《海上風(fēng)電場海洋氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用指南》

海上風(fēng)電場海洋氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用指南范圍本文件提出了海上風(fēng)電場海洋氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)的技術(shù)應(yīng)用指南，主要包括中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)、單機(jī)極大風(fēng)速預(yù)測、預(yù)報(bào)效果評(píng)估等內(nèi)容。本文件適用于指導(dǎo)廣東省海上風(fēng)電行業(yè)開展海洋氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用工作。其他地區(qū)的海上風(fēng)電行業(yè)可以參照執(zhí)行。規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T2900.53電工術(shù)語風(fēng)力發(fā)電機(jī)組GB/T3830天氣預(yù)報(bào)檢驗(yàn)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)GB/T40607調(diào)度側(cè)風(fēng)電或光伏功率預(yù)測系統(tǒng)技術(shù)要求QX/T243風(fēng)電場風(fēng)速預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率評(píng)判方法術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。

臺(tái)風(fēng)路徑typhoontrack臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)的軌跡。[來源：GB/T38308-2019,2.2]

臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度typhoonintensity臺(tái)風(fēng)中心附近底層(近地面或近海面)最大平均風(fēng)速值或中心最低海平面氣壓值。[來源：GB/T38308-2019,2.3]物理參數(shù)化方案physicalparameterizationschemes物理參數(shù)化方案將數(shù)值預(yù)報(bào)模式中無法直接求解的復(fù)雜物理過程表達(dá)為模型方程的參數(shù)形式，使得數(shù)值模式能夠在離散化網(wǎng)格點(diǎn)上求解，從而模擬大氣系統(tǒng)的演變。常見的物理參數(shù)化方案包括邊界層方案、云微物理方案、輻射方案和積云對(duì)流方案等。

輪轂高度hubheight從地面到風(fēng)輪掃掠面中心的高度，對(duì)垂直軸風(fēng)電機(jī)組是赤道平面高度。注：單位為米(m)[來源：GB/T2900.53-2001,定義2.1.2]

切出風(fēng)速cut-inwindspeed在小于規(guī)定的湍流條件下，輪轂高度處風(fēng)機(jī)可以正常輸出功率的最高風(fēng)速。注：單位為米每秒(m/s)。[來源：QX/T243-2014]

風(fēng)電場參數(shù)化方案wind-farmparameterizationschemes風(fēng)電場參數(shù)化方案是在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中簡化風(fēng)電場氣流效應(yīng)的一種策略，旨在參數(shù)化表征風(fēng)電場對(duì)風(fēng)速、湍流、溫度等大氣變量的影響，而不需要直接求解風(fēng)電場內(nèi)部復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)過程。風(fēng)電場隱式參數(shù)化方案wind-farmimplicitparameterizationschemes風(fēng)電場隱式參數(shù)化方案是指把風(fēng)電場氣流效應(yīng)參數(shù)化為表面粗糙度改變的一類參數(shù)化方法。風(fēng)電場顯式參數(shù)化方案wind-farmexplicitparameterizationschemes風(fēng)電場顯式參數(shù)化方案是指把風(fēng)電場氣流效應(yīng)參數(shù)化為動(dòng)量匯的增加或湍流動(dòng)能源的一類參數(shù)化方法。

