风场模拟、城市环境】从WRF-LES到PALM大涡模拟实战

大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称LES）是一种在流体动力学领域中用于模拟流体流动的方法。PALM（Parallelized Large-eddy Simulation Model）是一种用于大涡模拟的计算流体力学软件。

在风场领域，大涡模拟PALM可以被应用于模拟城市环境中的风场分布，预测城市中不同建筑物对风场的影响，评估风动力对结构的影响等。以下是一个具体的例子：

假设我们有一个城市区域，其中包含高楼大厦、道路、公园等不同的地形和建筑物。我们希望了解在这个城市环境中风场的分布情况，以及建筑物对风场的影响。

通过使用大涡模拟PALM，可以建立一个包含城市区域地形和建筑物信息的数值模型。这个模型可以考虑城市中不同建筑物的高度、密度、形状等因素，以及地面摩擦的影响。

通过运行模拟，可以模拟出城市风场的分布情况，包括各个位置的风速、风向等信息。同时，可以评估不同建筑物对风场的影响，比如阻挡、扭曲风场等。

大涡模拟实战：从WRF到PALM的完整数值模拟工作流

随着低空经济的蓬勃发展，无人机、空中出租车等新型交通工具正在重塑我们的城市空间。这场静默的革命不仅带来了经济机遇，更对城市大气环境提出了全新挑战。在距离地面200米以下的城市冠层中，建筑物与大气的复杂相互作用、人类活动产生的热量和污染物，都在塑造着独特的城市微气候。理解和预测这个复杂系统的行为，对于保障低空交通安全、改善城市人居环境具有重要意义。城市气候学正经历着前所未有的发展机遇。从传统的城市热岛效应研究，到新兴的城市边界层动力学探索，科学家们需要更精细的工具来描述城市大气运动的复杂性。大涡模拟（LES）作为一种先进的数值模拟方法，能够精确捕捉建筑物尾流、热羽流等城市特有的湍流结构，为我们打开了认识城市大气环境的新窗口。然而，掌握大涡模拟技术绝非易事。从WRF-LES到PALM，每一个模式都像一把精密的手术刀，需要操作者深入理解其工作原理，熟练掌握其使用方法。

基础理论

1、大涡模拟基本原理

1)控制方程和湍流闭合

2)滤波方法与子网格模式

3)边界条件处理方法

主要模型概述

1、WRF模型概述

1)模型的发展历程

2)模型的基本框架

2、PALM模型概述

1)模型的基本框架

2)模型架构与计算网格

3)动力学核心

4)湍流模块

Python基础

1、NumPy：用于数值计算和数组操作

2、Pandas：用于数据处理和分析

3、xarray：处理带标签的多维数组数据

4、用于：前处理、后处理及可视化

Linux基础

1、Linux文件系统结构

1)文件类型

2)文件查看命令

3)文件操作命令

4)文件权限管理

5)文件查找

6)文件压缩和解压

7)磁盘空间管理

2、环境变量设置

1)环境变量基础概念

2)常见的环境变量

3)查看环境变量

4)设置环境变量的方法

5)临时设置、永久设置

6)编辑用户的配置文件

编译

1、基础编译过程

1）单文件编译

2）多文件编译

3）使用Make工具

4）使用CMake构建系统

5）优化选项

6）常见问题解决

环境部署

1、预编译

2、WRF编译

3、PALM编译

4、环境配置

WRF模拟

1、WPS处理

1)namelist.wps配置

2)通过 geogrid 程序定义模拟区域并插值地形、土地利用等静态数据

3)使用 ungrib 程序解码气象数据,如 GRIB 格式的初始场和边界场

4)运行 metgrid 程序将所有数据插值到模式网格上

2、WRF处理

1)namelist.input配置

2)WRF 模型包含多种物理过程方案的选择:

ndown模拟

1、ndown模拟

1)namelist.wps配置

2)namelist.input配置

3)ndown执行

WRF-LES模拟

1、模型配置

1)模拟域设置

2)网格配置

2、物理参数化

1)次网格尺度湍流模式

3、数值方法

1)时间积分

4、初始和边界条件

1)初始化选项

2)边界处理

QGIS操作

1、数据读入

1)矢量数据读入

2)栅格数据读入

2、数据裁剪

1)矢量数据裁剪

2)栅格数据裁剪

3、坐标转换

1)矢量数据投影转换

2)栅格数据投影转换

4、矢量数据修复

1)几何修复

2)拓扑检查与修复

5、矢量字段编辑

1)字段计算

2)字段管理

3)字段计算器

PALM模拟

1、主要模块介绍

2、配置文件（p3d）

3、自带简单案例模拟

PALM驱动数据制作（WRF4PALM）

1、WRF4PALM基础

1)配置文件介绍

2)执行步骤

PALM静态数据制作（palmpy）

1、PALMPY

1)地形数据（SRTM、GDEM）

2)土地利用数据（清华2017年、ESA）

3)配置文件

4)执行步骤

城市案例研究

1、真实案例模拟

1)不考虑建筑模拟

2)考虑建筑模拟

PALMPY多城市预处理文件