一種海洋模式和氣象模式的一體化耦合方法技術

本發(fā)明專利技術提供一種海洋模式和氣象模式的一體化耦合方法，包括以下步驟：基于氣象模式建立天氣數(shù)值預報模式；基于海洋模式建立海洋數(shù)值預報模式；采用非通量訂正的方法使海洋模式和氣象模式實現(xiàn)一體化耦合。本發(fā)明專利技術通過海洋模式和氣象模式的耦合，將海洋下墊面與大氣的能量和水汽交換過程進行更加詳細和準確的描述，進而建立適用于海上風電場功率預測的數(shù)值天氣預報模式。采用耦合器技術，便于海氣耦合模式各子分量模式的發(fā)展和維護；采用“非通量訂正”的耦合方式能夠保證海氣界面通量的守恒。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及一種耦合方法，具體涉及一種海洋模式和氣象模式的一體化耦合方法。
技術介紹
資源緊缺、氣候環(huán)境惡化問題日益突出，在除水電外可再生能源發(fā)電中風力發(fā)電因成本較低和技術最成熟而得到迅猛發(fā)展。海上風電場具有風速高、風力穩(wěn)定、干擾少、發(fā)電量大等優(yōu)勢，已成為未來風電發(fā)展的重要選擇。國際上尤其是歐洲，海上風電已經(jīng)得到高度重視，德國、丹麥、英國等歐洲國家已步入海上風電的規(guī)模化開發(fā)階段。歐洲風能協(xié)會(EuropeanWind EnergyAssociation)預測，到2030年，海上/離岸風力發(fā)電可滿足歐盟17％的電力需求。而目前中國還處于起步階段，有著巨大的發(fā)展空間。一方面，中國擁有十分豐富的近海風資源，相對于陸上風機而言，海上風機得益于海面上更強勁、更穩(wěn)定的風資源，可以產(chǎn)生更多的電能。有數(shù)據(jù)顯示，我國近海10米水深的風能資源約1億千瓦，近海20米水深的風能資源約3億千瓦，近海30米水深的風能資源約4.9億千瓦。另一方面，我國東部沿海地區(qū)海上風能資源豐富且距離負荷中心近，具備大規(guī)模發(fā)展的資源條件和市場需求，開發(fā)海上風電可有效改善東部電力供應結(jié)構(gòu)能源供應情況。海上風電發(fā)展或可成為增加可再生能源普及率的關鍵之一，因此，大力推動我國海上風電發(fā)展，對緩解沿海地區(qū)用電緊張局面，有效應對氣候變化等都具有十分重要的作用，是我國能源戰(zhàn)略的一個重要內(nèi)容。海上風電具有間歇性和波動性的特點，為保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，需要以風電功率的預測值作為參考。風電功率預測是利用數(shù)值天氣預報、風電歷史實際出力等數(shù)據(jù)建立預測模型，進而預測風電場在未來時段的出力。短期功率預測主要為電網(wǎng)日前調(diào)度提供依據(jù)。短期功率預測的時間參數(shù)要求為：(1)每日14：00點前預測風電場未來0-24小時輸出的有功功率；(2)時間分辨率為15分鐘。風電具有很強的隨機性和波動性，海陸風在一些地區(qū)的日變化呈現(xiàn)反調(diào)峰性，大規(guī)模海上風電接入電網(wǎng)后，會給電網(wǎng)的運行、調(diào)度帶來挑戰(zhàn)。因此，為了保證大規(guī)模風電接入后的電網(wǎng)安全，迫切需要針對大規(guī)模、高集中度海上風電并網(wǎng)關鍵問題，系統(tǒng)地開展大規(guī)模、高集中度海上風電并網(wǎng)后與電網(wǎng)的交互影響等基礎理論和核心技術研究，促進電網(wǎng)友好型風電
場的建設，實現(xiàn)我國海上風電發(fā)展的預期目標。對風電場發(fā)電功率進行比較準確的短期預測，將幫助電力調(diào)度部門提前根據(jù)風電功率變化及時調(diào)整調(diào)度計劃，緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力、降低系統(tǒng)備用容量、提高電網(wǎng)風電接納能力，這也成為減輕風電對電網(wǎng)造成的不利影響、提高系統(tǒng)中風電可裝機比例、促進我國風電產(chǎn)業(yè)的進一步健康有序發(fā)展的一種有效途徑。所謂數(shù)值天氣預報，就是根據(jù)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(shù)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(tài)和天氣現(xiàn)象的方法。數(shù)值天氣預報是風電功率預測的基礎數(shù)據(jù)源，數(shù)值天氣預報的好壞直接影響風電功率預測精度的高低。WRF(Weather Research Forecasting)作為最常用的數(shù)值天氣預報模式，具有易維護、高效、方便的特點，以及對從云尺度到各種不同天氣尺度的重要天氣特征都能夠客觀描述的能力。