統(tǒng)計(jì)模型預(yù)報(bào)statisticalmodelforecasting利用歷史觀測資料，分析風(fēng)速與氣象條件及其他影響因素條件的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，依靠風(fēng)速具有強(qiáng)相關(guān)的時(shí)間相關(guān)性，使用統(tǒng)計(jì)模型或人工智能模型建立擬合方程，從而根據(jù)模型和新的預(yù)測影響因素條件，獲得對(duì)未來風(fēng)速的預(yù)報(bào)結(jié)果?；旌戏椒A(yù)報(bào)mixedMethodsForecasting基于數(shù)值預(yù)報(bào)模式輸出風(fēng)速，結(jié)合實(shí)際觀測風(fēng)速，使用統(tǒng)計(jì)或者人工智能方法，構(gòu)建誤差修正模型，獲得更準(zhǔn)確的未來風(fēng)速的預(yù)報(bào)結(jié)果。中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)南海臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)空間尺度范圍南海臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)以南海北部主要海域?yàn)榭臻g尺度范圍，客觀反映未來臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度。模式嵌套在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中設(shè)置通常不少于兩層的嵌套區(qū)域，以同時(shí)滿足大尺度大氣環(huán)流驅(qū)動(dòng)模擬和高分辨率預(yù)報(bào)的需求。臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)時(shí)長臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)時(shí)長至少以天為單位。臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)形式臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)形式為以預(yù)報(bào)時(shí)長為間隔的滾動(dòng)預(yù)報(bào)，并提前發(fā)布預(yù)報(bào)結(jié)果。動(dòng)態(tài)海表面溫度在臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的驅(qū)動(dòng)場輸入中應(yīng)考慮隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的海溫?cái)?shù)據(jù)以提供更準(zhǔn)確的海表面邊界場。海氣耦合在臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)過程中將海洋和大氣系統(tǒng)相互作用的過程納入數(shù)值模式中，如海表面溫度、海洋上層熱含量、海浪、潮汐等。這種耦合能夠更準(zhǔn)確地模擬臺(tái)風(fēng)和海洋之間的反饋機(jī)制，進(jìn)而提高臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的精確性和可靠性。海上風(fēng)電場風(fēng)速預(yù)報(bào)海上風(fēng)電場風(fēng)速的數(shù)值模式預(yù)報(bào)為單機(jī)風(fēng)速中的混合方法預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?？臻g尺度范圍海上風(fēng)電場區(qū)風(fēng)速模擬的數(shù)值預(yù)報(bào)模式空間尺度范圍應(yīng)覆蓋所關(guān)注的海上風(fēng)電場及鄰近海陸區(qū)域。預(yù)報(bào)輸出時(shí)間間隔相鄰兩次預(yù)報(bào)結(jié)果輸出的時(shí)間間隔一般不大于15分鐘。初始設(shè)置數(shù)值預(yù)報(bào)模式初始設(shè)置包括空間尺度范圍、空間網(wǎng)格、時(shí)間分辨率、起始時(shí)刻、預(yù)報(bào)時(shí)長、物理參數(shù)化方案等。加入考慮風(fēng)電場氣流效應(yīng)的風(fēng)電場參數(shù)化方案可有效提升數(shù)值模式的預(yù)報(bào)能力。風(fēng)電場顯式參數(shù)化方案的表現(xiàn)通常優(yōu)于隱式參數(shù)化方案。預(yù)報(bào)產(chǎn)品及后處理數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品為風(fēng)速。對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)模式輸出風(fēng)速進(jìn)行的后處理，包括診斷分析、單位轉(zhuǎn)換、空間插值和格式轉(zhuǎn)換等，匹配各風(fēng)機(jī)坐標(biāo)及其輪轂高度，作為單機(jī)風(fēng)速混合方法預(yù)報(bào)的輸入數(shù)據(jù)。