數值天氣預報結果在河南電網生產中的應用

梁允　李哲　李帥　劉善峰

（國網河南省電力公司電力科學研究院，河南鄭州　450052）

數值天氣預報結果在河南電網生產中的應用

梁允李哲李帥劉善峰

（國網河南省電力公司電力科學研究院，河南鄭州450052）

針對河南電網生產特點和對天氣預報的需求，采用BJRUCv3.0精細化區域數值預報系統和動力降尺度技術，得到河南省范圍內9km×9km、特殊區域1km×1km至72h精細化數值天氣預報結果，并將其利用到“迎峰度夏”“迎峰度冬”等重要電網生產過程，提高電網防災減災能力。

BJRUCv3.0；動力降尺度；數值天氣預報；電網生產；防災減災

1　氣象災害對電力生產的影響

我國幅員遼闊，氣候差異很大，惡劣的氣象條件和天氣現象對電網安全運行的影響程度也隨之增加［1］，臺風、大霧、冰凍、高溫等惡劣氣象條件引發的電網事故時有報道［2］。對河南電網來說，主要受夏季強對流（大風、強降水、雷電、冰雹）天氣和冬季的雨雪冰凍天氣影響，2015年7月29日河南省多個地區遭遇強對流天氣，2015年11月23-24日，河南電網受雨雪冰凍天氣影響，發生大面積覆冰舞動事件，給主網、配網的運行造成了嚴重影響。因此，相對準確的氣象預報結果，對電網生產具有重要的意義。然而，氣象部門發布的針對公共服務的氣象預報產品，具有范圍廣、時間跨度大的特點，其空間精確度、時間準確度均不能滿足電網生產的需要。然而，要進一步提高天氣預報準確率，必須從大氣內部的物理規律（大氣動力學、熱力學、質量守恒、水相變化規律等）出發，建立數學物理模型，用數學物理的方法，并借助巨型計算機技術，預測未來天氣的變化，即通常所說的“數值天氣預報”技術，來實現針對電網生產的精細化天氣預報［3］。

2　數值天氣預報的發展和應用

數值天氣預報是指根據大氣實際情況，在一定的初值和邊值條件下，通過大型計算機作數值計算，求解描寫天氣演變過程的流體力學和熱力學的方程組，預測未來一定時段的大氣運動狀態和天氣現象的方法［4］。

近二三十年來，隨著大氣科學、計算機技術、網絡、存儲及高速通信技術的不斷發展，氣象觀測資料的不斷增多，數值天氣預報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務應用得到了很大發展，數值預報模式也向著統一動力模式框架、統一編碼（多尺度通用、模塊化）、高計算精度、非靜力平衡和格點模式（非譜模式）的方向發展，變分方法、集合預報技術分別成為資料同化和解決預報不確定性的主流技術。美、英、法、加拿大、日本、中國和澳大利亞等國家先后建立了數值天氣預報中心，數值天氣預報已成為氣象預報制作不可缺少的重要工具和手段，已經在世界各國的防災減災、大型工程氣象保障、社會公眾服務及國防建設等工作中發揮著越來越大的決策支持作用。

根據河南電網生產需求和特點，數值天氣預報結果已經實現9km×9km、重點區域1km×1km、0～72h精細化預報，并在夏季強對流天氣、冬季覆冰舞動事件的預報、預警過程中得到應用。

3　河南電網數值天氣預報技術及應用

3.1不同來源數據預處理過程

為了給河南電網輸電線路沿線制作更為精細、準確的氣象要素預報產品，便于電力部門開展不同時間尺度的電力氣象災害預警工作，分以下4個步驟開展多數據源的數據預處理。

①通過精細的區域數值預報系統，得到覆蓋河南省的9km分辨率的未來3d的逐小時氣象要素預報；②在全省預報的基礎上，再應用動力降尺度技術，得到未來3d 1km分辨率的逐小時氣象要素預報；③針對風速、氣溫、濕度等預報要素建立預報產品訂正模型，對線路周邊氣象要素預報場進行統計訂正，得到更準確的要素預報場；④應用河南全省自動站資料，對基礎背景預報場進行改進，在此基礎上再進行外推預報，進一步提升預報準確率。

3.29km×9km數值天氣預報計算過程及展示

數值預報采用BJRUCv3.0精細化區域數值預報系統，該預報系統基于中尺度氣象模式WRF開發完成，WRF（Weather Research Forecast）模式系統是美國研究部門及大學共同參與開發研究的新一代中尺度預報模式和同化系統。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，網格形式為Arakawa C格點。該預報系統的水平分辨率為9km，水平網格點數為400×649，垂直方向50層，具體計算預報流程如圖1所示。

圖1　BJRUCv3.0預報系統流程圖

該預報系統中同化的觀測資料不僅包括BJ-RUC同化系統中的觀測資料，還同化了雷達的徑向風速度和反射率因子觀測資料。同時，利用衛星資料反演了土地利用類型、葉面積指數、植被覆蓋度等產品，在此基礎上形成了可直接應用于數值模式的產品。

基于BJRUCv3.0預報系統制作河南地區水平分辨率9km未來3d逐小時基礎地面氣象要素（溫度、風速、濕度、雨量和凍雨等）預報結果，預報要素及時效如表1所示，預報區域如圖2所示。

表1　9km數值天氣預報要素及時效一覽表

圖2　9km分辨率數值天氣預報區域

3.3重點區域1km×1km天氣預報計算過程及展示

降尺度預報采用微尺度模式CALMET來進行，CALMET模式是美國環境保護署（EPA）推薦的一個網格化的復雜地形風場動力診斷模式，其利用質量守恒原理對風場進行動力診斷，主要考慮了地形對近地層大氣的動力效應、斜坡氣流產生和障礙物阻擋效應，并采用三維無輻散處理消除插值產生的虛假波動。

