能源領域中的氣象科技進展——記第三屆國際能源與氣象學術會議

文|國家氣候中心 朱蓉

2015 年6 月22 日 至6 月26 日，來自30 多個國家的200 多名能源與氣象領域的專家和學者齊聚美國科羅拉多州博爾德市，參加第三屆國際能源與氣象學術會議。會議在大會主席、澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）的太陽能預報專家Alberto Troccoli 博士熱情洋溢的歡迎辭中宣布開幕。

國際能源與氣象學術會議（International Conference Energy&Meteorology,ICEM）于2011 年由澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）發起，每兩年舉辦一次。會議旨在促進氣象科學與能源發展融合，研討內容主要是風能太陽能資源評估、預測和氣候變化影響，其次是水力發電中的氣候預測服務、氣象與能源、經濟發展戰略研究等。會議組委會由來自的16 個國家的45 名科學家組成，主要來自各國的氣象局、電力集團、科研機構、大學以及世界銀行等。其中歐洲、澳大利亞和美國人占89%，亞洲暫時只有3 人，來自中國氣象局、印度科學和工業研究理事會和印度能源與資源學院。2011 年第一屆會議在澳大利亞舉行，2013 年第二屆會議在法國舉行，第二和第三屆會議的參會人數都超過了200 人。今年會議的主題是“服務于能源工業的天氣氣候”，重點交流適應能源發展的現代氣象科學技術。

大會特邀了10 位能源和氣象領域中的知名學者作主題報告，其中包括美國落基山研究所Amory Lovins博士“重塑能源——有益于美國和中國的低碳前景”；加拿大能源部助理副部長兼氣象中心主任David Grimes先生“能源領域中的天氣氣候服務”；美國國家海洋和大氣管理局首席科學顧問、地球系統研究實驗室主任Alexander MacDonald 博士“是否能夠阻止全球二氧化碳排放的倍增？”；中國國家發展和改革委員會能源研究所副所長王仲穎研究員“中國2050高比例可再生能源發展情景暨途徑研究”。作特邀主題報告的還有法國電力集團可持續發展與環境執行副總裁Claude Nahon 女士、美國能源部風電水電技術部首席科學家兼A2e 項目負責人Mike Robinson 博士以及來自挪威Statkraft 能源公司、意大利ENEL電力公司、加拿大魁北克水文局和印度科學和工業研究理事會的知名專家和學者。此外，會議還設立了兩個專題論壇：100%可再生能源發電對氣象科學技術的需求；世界氣象組織全球氣候服務框架如何服務于能源領域。

大會論文評審專家組共遴選出會議交流論文204 篇，其中口頭報告147 篇、墻報57 篇。報告交流內容包括：天氣氣候在能源領域中的科學進展和面臨的挑戰；資源測量和評估技術；風電、光伏、水電、波浪能的短期、中期和長期預測技術；氣象格點化資料和綜合分析技術在能源消納和電力輸送中的應用；能源系統微尺度氣象學，主要涉及大氣湍流、溫度對風電機組和太陽能電池板的影響以及輸電線舞動和結冰等；極端氣候事件及其對能源工業的影響；能源系統的災害天氣風險管理；氣候變化對能源系統的影響；能源系統對天氣氣候和局地環境的影響；能源氣象數據可視化和互聯網；能源氣象領域全球和國家研究計劃以及教育培訓。

