基于WRF模式和自适应偏最小二乘回归法的风能预报试验研究

利用中尺度WRF(Weather Research and Forecast Model)模式预报了2009年1,4,7和10月甘肃某风电场区域的风速和风向,并与离风电场最近的两座测风塔对应时段50m和70m高度实测资料进行了对比,客观地评估了该模式对风场预报的准确率。在相对准确的风场预报基础上,利用2008年1月-2009年4月风电场200台风机的实际功率记录数据和同期气象要素场预报资料,采用自适应偏最小二乘回归法和单机预报法建立了每台风机未来48h逐15min输出功率记录数据与同时刻轮毂高度预报的风速、风向、气温、湿度及气压之间的非线性统计预报模型。为了对该模型的稳定性和准确性进行长期的客观评估,独立进行了2008年1-12月的预报试验,分别建立了12组独立的非线性统计预报模型。试验结果表明:(1)WRF模式预报的各月风向分布、风频大小与实测风向有较好的一致性;盛行风向基本一致,风频大小相当,风向分布特征也较为一致。(2)WRF模式预报的50m和70m高度逐时平均风速与实测值的相关系数介于0.6～0.8之间,均方根误差介于1.5～2.6m.s-1之间。(3)2008年1-12月逐15min风电场风电功率预报值与风机输出功率记录值的相关性较显著,可较好地预报出各月风电功率的时间变化趋势。两者相关系数介于0.58～0.90之间,均达到了99.9%置信度。(4)各月逐15min风电功率预报值与风机输出功率记录值的误差较小,相对于总额定装机容量而言,均方根误差介于2.76%～12.89%之间。     

两种模式在风电场风速预测应用中的对比

利用2011年12月至2012年11月贺兰山风电场测风塔实测资料和同期WRF、BJ-RUC模式预测结果,对2种模式在风速预测中的应用进行对比分析。结果发现,月尺度上,2种模式预测的风速月均值普遍较实测值高,且WRF较BJ-RUC更接近实测值;WRF预测的月平均风速标准差普遍较实测低,而BJ-RUC普遍比实测大;春季WRF预测效果整体上较BJ-RUC好,其它季节WRF预测的月平均风速均方根误差较BJ-RUC的小,但与实测风速的相关性较BJ-RUC与实测风速相关性差。日尺度上,凌晨至中午前后和傍晚至前半夜2个时段,2种模式预测风速普遍比实测值大,而中午至傍晚时分正相反,预测值普遍较实测小。2种模式对〉12 m·s^-1风速预测的均方根误差最小,其次是3~12 m·s^-1,〈3 m·s^-1风速预测的均方根误差最大,但BJ-RUC对3~12 m·s^-1范围风速的变化趋势把握能力较好。WRF和BJ-RUC都普遍低估了1~4 m·s^-1风速段的频次,对5~10 m·s^-1范围频次普遍明显高估,对10 m·s^-1以上风速,WRF预测频次较实测低,而BJ-RUC预测频次则较实测高。BJ-RUC对该区风向的预测能力较WRF好。     

风廓线与测风塔资料在地面风场预报中的应用研究

运用四维同化方法将风廓线雷达和测风塔资料应用到WRF模式中,通过对比资料同化前后模式对地面风场的预报效果可知,加入风廓线雷达和测风塔资料后模式对风速的预报效果有明显提高,对风向的预报也有一定程度的改善;资料同化结束后,模式预报在49h内对地面风场预报效果仍有明显改善,但随着模式预报时间的增加,在模式积分49h以后,同化资料前后模式对地面风场的预报效果无明显变化。另外,通过对资料同化前后模式对风速预报误差的分析可知,在对模式风场预报的改进中风廓线雷达资料的贡献大于测风塔资料的贡献。     

