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1、风光资源精细化数值技术产品 助力国家能源转型 国家气候中心 吴焕萍、向洋 主要合作者:张秀芝、朱蓉、孔莉莎、艳艳、张永强等 2023年10月17日 2023北京国际风能大会暨展览会 国 家 气 候 中 心国 家 气 候 中 心 National Climate Center 贯彻中央精神展现气象担当 国家气候中心成立能源气候服务创新团队气候发202277号 国 家 气 候 中 心国 家 气 候 中 心 National Climate Center 国外现状 美国:美国:主要技术路线:主要技术路线:WRF+(GPULES)+WRFSOLAR 主流产品:主流产品:MERRA2(50km)欧洲欧洲
2、:主要技术主要技术路线:路线:中尺度中尺度+简化的动力模型降尺度简化的动力模型降尺度 主流产品:主流产品:ERA5(25km)国 家 气 候 中 心国 家 气 候 中 心 National Climate Center 1979-1984年年(600多气象站的多气象站的资料)资料)1985-1988年年(800多气象站多气象站的资料)的资料)2004-2006年年(2384个气象站的个气象站的资料)资料)2007-2009年年(数值模拟(数值模拟,典型典型个例)个例)2017,2023年年(资料同化(资料同化+数值数值模拟)模拟)漫漫追风历程 自上世纪自上世纪80年代中国气象局、国家气候中心先
3、后组织开展了五次风能资源调查工作:年代中国气象局、国家气候中心先后组织开展了五次风能资源调查工作:国家气候中心 使用93.81%资源 国 家 气 候 中 心国 家 气 候 中 心 National Climate Center 一、国家气候中心风资源数据产品 及运用 中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心 CMA Climate Change Center 变分同化技术与动力同化技术相结合 同化前观测与初猜场差值,U 同化后观测与分析场差值,U 同化前后与观测对比,高空U 统计(数学)动力(物理)中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心中 国 气
4、 象 局 气 候 变 化 中 心 CMA Climate Change Center Jimenez et al.2016a 使用改进了的太阳跟踪算法(包含了EOT,时间方程),考虑与地球轨道的偏心度和地球的倾角相关的偏差,提高了太阳能位置计算的精度,;利用快速全天辐射模型(FARMS)实现对太阳辐射的高频输出(Xie et al.2016);考虑了气溶胶对辐射的吸收和散射(气溶胶直接效应,Ruiz-arias et al,2015年);考虑了气溶胶与云微物理相互作用(气溶胶间接效应,Thompson and Eidhammer 2014;考虑了次网格尺度云的反馈作用,并在浅积云参数化中实现了
5、该反馈(Deng et al.2014)。运用了首个太阳能数值预报模型 国 家 气 候 中 心国 家 气 候 中 心 National Climate Center 140 m 120 m 80 m 100 m 1000 m 10 m 年距平变化 月变化 小时变化 1995-2022年 逐小时 风速、风向、风功率密度、风切变、风力发电量等 国内首套同时具有高时间分辨率(1小时)、高空间分辨率(3km)和长时间序列(1995年至今)的风资源数据集。中国近海风能资源评估BCC_3KM 中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心 CMA Climate Ch
6、ange Center 海陆风能资源数据检验 70m70m塔塔 329 329 座座 100m100m塔塔 68 68 座座 120m120m塔塔 3 3 座座 中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心 CMA Climate Change Center 相对偏差相对偏差 测风塔个数测风塔个数 占比占比(%)累计占比累计占比(%)5%173 48.9 48.9 5%-10%99 28.0 76.9 10%-15%51 14.4 91.3 15%-20%20 5.6 96.9 20%11 3.1 100 相对偏差相对偏差 测风塔个数测风塔个数 占比(占
7、比(%)累计占比累计占比(%)5%28 46.7 46.7 5%-10%20 33.3 80 10%-15%10 16.7 96.7 15%2 3.3 100 测风塔观测资料独立检验 中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心 CMA Climate Change Center 复杂地形BCC3KM、MERRA风速个例横比 3km.vs.obs MERRA.vs.obs 3km.vs.obs MERRA.vs.obs 100m 50m 云南大理 3km.vs.obs MERRA.vs.obs 3km.vs.obs MERRA.vs.obs 新疆达坂城