會議報告中展示的電力氣象預報系統研發成果最多，除了實時四維資料同化和集合預報技術以外，自適應網格等數值天氣預報的前沿技術已開始應用于風電和光伏預測,預報時效從短臨和短期發展到次季節、季節和年度時間尺度。美國國家大氣研究中心（NCAR）的風能太陽能臨近和短期預報系統和可視化平臺，綜合了四維實時資料同化、集合數值預報、變分多普勒雷達風矢量反演、以及云飄移的衛星探測、Sky－Camera 圖像分析技術等現代天氣預報技術，可以提供時間尺度15 分鐘到5 天的發電功率預報以及結冰和電力負荷預測預警等；澳大利亞CSIRO 建立了Sky－Camera 觀測網，研究區域太陽能超短期預報技術；法國電力集團基于歐洲中期預報中心（ECMWF）氣候系統模式回算和美國國家環境預報中心（NCEP）數值天氣預報再分析資料，開展了月尺度和季節尺度水電預測業務試驗。德國氣象局與Frauhofer風能和能源系統技術研究所合作并聯合德國3 個電力調度公司開展的EWeLiNE 研究計劃，目標是為依賴天氣的能源電力消納，創新與優化電力氣象預報模式。此外，還有很多基于Sky－Camera 和衛星圖像分析發展的太陽能短臨預報技術，如德國奧登堡大學等；多尺度動力降尺度預報技術，如美國AWS TruePower 公司的太陽能風能集成預報系統（SWIFT）和中國氣象局的風電場短期風功率動力降尺度模式系統。

在建立風能太陽能資源基礎數據集和制作圖譜方面，目前不但要求空間分辨率高，更注重于數據的時間分辨率和長時間序列，為提高區域可再生能源電力供應的穩定性提供科學依據。例如，美國可再生能源實驗室（NREL）基于衛星反演和輻射傳輸模式建立的美國太陽能資源高分辨率格點數據集（National Solar Radiation Database，NSRDB），水平分辨率4km×4km，時間分辨率3min，數據序列長度1998 年－2014 年；美國國家海洋大氣管理局（NOAA）依托國際衛星云氣候學計劃（ISCCP）正在為國際可再生能源署建立全球長期太陽能資源數據集，水平分辨率10km×10km，時間分辨率1h－3h，計劃今后每年更新。在國際可再生能源署的全球可再生能源資源圖譜發展計劃中，丹麥、德國、西班牙等國牽頭啟動了全球高分辨率風能資源評估計劃。法國國家科學研究中心和法國電力集團開展了優化區域風電場布局與提高風電接入穩定性的合作研究。英國氣象局通過分析風和太陽輻射變化的相關性，研究英國氣候與風能太陽能資源以及電力供求的關系。

在基礎數值天氣預報數據支撐方面，歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）為滿足風能太陽能資源預測的需求，專門增加了100m 高度風速和直接太陽輻射的10 天－15 天預報產品及其效果檢驗，并制定了將水平分辨率從16km×16km 提高到9km×9km 并改進風、云和降水預報等能源氣象服務產品的進一步研發計劃。英國氣象局研發了動力與統計相結合的降尺度技術，可將4.4km×4.4km 水平分辨率的30 年風能資源時間序列數據細化到水平分辨率1.5km×1.5km。

風能資源測量和風特性研究方面的報告有：美國NOAA 和科羅拉多大學的風電場區大氣湍流的風廓線雷達測量、風電機組輪轂高度風特性的多普勒激光雷達探測、近海大氣邊界層特性的激光雷達探測研究；丹麥科技大學的陸地、沿海和近海風速長期變化特征研究等等。

大會開幕前一天，組委會特意安排了為期一天的氣象人與能源人相互開設學術研討會，以幫助能源領域的學者了解氣象基礎數據和現代數值預報技術，同時也促進氣象領域的學者認識電力系統運行、電網調度和電力市場對天氣氣候服務的需求。在會議期間，以國際能源與氣象學術會議組委會為主成立的世界能源與氣象理事會（WEMC）開展了一些宣傳活動。WEMC 是非盈利性組織，旨在促進和加強能源工業與天氣、氣候和環境科學之間的互動，其根本目標是在天氣氣候變化背景下提高能源系統的可持續性、適應力及效率。

當前，如何保證未來100%可再生能源電力供應成為國際學術熱點，這意味著能源電力對天氣氣候的依賴性顯著加強，需要促進能源與氣象科學的相互融合，提高氣候科學為能源服務的能力。6 月26 日大會在熱烈的氣氛中圓滿閉幕，組委會一致希望2017 年第四屆國際能源與氣象學術會議能在亞洲舉辦，希望能看到更多來自亞洲國家的研究成果。