6 期 辛 渝 等 :XJRUC/CALMT 及 CALMT 不 同 参 数 调 整 对 达 坂 城 小 草 湖 区 风 场 预 报 影 响 1675 场 风 电 功 率 短 期 预 报 系 统 建 设 ( 一 期 ) 的 支 持 下, 风 能 太 阳 能 资 源 中 心 将 这 一 试 验 成 果

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1 第 33 卷 第 6 期 2014 年 12 月 高 原 气 象 PLATAUMTOROLOGY Vol.33 No.6 Decembe,2014 辛 渝, 陈 洪 武.XJRUC/CALMT 及 CALMT 不 同 参 数 调 整 对 达 坂 城 小 草 湖 区 风 场 预 报 影 响 [J]. 高 原 气 象,2014,33 (6): ,doi: /j.isn XJRUC/CALMT 及 CALMT 不 同 参 数 调 整 对 达 坂 城 小 草 湖 区 风 场 预 报 影 响 辛 渝 1-2 1, 陈 洪 武 (1. 中 国 气 象 局 乌 鲁 木 齐 沙 漠 气 象 研 究 所, 乌 鲁 木 齐 ;2. 新 疆 气 候 中 心, 乌 鲁 木 齐 ) 摘 要 : 根 据 2009 年 12 月 2010 年 和 10 月 00:00( 世 界 时 ) 的 GFS 预 报 场 以 及 同 期 CMA9210 下 发 的 WMO 各 种 常 规 观 测 资 料, 采 用 新 疆 气 象 局 建 立 的 WRF 模 式 及 其 三 维 变 分 同 化 系 统 XJRUC 耦 合 水 平 分 辨 率 为 1km 的 CALMT 诊 断 风 场 模 块, 对 达 坂 城 小 草 湖 风 区 70m 高 度 60h 以 内 的 风 场 预 报 进 行 了 检 验 结 果 表 明 :(1) 该 系 统 在 第 37~60h 的 风 场 预 报 水 平 略 次 于 前 24h;(2) 模 式 预 报 水 平 分 辨 率 的 提 高 不 一 定 能 提 高 风 场 预 报 水 平, 因 地 因 时 而 异 ;(3) 水 平 分 辨 率 为 3km 的 XJRUC 风 场 预 报 效 果 总 体 较 好, 其 中 春 秋 季 最 佳 或 午 后 最 佳 ;(4) 水 平 分 辨 率 为 3km 的 预 报 场 耦 合 分 辨 率 为 1km 的 CALMT 诊 断 风 场, 对 提 高 风 场 预 报 能 力 极 其 有 限 对 达 坂 城 风 区 而 言, 只 在 冬 季 预 报 效 果 略 增, 其 他 月 份 两 种 水 平 分 辨 率 几 乎 相 当 ;(5) 在 地 形 陡 峭 和 地 貌 复 杂 区 域 的 春 季 大 风 时 期, 水 平 分 辨 率 为 9 km 的 预 报 效 果 最 佳, 水 平 分 辨 率 为 3km 次 之 ;(6) 通 过 CALMT 诊 断 风 场 调 整 参 数 的 几 套 控 制 性 组 合 方 案 计 算 表 明, 动 力 学 调 整 计 算 需 慎 用, 它 只 在 相 对 平 坦 区 域 的 大 风 季 节 有 正 效 应, 而 多 数 情 况 下 为 负 效 应 ;O Bien 垂 直 速 度 调 整 也 仅 在 陡 峭 地 带 冬 季 有 正 效 应 总 体 而 言, 在 不 确 定 天 气 背 景 对 局 地 风 特 性 影 响 条 件 下,CALMT 诊 断 风 场 模 块 以 不 采 取 地 形 动 力 学 调 整 和 O Bien 垂 直 速 度 计 算 只 考 虑 地 形 斜 坡 流 和 FROUD 数 调 整 计 算 时, 预 报 效 果 最 佳 关 键 词 :XJRUC/CALMT 模 式 ; 风 场 诊 断 参 数 调 