中國儲能網(wǎng)訊：習(xí)近平總書記在2020年9月22日第七十五屆聯(lián)合國大會上提出：中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。在同年12月12日的氣候雄心峰會上進一步提出：2030年，中國單位GDP的CO2排放將比2005年下降65%以上，風(fēng)能太陽能發(fā)電總裝機容量達1.2太瓦以上。
2021年9月，《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中明確要求，我國的非化石能源消費比重在2025年2030年和2060年將分別達20%、25%和80%。當(dāng)前，我國的能源消費結(jié)構(gòu)中非化石能源和化石能源近似呈現(xiàn)“2:8”的形態(tài)，而2060年時這個比例將會相互轉(zhuǎn)換，變成一個全新的“8:2”的形態(tài)，意味著在未來幾十年的時間內(nèi)，新能源發(fā)電將持續(xù)快速發(fā)展，保持大規(guī)模、高比例的發(fā)展特征。
黨的二十大報告中提出：要深入推進能源革命加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系，能源系統(tǒng)將迎來一個全新時代。新型能源體系涵蓋能源生產(chǎn)、供給、消費、安全保障等全生命周期，內(nèi)涵非常豐富，包括但不限于以非化石能源為主的能源生產(chǎn)體系，以新型電力系統(tǒng)為主要特征的能源供給體系，以綠色、智慧低碳為主要特征的能源消費體系，以及穩(wěn)定可靠的能源安全保障體系，這4個關(guān)鍵環(huán)節(jié)均與天氣氣候密切相關(guān)。
氣象工作在新型能源體系中的定位和作用
● 新型能源體系關(guān)鍵環(huán)節(jié)與天氣氣候的關(guān)系
能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)
能源生產(chǎn)體系分為傳統(tǒng)化石能源、新能源與可再生能源，對天氣氣候變化和災(zāi)害性天氣均高度敏感。其中，新能源和可再生能源是我國實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的主力，包括風(fēng)電、光伏、水電和核電等，除核電外，風(fēng)光水都屬于氣候資源，氣候特征決定其豐富程度，天氣變化和災(zāi)害性天氣影響其發(fā)電輸出和效能傳統(tǒng)化石能源包括煤炭、石油、天然氣，目前是主力能源，未來則會逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)能源。其中，石油和天然氣主要依賴進口，而出口國的氣象條件、遠洋運輸和沿海氣象條件，特別是極寒、大風(fēng)災(zāi)害性天氣都會對我國的能源供應(yīng)，尤其是冬季天然氣供應(yīng)產(chǎn)生較大影響。
能源供給環(huán)節(jié)
能源供給包括輸電線路、油氣管道、交通運輸?shù)拳h(huán)節(jié)，對于災(zāi)害性天氣高度敏感。其中，輸電線路及變電站設(shè)施受覆冰、雷擊、大風(fēng)、暴雨、暴雪、高溫等影響，油氣管道易受到強降水引起的山洪、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害的影響，交通運輸易受到低能見度、路面結(jié)冰等惡劣天氣的影響。
能源消費環(huán)節(jié)
能源消費是用電用能的過程，其中的用電負荷和供暖負荷對氣溫和降水的變化非常敏感。近年來，我國中東部地區(qū)在夏季出現(xiàn)持續(xù)性極端高溫天氣，導(dǎo)致各省電力負荷屢創(chuàng)新高，而冬季的持續(xù)性極端低溫則是影響供暖負荷的重要因素。
能源安全保障環(huán)節(jié)
能源保障和安全事關(guān)國計民生，是須臾不可忽視的國之大者。能源安全保障貫穿了能源生產(chǎn)、供給和消費的全過程，全球變暖背景下，極端天氣、災(zāi)害性天氣頻發(fā)，成為影響能源電力安全的直接或間接誘因。
● 新型能源體系中氣象工作的定位和作用