8、中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心 CMA Climate Change Center 近海BCC3KM、MERRA风速个例横比 高度高度 相关系数相关系数 绝对误差(绝对误差(m/s)相对误差相对误差(%)3km_90m 0.76 0.19 2.33 3km_50m 0.80 0.04 0.48 MERRA_50m 0.86-0.44-5.61 福建平潭近海测风塔检验福建平潭近海测风塔检验 数据集经过与实测风塔数据检验和验证:数据集经过与实测风塔数据检验和验证:国家气候中心3公里风能资源数据公里风能资源数据的精度明显优于优于通用的MERRA数
9、据数据。中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心 CMA Climate Change Center BCC3km平均风速与测风塔的实测风速更接近;MERRA风速则在复杂地形区域存在较大偏差。陆上BCC3km和MERRA平均风速横比 中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心 CMA Climate Change Center 不同海域海上风能资源数据检验 近海海域的浮标、石油平台、沿岸气象站等共计395站 近9成观测点位置处,实测风速与NCC_3km风速的相关系数超过0.5,其中超过一半的观测点位置处的相关
10、系数甚至超过0.7 0.64 0.71 0.67 0.63 0.69 0.74 00.20.40.60.81广东沿海 福建沿海 浙江沿海 江苏山东沿海 渤海 朝鲜半岛沿海 相关系数 不同海域风速序列的相关系数 国 家 气 候 中 心国 家 气 候 中 心 National Climate Center 陆上水平面总辐射检验 酒泉 锡林浩特 北京 拉萨(CMA-WSP V2.0,叶冬)国 家 气 候 中 心国 家 气 候 中 心 National Climate Center 应用场景一:风能资源普查、宏观选址和开发 技术开发量(离岸100km以内)水深5-25m 1.00亿kW 水深25-50
11、m 0.82亿kW 中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心 CMA Climate Change Center 应用场景二:与CFD结合应用于分散式风电开发 实测风速:6.3m/s 模拟风速:6.7m/s 模拟误差:5.8%实测风速:8.1m/s 模拟风速:7.6m/s 模拟误差:6.2%实测风速:8.2m/s 模拟风速:8.1m/s 模拟误差:0.8%湖南城步南山案例 地形图 70m高度模拟风速 中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心中 国 气 象 局 气 候 变 化 中 心 CMA Climate Change Center 应用场景三:太
12、阳能开发 国 家 气 候 中 心国 家 气 候 中 心 National Climate Center 一站式解决方案(一):国家气候中心风能资源评估选址平台 国 家 气 候 中 心国 家 气 候 中 心 National Climate Center 一站式解决方案(二):中国近海风能资源评估系统 国 家 气 候 中 心国 家 气 候 中 心 National Climate Center 国家气候中国家气候中心新能源开心新能源开发利用战略发利用战略新能源开发规划新能源开发规划能源电力安全保供能源电力安全保供新能源运行调度新能源运行调度高分辨率陆海精细化高分辨率陆海精细化气候资源模拟与评估平
13、台气候资源模拟与评估平台要素:风、光、水空间分辨率:KM级时间:30年以及小时级 面向新能源电力安全面向新能源电力安全的极端天气气候事件预警平台的极端天气气候事件预警平台高温、寒潮、台风、沙尘、暴雨、连阴雨、静稳天气新能源开发潜力评估新能源开发潜力评估和中长期资源客观化预测平台和中长期资源客观化预测平台要素:风、光、水等预报时间:日、月、年空间:场站级核心技术与平台核心技术与平台政府决策部门政府决策部门国家智库国家智库能源电力龙头企业能源电力龙头企业新能源开发商新能源开发商平台战略平台战略战略合作机制战略合作机制建立数据平台建立数据平台建立代理体系建立代理体系不直接参与终端市场不直接参与终端市