整 ; 预 报 检 验 文 章 编 号 : (2014) 中 图 分 类 号 :P49 文 献 标 志 码 :A doi: /j.isn 引 言 目 前 中 国 的 产 业 发 展 主 要 依 赖 传 统 的 不 可 再 生 能 源 这 些 能 源 不 仅 对 环 境 和 可 持 续 发 展 造 成 了 巨 大 压 力, 而 且 由 于 其 市 场 价 格 波 动 极 不 稳 定 ( 如 石 油 ), 造 成 供 需 矛 盾 日 趋 紧 张 而 我 国 又 处 于 工 业 化 城 市 化 和 现 代 化 快 速 发 展 时 期, 经 济 能 源 和 环 境 之 间 的 矛 盾 更 加 突 出, 因 此, 大 力 开 发 利 用 可 再 生 能 源 不 仅 是 解 决 当 前 能 源 供 需 矛 盾 有 效 应 对 资 源 短 缺 环 境 污 染 和 气 候 变 化 挑 战 实 现 未 来 能 源 可 持 续 发 展 的 战 略 选 择, 也 是 未 来 经 济 发 展 重 要 的 新 增 长 点 早 在 2006 年 2 月, 中 华 人 民 共 和 国 国 务 院 就 在 国 家 中 长 期 科 学 和 技 术 发 展 规 划 纲 要 ( 年 ) 中 提 出 了 推 进 能 源 结 构 多 元 化,, 促 进 风 能 太 阳 能 生 物 质 能 等 可 再 生 能 源 技 术 取 得 突 破 并 实 现 规 模 化 应 用 的 设 想 为 此, 国 家 发 改 委 财 政 部 中 国 气 象 局 于 年 联 合 启 动 了 全 国 风 能 资 源 详 查 工 作 针 对 此 需 求, 新 疆 气 候 中 心 开 展 了 利 用 中 尺 度 模 式 MM5 进 行 新 疆 风 能 资 源 数 值 模 拟 可 行 性 研 究 探 索 工 作 [1-3], 为 以 后 的 工 作 奠 定 了 基 础 中 国 气 象 局 风 能 太 阳 能 资 源 中 心 于 2006 年 开 展 了 风 电 场 风 电 功 率 短 期 预 报 技 术 的 研 究 开 发, 研 究 成 果 基 本 确 定 了 风 电 场 风 电 功 率 短 期 预 报 系 统 的 技 术 框 架, 并 以 河 北 张 北 地 区 某 风 电 场 为 试 点, 成 功 开 展 了 以 动 力 与 统 计 相 结 合 的 风 电 功 率 预 报 试 验 工 作 [4] 2010 年 在 中 国 气 象 局 小 型 基 建 项 目 风 电 收 稿 日 期 : ; 定 稿 日 期 : 资 助 项 目 : 公 益 性 行 业 ( 气 象 ) 科 研 专 项 (GYHY ); 气 象 关 键 技 术 集 成 与 重 点 项 目 (CMAGJ2011Z04); 新 疆 维 吾 尔 自 治 区 气 象 局 气 象 科 技 研 究 课 题 (200903) 作 者 简 介 : 辛 渝 (1969 ), 女, 重 庆 人, 正 研 级 高 工, 主 要 从 事 工 程 应 用 气 象 和 数 值 预 报 研 究. mail:leanexy@163.com

2 6 期 辛 渝 等 :XJRUC/CALMT 及 CALMT 不 同 参 数 调 整 对 达 坂 城 小 草 湖 区 风 场 预 报 影 响 1675 场 风 电 功 率 短 期 预 报 系 统 建 设 ( 一 期 ) 的 支 持 下, 风 能 太 阳 能 资 源 中 心 将 这 一 试 验 成 果 辐 射 到 内 蒙 古 新 疆 甘 肃 吉 林 江 苏 浙 江 河 北 山 东 辽 宁 和 黑 龙 江 等 风 能 资 源 丰 富 省 份, 建 立 了 各 自 有 针 对 性 的 动 力 与 统 计 预 报 相 结 合 的 风 电 功 率 短 期 预 报 系 统 雏 形 [5] 为 了 