WRF由美國環(huán)境預測中心(NCEP)、美國國家大氣研究中心(NCAR)等美國的科研機構(gòu)為中心聯(lián)合開發(fā)，模式分為研究用ARW(the Advanced Research WRF)和業(yè)務用NMM(theNonhydrostatic Mesoscale Model)兩種形式，分別由NCEP和NCAR管理維護。研究和掌握海洋運動的規(guī)律是十分重要的。正是在這種背景下，地球流體力學得到了迅速的發(fā)展。地球流體力學是一門新興的交叉學科，主要研究地球自然界中一切流體宏觀運動的普遍規(guī)律。描述海洋運動的地球流體力學方程都是一些偏微分發(fā)展方程。POM(Princeton Ocean Model)由美國普林斯頓(Princeton)大學Blumberg和Mellor于1977年共同建立起來的一個三維斜壓原始方程數(shù)值海洋模式，后經(jīng)過多次修改成為今天的樣本，是被當今國內(nèi)外應用較為廣泛的河口、近岸海洋模式。該模式現(xiàn)已被成功應用于國內(nèi)外的許多區(qū)域：20世紀80年代該模式就被相繼應用于墨西哥灣、哈得遜河口和北冰洋，進入20世紀90年代后，該模式又被應用于地中海。POM對于中國海的數(shù)值模擬研究也有巨大貢獻。數(shù)值天氣預報模式是數(shù)值天氣預報的核心，其決定數(shù)值天氣預報的計算方式，是影響數(shù)值天氣預報準確性的重要因素。面向風電功率預測，WRF模式是最常用的數(shù)值天氣預報模式，但由于海洋下墊面變化等因素的復雜性，WRF模式針對海洋的預報效果不佳，因此亟待建立一種適用于海上風電場數(shù)值天氣預報的數(shù)值模式，用來實現(xiàn)海上風電場的功率預測。
技術實現(xiàn)思路
為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本專利技術提供一種海洋模式和氣象模式的一體化耦合方法，通過海洋模式和氣象模式的耦合，將海洋下墊面與大氣的能量和水汽交換過程進行更加詳細
和準確的描述，進而建立適用于海上風電場功率預測的數(shù)值天氣預報模式。為了實現(xiàn)上述專利技術目的，本專利技術采取如下技術方案：本專利技術提供一種海洋模式和氣象模式的一體化耦合方法，所述方法包括以下步驟：步驟1：基于氣象模式建立天氣數(shù)值預報模式；步驟2：基于海洋模式建立海洋數(shù)值預報模式；步驟3：采用非通量訂正的方法使海洋模式和氣象模式實現(xiàn)一體化耦合。所述步驟1具體包括以下步驟：步驟1-1：確定數(shù)值天氣預報模式所必需的模擬區(qū)域的靜態(tài)數(shù)據(jù)、背景場數(shù)據(jù)、常規(guī)觀測數(shù)據(jù)和非常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，并完成氣象模式預處理，具體有：1)定義模擬區(qū)域；2)插值地形數(shù)據(jù)和植被數(shù)據(jù)到模擬區(qū)域；步驟1-2：模擬未來時刻大氣演變過程，得到模擬結(jié)果；步驟1-3：采用RIP4、NCL、GrADS或Vis5D對所述模擬結(jié)果進行處理。所述步驟1-1中，靜態(tài)數(shù)據(jù)包括地形數(shù)據(jù)和植被數(shù)據(jù)，所述地形數(shù)據(jù)包括地勢、土地類型和土壤類型；背景場數(shù)據(jù)包括GFS模式、GEM模式和JSM模式分別預報的格點數(shù)據(jù)；常規(guī)觀測數(shù)據(jù)包括地面海上氣象站感測數(shù)據(jù)、探空站觀測數(shù)據(jù)、系留氣球及飛機船舶浮標觀測數(shù)據(jù)；非常規(guī)觀測數(shù)據(jù)包括靜止氣象衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)、極軌氣象衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)和雷達探測數(shù)據(jù)。所述步驟1-2中，模擬未來時刻大氣演變過程具體包括以下步驟：1)基于氣象模式的預處理結(jié)果，生成數(shù)值積分的初始場數(shù)據(jù)和邊界場數(shù)據(jù)；2)基于背景場數(shù)據(jù)、常規(guī)觀測數(shù)據(jù)和非常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)同化得到最優(yōu)分析場數(shù)據(jù)；3)基于氣象模式的物理參數(shù)化過程，以最優(yōu)分析場數(shù)據(jù)為輸入完成未來時刻大氣演變過程的模擬。所述步驟1-3中，將氣象模式垂直坐標插值到實際應用的標準輸出層；然后把模擬結(jié)果插值到應用網(wǎng)格；最后輸出符合WMO標準的GRIB1數(shù)據(jù)。所述步驟2具體包括以下步驟：步驟2-1：對海表面溫度、海洋流場、海面風應力和水位進行初始化處理，并進入內(nèi)模式循環(huán)；步驟2-2：積分計算斜壓梯度力項、水平對流和擴散系數(shù)，并進行垂直積分；并傳遞到海洋模式的二維外模式循環(huán)，計算水位并進行水位邊界處理，計算平流與擴散項，進而得到流