從以上分析可以看出，新型能源體系關(guān)鍵環(huán)節(jié)均與天氣氣候密切相關(guān)，以非化石能源消費為主體人們又將回到“靠天吃飯”的時代。在此背景下，新能源氣象服務(wù)的工作任務(wù)、邏輯和機制將會發(fā)生深刻的變化，其定位也將從當(dāng)前面向市場的專業(yè)氣象服務(wù)逐步上升到為國家戰(zhàn)略發(fā)展服務(wù)的層面，具體來說，包括支撐、融入、保障3個方面。
首先，以精細的資源評估支撐科學(xué)規(guī)劃與選址，發(fā)揮氣象資源先導(dǎo)性作用。
風(fēng)能太陽能規(guī)劃和選址取決于3個層次的資源：
天上的資源，即風(fēng)光資源；
空中的通道資源即電力輸送通道和消納能力;
地面的土地資源即風(fēng)光場站的安裝空間，“天”、“空”、“地”3種資源缺一不可。對氣象工作而言，最主要的是摸清風(fēng)光資源，對風(fēng)能太陽能的資源參數(shù)、空間分布、變化特征等進行精細評估，是氣象工作發(fā)揮先導(dǎo)性作用的重要支撐點。
根據(jù)國家能源局統(tǒng)計，截至2024年6月，全國風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機容量分別達到467吉瓦和714吉瓦，兩者之和（1180吉瓦）已超過煤電裝機（1170吉瓦）。截至2024年7月底，我國風(fēng)電光伏裝機合計達到1206吉瓦，提前6年多實現(xiàn)了“2030年裝機容量1.2太瓦”的目標(biāo)。而截至2024年底，全國風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機已分別達到521吉瓦、887吉瓦。預(yù)計到2060年實現(xiàn)碳中和時，風(fēng)能太陽能裝機規(guī)模將要達到數(shù)十億千瓦，也就是目前的5倍以上。如此大規(guī)模的風(fēng)能太陽能裝機，勢必要依據(jù)資源條件進行科學(xué)規(guī)劃和布局，氣象工作應(yīng)以此國家需求為重點，在已有資源詳查工作基礎(chǔ)上結(jié)合風(fēng)電光伏行業(yè)發(fā)展的新趨勢、新特點，進一步開展精細化的風(fēng)能太陽能資源評估工作。
其次，以精準(zhǔn)的氣象預(yù)報融入新型電力系統(tǒng)，發(fā)揮氣象預(yù)報指揮棒作用。
當(dāng)前，隨著風(fēng)能太陽能發(fā)電裝機規(guī)模越來越大在電力供應(yīng)中的占比越來越高，其固有的波動性特征給電網(wǎng)調(diào)度、電力交易帶來的困擾也越來越大，如下圖所示，以甘肅省夏季的一段時間為例，在6月9日的“谷值”期，風(fēng)能太陽能低發(fā)，新能源出力僅有電力負荷需求的5%，導(dǎo)致全省在用電高峰時段供應(yīng)能力不足；而在6月14日的“峰值”期，風(fēng)能太陽能高發(fā)，新能源出力幾乎完全達到電力負荷需求，此時，由于電網(wǎng)消納能力不足，導(dǎo)致“棄風(fēng)”“棄光”現(xiàn)象出現(xiàn)。此外，在電力交易過程中，也會出現(xiàn)供需矛盾，新能源高發(fā)時段需要低價外送促消納，新能源低發(fā)時段則需要高價購買保供應(yīng)。這種電力系統(tǒng)中的兩難問題和供需矛盾，近年來已在越來越多的省份出現(xiàn)，其根源就在于風(fēng)能太陽能固有的不穩(wěn)定性及其高比例并網(wǎng)。
↑ 甘肅省夏季一段時間新能源出力與用電負荷的關(guān)系
對此，氣象工作要發(fā)揮自身的專業(yè)特長，做好風(fēng)能太陽能預(yù)報和服務(wù)，提前3天、7天乃至更長時間將風(fēng)能太陽能的量值大小、可能變化、波動程度等提供給電力行業(yè)，并將預(yù)報結(jié)果與電網(wǎng)調(diào)度和電力交易的業(yè)務(wù)操作充分融合，發(fā)揮氣象預(yù)報的指揮棒作用，助力緩解電力系統(tǒng)中的兩難問題和供需矛盾。
第三，以專業(yè)的災(zāi)害預(yù)警保障新型能源體系安全運行，履行氣象部門職責(zé)。
近年來，在全球變暖背景下，極端天氣、災(zāi)害性天氣呈現(xiàn)多發(fā)、頻發(fā)、強發(fā)的特征，對能源電力系統(tǒng)造成極大影響。2021年2月，極寒和暴風(fēng)雪導(dǎo)致美國得州出現(xiàn)大面積停電事件，占比超過30%的風(fēng)電和光伏在暴雪天氣下難以正常運行，是其中一個重要因素。我國北方地區(qū)春季時常出現(xiàn)大范圍沙塵天氣，觀測表明，大氣中的沙塵可能導(dǎo)致地面太陽輻射下降60%-80%，光伏組件表面的灰塵進一步導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率下降20%-30%，從而使得北方大量的光伏發(fā)電出力急劇下降。