进 一 步 满 足 国 能 新 源 [2011] 177 号 文 件 对 风 电 功 率 预 报 时 效 性 精 准 性 的 要 求, 以 及 充 分 发 挥 奥 运 气 象 科 技 成 果 的 最 大 效 益, 同 年 下 半 年, 由 北 京 城 市 气 象 研 究 所 牵 头, 联 合 辽 宁 甘 肃 新 疆 各 区 域 ( 即 北 方 四 区 域 ) 短 期 数 值 预 报 团 队 和 风 能 太 阳 能 资 源 中 心 研 究 团 队, 成 立 了 以 BJ -RUC 移 植 区 域 风 场 动 力 降 尺 度 预 报 和 风 功 率 预 报 三 个 技 术 组, 全 面 推 进 了 以 快 速 循 环 更 新 数 值 预 报 系 统 为 核 心 的 我 国 北 方 区 域 的 精 细 化 风 能 预 报 系 统 建 设 2011 年 参 照 BJ-RUC 的 运 行 框 架 [6] 同 化 [7-9] 观 测 数 据 的 类 型 以 及 全 国 风 能 资 源 数 值 模 拟 方 案 [10-14] 新 疆 气 候 中 心 已 有 的 科 研 成 果 [1-3], 建 成 了 适 于 本 地 观 测 资 料 同 化 的 新 疆 快 速 更 新 循 环 数 值 预 报 同 化 系 统 ( 下 称 XJRUC) 及 其 与 CALMT 诊 断 风 场 组 成 的 动 力 降 尺 度 预 报 系 统 (XJRUC_ CALMT) 本 文 将 以 达 坂 城 小 草 湖 这 一 密 集 风 电 场 区 域 为 对 象, 验 证 这 一 业 务 系 统 对 冬 春 夏 和 秋 季 代 表 月 的 风 场 预 报 能 力, 并 利 用 CALMT 诊 断 风 场 模 块 进 行 4 个 敏 感 性 试 验, 探 究 不 同 的 风 场 诊 断 计 算 对 风 场 预 报 性 能 的 影 响, 为 风 电 场 区 域 最 佳 的 动 力 降 尺 度 参 数 化 设 置 奠 定 基 础 2 CALMT 模 块 简 介 CALMT 模 块 是 Sigma 研 究 公 司 (SigmaRe seachcopoation, 现 隶 属 于 地 球 科 技 有 限 公 司 的 一 个 分 支 机 构 开 发 的 大 气 污 染 模 式 CALPUFF 中 的 一 个 微 尺 度 气 象 模 块 利 用 质 量 守 恒 原 理 对 风 场 进 行 诊 断, 它 是 一 个 能 够 包 括 地 形 动 力 学 地 形 阻 塞 效 应 倾 斜 流 热 动 力 学 和 计 算 混 合 层 高 度 稳 定 度 海 陆 风 环 流 山 谷 风 环 流 等 的 基 于 3D 网 格 点 的 边 界 层 气 象 学 诊 断 和 客 观 分 析 模 型, 分 辨 率 可 达 几 十 米, 还 可 根 据 湍 流 参 数 化 方 法, 计 算 湍 流 尺 度 参 数 CALMT 既 能 将 由 CSUMM 诊 断 风 场 模 块 或 MM4/MM5/WRF/RAMS/NCPta 等 模 式 生 成 的 气 象 场 数 据 与 实 测 气 象 资 料 结 合 起 来 作 为 输 入 资 料, 也 可 直 接 使 用 中 尺 度 气 象 模 式 模 拟 / 预 测 的 气 象 场 作 为 输 入 资 料, 甚 至 还 可 直 接 使 用 实 测 气 象 资 料 作 为 输 入 资 料, 输 出 能 够 被 3600s 整 除 的 逐 时 分 秒 风 场 温 度 场 气 压 场 混 合 层 高 度 对 流 混 合 层 高 度 大 气 稳 定 度 摩 擦 速 度 Monin-Obuk hov 长 度 对 流 速 度 尺 度 等 3D 微 气 象 网 格 点 数 据 用 户 可 根 据 需 求, 通 过 对 风 场 选 项 