基于WRF模式的风电场短期风速集成预报方法研究

风能始源于大气的运动,具有很大的随机性和间歇性。风速预测是风电场风功率预测的基础,其准确性具有重要的意义。对于复杂地形条件下,风速的预报一直是各国研究的难点和重点。为了提高风电场短期风速预报的准确性,本研究采用多种边界层参数化方案来集成预报风速,将各单一边界层参数化方案预报的风速及相应的实测风速数据,应用随机森林算法建立集成预报模型,对风电场的短期风速进行集成预报研究。试验结果表明,采用集成预报风速方法,预报的风速误差相比于单一边界层参数化方案预报的风速误差明显减小,对研究区域的风速、风向等气象要素有着较好的模拟效果,能够有效提高风速预报的准确率。     

江西山地风电场风速数值模拟方法研究

利用中尺度气象数值模式WRF和动力降尺度模式CALMET,对江西山地风电场不同高度层风速进行4个月逐时数值模拟,结合测风塔实测资料,对两种模式的模拟结果进行准确性、误差特征等方面研究,结果表明:1) WRF模式和CALMET模式均能较好地模拟出风速的日变化特征,在大风速时间段两个模式模拟误差变大,可能是由于出现台风、降雨伴随大风等天气时,WRF模式边界层方案对大风速时拖曳作用不充分造成,今后可考虑通过天气过程模拟的敏感性研究及历史数据对模拟结果进行订正。2)从各月模拟结果来看,WRF模式与CALMET模式各月模拟值与实测值间相关系数均大于0. 65,两个模式对70 m高度层模拟结果均优于对10 m高度层的模拟结果,并且CALMET模式均方根误差低于WRF模式的。3) CALMET模式在各风速段模拟效果均优于WRF模式的。两个模式在0~3 m·s-1低风速的模拟效果最优,在大风速段( 8 m·s~(-1))模拟结果平均绝对误差最大,今后应对大风模拟结果的订正开展进一步研究。     

甘肃酒泉区域风能资源评估

按照国家风电场风能资源评估方法,利用甘肃省酒泉区域6个测风塔不同高度层的资料,计算分析了该区域的各种风能参数,并给出了该区域风能的空间分布图.结果表明,按照我国学者的研究成果划分,除2号地区属于风能较丰富区以外,其他测风塔对应的区域属于风能丰富区.文章给出了酒泉地区有效风功率密度空间分布图,对进一步了解、应用甘肃酒泉区域的风能有较好的参考作用.     

WRF模式对江苏如东地区风速预报的检验分析

探讨了WRF模式在风电场的风速或者功率预报中应用的可行性, 主要研究和评估了WRF模式对地处东亚季风区及海陆交界的江苏如东地区夏季和冬季风速的短期预报效能。研究发现WRF模式可以比较好地预报如东站冬季的风速, 24 h预报的风速时间序列和观测资料的相关系数可以达到0.61, 通过置信度99%的检验, 48 h和72 h的预报与观测风速相关系数分别为0.54和0.47, 也能通过置信度99%的检验;相对而言, 模式对夏季风速的预报则要差一些, 24 h的相关系数有0.59, 48 h和72 h的相关系数只有0.47和0.30, 但仍能通过置信度99%的检验。在量值上, 模式预报的风速比观测值都略偏大一些。而江苏南通市预报结果显示, 模式的预报效能要比如东稍高一些, 和如东类似, 模式对该地冬季的预报要好于对夏季风速的预报。从更大尺度范围的分析也表明, 模式对不同地区预报的准确度是不一样的, 对海面以及海陆交界的海岸预报精度要高一些, 在平坦的内陆地区预报也比较好, 但在山区预报效能则较差。总体说来, WRF能胜任风速短期预报, 值得进一步研究和应用。     

基于中尺度模式与神经网络的风电功率预测

将中尺度数值天气预报模式与BP神经网络模型相结合用于风电功率预测,以WRF模式回算了2008年6月至2009年6月试验风电场的气象要素,精度检验结果显示风速预报值与对应实测值之间的相关系数达到0.72,风向、气温、湿度、气压的预报也比较准确,满足建立BP神经网络预报模型的需要.逐一建立试验风电场40台风电机组输出功率的BP神经网络预报模型,分析了数据标准化方法、隐含层神经元数对预报精度的影响.进行了26天实效为24 h的逐10 min预报试验,并以独立样本进行预报精度检验,结果显示单台风电机组输出功率相对均方根误差在24.8％～32.6％之间,预报值与实测值之间的相关系数现在0.45～0.68之间;风电场整体相对均方根误差为19.5％,预报值与实测值之间的相关系数为0.74.研究结果表明该方法可以用于实际的风电功率预测.     