近年來，我國中東部地區(qū)夏季屢屢出現(xiàn)大范圍極端高溫天氣過程，導(dǎo)致電力負荷激增，特別是2022年夏季川渝地區(qū)高溫和干旱疊加，引發(fā)該地區(qū)罕見的缺電現(xiàn)象。構(gòu)建新型能源體系，意味著風(fēng)電光伏的裝機容量和發(fā)電量占比均會越來越高，極端天氣、災(zāi)害性天氣所造成的影響，在規(guī)模和程度上也將越來越大。
防災(zāi)減災(zāi)是氣象工作的一項基本職責(zé)，做好專業(yè)化、針對性的災(zāi)害天氣預(yù)警，為能源電力系統(tǒng)提供盡可能長的災(zāi)害預(yù)防時間，最大程度降低災(zāi)害損失，將是氣象工作保障新型能源體系安全運行的職責(zé)體現(xiàn)。
氣象工作在新型能源體系建設(shè)中的作用主要體現(xiàn)在3個方面：
以精細的風(fēng)能太陽能資源評估支撐能源生產(chǎn);
以精準(zhǔn)的多時空尺度新能源預(yù)報預(yù)測融入能源供給和消費過程;
以精確的能源電力氣象災(zāi)害風(fēng)險評估和預(yù)警保障能源安全。
風(fēng)能太陽能資源評估技術(shù)進展
● 風(fēng)能資源評估
當(dāng)前技術(shù)條件下，風(fēng)能資源開發(fā)利用主要關(guān)注300米以下的近地邊界層風(fēng)況，包括風(fēng)速、風(fēng)向和空氣密度等要素，這個高度層的風(fēng)況受地形和人類活動影響大，時空變化特征復(fù)雜。
我國開展風(fēng)能資源評估的歷史由來已久，先后于1979－1984年、1984－1987年、2003－2006年、2007－2012年開展了4次全國范圍的資源普查/詳查工作，技術(shù)方法也由地面觀測統(tǒng)計發(fā)展到數(shù)值模擬評估，如下圖所示。
↑ 第4次全國風(fēng)能資源詳查成果示意圖：70米高度年平均風(fēng)速分布
前2次資源普查工作，基于國家地面氣象站10米高度風(fēng)速統(tǒng)計分析，評估得到全國風(fēng)能資源開發(fā)量不足300吉瓦。此后，逐步引入國際先進的數(shù)值模擬系統(tǒng)開展精細化風(fēng)能資源評估。2007－2012年，由國家發(fā)改委、財政部和中國氣象局組織開展全國第4次風(fēng)能資源詳查工作，建設(shè)400座測風(fēng)塔，研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)能資源數(shù)值模擬系統(tǒng)，獲得全國水平分辨率1公里、垂直方向150米以下逐10米的精細化風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集，評估得到70米和100米高度的風(fēng)能資源技術(shù)開發(fā)量分別為2.6太瓦和3.4太瓦，是10米高度的10倍以上。
2021年，研究人員在該套數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，進一步考慮低風(fēng)速資源開發(fā)，評估得到全國陸地100米高度風(fēng)能資源技術(shù)開發(fā)量為3.9太瓦，中國近海5～50米等深線內(nèi)的風(fēng)能資源技術(shù)開發(fā)量為400吉瓦。這些研究成果有力地支撐了我國“十二五”、 “十三五”、 “十四五”期間風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)的科學(xué)規(guī)劃和布局。
當(dāng)前，隨著風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)電機組呈現(xiàn)大型化的發(fā)展趨勢。單臺風(fēng)電機組的額定功率從早期的750千瓦到1.5兆瓦，再到目前的6～8兆瓦，風(fēng)機輪轂高度從30米、70米發(fā)展到150～180米，葉輪直徑從三四十米發(fā)展到200米左右，掃風(fēng)面積越來越大。
