數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果在河南電網(wǎng)生產(chǎn)中的應(yīng)用

梁允　李哲　李帥　劉善峰

（國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州　450052）

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果在河南電網(wǎng)生產(chǎn)中的應(yīng)用

梁允李哲李帥劉善峰

（國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州450052）

針對河南電網(wǎng)生產(chǎn)特點(diǎn)和對天氣預(yù)報(bào)的需求，采用BJRUCv3.0精細(xì)化區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)和動力降尺度技術(shù)，得到河南省范圍內(nèi)9km×9km、特殊區(qū)域1km×1km至72h精細(xì)化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果，并將其利用到“迎峰度夏”“迎峰度冬”等重要電網(wǎng)生產(chǎn)過程，提高電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)能力。

BJRUCv3.0；動力降尺度；數(shù)值天氣預(yù)報(bào)；電網(wǎng)生產(chǎn)；防災(zāi)減災(zāi)

1　氣象災(zāi)害對電力生產(chǎn)的影響

我國幅員遼闊，氣候差異很大，惡劣的氣象條件和天氣現(xiàn)象對電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響程度也隨之增加［1］，臺風(fēng)、大霧、冰凍、高溫等惡劣氣象條件引發(fā)的電網(wǎng)事故時(shí)有報(bào)道［2］。對河南電網(wǎng)來說，主要受夏季強(qiáng)對流（大風(fēng)、強(qiáng)降水、雷電、冰雹）天氣和冬季的雨雪冰凍天氣影響，2015年7月29日河南省多個地區(qū)遭遇強(qiáng)對流天氣，2015年11月23-24日，河南電網(wǎng)受雨雪冰凍天氣影響，發(fā)生大面積覆冰舞動事件，給主網(wǎng)、配網(wǎng)的運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響。因此，相對準(zhǔn)確的氣象預(yù)報(bào)結(jié)果，對電網(wǎng)生產(chǎn)具有重要的意義。然而，氣象部門發(fā)布的針對公共服務(wù)的氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品，具有范圍廣、時(shí)間跨度大的特點(diǎn)，其空間精確度、時(shí)間準(zhǔn)確度均不能滿足電網(wǎng)生產(chǎn)的需要。然而，要進(jìn)一步提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，必須從大氣內(nèi)部的物理規(guī)律（大氣動力學(xué)、熱力學(xué)、質(zhì)量守恒、水相變化規(guī)律等）出發(fā)，建立數(shù)學(xué)物理模型，用數(shù)學(xué)物理的方法，并借助巨型計(jì)算機(jī)技術(shù)，預(yù)測未來天氣的變化，即通常所說的“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)針對電網(wǎng)生產(chǎn)的精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)［3］。

2　數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展和應(yīng)用

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是指根據(jù)大氣實(shí)際情況，在一定的初值和邊值條件下，通過大型計(jì)算機(jī)作數(shù)值計(jì)算，求解描寫天氣演變過程的流體力學(xué)和熱力學(xué)的方程組，預(yù)測未來一定時(shí)段的大氣運(yùn)動狀態(tài)和天氣現(xiàn)象的方法［4］。

近二三十年來，隨著大氣科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、存儲及高速通信技術(shù)的不斷發(fā)展，氣象觀測資料的不斷增多，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的水平也在不斷提高，高分辨率（水平格距小于10km）中尺度模式研究與業(yè)務(wù)應(yīng)用得到了很大發(fā)展，數(shù)值預(yù)報(bào)模式也向著統(tǒng)一動力模式框架、統(tǒng)一編碼（多尺度通用、模塊化）、高計(jì)算精度、非靜力平衡和格點(diǎn)模式（非譜模式）的方向發(fā)展，變分方法、集合預(yù)報(bào)技術(shù)分別成為資料同化和解決預(yù)報(bào)不確定性的主流技術(shù)。美、英、法、加拿大、日本、中國和澳大利亞等國家先后建立了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)已成為氣象預(yù)報(bào)制作不可缺少的重要工具和手段，已經(jīng)在世界各國的防災(zāi)減災(zāi)、大型工程氣象保障、社會公眾服務(wù)及國防建設(shè)等工作中發(fā)揮著越來越大的決策支持作用。

