发展和风电场影响下的大气重力波进行了研究。结果表明，在考虑风电场对大气边界层影响的模式时间段内，1800UTC(02:00AM)处边界层最大平均位移为9.6m左右，0600UTC(14:00PM)处边界层最小平均位移约为4.9m。两种情况下，最大的边界层位移均发生在风电场区域内;而同时也注意到除了压力扰动的最大值出现在风电场入口处外，也有其它类似的现象发生。在夜间稳定大气条件下，观测到的风电场边界层位移能激发低对流层大气重力波。
第三部分的主题是探讨风电场的风力发电机最优几何形状布局问题。在测试的4种风电场几何形状布局中，三角形风电场几何布局(TRF)受尾流影响最小，提高了风力发电量。具体而言，三角形风电场(TRF)是将风力发电机沿着风电场的主风向位置错位排列，并在该风向上设置一个面向该风向的基座，以减少尾流对下风向的风力发电机的影响。此外，研究表明，任何迎风向排列风力涡轮机列数较少（如垂直矩形）的布局都要比排列风力涡轮机列数较多（如水平矩形）的布局所产生的尾流损失要小。
最后，本文对正确使用WFP-WRF的重要性进行了讨论，并呼吁为了更好的促进风能产业的发展，各方应共同努力，就风电场的各相关数据的管理和使用制定更加合理的机制。另外提出了未来的工作计划，包括延长不同大气条件下的模拟周期，并考虑其它地形复杂的风电场。