這種發(fā)展趨勢為風(fēng)能資源評估帶來了新的挑戰(zhàn)：
首先，風(fēng)能利用高度超過了近地層，近地層經(jīng)典相似理論中湍流通量為常數(shù)的假設(shè)不再成立，風(fēng)速廓線不能再用簡單的指數(shù)率描述；
其次，簡單以輪轂高度處的風(fēng)速近似代表整個掃風(fēng)面積，進行風(fēng)功率密度計算的方法，可能出現(xiàn)越來越大的誤差；
第三，在復(fù)雜地形條件下，中尺度局地環(huán)流作用凸顯，僅僅采用CFD流場計算不能滿足大型風(fēng)電機組的等效風(fēng)功率密度計算精度要求。對此，國際電工學(xué)會的國際標(biāo)準(zhǔn)（IEC61400-12-1）中提出，應(yīng)采用葉輪等效風(fēng)速評估風(fēng)功率密度和發(fā)電量，并給出了具體的計算方法，為風(fēng)能資源的技術(shù)發(fā)展指明了方向。
● 太陽能資源評估
太陽能資源評估的實質(zhì)是對到達地表的太陽輻射的準(zhǔn)確計算，包括總輻射、直接輻射、散射輻射3個要素。
我國自上世紀八十年代開始開展太陽能資源評估，王炳忠等于1980年首次從資源角度給出了全國總輻射空間分布。此后，利用氣象臺站觀測日照時數(shù)，采用氣候?qū)W統(tǒng)計方法，研究工作者對全國的總輻射、直接輻射、散射輻射進行了更多的計算和評估，中國氣象局風(fēng)能太陽能中心在此基礎(chǔ)上利用近百個輻射站和2400多個站點日照時數(shù)觀測數(shù)據(jù)，開展全國太陽能資源業(yè)務(wù)化評估，每年年初發(fā)布《中國風(fēng)能太陽能資源年景公報》。近年來，隨著氣象衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，基于衛(wèi)星遙感的物理方法開展精細化太陽能資源評估成為主流。研究人員利用風(fēng)云四號A星（FY-4A）構(gòu)建太陽能資源精細化監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)，實現(xiàn)千米級、逐小時太陽能資源精細化監(jiān)測和評估，如下圖所示。
↑ 全國水平面總輻射年總量空間分布示意圖
相比于風(fēng)力發(fā)電，太陽能資源開發(fā)的最大特點是利用方式多樣化。從大的方面看，主要分為太陽能熱利用和太陽能發(fā)電2種方式；而太陽能發(fā)電又分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電2種類型，其中光熱發(fā)電包括塔式、槽式、蝶式、菲涅爾式等，光伏發(fā)電則包括集中式、分布式，以及多種多樣的“光伏+”模式，如農(nóng)光互補、漁光互補、牧光互補等。
由此，太陽能資源評估所面臨的主要挑戰(zhàn)包括：
在輻射傳輸理論方面，復(fù)雜地形、復(fù)雜天氣，特別是云、氣溶膠多變條件下的地表太陽輻射精確求解；
在工程應(yīng)用方面，針對每種太陽能利用方式的差異和特點，如熱水器、晶硅組件、薄膜組件吸收的光譜波段不同，光熱發(fā)電、光伏發(fā)電利用的輻射要素不同，安裝傾角、方位角、離地高度、陣列間距的不同，需要實現(xiàn)對可利用輻射能量的準(zhǔn)確計算。對此，已有國家標(biāo)準(zhǔn)分別從資源測量、等級劃分、評估方法等方面進行了規(guī)范性要求，今后還需要針對更多太陽能利用方式發(fā)展新的評估技術(shù)。
● 風(fēng)能太陽能資源技術(shù)開發(fā)量評估
空間分布、等級區(qū)劃、時間變化等是風(fēng)能太陽能資源評估的主要內(nèi)容。除此之外，風(fēng)能太陽能開發(fā)利用規(guī)劃和布局還關(guān)注區(qū)域的技術(shù)開發(fā)量，即在現(xiàn)行技術(shù)條件下，剔除制約風(fēng)電、光伏開發(fā)的自然和社會因素后，1個區(qū)域的風(fēng)電、光伏可裝機容量。評估技術(shù)開發(fā)量，主要考慮2個方面的因素：
首先是裝機容量系數(shù)，即單位面積（如1平方公里）下的風(fēng)電、光伏裝機容量，其中風(fēng)電裝機容量系數(shù)與單臺風(fēng)電機組額定功率、葉輪直徑、風(fēng)機之間的尾流效應(yīng)等有關(guān)，光伏裝機容量系數(shù)與緯度以及單個光伏組件的額定功率、面積等有關(guān)。
