短期風(fēng)功率預(yù)報(bào)通常是指對(duì)未來24小時(shí)乃至未來一至三天的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率做出預(yù)測(cè)。

準(zhǔn)確的短期風(fēng)功率預(yù)報(bào)可以供電力部門制定調(diào)整發(fā)電計(jì)劃時(shí)參考，降低了風(fēng)電輸出功率大幅波動(dòng)給輸電網(wǎng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)電事業(yè)發(fā)達(dá)的歐洲各國(guó)普遍推行了電力市場(chǎng)化交易機(jī)制，而短期風(fēng)功率預(yù)報(bào)產(chǎn)品為風(fēng)電場(chǎng)參與到交易中提供了強(qiáng)有力的支持。

近地表風(fēng)機(jī)輪轂高度的風(fēng)的強(qiáng)度及風(fēng)向受天氣過程、低空急流、局地地形強(qiáng)迫、晴空湍流等不同時(shí)間空間尺度的物理過程共同作用，變化復(fù)雜且缺乏顯著的周期性特征。當(dāng)風(fēng)速及功率預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)超過數(shù)小時(shí)之后，再優(yōu)秀的純粹統(tǒng)計(jì)算法也束手無(wú)策。這便是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)發(fā)揮威力的時(shí)候了。據(jù)小編的調(diào)研，市場(chǎng)上主流的短期風(fēng)功率預(yù)報(bào)產(chǎn)品都是依賴于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果開發(fā)的——先是獲得風(fēng)電場(chǎng)所在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式格點(diǎn)處的風(fēng)速風(fēng)向及其他要素的預(yù)報(bào)結(jié)果，傳入到后續(xù)運(yùn)算模塊中，最終輸出功率預(yù)報(bào)。

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)這個(gè)名詞大家一定都聽說過。相信大家吐槽氣象局預(yù)報(bào)不準(zhǔn)的次數(shù)一定遠(yuǎn)高于吐槽短期風(fēng)功率預(yù)報(bào)的不準(zhǔn)。但估計(jì)了解數(shù)值天氣預(yù)報(bào)原理的人就少之又少了。在此小編將在進(jìn)一步剖析風(fēng)功率預(yù)報(bào)產(chǎn)品之前，先對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)做個(gè)簡(jiǎn)要但全面的介紹，希望能夠增進(jìn)大家對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)及其結(jié)果的理解。一、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的前世今生

古人對(duì)天氣預(yù)報(bào)的認(rèn)識(shí)僅僅停留在看云識(shí)天氣以及出海前去龍王廟里拜一拜的層次。十九世紀(jì)二十世紀(jì)之交，Abbe和Bjerknes提出可以基于大氣運(yùn)動(dòng)物理定律預(yù)報(bào)天氣，將天氣預(yù)報(bào)過程抽象為求解一組偏微分方程，而氣象要素觀測(cè)值可以作為偏微分方程的初值。二十年代，英國(guó)科學(xué)家Ridson嘗試預(yù)報(bào)未來6小時(shí)歐洲地區(qū)地面氣壓場(chǎng)的變化。這是有記載的人類第一次發(fā)布數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。然而這一次的預(yù)報(bào)結(jié)果與真實(shí)數(shù)據(jù)偏差嚴(yán)重。此后關(guān)于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的研究一度陷于沉寂。

電子計(jì)算機(jī)在第二次世界大戰(zhàn)中誕生，強(qiáng)大的計(jì)算能力使得偏微分方程的求解擁有了時(shí)效性。氣象觀測(cè)網(wǎng)的逐步建立、特別是高空探測(cè)的發(fā)展，為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)提供了越來越豐富的初值信息。與此同時(shí)，科學(xué)家對(duì)于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的理論研究也在不斷深入。他們認(rèn)識(shí)到Ridson之所以失敗，是因?yàn)樗蠼獾姆匠探M中包括了極易發(fā)散的高頻物理信息。1950年，Charney等一批美國(guó)氣象學(xué)家使用計(jì)算機(jī)求解做了濾波近似后的方程組，首次成功發(fā)布了北美地區(qū)500Pa高度場(chǎng)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果。

