《海上风电场海洋气象灾害预报技术应用指南（征求意见稿）》

4T/IPIFXXXX—XXXX海上风电场海洋气象灾害预报技术应用指南本文件提出了海上风电场海洋气象灾害预报的技术应用指南，主要包括中尺度数值预报、单机极大风速预测、预报效果评估等内容。本文件适用于指导广东省海上风电行业开展海洋气象灾害预报技术应用工作。其他地区的海上风电行业可以参照执行。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T2900.53电工术语风力发电机组GB/T3830天气预报检验台风预报GB/T40607调度侧风电或光伏功率预测系统技术要求QX/T243风电场风速预报准确率评判方法3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1台风路径typhoontrack台风中心移动的轨迹。[来源：GB/T38308-2019,2.2]3.2台风强度typhoonintensity台风中心附近底层(近地面或近海面)最大平均风速值或中心最低海平面气压值。[来源：GB/T38308-2019,2.3]3.3物理参数化方案physicalparameterizationschemes物理参数化方案将数值预报模式中无法直接求解的复杂物理过程表达为模型方程的参数形式，使得数值模式能够在离散化网格点上求解，从而模拟大气系统的演变。常见的物理参数化方案包括边界层方案、云微物理方案、辐射方案和积云对流方案等。3.4轮毂高度hubheight从地面到风轮扫掠面中心的高度，对垂直轴风电机组是赤道平面高度。注：单位为米(m)5T/IPIFXXXX—XXXX[来源：GB/T2900.53-2001,定义2.1.2]3.5切出风速cut-inwindspeed在小于规定的湍流条件下，轮毂高度处风机可以正常输出功率的最高风速。注：单位为米每秒(m/s)。[来源：QX/T243-2014]3.6风电场参数化方案wind-farmparameterizationschemes风电场参数化方案是在数值预报模式中简化风电场气流效应的一种策略，旨在参数化表征风电场对风速、湍流、温度等大气变量的影响，而不需要直接求解风电场内部复杂的流体动力学过程。3.7风电场隐式参数化方案wind-farmimplicitparameterizationschemes风电场隐式参数化方案是指把风电场气流效应参数化为表面粗糙度改变的一类参数化方法。3.8风电场显式参数化方案wind-farmexplicitparameterizationschemes风电场显式参数化方案是指把风电场气流效应参数化为动量汇的增加或湍流动能源的一类参数化方法。3.9统计模型预报statisticalmodelforecasting利用历史观测资料，分析风速与气象条件及其他影响因素条件的统计关系，依靠风速具有强相关的时间相关性，使用统计模型或人工智能模型建立拟合方程，从而根据模型和新的预测影响因素条件，获得对未来风速的预报结果。3.10混合方法预报mixedMethodsForecasting基于数值预报模式输出风速，结合实际观测风速，使用统计或者人工智能方法，构建误差修正模型，获得更准确的未来风速的预报结果。4中尺度数值预报4.1南海台风数值预报4.1.1空间尺度范围南海台风数值预报以南海北部主要海域为空间尺度范围，客观反映未来台风路径和强度。4.1.2模式嵌套在数值预报模式中设置通常不少于两层的嵌套区域，以同时满足大尺度大气环流驱动模拟和高分辨率预报的需求。4.1.3台风预报时长台风数值预报模式的预报时长至少以天为单位。4.1.4台风预报形式台风数值预报模式的预报形式为以预报时长为间隔的滚动预报，并提前发布预报结果。6T/IPIFXXXX—XXXX4.1.5动态海表面温度在台风数值预报模式的驱动场输入中应考虑随时间动态变化的海温数据以提供更准确的海表面边界场。4.1.6海气耦合在台风预报过程中将海洋和大气系统相互作用的过程纳入数值模式中，如海表面温度、海洋上层热含量、海浪、潮汐等。这种耦合能够更准确地模拟台风和海洋之间的反馈机制，进而提高台风预报的精确性和可靠性。4.2海上风电场风速预报海上风电场风速的数值模式预报为单机风速中的混合方法预报提供基础数据。4.2.1空间尺度范围海上风电场区风速模拟的数值预报模式空间尺度范围应覆盖所关注的海上风电场及邻近海陆区域。4.2.2预报输出时间间隔相邻两次预报结果输出的时间间隔一般不大于15分钟。4.2.3初始设置数值预报模式初始设置包括空间尺度范围、空间网格、时间分辨率、起始时刻、预报时长、物理参数化方案等。加入考虑风电场气流效应的风电场参数化方案可有效提升数值模式的预报能力。风电场显式参数化方案的表现通常优于隐式参数化方案。4.2.4预报产品及后处理数值模式预报产品为风速。对数值预报模式输出风速进行的后处理，包括诊断分析、单位转换、空间插值和格式转换等，匹配各风机坐标及其轮毂高度，作为单机风速混合方法预报的输入数据。