根據(jù)河南電網(wǎng)生產(chǎn)需求和特點(diǎn)，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果已經(jīng)實(shí)現(xiàn)9km×9km、重點(diǎn)區(qū)域1km×1km、0～72h精細(xì)化預(yù)報(bào)，并在夏季強(qiáng)對流天氣、冬季覆冰舞動事件的預(yù)報(bào)、預(yù)警過程中得到應(yīng)用。

3　河南電網(wǎng)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)及應(yīng)用

3.1不同來源數(shù)據(jù)預(yù)處理過程

為了給河南電網(wǎng)輸電線路沿線制作更為精細(xì)、準(zhǔn)確的氣象要素預(yù)報(bào)產(chǎn)品，便于電力部門開展不同時(shí)間尺度的電力氣象災(zāi)害預(yù)警工作，分以下4個步驟開展多數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)預(yù)處理。

①通過精細(xì)的區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，得到覆蓋河南省的9km分辨率的未來3d的逐小時(shí)氣象要素預(yù)報(bào)；②在全省預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，再應(yīng)用動力降尺度技術(shù)，得到未來3d 1km分辨率的逐小時(shí)氣象要素預(yù)報(bào)；③針對風(fēng)速、氣溫、濕度等預(yù)報(bào)要素建立預(yù)報(bào)產(chǎn)品訂正模型，對線路周邊氣象要素預(yù)報(bào)場進(jìn)行統(tǒng)計(jì)訂正，得到更準(zhǔn)確的要素預(yù)報(bào)場；④應(yīng)用河南全省自動站資料，對基礎(chǔ)背景預(yù)報(bào)場進(jìn)行改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行外推預(yù)報(bào)，進(jìn)一步提升預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

3.29km×9km數(shù)值天氣預(yù)報(bào)計(jì)算過程及展示

數(shù)值預(yù)報(bào)采用BJRUCv3.0精細(xì)化區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該預(yù)報(bào)系統(tǒng)基于中尺度氣象模式WRF開發(fā)完成，WRF（Weather Research Forecast）模式系統(tǒng)是美國研究部門及大學(xué)共同參與開發(fā)研究的新一代中尺度預(yù)報(bào)模式和同化系統(tǒng)。該模式是一個完全可壓非靜力模式，控制方程組都寫為通量形式，網(wǎng)格形式為Arakawa C格點(diǎn)。該預(yù)報(bào)系統(tǒng)的水平分辨率為9km，水平網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為400×649，垂直方向50層，具體計(jì)算預(yù)報(bào)流程如圖1所示。

圖1　BJRUCv3.0預(yù)報(bào)系統(tǒng)流程圖

該預(yù)報(bào)系統(tǒng)中同化的觀測資料不僅包括BJ-RUC同化系統(tǒng)中的觀測資料，還同化了雷達(dá)的徑向風(fēng)速度和反射率因子觀測資料。同時(shí)，利用衛(wèi)星資料反演了土地利用類型、葉面積指數(shù)、植被覆蓋度等產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上形成了可直接應(yīng)用于數(shù)值模式的產(chǎn)品。

基于BJRUCv3.0預(yù)報(bào)系統(tǒng)制作河南地區(qū)水平分辨率9km未來3d逐小時(shí)基礎(chǔ)地面氣象要素（溫度、風(fēng)速、濕度、雨量和凍雨等）預(yù)報(bào)結(jié)果，預(yù)報(bào)要素及時(shí)效如表1所示，預(yù)報(bào)區(qū)域如圖2所示。

表1　9km數(shù)值天氣預(yù)報(bào)要素及時(shí)效一覽表

圖2　9km分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(bào)區(qū)域

3.3重點(diǎn)區(qū)域1km×1km天氣預(yù)報(bào)計(jì)算過程及展示

降尺度預(yù)報(bào)采用微尺度模式CALMET來進(jìn)行，CALMET模式是美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）推薦的一個網(wǎng)格化的復(fù)雜地形風(fēng)場動力診斷模式，其利用質(zhì)量守恒原理對風(fēng)場進(jìn)行動力診斷，主要考慮了地形對近地層大氣的動力效應(yīng)、斜坡氣流產(chǎn)生和障礙物阻擋效應(yīng)，并采用三維無輻散處理消除插值產(chǎn)生的虛假波動。