14、场与对等部门与对等部门、国企国企、私企建立广泛的战略合作私企建立广泛的战略合作电力交易中心等电力交易中心等国家气候中心新能源开发利用战略 风资源数据及光伏数据 业务数据 80m 陆地1KM数据 100m 120m 150m 80m 陆地15KM数据 100m 120m 150m 400m 近海3KM数据 100m 150m 400m 近海数据 水深 距海岸距离 满发小时数 地理信息数据 30m高程数据 30m坡度数据 30m土地利用数据 1KM自然保护区数据 1KM高程数据 1KM坡度数据 1KM土地利用数据 区域变电站 区域资源 区域特高压线 区域电价 区域弃风率 区域风电场 风电场数据 项
15、目资源 点查询记录 面查询记录 踏勘记录 机位信息 风电场信息 台风数据 天气实况与预报 潮汐数据 台风实时数据 台风历史数据 天气实况 天气预报 天气历史 未来48小时 未来三个月 宏观分析 可开发量分析 风速 满发小时数 陆地参数分析 区域变电站 区域特高压线 区域电价 区域弃风率 区域风电场 土地利用系数 坡度 高程 图层筛选 区域筛选 近海参数分析 风速 满发小时数 距海岸距离 水深 风机排布 资源分布 资源参数分析 图形下载 微观分析 道路规划设计 风电场经济性评估 调用分析 风机排布 踏勘管理 踏勘轨迹采集 踏勘轨迹管理 兴趣点管理 踏勘资源管理 资源管理 陆地风资源 地理信息 近
16、海风资源 区域资源 视图管理 2D视图 3D视图 项目管理 项目列表 关联查询记录 关联踏勘轨迹 城镇距离 风机排布 城镇距离 实况与预报 点查询 风电场分析 台风分析 实时台风 历史台风 天气实况历史 点查询 近海查询 潮汐预报 未来48小时 未来三个月 数据下载 应 用 模 块 数 据 资 源 图示:一期 二期 三期 测风塔管理 测风塔位置 查询统计 测风数据查询 测风塔数据 地理信息 统计数据 测风数据 点查询 陆地风资源查询 面查询 点查询 近海风资源查询 面查询 点查询 光伏资源查询 面查询 光伏数据 水平面总辐射 最佳倾斜面总辐射 光伏发电首年利用小时数 国 家 气 候 中 心国
17、家 气 候 中 心 National Climate Center 二、卫星资料长序列气候数据集 国 家 气 候 中 心国 家 气 候 中 心 National Climate Center 风速产品与海岛站长序列风速对比风速产品与海岛站长序列风速对比 横澜岛横澜岛 浮标与风速产品的气候态风速频率分布对比浮标与风速产品的气候态风速频率分布对比 累年年平均风速分布累年年平均风速分布 渤海渤海 黄海黄海 东海东海 台湾海峡台湾海峡 南海中部南海中部 南海南部南海南部 10米 100米 多源遥感卫星长序列海面风产品 国 家 气 候 中 心国 家 气 候 中 心 National Climate Ce
18、nter 应用示范-不同重现期最大风速分布 不同重现期最大风速分布图 2020年台风风场 Yan Meng风场采用风场采用Holland气压模型:气压模型:p=pc+p exp(Rmax/r)B)式中:式中:pc为台风中心气压;为台风中心气压;p为台风外围气压与台风为台风外围气压与台风中心气压的差值;中心气压的差值;B为压力分布常数,即为压力分布常数,即Holland参参数;数;Rmax为台风最大风速半径;为台风最大风速半径;r 为某一点到台风中为某一点到台风中心的距离。心的距离。国 家 气 候 中 心国 家 气 候 中 心 National Climate Center 海雾监测海雾监测 海
19、上风电开发风险管理海雾、海冰监测 海冰监测海冰监测 国 家 气 候 中 心国 家 气 候 中 心 National Climate Center 海洋气候应用综合服务平台 基于海洋浮标资料、船舶资料、石油平台资料、岛屿站资料、海上测风塔资料、卫星遥感等多源数据资料,通过海洋气候应用综合服务平台生成中国近海海温监测、中国近海海面风监测、辐照度监测、中国近海海冰监测、中国近海海浪监测、中国近海海雾监测等,形成风能资源风能资源、光光资源资源、台风台风、海浪海浪、海流海流、海冰海冰、海雾海雾、海温海温、盐度盐度等的监测应用产品。国 家 气 候 中 心国 家 气 候 中 心 National Clima
20、te Center 总 结 一、一、BCC_3km是国家气候中心研发的具有自主知识产权的、国内首套中国区域是国家气候中心研发的具有自主知识产权的、国内首套中国区域高分长序列风光资源再分析数据产品,是中国人自己的风光资源数值解决方案,高分长序列风光资源再分析数据产品,是中国人自己的风光资源数值解决方案,达到国际先进水平。达到国际先进水平。二、二、海上海上多源遥感卫星长序列产品多源遥感卫星长序列产品系列能够系列能够为为海上风机海上风机设计、风设计、风电开发、施工、电开发、施工、运运维、海外维、海外市场市场拓展等提供有力数据拓展等提供有力数据科技支撑。科技支撑。数值产品技术研发负责人:向洋 ; wsayang_ 国家气候中心业务系统发展与运控室 北京海淀区中关村南大街46号