Evaluation of High-Resolution WRF Model Simulations of Surface Wind over the West Coast of India

This paper presents results from a statistical validation of the hindcasts of surface wind by a high-reso-ution-mesoscale atmospheric numerical model Advanced Research WRF （ARW3.3）, which is set up to force the operational coastal ocean forecast system at Indian Na- tional Centre for Ocean Information Services （INCOIS）. Evaluation is carried out based on comparisons of day-3 forecasts of surface wind with in situ and remote-sensing data. The results show that the model predicts the surface wind fields fairly accurately over the west coast of India, with high skill in predicting the surface wind during the pre-monsoon season. The model predicts the diurnal variability of the surface wind with reasonable accuracy. The model simulates the land-sea breeze cycle in the coastal region realistically, which is very clearly observed during the northeast monsoon and pre-monsoon season and is less prominent during the southwest monsoon season.     

基于WRF和CFD软件结合的风能资源数值模拟试验研究

运用中尺度数值模式WRF与法国CFD软件MeteodynwT相结合的方法（WRF／WT）,进行了广东省海陵岛地区的水平分辨率100m×100m的风能资源数值模拟试验,采用海陵岛上7座测风塔观测资料对WRF／WT模式的模拟风场进行误差检验,并与WRF／WAsP模式系统对单点风能参数模拟误差进行对比,研究WRF／WT模式系统在风电场微观选址和分散式风电开发利用中应用的可行性。结果表明：中尺度模式与CFD软件结合的数值模拟方法对区域风能资源分布趋势的模拟比单纯应用CFD软件更准确;WRF／WT模式系统应用于复杂地形风能资源数值模拟评估是可行的,其对区域风能资源参数分布模拟的准确率与WRF／WAsP对2km范围内风能资源参数模拟的准确率相当;WRF／WT模式系统在风速频率分布不满足Weibull分布的情况下和陡峭地形条件下有较好的模拟效果,相对WRF／wAsP有明显优势。今后需进一步研究中尺度模式与CFD软件的衔接方法,以及对中尺度模式模拟结果的误差订正。     

基于WRF/CALMET的近地面精细化风场的动力模拟试验研究

本文利用中尺度动力模式 WRF和诊断模式CALMET对琼州海峡的两次冷空气过程的近地层风场进行模拟和诊断,所用的资料是美国NCEP再分析FNL资料。WRF模式第一至第四层网格的水平距离分别是27、9、3和1 km,并用WRF-1 km场以单向嵌套模拟方式降至200 m,同时以 WRF-1 km 预报场作为 CALMET 初猜场降尺度诊断至200 m。分别用CALMET-200 m风场、WRF-1 km风场和 WRF-200 m风场,3个风场的风速、风向与沿琼海海峡分布的21个测站（其中6个测风塔）观测资料进行检验比较分析。主要结论是：（1）CALMET-200 m的风速RMSE明显小于另外两组试验,风向RMSE总体上差异不大;在60～80 m高度上也没有明显差异。（2）在0～8 m·s－1风速,10 m高度上CALMET-200 m风场诊断结果最好,风速平均偏差值从4～0 m·s－1,WRF的两组试验平均偏差值比CALMET-200 m结果大约2 m·s－1,风向上表现为偏差的分布更加集中;60～80 m高度上,CALMET-200 m 诊断效果与 WRF-1 km 模拟效果相当,但是冷空气时段内 WRF-200 m的风速要远远差于另外两组试验;而3组试验的风向并无大的差异。（3）WRF／CALMET模式系统在非冷空气活动时段内的风速风向模拟诊断偏差更小,说明其在层结相对较稳定时模拟诊断的准确度更高。     

