看到這個標(biāo)題，你大概會聯(lián)想到氣象局的天氣預(yù)報(bào)吧！但事實(shí)上，這里說的風(fēng)功率預(yù)報(bào)是指對未來24小時乃至未來3天的風(fēng)電場輸出功率做出預(yù)測的短期風(fēng)功率預(yù)報(bào)，其預(yù)測的準(zhǔn)確性不僅可以為電力部門制定調(diào)整發(fā)電計(jì)劃提供參考，還可降低風(fēng)電輸出功率大幅波動給輸電網(wǎng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。
目前，市場上主流的短期風(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。這是因?yàn)榻乇盹L(fēng)機(jī)輪轂高度風(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、晴空湍流等不同時間、空間、尺度的物理過程共同作用，形成了變化復(fù)雜且缺乏顯著的周期性特征。因此，當(dāng)風(fēng)速及功率預(yù)報(bào)時長超過數(shù)小時之后，再優(yōu)秀的純粹統(tǒng)計(jì)算法也束手無策，這就需要數(shù)值天氣預(yù)報(bào)發(fā)揮威力了。也就是說，需要先獲得風(fēng)電場所在數(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，然后傳入到后續(xù)運(yùn)算模塊中，最終輸出功率預(yù)報(bào)。
說到這里，可能你還不了解數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的原理。那么，本文就將對此做個簡要介紹，以增進(jìn)你對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)及其結(jié)果的理解。
數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的前世今生
從史實(shí)來看，古人對天氣預(yù)報(bào)的認(rèn)識僅僅停留在看云識天氣以及出海前去龍王廟里拜一拜的階段。十九世紀(jì)和二十世紀(jì)之交，Abbe和Bjerknes提出可以基于大氣運(yùn)動物理定律預(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，而氣象要素觀測值可以作為偏微分方程的初值。到了二十年代，英國科學(xué)家Richardson嘗試著預(yù)報(bào)未來6小時歐洲地區(qū)地面氣壓場的變化，這也是有記載的人類第一次發(fā)布數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。遺憾的是，這一次的預(yù)報(bào)結(jié)果與真實(shí)數(shù)據(jù)偏差太大，此后關(guān)于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的研究一度陷于沉寂。
到了第二次世界大戰(zhàn)，電子計(jì)算機(jī)在此期間誕生，其強(qiáng)大的計(jì)算能力使得偏微分方程的求解擁有了時效性。氣象觀測網(wǎng)的逐步建立、特別是高空探測的發(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，科學(xué)家對于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的理論研究也在不斷深入。他們認(rèn)識到Richardson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等美國氣象學(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高度場的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果。
伴隨著氣象及科技的飛速發(fā)展，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)能力在過去的40年里取得了長足進(jìn)步。高性能超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度以指數(shù)級增長，為數(shù)值模式時空分辨率的不斷提高提供了可能；觀測技術(shù)的發(fā)展，特別是氣象衛(wèi)星的發(fā)射，使得數(shù)據(jù)采集時不會遺漏全球任何一個角落。氣象模型以及針對模式無法直接求解的物理過程參數(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位勢高度為比較基準(zhǔn)）。
令人欣慰的是，如今對5天后氣壓場的預(yù)報(bào)精度已經(jīng)可以達(dá)到20年前對3天后氣壓場的預(yù)報(bào)，差不多每10年預(yù)報(bào)能力便提升1天！這是緩慢的進(jìn)步，卻也是巨大的進(jìn)步。
主流天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品
要強(qiáng)調(diào)的是，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燒錢競賽的國家與組織屈指可數(shù)。
要提的第一家便是美國大氣與海洋局，這是全球大氣科學(xué)學(xué)界的圣地，其開發(fā)的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Global Forecast System, GFS)大概是這個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)量的確很值得信賴，另一方面也得益于其免費(fèi)政策。換句話說，任何組織與個人不受國籍限制，都能自由獲取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)前時刻至未來15天的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)時長分辨率為3小時。GFS預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的水平分辨率為0.25°，在中國區(qū)域相當(dāng)于近30km。
另一家要提到的是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, 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)，但其對成員國外的用戶收取的服務(wù)費(fèi)用較為高昂，故其用戶比GFS用戶少很多。值得一提的是，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，遠(yuǎn)景也采購了這一套預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)測，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)時長分辨率亦為3小時。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)。
我國對于數(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。中國氣象局自主研發(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)勢明顯。有報(bào)道稱本產(chǎn)品在中國區(qū)域的短期降水預(yù)報(bào)能力已接近歐洲中心，因此對于其在近地面處風(fēng)的預(yù)報(bào)能力表現(xiàn)也值得期待。
數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的物理過程描述
值得注意的是，大氣中不同物理過程在時間尺度和空間尺度上跨越了數(shù)個量級。大氣長波的波長長達(dá)幾千千米，三四個波就能夠在緯向環(huán)繞地球一圈。臺風(fēng)、溫帶氣旋等過程的空間尺度較大氣長波小一個量級，而海陸風(fēng)、山谷風(fēng)、強(qiáng)對流天氣等過程的尺度又要小一個量級。晴空積云的空間尺度只有千米量級，存在時間不過數(shù)小時，而湍流的空間尺度最小僅有數(shù)十厘米，生命時間為秒級。下圖展示了大氣中不同物理過程的空間尺度及特征時間。
數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的水平分辨率為十千米量級，簡單理解就是在模式中十千米范圍內(nèi)就一個格點(diǎn)，這一個格點(diǎn)要代表十千米范圍內(nèi)的總體狀態(tài)。對于空間尺度遠(yuǎn)大于十千米的物理過程，在模式中可以用物理方程描述。
問題是那些尺度小于十千米的物理過程又該如何處理呢？這就需要引入?yún)?shù)化概念了，對于那些無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刻可能會帶來不同的誤差引入，最終使得模式模擬的結(jié)果因時而異。