其次是制約因素，又分為不可開發(fā)因素和限制開發(fā)因素，其中不可開發(fā)因素包括資源因素（如年平均風(fēng)速4～5米/秒以下通常不考慮風(fēng)電開發(fā)）、自然因素（如生態(tài)保護紅線、自然保護地、永久基本農(nóng)田等）、社會因素（工礦用地、商業(yè)用地、住宅用地、交通用地、特殊用地等）；限制開發(fā)因素包括土地利用類型（如林地、草地等）和坡度坡向等地形因素，需按照國家和地方政府的相關(guān)政策，設(shè)置合理的開發(fā)比例。
風(fēng)能太陽能資源技術(shù)開發(fā)量，通常是以省、市、縣級行政區(qū)域或特定區(qū)域為單位進行評估，摸清區(qū)域內(nèi)的開發(fā)潛力，為碳中和目標(biāo)下各級政府制定科學(xué)的新能源開發(fā)路徑，明確優(yōu)先開發(fā)區(qū)提供技術(shù)支撐。
● 新一輪風(fēng)能太陽能資源普查工作
為應(yīng)對新型能源體系下新能源大規(guī)模開發(fā)的資源需求，以更大力度推動新能源高質(zhì)量發(fā)展，國家又組織實施了新一輪風(fēng)能太陽能資源普查工作。2024年5月，國家發(fā)展改革委、國家能源局、自然資源部、生態(tài)環(huán)境部、中國氣象局、國家林草局等6部門發(fā)布《關(guān)于開展風(fēng)電和光伏資源普查試點工作的通知》（國能發(fā)新能〔2024〕43號），明確在河北、內(nèi)蒙古、上海、浙江、西藏、青海等6個?。▍^(qū)、市）率先開展風(fēng)電和光伏發(fā)電資源普查試點工作，要求試點地區(qū)根據(jù)自身資源稟賦，因地制宜開展陸上風(fēng)電、地面光伏和屋頂分布式光伏發(fā)電資源普查，具備條件的地區(qū)可拓展至光熱及領(lǐng)海范圍內(nèi)海上風(fēng)電、光伏發(fā)電、海洋能等其他新能源發(fā)電資源普查。
在此基礎(chǔ)上，中國氣象局又進一步制定了《風(fēng)電和光伏發(fā)電資源普查試點氣象部門工作方案》（氣辦發(fā)〔2024〕54號），要求通過資源普查試點，優(yōu)化完善資源普查工作機制和技術(shù)體系，摸清河北、內(nèi)蒙古、上海、浙江、西藏、青海等6個試點省份資源狀況，支撐試點地區(qū)新能源科學(xué)規(guī)劃布局和開發(fā)建設(shè)，為全國開展風(fēng)光發(fā)電資源普查積累經(jīng)驗并奠定工作基礎(chǔ)。
本次資源普查工作要求，原則上試點地區(qū)陸上各縣應(yīng)至少保證1個180米高度的風(fēng)資源觀測點和1個太陽能輻射觀測點，并至少實現(xiàn)連續(xù)3年有效觀測；原則上沿海試點地區(qū)海上至少保證5個200米高度的風(fēng)資源觀測點和5個太陽能輻射觀測點，并至少實現(xiàn)連續(xù)3年有效觀測；具備海洋能開發(fā)基礎(chǔ)的沿海試點地區(qū)，可根據(jù)各省情況開展潮流能、波浪能基本要素的觀測。豐富的觀測數(shù)據(jù)，將為資源普查工作奠定堅實基礎(chǔ)。
本次資源普查工作的核心指標(biāo)之一，是研制更精細化的全國風(fēng)能太陽能資源數(shù)據(jù)集，時間分辨率為1小時，水平分辨率達到1公里，風(fēng)能資源在垂直方向為70～300米逐10米。相比于以往的資源普查成果，本次的技術(shù)進展主要體現(xiàn)在3個方面：
數(shù)據(jù)集研制以多源數(shù)據(jù)融合方法為主，充分體現(xiàn)海量觀測數(shù)據(jù)的價值；
數(shù)據(jù)集具備時間序列，可以反映資源變化；
在垂直方向覆蓋到300米，可在較長時間內(nèi)滿足風(fēng)電開發(fā)的需求。目前，資源普查各項工作正在如期推進，第一批技術(shù)指南即將正式發(fā)布。
風(fēng)能太陽能預(yù)報預(yù)測技術(shù)進展
● 風(fēng)能太陽能氣象預(yù)報需求
風(fēng)能太陽能預(yù)報包括2個主要環(huán)節(jié)：氣象要素的預(yù)報，包括近地層風(fēng)速風(fēng)向、總輻照度、溫度等；風(fēng)電和光伏發(fā)電的功率預(yù)測。