過去40年，伴隨著氣象學(xué)界及科技界的飛速發(fā)展，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)能力取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，為不斷提高數(shù)值模式的時(shí)空分辨率提供了可能。觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，特別是氣象衛(wèi)星的發(fā)射，保證采集數(shù)據(jù)時(shí)不遺漏全球任何一個(gè)角落。氣象模型，以及針對(duì)模式無(wú)法直接求解的物理過程的參數(shù)化不斷優(yōu)化，提高了模式描述真實(shí)物理世界的能力。下圖展示了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)在南北半球預(yù)報(bào)能力的進(jìn)步（以500hPa位勢(shì)高度為比較基準(zhǔn)）。如今對(duì)五天后氣壓場(chǎng)的預(yù)報(bào)精度可達(dá)到20年前對(duì)三天后氣壓場(chǎng)的預(yù)報(bào)。差不多每個(gè)十年預(yù)報(bào)能力提升了一天。這是緩慢的進(jìn)步，這也是巨大的進(jìn)步。這是場(chǎng)無(wú)聲的革命！

二、主流天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品

全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的研發(fā)需要有強(qiáng)大的科研能力，且要投入大量的資源，世界上能夠玩得起這場(chǎng)燒錢競(jìng)賽的國(guó)家與組織屈指可數(shù)。且聽小編為你一一道來。

美國(guó)大氣與海洋局是全球大氣科學(xué)學(xué)界的圣地，背后又有個(gè)大金主，豈能錯(cuò)過這場(chǎng)競(jìng)賽？其開發(fā)的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GlobalForeSystem,GFS)大概是這個(gè)世界上使用最為廣泛的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式了。一方面，GFS模式的預(yù)報(bào)質(zhì)量的確很好值得信賴，另一方面得益于其免費(fèi)政策。任何組織與個(gè)人，無(wú)論國(guó)籍，都能夠自由獲取GFS模式數(shù)據(jù)并在此基礎(chǔ)上做研究。GFS每日發(fā)布4次，每次發(fā)布當(dāng)前時(shí)刻至未來15天的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)分辨率為3小時(shí)。GFS預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的水平分辨率為0.25°，在中國(guó)區(qū)域相當(dāng)于近30km。

全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的另一處山頭是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(EuropeanCenterforMedium-RangeWeatherFores,ECMWF)。歐洲中心的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量堪比GFS數(shù)據(jù)，但其對(duì)成員國(guó)外的用戶收取高昂的服務(wù)費(fèi)用，故其用戶比GFS用戶少很多。不過為了獲得更高質(zhì)量的天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，為客戶提供更為準(zhǔn)確的風(fēng)功率預(yù)報(bào)產(chǎn)品，本公司可是采購(gòu)了這一套預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)哦。小編檢測(cè)過了，這套數(shù)據(jù)的風(fēng)速預(yù)報(bào)精度的確比GFS預(yù)報(bào)結(jié)果要好。歐洲中心數(shù)據(jù)每日發(fā)布兩次，每次發(fā)布未來10天的數(shù)值預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)分辨率亦為3小時(shí)。歐洲中心預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的水平分辨率為0.1°，相當(dāng)于10km，遠(yuǎn)超出GFS數(shù)據(jù)。

我國(guó)對(duì)于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)也非常重視，投入了大量人力物力用于開發(fā)自己的模式。據(jù)最新報(bào)道，中國(guó)氣象局自主研發(fā)的GRAPES全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)2.0版本正式開始業(yè)務(wù)化運(yùn)行并下發(fā)產(chǎn)品。該產(chǎn)品同化了大量衛(wèi)星資料，且在質(zhì)量控制和偏差訂正技術(shù)方面優(yōu)勢(shì)明顯。報(bào)道中稱本產(chǎn)品在中國(guó)區(qū)域的短期降水預(yù)報(bào)能力已接近歐洲中心。未來小編將會(huì)測(cè)試本系統(tǒng)對(duì)于近地面處風(fēng)的預(yù)報(bào)能力，期待獲得令人驚喜的結(jié)果。