参 数 来 选 择 是 否 考 虑 地 形 动 力 学 调 整 O Bien 垂 直 速 度 调 整 下 坡 气 流 效 应 和 Foude 数 调 整 等 根 据 Liuetal 的 理 论 [15],CALMT 模 块 假 设 地 形 强 迫 产 生 的 垂 直 速 度 w 可 由 公 式 (1) 求 得, 即 : w =(V h t )exp(-kz), (1) 其 中 :w 为 笛 卡 尔 坐 标 系 物 理 垂 直 风 分 量 ;V 为 模 拟 区 平 均 风 ( 矢 量 );h t 为 地 形 高 度 ;k= N 为 稳 定 V 度 相 关 的 指 数 式 衰 减 系 数, 随 着 大 气 稳 定 度 的 增 加 而 增 加 ; V 为 模 拟 区 平 均 风 速 ( 标 量 );z 为 垂 直 坐 标 ;N= g 1/2 dθ ( θd z) 为 从 地 面 到 由 用 户 输 入 的 某 层 高 度 ( 系 统 默 认 200m) 的 布 伦 特 维 塞 拉 浮 力 振 荡 频 率 ;θ 为 位 温 ;g 为 重 力 加 速 度 地 形 强 迫 对 水 平 风 场 的 影 响, 体 现 在 以 使 三 维 散 度 小 于 某 一 指 定 的 临 界 值 为 目 的 进 行 的 水 平 风 场 调 整 上 斜 坡 气 流 速 度 s 采 用 的 是 Scieetal [16] 补 充 到 CALMT 的 经 验 计 算 方 法, 即 : S=S e [1-exp(-x/L e )] 1/2, (2) 其 中 :S e =[hg(δθ/θ)sinα/(c D +k)] 1/2 为 斜 坡 流 的 平 衡 速 度 ( 代 表 斜 坡 流 速 度 的 最 大 值 );x 为 距 山 峰 的 距 离 ;L e =h/(c D +k) 为 平 衡 长 度 尺 度 ( 代 表 斜 坡 流 速 度 达 到 平 衡 流 解 的 80% 时 的 距 离 );θ 为 环 境 位 温 ;Δθ 为 与 环 境 的 位 温 差, 它 是 地 表 距 山 峰 距 离 的 局 地 感 热 通 量 的 函 数 ;C D 为 地 表 拖 曳 系 数 ; h 为 斜 坡 流 的 深 度 ;α 为 地 形 的 坡 度 角 ;k 为 顶 层 斜 坡 流 的 卷 吸 系 数 障 碍 物 阻 挡 的 热 力 和 动 力 效 应 用 局 地 弗 劳 德 数 F 衡 量, 即 : F = V, (3) NΔh t 其 中 :V 为 格 点 风 速 ;Δh t =(h max ) ij -(z) ijk 为 有 效 的 障 碍 物 高 度 ;(h max ) ij 和 (z) ijk 分 别 为 格 点 (i,j) 影 响 半 径 (TRRAD) 之 内 的 格 点 地 形 高 度 的 最 高 值 以 及 地 表 之 上 k 层 的 高 度 值 如 果 局 地 F 临 界 F ( 临 界 F 是 阻 塞 效 应 的 阈 值, 缺 省 值 为 1.0) 而 且 格 点 处 的 风 有 上 坡 分 量, 风 向 就 会 调 整 到 与 地 形 切 线 方 向 一 致, 风 速 不 变 反 之, 无 需 调 整 计 算 每 个 格 点 的 F 值 都 将 计 算 CALMT 中 垂 直 速 度 的 计 算 包 括 两 项 : 第 一