國家標(biāo)準(zhǔn)《調(diào)度側(cè)風(fēng)電或光伏功率預(yù)測系統(tǒng)技術(shù)要求》（GB/T40607－2021）對此做了明確規(guī)定。從預(yù)報時效上，該標(biāo)準(zhǔn)分為4個時段：
未來12個月、逐月的長期電量預(yù)測；
未來240小時、逐15分鐘的中期功率預(yù)測；
未來72小時、逐15分鐘的短期功率預(yù)測；
未來15分鐘～4小時、逐15分鐘的超短期功率預(yù)測。
其中，對中期、短期和超短期的功率預(yù)測準(zhǔn)確率也做了具體要求，如風(fēng)電場日前準(zhǔn)確率和合格率均應(yīng)大于或等于83%，光伏電站的日前準(zhǔn)確率和合格率均應(yīng)大于或等于85%。對于氣象預(yù)報數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)中提了2類需求：
氣候預(yù)測，包括次月起到未來12個月的逐月平均風(fēng)速、總輻照度、溫度等；
數(shù)值天氣預(yù)報，包括次日零時起到未來240小時、逐15分鐘不同層高的風(fēng)速風(fēng)向、總輻照度、云量、氣溫、濕度、氣壓等。除此之外，各個區(qū)域電網(wǎng)結(jié)合本地區(qū)實際情況，對風(fēng)電和光伏發(fā)電的功率預(yù)測及考核辦法做了更為細致的要求，即“雙細則”。
下表對比了風(fēng)能太陽能氣象預(yù)報與常規(guī)天氣預(yù)報的差異，從下表可以看出，無論是預(yù)報要素、預(yù)報時效，還是時間分辨率、誤差考核方法，兩者之間都有明顯差異，風(fēng)能太陽能氣象預(yù)報的要求遠高于常規(guī)天氣預(yù)報，這也為新能源氣象預(yù)報服務(wù)帶來了極大挑戰(zhàn)。
↑ 風(fēng)能太陽能氣象預(yù)報與常規(guī)天氣預(yù)報的對比
對于不同預(yù)報時效，要采用不同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和預(yù)報方法，IEC標(biāo)準(zhǔn)Renewable Energy Power Forecasting Technology（IECTR63043:2020）對此進行了全面論述。以光伏功率預(yù)測為例，如下圖所示，對于小時級的超短期預(yù)報，要基于地表太陽輻射或地基云量觀測，或星基衛(wèi)星遙感觀測，采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計或機器學(xué)習(xí)理論進行外推預(yù)報，地基觀測通常只能覆蓋單一的場站范圍，而衛(wèi)星遙感則可以覆蓋較大的區(qū)域范圍；對于24小時以上的短中期預(yù)報，則要基于數(shù)值天氣預(yù)報模式，或采用多模式集成（集合）的方法獲得長時效預(yù)報結(jié)果。以下按照不同預(yù)報時效，介紹中國氣象局現(xiàn)有的相關(guān)業(yè)務(wù)預(yù)報產(chǎn)品。
↑ 不同時空尺度的光伏發(fā)電氣象預(yù)報和功率預(yù)測
● 風(fēng)能太陽能超短期預(yù)報
風(fēng)電場風(fēng)速超短期預(yù)報主要是對數(shù)值模式前4小時預(yù)報結(jié)果的再訂正。北京城市氣象研究院自主研發(fā)的多源氣象數(shù)據(jù)快速集成與融合預(yù)報系統(tǒng)（“睿圖睿思”系統(tǒng)），在數(shù)值預(yù)報模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量地面觀測資料和高分辨率地形信息，利用動力降尺度手段和融合預(yù)報技術(shù)，實現(xiàn)了復(fù)雜地形下、10分鐘更新的百米級陣風(fēng)預(yù)報，并在2022年北京冬季奧運會實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，研究團隊針對風(fēng)電場風(fēng)速預(yù)報的特點，通過對數(shù)值預(yù)報背景場、不同融合算法、模型關(guān)鍵參數(shù)等的優(yōu)化，實現(xiàn)對風(fēng)機輪轂高度（100米）未來4小時風(fēng)速預(yù)報的改進，均方根誤差下降到1.5米/秒以下，較數(shù)值模式降低40%以上。