單機(jī)極大風(fēng)速預(yù)報(bào)通過單機(jī)極大風(fēng)速預(yù)報(bào)，結(jié)合風(fēng)電場風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的切出風(fēng)速，規(guī)劃風(fēng)機(jī)啟停時(shí)間、運(yùn)維計(jì)劃與并網(wǎng)方案等。單機(jī)極大風(fēng)速預(yù)報(bào)方法一般有數(shù)值模式預(yù)報(bào)、統(tǒng)計(jì)模型預(yù)報(bào)與混合預(yù)報(bào)，其中數(shù)值模式預(yù)報(bào)參考4.2。統(tǒng)計(jì)模型預(yù)報(bào)方法預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫建立選取穩(wěn)定性好、代表性強(qiáng)、與風(fēng)速相關(guān)性好的氣象因子，包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、相對(duì)濕度、氣壓等要素。氣象數(shù)據(jù)來源為實(shí)際觀測，數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率一般不低于15分鐘。模型輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量控制輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量控制包括模型輸入數(shù)據(jù)中異常值、重復(fù)值和缺失值的識(shí)別、剔除等處理。模型訓(xùn)練模型訓(xùn)練是模型沿著預(yù)報(bào)風(fēng)速和觀測風(fēng)速之間的誤差減小的方向不斷更新模型參數(shù)的過程。通過設(shè)置梯度下降函數(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，模型的訓(xùn)練通過計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。模型調(diào)優(yōu)統(tǒng)計(jì)模型的調(diào)優(yōu)是通過交叉驗(yàn)證或優(yōu)化算法等方法對(duì)模型結(jié)構(gòu)與超參數(shù)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，從而建立最優(yōu)的擬合方程。統(tǒng)計(jì)模型動(dòng)態(tài)更新根據(jù)實(shí)際情況，定期將最新的實(shí)測數(shù)據(jù)作為樣本加入到數(shù)據(jù)庫中，通過不斷調(diào)整數(shù)據(jù)庫進(jìn)行模型訓(xùn)練，定期更新模型，以優(yōu)化預(yù)報(bào)結(jié)果?；旌项A(yù)報(bào)方法該方法為通過建立誤差校正模型，對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的輸出進(jìn)行修正，提升預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫建立選取穩(wěn)定性好、代表性強(qiáng)、與風(fēng)速相關(guān)性好的氣象因子，包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、相對(duì)濕度、壓力等要素。分為預(yù)測數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)，預(yù)測數(shù)據(jù)來源于數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果，觀測數(shù)據(jù)來源為實(shí)測風(fēng)速。數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率一般不低于15分鐘。模型輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量控制輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量控制包括模型輸入數(shù)據(jù)中異常值、重復(fù)值和缺失值的識(shí)別、剔除等處理。模型訓(xùn)練誤差校正模型訓(xùn)練是沿著數(shù)值模式預(yù)報(bào)風(fēng)速和觀測風(fēng)速之間的誤差減小的方向不斷更新模型參數(shù)的過程。通過梯度下降函數(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，該過程可通過計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。模型調(diào)優(yōu)誤差校正模型的調(diào)優(yōu)是通過交叉驗(yàn)證或優(yōu)化算法等方法對(duì)模型結(jié)構(gòu)與超參數(shù)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，從而建立最優(yōu)的擬合方程。誤差校正模型動(dòng)態(tài)更新根據(jù)實(shí)際情況，定期將最新的實(shí)測數(shù)據(jù)作為樣本加入到數(shù)據(jù)庫中，通過不斷調(diào)整數(shù)據(jù)庫進(jìn)行模型訓(xùn)練，定期更新模型，以優(yōu)化預(yù)報(bào)結(jié)果。