3 １６７６ 高 原 气 象 ３３卷 项 ｗ１ 为直接由不可压缩的质量守衡方程根据水平 在风电场区域 水平分辨率为 ３ｋｍ的 ＷＲＦ模拟结 风分量计算而得 即式 ４ Ｇ ｄｄ 和 Ｌｕ ｍ 认 果与分辨率为 １ｋ ｍ 的 ＣＡＬＭＥＴｖ ６ ３２ ６嵌套形成 为该过程有时会在格点的高层处产生不现实的大垂 高分辨率的风场预报 具体运行方式见图 ２ 其中 直风速 １ ６ １ ７ 为此 采用了 Ｏ Ｂ 于１ ９７ ０年提 出的调整垂直风速 ｗ２ 即式 ５ 它强迫模式区域 １ 分辨率为 ２７ｋ ｍ与 ９ｋｍ在 ００ ００ 世界时 下同 １２ ００采用双向并行嵌套同化 其他时刻采用交错 顶层的垂直风速为 ０ｍ ｓ 然后水平风分量重 单向嵌套同化 水平分辨率为 ３ｋ ｍ所在区域在各 新调整到 与 新 的 垂 直 风 速 场 相 一 致 的 质 量 方 程 时刻均采用单向交错 ＮＤＯＷＮ运行且不同化的方 中 式 每天 ００ ０ ０ １ ２ ００ 冷 启 ０ ３ ００ ０ ６ ００ ｄｕ ｄｖ ｄｗ１ ０ ｄｘ ｄｙ ｄｚ ４ ０９ ００ １５ ０ ０ １ ８ ００和 ２１ ００循环 暖启 ００ ００ 与１ ２ ００预报时效为 ６０ｈ 其余为 ３６ｈ 前 １２ｈ均 其中 ｗ１ 为地形紧随坐标的垂直风速 ｕ ｖ 为平 作为模式的 ｓ ｐ ｕ ｐ时间 其中 ２７ｋｍ与 ９ｋｍ分 滑后的水平风分量 辨率的预报结果按 １ｈ输出 ３ｋｍ 分辨率以及 １ ｗ２ ｚ ｗ１ ｚ ｚ ｚ ｗ１ ｚ ｚ ５ ｐ ｐ ｋｍ分辨率的微尺度模式均按 １ ５ｍ 输出 本文计算采用的是 ＣＡＬＭＥＴｖ ６ ３ ２ ６的版本 ３ ２ 同化方案及同化数据类型 以 ＷＲＦ模式的格点预报场输出结果作为 ＣＡＬＭＥＴ 背景场误差协方差统计以 ２０ １０年 １月和 ７月 的背景驱动场 初始猜值场 通过进一步的动力降 的 ＧＦＳ预报场作为模式的驱动场 采用 ＮＭＣ １９ 方 尺度得到分辨率为 １ｋｍ １ｋ ｍ的诊断风场 法实 现 以 此 代 表 各 区 域 冬 夏 季 的 ＢＥ Ｂ ｃ ｋ ３ ＸＪ ＲＵＣ ＣＡＬＭＥＴ模式简介 ｇ ｕｄｅ 此方法假设在一定预报时效内模式 预报误差的统计结构变化很小 背景场误差近似于 ３ １ 嵌套框架 同一时刻不同预报时效的预报场差值的统计 例如 根据国能新源 ２０ １１ １７７号文件 风电场功率 长达一个月甚至一季的同一时刻预报时效为 １２ｈ 预测预报管理暂行办法 适于新疆风场预报的水 和２ ４ｈ的预报场差值 区域模式 或 ２ ４ｈ和 ４８ｈ的 平分辨率的设置 １ ３ 以及新疆各大风电场和集中在 预报场差值 全球模式 统计预报场差值之后 吐鲁番附近的太阳能光伏电站 １８ 的地理分布特征 通过物理变换得到互不相关的分析变量 文中是流 新疆气象局的计算资源 ＧＴＳ资料的收集来源等 函数 速度势 未平衡气压和比湿 的背景场误差 ＸＪ ＲＵＣ以 ＷＲＦＶ３ ３ ２为基础 以 ＧＦＳ预报场为 矩阵 然后对分析变量进行预调节处理 即 假设 第一初猜场 Ｔ６３ ９为备份场 按水平分辨率为 ２ ７ 互不相关的分析变量背景场误差矩阵在水平和垂直 ９和 ３ｋｍ 的嵌套方案进行模拟 水平分辨率为 ９ 上是可以分离的 对垂直方向的相关解析模型进行 ｋｍ包括全疆 水平分辨率为 ３ｋ ｍ区即为精细化的 ＥＯＦ特征值分解 截取前几个主要模态来表示 水 风电场预报区域 图 １是以新疆当前风电机组最密 平方向的相关模型假定为高斯型 采用递归滤波方 集的达坂城 小草湖风区为例形成的３个嵌套区 法 求解 ＮＭＣ方法在业务上比较容易实施 能够 图 １ ＸＪ ＲＵＣ预报区域设置 与达坂城 小草湖风区 ３ｋ ｍ水平分辨率地形 等值线 单位 ｍ 植被类型及测风塔分布 ｂ Ｆ ｇ １ Ｃ ｆ ｇ ｕ ｆｆ ｃ ｓ ｇ ＸＪ ＲＵＣ ｄ ｈ ｈ ｇ ｈ ｃ ｕ ｕ ｍ ｖ ｇ ｂ ｌ ｙ ｐ ｆ ｍｈ ｚ ｌ ｓ ｌ ｕ ｄ ｈ ｍ ｓ ｋ ｓ ｄ ｓ ｂ ｕ Ｄ ｂ ｃ ｈ Ｘ ｃ ｈ ｕｗ ｄ ｂ ３ｋ