中尺度模式风电场风速短期预报能力研究

本文利用内蒙古乌兰察布风电场2009 年观测记录和WRF 数值模式预报,研究了中尺度数值天气模式对风电场风速的短期预报能力。研究表明:不同数值模式参数化方案的预报能力没有实质性的区别,对于不同时效的风场预报各种方案的预报能力不尽相同。在天气演变较为剧烈时,模式预报技巧相对较差。风电场周边主要天气系统对预报准确度有很大影响。就乌兰察布风电场而言,WRF 模式2009 年日平均预报相对误差仅为11.78%,且误差大于20%的日数占研究总天数不超过15%,具有较高的预报技巧。当蒙古气旋、东北气旋剧烈发展或风速迅速减小时风速的预报误差较大。     

用于风电场功率预测的逐时风速预报

为满足风电场精细化风速预报的需要,利用MM5模式的格点输出数值预报产品以及福建沿海地区两座海上测风塔的逐时气象资料,采用逐步回归的统计方法,将MM5数值预报产品与测风塔实测气象资料要素指标值共同引入回归方程,拟合两座测风塔特定高度的逐小时风速预报方程,详细介绍了该方法的实现过程.通过一年的预报效果指标以及15日的独立样本效果检验,结果表明该方法对于逐小时风速的预报有一定的应用价值.     

北京地区玉米风灾损失定量评估模型研究

风灾是北京地区玉米减产的一个重要因素,是影响玉米产量最常见的一种气象灾害,严重的风灾可造成玉米绝收。为实现对玉米风灾造成损失的定量评估,利用收集到的历史上出现的玉米风灾及产量损失数据,结合自动气象站观测资料,分析了风灾发生过程中对玉米产量损失影响显著的气象因子,最终确定选取玉米受灾过程中的最大风速的最大值、持续时间内的最大风速的平均值、最大风速持续时间和过程降水量4个气象因子,并考虑到玉米不同生育期抗风能力的不同,增加了玉米生育期影响因子,利用这5个要素,运用统计学方法建立了北京地区玉米风灾损失定量评估统计模型。通过对样本数据的拟合及剩余样本的检验,建立的定量损失评估模型具有一定的准确性和实用性,可为政策性农业保险的定损,以及生产部门确定风灾损失及保险公司理赔提供科学依据。     

基于WRF模式对青藏高原一次强降水的模拟

为了了解新一代中尺度数值预报模式WRF中各参数化方案组合、嵌套技术的使用对青藏高原降水模拟结果的影响,利用WRF模式对2004年10月5—6日青藏高原一次强降水过程进行了模拟试验;对各微物理方案和积云参数化方案组合进行了模拟和对比评分,对嵌套技术的使用进行了对比分析,主要分析了不同行星边界层方案选择对降水模拟的影响。结果表明,WRF模式基本能够重建此次强降水过程的中心、强度及降水范围,Eta-Ferrier云微物理方案和Betts-Miller-Janjic积云参数化方案的组合在此次模拟降水过程中是最优的,采用嵌套技术的模拟结果要优于不采用嵌套技术的结果;行星边界层方案的合理选择能够明显提高降水模拟的效果。     

宁夏固原市一次对流性天气的数值模拟

利用WRF模式和1°×1°的NCEP再分析资料,对2007年7月14日宁夏固原市发生的一次强对流天气进行了数值模拟,并分析了此次强对流天气的有利环流形势、物理量场分布以及雷达回波特征。结果表明:(1)WRF模拟的降水区较实况略偏东南,且降水量偏大;(2)WRF模拟的高层辐散和中低层辐合配置、"喇叭口"探空曲线与对流性降水区较为符合;(3)霰、雪是雨水形成的主要来源,云水又是雪和霰增长的主要来源;(4)云滴数浓度对对流云降水及水成物分布有重要的影响。增加云滴数浓度,前期可使对流云产生的累计降水量和范围均有减少,后期高浓度状况下存在大量冰相粒子,造成累计降水量及范围大于低、中浓度的降水;增加云滴数浓度,云水含量增加,前期雨水、冰晶、霰含量减少,后期雨水、冰晶、霰含量增多。     