三、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的物理過程描述

大氣中不同物理過程在時(shí)間尺度和空間尺度上跨越了數(shù)個(gè)量級(jí)。大氣長(zhǎng)波的波長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)幾千千米，三四個(gè)波就能夠在緯向環(huán)繞地球一圈。臺(tái)風(fēng)、溫帶氣旋等過程的空間尺度較大氣長(zhǎng)波小一個(gè)量級(jí)。海陸風(fēng)、山谷風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流天氣等過程的尺度又要小一個(gè)量級(jí)。晴空積云的空間尺度只有千米量級(jí)，存在時(shí)間不過數(shù)小時(shí)，而湍流的空間尺度最小僅有數(shù)十厘米，生命時(shí)間為秒級(jí)。下周展示了大氣中不同物理過程的空間尺度及特征時(shí)間。

上一節(jié)中提到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的水平分辨率為十千米量級(jí)。簡(jiǎn)單理解就是在模式中，十千米范圍內(nèi)就這么一個(gè)格點(diǎn)，這一個(gè)格點(diǎn)要代表十千米范圍內(nèi)的總體狀態(tài)。對(duì)于空間尺度遠(yuǎn)大于十千米的物理過程，在模式中可以用物理方程描述。但那些尺度小于十千米的物理過程呢？

這時(shí)候就要引入?yún)?shù)化的概念了。對(duì)于那些無(wú)法直接用方程顯示求解的過程，可以用一些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系表達(dá)出來。比如對(duì)于尺度非常小的湍流項(xiàng)，模式通過格點(diǎn)的平均風(fēng)速的梯度進(jìn)行計(jì)算，但由于表達(dá)的只是湍流對(duì)模式格點(diǎn)風(fēng)速影響的統(tǒng)計(jì)特征，因此在具體的不同時(shí)刻可能會(huì)帶來不同的誤差引入，最終使得模式模擬的結(jié)果因時(shí)而異。

四、近地表風(fēng)的預(yù)報(bào)結(jié)果如上節(jié)所述，模式水平分辨率和參數(shù)化方案影響模式預(yù)報(bào)結(jié)果的精度。那么，模式對(duì)于近地面處風(fēng)的預(yù)報(bào)能力到底如何呢？小編選取了歐洲中心模式在某復(fù)雜山地風(fēng)場(chǎng)處的預(yù)報(bào)結(jié)果，展示如下。其中橫軸代表不同的預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)——從模式發(fā)布時(shí)刻到72小時(shí)后的預(yù)報(bào)，縱軸為均方根誤差——值越大表明預(yù)報(bào)結(jié)果越差。可以看出，預(yù)報(bào)時(shí)間越長(zhǎng)，預(yù)報(bào)誤差越大。且在一天之內(nèi)，預(yù)報(bào)誤差呈現(xiàn)出顯著的日變化。這是由于一天之內(nèi)邊界層由消到生再到消，而模式的邊界層參數(shù)化方案未能完美地模擬出這一過程。細(xì)心的讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，模式風(fēng)速預(yù)報(bào)的均方根誤差平均值高達(dá)4m/s。這么大的誤差代入到功率曲線內(nèi)，這預(yù)報(bào)的功率與真實(shí)功率差的也太多了吧，風(fēng)功率預(yù)報(bào)產(chǎn)品的客戶決不能接受。模式的風(fēng)速預(yù)報(bào)結(jié)果肯定是不能直接被用于預(yù)報(bào)功率的。至于怎樣處理模式直接輸出結(jié)果，下次再談吧。