基于河南全省9km分辨率的背景預(yù)報(bào)場，采用微尺度模式CALMET模式對2個重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行動力降尺度計(jì)算，生成重點(diǎn)區(qū)域水平分辨率1km的預(yù)報(bào)結(jié)果，預(yù)報(bào)要素如表2所示。

表2　重點(diǎn)區(qū)域1km數(shù)值天氣預(yù)報(bào)要素及時(shí)效一覽表

重點(diǎn)區(qū)域選擇依據(jù)，基于河南地區(qū)電網(wǎng)分布特點(diǎn)、電網(wǎng)氣象災(zāi)害易發(fā)區(qū)域挑選2個重點(diǎn)降尺度計(jì)算區(qū)域，如圖3所示。其中，區(qū)域1網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為201×161，區(qū)域2網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為241×161。

圖3　重點(diǎn)區(qū)1km分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(bào)區(qū)域

4　數(shù)值天氣預(yù)報(bào)在河南電網(wǎng)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

4.1數(shù)值天氣預(yù)報(bào)在“迎峰度夏”過程中的應(yīng)用

“迎峰度夏”是電網(wǎng)生產(chǎn)的一個重要過程，一般從每年的6月初至9月底，整個過程中電網(wǎng)生產(chǎn)既要經(jīng)受高溫天氣帶來的電網(wǎng)負(fù)荷升高的考驗(yàn)，又要防范強(qiáng)對流天氣給電網(wǎng)設(shè)備乃至整個電網(wǎng)運(yùn)行帶來的危害。

4.1.1在高溫預(yù)測過程中的應(yīng)用。每年的夏季，是全年平均氣溫最高的季節(jié)，對電網(wǎng)生產(chǎn)而言，尤其對電力負(fù)荷來說，溫度有著另外的意義，日常生活中，溫度越高，使用電器設(shè)備降溫解暑的就越多，用電量就隨之上升［5］。利用精細(xì)化的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果，能夠?qū)幽鲜》秶鷥?nèi)不同區(qū)域未來72h的溫度變化情況進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測，電力調(diào)度部門能夠根據(jù)氣溫變化對電力負(fù)荷和用電量作出合理預(yù)測，從而提高電網(wǎng)運(yùn)行和社會用電的可靠性。

圖4　2016年8月19日11：00-14：00高溫區(qū)域預(yù)測結(jié)果展示

圖4中紅色區(qū)域?yàn)轭A(yù)測的高溫區(qū)域，根據(jù)高溫區(qū)域的變化，電力部門作出相應(yīng)的負(fù)荷和用電量預(yù)測，為合理安排發(fā)電機(jī)組啟停、電網(wǎng)運(yùn)行方式和機(jī)組檢修計(jì)劃，保證社會正常生產(chǎn)和生活提供科學(xué)依據(jù)［6］。

4.1.2在強(qiáng)對流天氣過程中的應(yīng)用。對電網(wǎng)而言，強(qiáng)對流天氣可能導(dǎo)致變電站停運(yùn)、倒塔、線路雷擊跳閘、導(dǎo)線舞動等突發(fā)狀況發(fā)生。河南省位于中國中東部，是全國強(qiáng)對流天氣高發(fā)區(qū)之一，夏季強(qiáng)對流天氣對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和安全生產(chǎn)的影響較為嚴(yán)重［7］。利用精細(xì)化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，能夠?qū)?qiáng)降水、大風(fēng)等強(qiáng)對流過程進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測，為電網(wǎng)調(diào)度、運(yùn)維檢修、應(yīng)急搶修等生產(chǎn)過程提供必要的氣象信息支撐。