速及供內(nèi)模式使用的垂直平均流速，并進行流速邊界處理；步驟2-3：由計算得到的水位直接進入內(nèi)模式，垂直平均流速用于校準三維流速；調(diào)整風場計算使內(nèi)外模式流速相互匹配，計算垂直速本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種海洋模式和氣象模式的一體化耦合方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：步驟1：基于氣象模式建立天氣數(shù)值預報模式；步驟2：基于海洋模式建立海洋數(shù)值預報模式；步驟3：采用非通量訂正的方法使海洋模式和氣象模式實現(xiàn)一體化耦合。

【技術特征摘要】
1.一種海洋模式和氣象模式的一體化耦合方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：步驟1：基于氣象模式建立天氣數(shù)值預報模式；步驟2：基于海洋模式建立海洋數(shù)值預報模式；步驟3：采用非通量訂正的方法使海洋模式和氣象模式實現(xiàn)一體化耦合。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋模式和氣象模式的一體化耦合方法，其特征在于：所述步驟1具體包括以下步驟：步驟1-1：確定數(shù)值天氣預報模式所必需的模擬區(qū)域的靜態(tài)數(shù)據(jù)、背景場數(shù)據(jù)、常規(guī)觀測數(shù)據(jù)和非常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，并完成氣象模式預處理，具體有：1)定義模擬區(qū)域；2)插值地形數(shù)據(jù)和植被數(shù)據(jù)到模擬區(qū)域；步驟1-2：模擬未來時刻大氣演變過程，得到模擬結(jié)果；步驟1-3：采用RIP4、NCL、GrADS或Vis5D對所述模擬結(jié)果進行處理。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海洋模式和氣象模式的一體化耦合方法，其特征在于：所述步驟1-1中，靜態(tài)數(shù)據(jù)包括地形數(shù)據(jù)和植被數(shù)據(jù)，所述地形數(shù)據(jù)包括地勢、土地類型和土壤類型；背景場數(shù)據(jù)包括GFS模式、GEM模式和JSM模式分別預報的格點數(shù)據(jù)；常規(guī)觀測數(shù)據(jù)包括地面海上氣象站感測數(shù)據(jù)、探空站觀測數(shù)據(jù)、系留氣球及飛機船舶浮標觀測數(shù)據(jù)；非常規(guī)觀測數(shù)據(jù)包括靜止氣象衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)、極軌氣象衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)和雷達探測數(shù)據(jù)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海洋模式和氣象模式的一體化耦合方法，其特征在于：所述步驟1-2中，模擬未來時刻大氣演變過程具體包括以下步驟：1)基于氣象模式的預處理結(jié)果，生成數(shù)值積分的初始場數(shù)據(jù)和邊界場數(shù)據(jù)；2)基于背景場數(shù)據(jù)、常規(guī)觀測數(shù)據(jù)和非常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)同化得到最優(yōu)分析場數(shù)據(jù)；3)基于氣象模式的物理參數(shù)化過程，以最優(yōu)分析場數(shù)據(jù)為輸入完成未來時刻大氣演變過程的模擬。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海洋模式和氣象模式的一體化耦合方法，其特征在于：所述步驟1-3中，將氣象...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：靳雙龍，車建峰，馮雙磊，王勃，王偉勝，劉純，張俊，鐘曉波，盧靜，張菲，姜文玲，趙艷青，王錚，胡菊，馬振強，楊紅英，李穎毅，郭鋒，黃靜，戴濤，費建平，王棟，馮剛，劉明康，陳慧君，王斐，陳震宇，錢海東，方海娜，
申請(專利權(quán))人：國家電網(wǎng)公司，中國電力科學研究院，國網(wǎng)浙江省電力公司，國網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11