基于河南全省9km分辨率的背景預報場，采用微尺度模式CALMET模式對2個重點實驗區進行動力降尺度計算，生成重點區域水平分辨率1km的預報結果，預報要素如表2所示。

表2　重點區域1km數值天氣預報要素及時效一覽表

重點區域選擇依據，基于河南地區電網分布特點、電網氣象災害易發區域挑選2個重點降尺度計算區域，如圖3所示。其中，區域1網格點數為201×161，區域2網格點數為241×161。

圖3　重點區1km分辨率數值天氣預報區域

4　數值天氣預報在河南電網生產過程中的應用

4.1數值天氣預報在“迎峰度夏”過程中的應用

“迎峰度夏”是電網生產的一個重要過程，一般從每年的6月初至9月底，整個過程中電網生產既要經受高溫天氣帶來的電網負荷升高的考驗，又要防范強對流天氣給電網設備乃至整個電網運行帶來的危害。

4.1.1在高溫預測過程中的應用。每年的夏季，是全年平均氣溫最高的季節，對電網生產而言，尤其對電力負荷來說，溫度有著另外的意義，日常生活中，溫度越高，使用電器設備降溫解暑的就越多，用電量就隨之上升［5］。利用精細化的數值天氣預報結果，能夠對河南省范圍內不同區域未來72h的溫度變化情況進行較為準確的預測，電力調度部門能夠根據氣溫變化對電力負荷和用電量作出合理預測，從而提高電網運行和社會用電的可靠性。

圖4　2016年8月19日11：00-14：00高溫區域預測結果展示

圖4中紅色區域為預測的高溫區域，根據高溫區域的變化，電力部門作出相應的負荷和用電量預測，為合理安排發電機組啟停、電網運行方式和機組檢修計劃，保證社會正常生產和生活提供科學依據［6］。

4.1.2在強對流天氣過程中的應用。對電網而言，強對流天氣可能導致變電站停運、倒塔、線路雷擊跳閘、導線舞動等突發狀況發生。河南省位于中國中東部，是全國強對流天氣高發區之一，夏季強對流天氣對電網穩定運行和安全生產的影響較為嚴重［7］。利用精細化數值天氣預報，能夠對強降水、大風等強對流過程進行較為準確的預測，為電網調度、運維檢修、應急搶修等生產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降水區域預測結果展示

4.2數值天氣預報在“迎峰度冬”過程中的應用

數值天氣預報結果在“迎峰度冬”過程中的應用主要體現在輸電線路舞動預測上。舞動是不均勻覆冰導線在風的作用下產生的一種低頻率、大振幅的自激振動，產生的危害是多方面的，輕者會發生閃絡、跳閘，重者發生金具及絕緣子損壞，導線斷股、斷線，桿塔螺栓松動、脫落，甚至倒塔，導致重大電網事故［8］。

河南省是我國舞動災害頻發的省份之一，是輸電線路舞動的重災區，1998年至2010年3月河南省共發生8次大規模舞動事故，給電網生產帶來了嚴重威脅。目前，利用精細化的數值天氣預報結果，通過周報和臨近預警的方式，為河南電網的生產提供必要的舞動預測預警信息支撐。首先，以精細化數值天氣預報結果為基礎，結合天氣預報中報，制作《舞動預測周報》，對下周極端天氣進行預測；然后，再根據凍雨預測結果，對舞動預測周報進行每日更新，及時調整舞動預測區域和線路舞動概率，從而不斷提高輸電線路舞動預測概率準確性。利用精細化數值天氣預報結果和逐日修正的舞動預測結果，成功預測了2015年11月23、24日河南電網線路大面積舞動。

圖6　2015年11月24日8：00河南省75%以上概率舞動預測區域

5　結語

將精細化數值天氣預報結果與河南電網生產相結合，對電網生產數據和氣象預報數據進行深度融合挖掘，為“迎峰度夏”“迎峰度冬”等重要電網生產過程提供必要的、準確度和精細度較高的電力氣象預測預警產品，不僅提高了電網運行的安全性，而且提高了社會生產、生活用電的可靠性。但是，在不同氣象條件下電網設備乃至電網發生不同類型故障的概率預測方面仍需進一步研究、實踐和完善。

［1］丁道齊.現代電網運行中的十個問題［J］.電力系統自動化，1990（3）：3-18.

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

［3］陳德輝，薛紀善.數值天氣預報業務模式現狀與展望［J］.氣象學報，2004（5）：623-632.

［4］北京大學地球物理系氣象專業譯.數值天氣預報［M］.北京：科學出版社，1975.

［5］王軍，王辛方，孫仲毅，等.電力負荷與氣象要素相關分析［J］.河南氣象，2005（1）：35-36.

［6］董繼征.電力系統負荷預測方法研究及應用［D］.長沙：湖南大學，2006.

［7］李帥，李哲，梁允，等.強對流預警技術在電網生產過程中的應用研究［J］.河南科技，2015（9）：149-152.

［8］朱寬軍，張國威，付東杰，等.中國架空輸電線路舞動防治技術［A］//自然災害對電力設施的影響與應對研討會，2008：360-370.

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

國家電網公司重大基礎前瞻科技項目（SG20141187）。

梁允（1982-），男，碩士，工程師，研究方向：輸變電設備狀態監測、電力氣象預測預警技術。