● 風(fēng)能太陽能短中期預(yù)報
72～240小時的風(fēng)能太陽能短中期預(yù)報，均要基于數(shù)值天氣預(yù)報模式進行。當(dāng)前，能源電力行業(yè)主要基于國外數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，如歐洲預(yù)報中心（EC）的高分辨率預(yù)報數(shù)據(jù)、美國國家氣象局（NOAA）的NCEP等格點化預(yù)報產(chǎn)品，以及丹麥ConWx、西班牙Meteologica等單點預(yù)報產(chǎn)品。中國氣象局則致力于研發(fā)國產(chǎn)自主、專業(yè)化的風(fēng)能太陽能數(shù)值預(yù)報技術(shù)、系統(tǒng)和產(chǎn)品。
北京城市氣象研究院基于“睿圖-睿思”系統(tǒng)，改進地表太陽輻射和近地層風(fēng)速預(yù)報參數(shù)化方案，優(yōu)化長時效、高時間分辨率預(yù)報輸出的運行策略，發(fā)展形成專業(yè)化的風(fēng)能太陽能數(shù)值預(yù)報模式RMAPS-Wind。中國氣象局公共氣象服務(wù)中心在該數(shù)值預(yù)報模式的基礎(chǔ)上，搭建產(chǎn)品制作和省級下發(fā)的業(yè)務(wù)運行系統(tǒng)，即中國氣象局風(fēng)能太陽能數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)（CMA-WSP），該系統(tǒng)于2022年3月向省級氣象部門下發(fā)1.0版本的預(yù)報產(chǎn)品，于2023年5月升級為2.0版本。2.0版本的預(yù)報凈時效為336小時，時間分辨率15分鐘，空間覆蓋范圍為70°E-140°E、14°N50°N，水平分辨率為9公里，格點為649×550，垂直方向采用σ坐標(biāo)，共59層，層頂氣壓為10百帕。目前，該產(chǎn)品已在全國各省級氣象部門的能源氣象服務(wù)中得到廣泛應(yīng)用。
此外，中國氣象局還組織相關(guān)單位基于自主開發(fā)的區(qū)域數(shù)值預(yù)報模式（CMA-Meso）發(fā)展專業(yè)化的風(fēng)能太陽能數(shù)值預(yù)報模式，通過10米風(fēng)診斷方案改進、輻射參數(shù)化方案優(yōu)化，并將模式輸出頻次由1小時提高至15分鐘，初步實現(xiàn)未來72小時的風(fēng)能太陽能預(yù)報。
多模式集成是提升風(fēng)能太陽能短中期預(yù)報準(zhǔn)確率的有效手段。有研究人員在CMA-WSP、CMA-Meso、WRF-SOLAR、CMA-GD等模式輸出結(jié)果的基礎(chǔ)上，以場站的風(fēng)光觀測為真值，利用LightGBM模型，經(jīng)過特征工程提取、回歸集成模型訓(xùn)練，構(gòu)建了針對場站的風(fēng)能太陽能預(yù)報的多模式集成模型，提高預(yù)報準(zhǔn)確率，特別在少云、陰天情況下效果顯著。
● 風(fēng)能太陽能月尺度預(yù)報
風(fēng)能太陽能月尺度預(yù)報既可以通過機器學(xué)習(xí)的方法實現(xiàn)，也可以基于氣候預(yù)測模式獲得。國家氣候中心在已有國家級氣候預(yù)測業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，研制風(fēng)能太陽能資源綜合預(yù)測產(chǎn)品和模式客觀化預(yù)測產(chǎn)品，主要內(nèi)容包括未來1個月的平均氣溫距平和降水量距平百分率、100米高度風(fēng)速、水平面總輻照量及其距平百分率等氣候預(yù)測的文字、圖形產(chǎn)品及預(yù)測數(shù)據(jù)，并于每月月中面向省級氣象部門下發(fā)。一方面能夠提高電網(wǎng)安全和國家能源安全氣象保障能力，另一方面也能夠服務(wù)能源電力企業(yè)，指導(dǎo)新能源電力現(xiàn)貨和中長期交易。
● 中國氣象局SDP示范計劃