卓资县财神梁风能资源分析与评估

利用卓资县气象站1959—2006年常规气象观测资料和卓资县境内财神梁测风塔2006年实测数据,采用统计分析方法,计算分析了财神梁风场平均风速、风功率密度等风能参数,得出:财神梁风场10m高度年平均风速和年平均风功率密度分别为6.8m·s-1和273.6W·m-2;65m高度年平均风速为7.7m·s-1,年平均风功率密度为373.1W·m-2。65m高度年主导风向为W风,出现频率为18.0%,风能密度方向也以W为主,占总风能频率的23.9%,有61.6%的风能集中在WSW-NW范围内。65m高度风能有效小时数为8284h,风能的众值分布在8～14m·s-1风速区间内,占全年风能分布的69.1%。财神梁地区风能资源储量较为丰富,且风质优良,适合开发建设风电场。     

基于径向功率谱的风廓线雷达错误风数据处理

选取上海市世博园区站、金山站和嘉定F1赛车场站3个风廓线雷达站2012年3月7日凌晨一次降水过程生成的错误水平风场数据,通过对比该时段高、低模式扫描实时径向功率谱数据,指出在降水初期风廓线雷达软件质量控制出现错误的原因,并重新识别错误时段的功率谱,反演水平风场数据。分析表明:在降水初期由于风廓线雷达各波束探测的数据在空间上不一致,易导致雷达软件采用的质量控制算法并不能全部识别和消除降水对数据的干扰,从而出现偏差。基于风廓线雷达高时空分辨率径向功率谱数据的分析处理方法可有效验证雷达软件质量控制算法,且经过该方法反演后的水平风场更为合理。     

基于测风塔实测台风威马逊登陆过程的强风特性分析

利用广东省徐闻县西连镇90 m测风塔在1409号超强台风威马逊登陆期间获取的具备完整的台风代表性的观测数据以及处于台风外围的广东省茂名市博贺镇100 m测风塔的观测数据,对台风威马逊的近地层强风特性进行了分析,西连测风塔结果表明:风速时程曲线呈明显的"M"型分布特征,台风中心经过测风塔前后,风向沿逆时针方向大幅偏转约170°。风速随高度增加而增大,风速廓线较好地符合对数和幂指数律;台风过境前后,各强风区的风速廓线幂指数和粗糙长度呈先减小后增大的特点;粗糙陆地下垫面的风速廓线幂指数和粗糙长度较大。湍流强度和阵风系数在前外围强风区或后外围强风区较大,在前眼壁强风区或后眼壁强风区较小,湍流强度和阵风系数随高度增加而减小,基本符合指数为负值的幂指数律;粗糙下垫面对湍流强度和阵风系数有增大的作用。外围强风区和眼壁强风区的10 min风向变率变化较为平稳,而在眼区变动较为剧烈,在眼区,当风速达到最低值或次低值时,10 min风向变率幅值达到最大值。博贺测风塔结果表明其总体上与西连测风塔台风前外围和前眼壁强风区的情形相似。     

基于WRF模式的青岛沿海地区近地面风的敏感性研究

沿海地区受风的影响较大,不仅受大尺度季风的影响还受到中小尺度局地风的影响,利用WRF模式从参数化组合方案、土地利用数据、水平网格精度以及耦合UCM四个方面对青岛沿海地区近地面风进行了模拟和比较。结果表明,微物理方案和边界层方案对研究区近地面风的影响较大,WSM3+YSU+Revised MM5 Monin-Obukhov+KF的参数化组合方案对研究区的模拟效果较好,相关系数在0.50～0.75之间,均方根误差在1.44～1.61之间。LUCC2015和TM2015土地利用数据能够更好地反映研究区的土地利用类型的分布特征,两者的模拟效果优于MODIS2001和MODIS2013。随着水平分辨率的提高,对地形刻画越精准,模拟效果越好,并且WRF+UCM方案能显著降低城市地区近地面风速,优化模拟结果。沿海地区近地面风的影响因素较为复杂,考虑模式的参数化方案组合、土地利用数据、地形和城市等多种因素,以期为沿海地区近地面风的模拟提供依据。