附錄A

（資料性）

臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)評(píng)估方式及相關(guān)指標(biāo)計(jì)算A.1預(yù)報(bào)評(píng)估內(nèi)容開展臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)工作，應(yīng)包括對(duì)其預(yù)報(bào)效果的評(píng)估。評(píng)估內(nèi)容包括評(píng)估類別、評(píng)估對(duì)象、評(píng)估周期。評(píng)估類別通常包括臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度。臺(tái)風(fēng)路徑的評(píng)估對(duì)象為臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)緯度位置，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的評(píng)估對(duì)象包括臺(tái)風(fēng)中心海平面最低氣壓和近中心最大風(fēng)速。對(duì)臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)工作提前24小時(shí)、48小時(shí)、72小時(shí)等主要時(shí)次的預(yù)報(bào)結(jié)果分別進(jìn)行時(shí)效評(píng)估。A.2預(yù)報(bào)評(píng)估方法A.2.1臺(tái)風(fēng)路徑評(píng)估如圖1所示，從數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果中捕捉臺(tái)風(fēng)位置，根據(jù)圖2確定臺(tái)風(fēng)中心所在的初始時(shí)刻位置和下一時(shí)刻的預(yù)報(bào)位置，形成連續(xù)的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)路徑結(jié)果：說明：紅點(diǎn)——臺(tái)風(fēng)中心海平面氣壓最低處；藍(lán)點(diǎn)——經(jīng)向風(fēng)；黃點(diǎn)——緯向風(fēng)；黃色旋轉(zhuǎn)箭頭——臺(tái)風(fēng)中心渦旋風(fēng)呈逆時(shí)針向內(nèi)輻合。圖1臺(tái)風(fēng)中心特征圖說明：藍(lán)色點(diǎn)——T-1時(shí)刻臺(tái)風(fēng)位置；藍(lán)色箭頭——T-1時(shí)刻的可能半徑IndexRadius；藍(lán)色實(shí)線圓圈——T-1時(shí)刻臺(tái)風(fēng)可能半徑范圍；紅色點(diǎn)——T時(shí)刻臺(tái)風(fēng)位置；紅色虛線圓圈——T時(shí)刻最大可能半徑范圍；Radius=spd*history_interval——根據(jù)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)經(jīng)驗(yàn)速度和移動(dòng)間隔計(jì)算臺(tái)風(fēng)可能半徑。圖2臺(tái)風(fēng)連續(xù)時(shí)刻位置圖將同時(shí)刻的路徑預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)測結(jié)果對(duì)比，通過絕對(duì)偏差（Bias）評(píng)估偏差：Bias=1ni=1n式中：i=1，2…n；n——序列長度；N——總數(shù)量；Si——各時(shí)刻預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；Oi——各時(shí)刻實(shí)測數(shù)據(jù)。A.2.2臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度評(píng)估將不同時(shí)刻臺(tái)風(fēng)中心海平面最低氣壓、近中心最大風(fēng)速的預(yù)報(bào)值與實(shí)測值對(duì)比，通過計(jì)算相關(guān)系數(shù)（CorrelationCoefficient，R）、絕對(duì)誤差（Bias，見公式（A.2.1-1）和均方根誤差（RMSE）來評(píng)估預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)測結(jié)果的相關(guān)性和差異性：R=i=1n(SiRMSE=1ni=1式中：i=1，2…n；n——序列長度；N——總數(shù)量；Si——各時(shí)刻預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；Oi——各時(shí)刻實(shí)測數(shù)據(jù)；S——所有時(shí)刻預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)平均值；O——所有時(shí)刻實(shí)測數(shù)據(jù)平均值。

附錄B

（資料性）

單機(jī)極大風(fēng)速預(yù)報(bào)評(píng)估及相關(guān)指標(biāo)計(jì)算B.1預(yù)報(bào)評(píng)估內(nèi)容開展單機(jī)極大風(fēng)速預(yù)報(bào)工作時(shí)，應(yīng)對(duì)其預(yù)報(bào)效果進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估內(nèi)容包括預(yù)報(bào)精度、時(shí)效評(píng)估與周期評(píng)估。通過各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)預(yù)報(bào)精度進(jìn)行檢驗(yàn)?；诓煌念A(yù)報(bào)時(shí)長，對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行時(shí)效評(píng)估。以每次風(fēng)速預(yù)報(bào)作為基礎(chǔ)，視實(shí)際需要，對(duì)預(yù)測效果進(jìn)行周期評(píng)估，檢驗(yàn)該風(fēng)速預(yù)報(bào)在周期內(nèi)的預(yù)報(bào)效果。B.2預(yù)報(bào)評(píng)估方法B.2.1均方根誤差該均方根誤差由GB/T40607-2021公式(1)調(diào)整后，進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法見公式（B.2.1-1）。RMSE=1ni=1n(yi式中：n——所有樣本個(gè)數(shù)；xi——i時(shí)刻觀測風(fēng)速；yi——i時(shí)刻實(shí)測風(fēng)速；Mfws——風(fēng)機(jī)滿發(fā)風(fēng)速。B.2.2準(zhǔn)確率準(zhǔn)確率由GB/T40607-2021中公式(5)，結(jié)合本文件公式（B.2.1-1）進(jìn)行計(jì)算。B.2.3絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差由Q