2023年7月，中國氣象局組織實施風(fēng)能太陽能發(fā)電精細化氣象服務(wù)示范計劃（SDP），這是氣象服務(wù)領(lǐng)域首個示范計劃。該示范計劃搭建統(tǒng)一的預(yù)報檢驗平臺，從風(fēng)能太陽能區(qū)域數(shù)值預(yù)報、基于CMA-WSP的風(fēng)光場站短期氣象預(yù)報、風(fēng)光場站短期功率預(yù)測、風(fēng)光場站超短期功率預(yù)測等4個方面，對全國氣象部門28個單位的122個預(yù)報產(chǎn)品進行為期2個月的檢驗和對比，旨在遴選優(yōu)秀的風(fēng)能太陽能預(yù)報技術(shù)和模型，提升風(fēng)能太陽能發(fā)電精細化氣象服務(wù)的技術(shù)能力和產(chǎn)品質(zhì)量。檢驗結(jié)果表明：
在區(qū)域數(shù)值預(yù)報方面，與EC的高分辨率預(yù)報產(chǎn)品相比，氣象部門數(shù)值模式輸出的總輻照度均方根誤差更低，但風(fēng)速預(yù)報還存在一定差距；
在風(fēng)光場站短期氣象預(yù)報方面，采用機器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)方法對CMA-WSP的產(chǎn)品進行訂正后，準(zhǔn)確率有顯著提升，具有較高的服務(wù)應(yīng)用價值；
在風(fēng)光場站短期功率預(yù)測方面，24小時的最優(yōu)功率預(yù)測準(zhǔn)確率能夠滿足GB/T40607－2021和區(qū)域電網(wǎng)“雙細則”的考核要求，同時也比場站現(xiàn)有功率預(yù)測產(chǎn)品的準(zhǔn)確率高2%。
當(dāng)前，中國氣象局公共氣象服務(wù)中心在上述工作基礎(chǔ)上，進一步打造基于SDP的國省一體化功率預(yù)測系統(tǒng)，包括后臺支撐子系統(tǒng)和場站端功率預(yù)測子系統(tǒng)，其中的核心模塊是在后臺支撐端構(gòu)建氣象預(yù)報訂正和功率預(yù)測算法的模型池，將SDP示范計劃中形成的優(yōu)秀算法納入其中，針對所服務(wù)風(fēng)光場站的特點，進一步遴選形成最優(yōu)氣象預(yù)報和功率預(yù)測產(chǎn)品，從而在技術(shù)組織上實現(xiàn)國、省兩級一體化的風(fēng)能太陽能發(fā)電精細化氣象服務(wù)。
以上對新型能源體系中的氣象工作和相關(guān)技術(shù)進展進行了分析和梳理，主要內(nèi)容總結(jié)如下：
新型能源體系各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)均與天氣氣候密切相關(guān)，氣象工作在其中的定位和作用主要包括3個方面：以精細的風(fēng)能太陽能資源評估支撐能源生產(chǎn)；以精準(zhǔn)的多時空尺度新能源預(yù)報預(yù)測融入能源供給和消費過程；以精確的能源電力氣象災(zāi)害風(fēng)險評估和預(yù)警保障能源安全。
風(fēng)能太陽能資源評估技術(shù)從氣象站觀測統(tǒng)計發(fā)展到精細化的數(shù)值模擬和衛(wèi)星遙感反演，時空分辨率和準(zhǔn)確性顯著提升，但也面臨著風(fēng)電機組大型化、太陽能利用多元化所帶來的挑戰(zhàn)，需要不斷發(fā)展新的資源評估技術(shù)應(yīng)對能源行業(yè)需求。
風(fēng)能太陽能預(yù)報包括超短期、短期、中期和長期等多個時間尺度，不同時間尺度需要采用不同的預(yù)報技術(shù)和方法。風(fēng)速預(yù)報受大氣環(huán)流和局地地形的影響，輻照度預(yù)報則取決于云和氣溶膠的變化，從物理機制上而言，風(fēng)能太陽能預(yù)報涉及到天氣預(yù)報學(xué)科的根本，其準(zhǔn)確率的提升需要方法論的突破。對于風(fēng)光場站而言，針對局地特點和場站運行情況，基于人工智能技術(shù)，“一場一策”構(gòu)建氣象預(yù)報訂正和功率預(yù)測模型，將是提升預(yù)報準(zhǔn)確率的重要手段。
國務(wù)院2022年4月28日印發(fā)的《氣象高質(zhì)量發(fā)展綱要（2022－2035年）》明確指出：要提升能源開發(fā)利用、規(guī)劃布局、建設(shè)運行和調(diào)配儲運氣象服務(wù)水平，強化氣候資源合理開發(fā)利用。這為新能源氣象服務(wù)高質(zhì)量發(fā)展指明了方向，氣象工作應(yīng)以此為指引，不斷強化科技創(chuàng)新和社會服務(wù)能力，為新型能源體系的高質(zhì)量發(fā)展做出積極貢獻。