5单机极大风速预报通过单机极大风速预报，结合风电场风机设计的切出风速，规划风机启停时间、运维计划与并网方案等。单机极大风速预报方法一般有数值模式预报、统计模型预报与混合预报，其中数值模式预报参考4.2。5.1统计模型预报方法5.1.1预报数据库建立选取稳定性好、代表性强、与风速相关性好的气象因子，包括风速、风向、温度、相对湿度、气压等要素。气象数据来源为实际观测，数据时间分辨率一般不低于15分钟。5.1.2模型输入数据质量控制输入数据质量控制包括模型输入数据中异常值、重复值和缺失值的识别、剔除等处理。5.1.3模型训练模型训练是模型沿着预报风速和观测风速之间的误差减小的方向不断更新模型参数的过程。通过设置梯度下降函数进行参数优化，模型的训练通过计算机编程实现。7T/IPIFXXXX—XXXX5.1.4模型调优统计模型的调优是通过交叉验证或优化算法等方法对模型结构与超参数进行反复优化，从而建立最优的拟合方程。5.1.5统计模型动态更新根据实际情况，定期将最新的实测数据作为样本加入到数据库中，通过不断调整数据库进行模型训练，定期更新模型，以优化预报结果。5.2混合预报方法该方法为通过建立误差校正模型，对数值预报模式的输出进行修正，提升预报准确性。5.2.1预报数据库建立选取稳定性好、代表性强、与风速相关性好的气象因子，包括风速、风向、温度、相对湿度、压力等要素。分为预测数据与观测数据，预测数据来源于数值模式预报结果，观测数据来源为实测风速。数据时间分辨率一般不低于15分钟。5.2.2模型输入数据质量控制输入数据质量控制包括模型输入数据中异常值、重复值和缺失值的识别、剔除等处理。5.2.3模型训练误差校正模型训练是沿着数值模式预报风速和观测风速之间的误差减小的方向不断更新模型参数的过程。通过梯度下降函数进行参数优化，该过程可通过计算机编程实现。5.2.4模型调优误差校正模型的调优是通过交叉验证或优化算法等方法对模型结构与超参数进行反复优化，从而建立最优的拟合方程。5.2.5误差校正模型动态更新根据实际情况，定期将最新的实测数据作为样本加入到数据库中，通过不断调整数据库进行模型训练，定期更新模型，以优化预报结果。8T/IPIFXXXX—XXXX台风数值预报评估方式及相关指标计算A.1预报评估内容开展台风数值预报工作，应包括对其预报效果的评估。评估内容包括评估类别、评估对象、评估周期。评估类别通常包括台风路径和强度。台风路径的评估对象为台风中心经纬度位置，台风强度的评估对象包括台风中心海平面最低气压和近中心最大风速。对台风数值预报工作提前24小时、48小时、72小时等主要时次的预报结果分别进行时效评估。A.2预报评估方法A.2.1台风路径评估如图1所示，从数值模式预报结果中捕捉台风位置，根据图2确定台风中心所在的初始时刻位置和下一时刻的预报位置，形成连续的台风预报路径结果：说明：红点——台风中心海平面气压最低处；蓝点——经向风；黄点——纬向风；黄色旋转箭头——台风中心涡旋风呈逆时针向内辐合。图1台风中心特征图说明：9T/IPIFXXXX—XXXX蓝色点——T-1时刻台风位置；蓝色箭头——T-1时刻的可能半径IndexRadius；蓝色实线圆圈——T-1时刻台风可能半径范围；红色点——T时刻台风位置；红色虚线圆圈——T时刻最大可能半径范围；Radius=spd*history_interval——根据台风移动经验速度和移动间隔计算台风可能半径。图2台风连续时刻位置图将同时刻的路径预报结果和实测结果对比，通过绝对偏差（Bias）评估偏差：式中：i=1，2…n；n——序列长度；N——总数量；Si——各时刻预报数据；Oi——各时刻实测数据。A.2.2台风强度评估将不同时刻台风中心海平面最低气压、近中心最大风速的预报值与实测值对比，通过计算相关系数（CorrelationCoefficient，R）、绝对误差（Bias，见公式（A.2.1-1）和均方根误差（RMSE）来评估预报结果和实测结果的相关性和差异性：式中：i=1，2…n；n——序列长度；N——总数量；Si——各时刻预报数据；Oi——各时刻实测数据；——所有时刻预报数据平均值；——所有时刻实测数据平均值。T/IPIFXXXX—XXXX单机极大风速预报评估及相关指标计算B.1预报评估内容开展单机极大风速预报工作时，应对其预报效果进行评估。评估内容包括预报精度、时效评估与周期评估。通过各项指标对预报精度进行检验。基于不同的预报时长，对预报结果进行时效评估。以每次风速预报作为基础，视实际需要，对预测效果进行周期评估，检验该风速预报在周期内的预报效果。B.2预报评估方法B.2.1均方根误差该均方根误差由GB/T40607-2021公式(1)调整后，进行计算，计算方法见公式（B.2.1-1）。式中：n——所有样本个数；xi——i时刻观测风速；yi——i时刻实测风速；Mfws——风机满发风速。B.2.2准确率准确率由GB/T40607-2021中公式(5)，结合本文件公式（B.2.1-1）进行计算。B.2.3绝对误差绝对误差由QX/T243-2014中公式(5)计算。B.2.4相对误差相对误差由QX/T