圖5　2016年7月18日20：00-23：00降水區(qū)域預(yù)測結(jié)果展示

4.2數(shù)值天氣預(yù)報(bào)在“迎峰度冬”過程中的應(yīng)用

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果在“迎峰度冬”過程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在輸電線路舞動預(yù)測上。舞動是不均勻覆冰導(dǎo)線在風(fēng)的作用下產(chǎn)生的一種低頻率、大振幅的自激振動，產(chǎn)生的危害是多方面的，輕者會發(fā)生閃絡(luò)、跳閘，重者發(fā)生金具及絕緣子損壞，導(dǎo)線斷股、斷線，桿塔螺栓松動、脫落，甚至倒塔，導(dǎo)致重大電網(wǎng)事故［8］。

河南省是我國舞動災(zāi)害頻發(fā)的省份之一，是輸電線路舞動的重災(zāi)區(qū)，1998年至2010年3月河南省共發(fā)生8次大規(guī)模舞動事故，給電網(wǎng)生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重威脅。目前，利用精細(xì)化的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果，通過周報(bào)和臨近預(yù)警的方式，為河南電網(wǎng)的生產(chǎn)提供必要的舞動預(yù)測預(yù)警信息支撐。首先，以精細(xì)化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合天氣預(yù)報(bào)中報(bào)，制作《舞動預(yù)測周報(bào)》，對下周極端天氣進(jìn)行預(yù)測；然后，再根據(jù)凍雨預(yù)測結(jié)果，對舞動預(yù)測周報(bào)進(jìn)行每日更新，及時(shí)調(diào)整舞動預(yù)測區(qū)域和線路舞動概率，從而不斷提高輸電線路舞動預(yù)測概率準(zhǔn)確性。利用精細(xì)化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果和逐日修正的舞動預(yù)測結(jié)果，成功預(yù)測了2015年11月23、24日河南電網(wǎng)線路大面積舞動。

圖6　2015年11月24日8：00河南省75%以上概率舞動預(yù)測區(qū)域

5　結(jié)語

將精細(xì)化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果與河南電網(wǎng)生產(chǎn)相結(jié)合，對電網(wǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合挖掘，為“迎峰度夏”“迎峰度冬”等重要電網(wǎng)生產(chǎn)過程提供必要的、準(zhǔn)確度和精細(xì)度較高的電力氣象預(yù)測預(yù)警產(chǎn)品，不僅提高了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，而且提高了社會生產(chǎn)、生活用電的可靠性。但是，在不同氣象條件下電網(wǎng)設(shè)備乃至電網(wǎng)發(fā)生不同類型故障的概率預(yù)測方面仍需進(jìn)一步研究、實(shí)踐和完善。

［1］丁道齊.現(xiàn)代電網(wǎng)運(yùn)行中的十個問題［J］.電力系統(tǒng)自動化，1990（3）：3-18.

［2］張峰，李繼紅.氣象災(zāi)害對電網(wǎng)安全運(yùn)行的危害及對策［A］//長三角電力科技分論壇論文集，2007：214-218.

［3］陳德輝，薛紀(jì)善.數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式現(xiàn)狀與展望［J］.氣象學(xué)報(bào)，2004（5）：623-632.

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［7］李帥，李哲，梁允，等.強(qiáng)對流預(yù)警技術(shù)在電網(wǎng)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用研究［J］.河南科技，2015（9）：149-152.

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Application of Numerical Weather Prediction Results in Grid Production of Henan

Liang YunLi ZheLi ShuaiLiu Shanfeng
（HNEPC Electric Power Research Intitute，Zhengzhou Henan 450052）

According to the characteristics and demand for weather forecast of Grid Production of Henan，the numeri?cal weather prediction results of 9km*9km in Henan province，special area 1km*1km to 72 hours were obtained by using the numerical prediction system and dynamic reduction scale technology of BJRUCv3.0 fine refinement，which were used to"Tide Over the Peak-loadduring Summer/Winter"and other important power production process，to im?prove disaster prevention and mitigation capacity of power grid.

BJRUCv3.0；dynamical downscaling；numerical weather prediction；grid production；disaster prevention and reduction

TM732

A

1003-5168（2016）08-0046-04

2016-07-12

國家電網(wǎng)公司重大基礎(chǔ)前瞻科技項(xiàng)目（SG20141187）。

梁允（1982-），男，碩士，工程師，研究方向：輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、電力氣象預(yù)測預(yù)警技術(shù)。