4 ６期 辛 渝等 ＸＪ ＲＵＣ ＣＡＬＭＥＴ及 ＣＡＬＭＥＴ不同参数调整对达坂城 小草湖区风场预报影响 １６７７ 图 ２ ＸＪ ＲＵＣ运行流程 Ｆ ｇ ２ Ｔｈ ｐ ｌｆ ｌ ｗｃ ｈ ｆｘｊ ＲＵＣ 得到模式变量在模式区域和所有模式层上与模式动 中所有常规观测资料 以 ２ ０１１年 ５月 ３ ０日 ００ ００ 力和物理上相协调的误差统计结构 但其最大的缺 为例 表 １为该日最外层区域 ２７ｋｍ分辨率 在经 点是在观测资料稀疏的地方得到的统计结构偏差较 过垂直一致性检验 空间一致性检验 对流调整检 ２ ０ 一些经验系数与参数的确定都不太准确 如 验等之后 各个时次有效的 可被同化的观测资 误差方差与相关特征长度等需要在实际使用时进行 料 可见 ＸＪ ＲＵＣ可被同化的资料主要是地面观 调整 测报 ＳＹＮＯＰ 航空气象数据转发 Ａ ｃ ｆ Ｍ 通过对冬季背景场 取 ２０ １ １年 ２月 １ １日０ ０ ００ ｌ ｇ ｃ ｌ Ｄ Ｒ ｌ ｙ ＡＭＤＡＲ 探 空 报 的 ＧＦＳ资料 和夏季背景场 取 ２０ １０年 ７月 １３日 ＳＯＵＮＤ 卫星云导风报 ＳＡＴＯＢ 卫星测厚报 ００ ００的 ＧＦＳ资 料 的 单 点 试 验 表 明 图 略 用 ＳＡＴＥＭ 其中 ００ ００与 １ ２ ００时刻同化的资料 ＮＭＣ统计的背景误差协方差进行三维变分分析后 类型最多 资料也最多 因此 这两个时刻的起报 风 温 湿增量影响范围与特征尺度大小基本一 对模式预报效果起着举足轻重的作用 而本研究选 致 量值范围基本合理 另外 三维变分分析结果 择了 ００ ００的预报场进行检验 ＡＭＤＡＲ报主要在 与经典的位势高度场及风场的背景场误差水平相关 白天最多 这主要与航班的起降时刻有关 大 模型 即地转平衡关系 不完全一致 但与 ＢＥ统计 ３ ３ ＷＲＦ模式参数化方案与静态数据 特征相近 这与平衡部分占总量比例略小有关 因 ＷＰＳ ＷＲＦＤＡ ＷＲＦ等模块均采用 Ｖ３ ３ ２ 此 本方案中 ＢＥ反映了中纬度地区非地转平衡关 版 同化时间窗为 ３ｈ 主模块 ＷＲＦ的参数化方案 系 且反映了多变量之间的相互作用关系 结构基 根据新疆天气气候的变化特点而变 其中 夏季云 本合理 在此暂不进行 ＢＥ尺度调整和观测误差的 物质为 ３类 冬季为 ６类 且考虑积雪的反射效应 调整 其余详见表 ２ 采用 Ｓ ｇｍ气压跟随坐标 底层加 ＸＪ ＲＵＣ同化的资料包括中国气象局 ｄ ｍｓ ｇ产品 密 ２ ００ｍ以下有 ９层 其中风机高度 ６５ｍ和 １ ００

5 1678 高 原 气 象 33 卷 表 年 5 月 30 日 XJRUC 各 个 时 次 同 化 的 观 测 资 料 Table1 Theasimilationdatatypeandthei numbeon30may2011 航 空 数 世 界 时 地 面 风 廓 卫 星 卫 星 探 空 报 船 舶 报 据 转 观 测 报 线 报 云 导 报 测 厚 报 发 报 00: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 注 : 数 值 单 位 : 个 m 上 下 均 各 有 一 层 Sigma WRF 模 式 中 的 地 形 资 料 来 源 于 美 国 地 质 调 查 局 (USGS/GTOPO30) 全 球 30s( 约 1km 1km) 分 辨 率 的 地 形 资 料, 此 外 还 有 USGS 的 地 表 利 用 和 植 被 指 数 资 料, 分 辨 率 也 为 30s 模 式 中 的 地 表 参 数 按 24 类 分 类 在 CALMT 前 处 理 中, 地 形 资 料 来 源 于 2006 年 NASA 发 布 的 由 NASA 喷 气 推 进 实 验 室 国 家 地 球 空 间 信 息 局 德 国 空 间 局 意 大 利 空 间 局 四 家 单 位 合 作 航 拍 的 SRTM (ShutleRadaTopogaphy Mision, 即 航 天 飞 机 雷 达 地 形 测 绘 任 务 ) 第 四 版 SRTM3-4(2008 年 8 月 更 新 ) 地 形 数 据, 分 辨 率 为 3s( 约 90m) 对 于 博 格 达 山 脉 与 天 山 支 脉 阿 拉 沟 山 中 的 缺 测 或 无 效 数 据 则 直 接 由 相 应 的 GTOPO30 的 DM 数 据 替 代 CALMT 模 块 中 土 地 利 用 和 地 表 覆 盖 数 据 来 源 于 USGS 采 用 简 单 生 物 模 式 1 中 的 生 物 大 气 传 输 方 案 (Biosphee-AtmospheeTansfeScheme, BATS) 提 供 的 38 类 分 类 结 果, 分 辨 率 约 为 900m 按 地 表 粗 糙 度 长 度 地 表 反 射 率 波 文 比 土 壤 热 通 量 叶 面 指 数 重 新 定 义 后, 土 地 使 用 与 地 表 覆 盖 按 12 类 分 类 4 达 坂 城 小 草 湖 区 域 测 风 塔 分 布 与 大 风 成 因 和 风 气 候 特 征 达 坂 城 小 草 湖 区 域 地 形 地 貌 特 征 见 文 献 [1] 在 全 国 风 能 资 源 详 查 期 间, 布 置 4 座 测 风 塔, 地 理 信 息 与 位 置 见 表 3 和 图 1b 达 坂 城 谷 地 中 的 3 座 测 风 塔, 呈 一 字 形 位 于 西 北 东 南 走 向 的 沟 谷 底 部 浅 山 沟 盆 或 湖 盆 带 中, 是 盛 行 风 向 必 经 之 处 其 中,1 号 塔 (No.1) 位 于 盐 湖 北 岸 的 山 间 平 地 荒 漠 之 中, 距 北 面 山 体 约 19.6km, 所 处 地 理 较 开 阔 2 号 塔 (No.2) 北 距 山 体 约 2.1km, 南 距 山 体 4.3 km, 所 处 地 理 较 另 两 座 狭 窄 得 多 3 号 塔 (No.3) 位 于 柴 窝 堡 湖 东 北 侧, 相 对 开 阔 小 草 湖 区 仅 一 座 测 风 塔 (No.4), 位 于 山 前 冲 积 扇 盆 地 边 缘 的 陡 坡 之 中, 距 西 南 山 头 约 13.9km, 北 偏 西 山 头 约 4.2 km, 西 面 北 山 头 约 5.2km, 东 面 约 5.7km 4 座 测 风 塔 四 周 的 地 表 植 被 稀 疏, 最 大 遮 挡 角 均 5 根 据 2009 年 6 月 2010 年 12 月 测 风 塔 资 料 相 对 完 整 期 间 的 数 据, 计 算 了 反 映 下 垫 面 粗 糙 度 和 稳 定 度 的 风 切 变 指 数 及 70m 处 全 风 速 段 的 湍 流 强 度 ( 表 3) 其 中, 湍 流 强 度 均 以 冬 季 最 大 夏 季 最 小 为 主 要 特 征 由 于 层 结 越 稳 定, 风 切 变 指 数 越 大, 反 之, 则 越 小 故 由 表 3 可 推 知,4 座 测 风 塔 中, 相 比 而 言, 小 草 湖 风 区 4 号 塔 区 域 气 层 最 不 稳 定, 湍 流 强 度 也 最 大 ( 实 际 观 测 资 料 计 算 还 表 明, 该 区 湍 流 强 度 的 月 际 变 化 也 较 达 坂 城 风 区 显 著 得 多 ); 而 达 坂 城 2 号 塔 区 域 非 常 特 殊, 气 层 最 稳 定, 同 时 湍 流 强 度 也 很 大 ( 湍 流 强 度 的 日 月 变 化 图 均 略 ), 是 个 非 常 值 得 关 注 的 区 域 达 坂 城 风 区 主 导 风 向 为 西 北 偏 西 和 东 南 偏 南 风 当 北 疆 准 噶 尔 盆 地 气 压 高 于 南 疆, 气 流 南 行 进 入 达 坂 城 河 谷 时, 受 狭 管 效 应 影 响, 盛 行 风 向 与 河 谷 走 向 一 致 的 西 北 大 风 或 西 风 而 当 南 疆 气 压 高 于 北 疆 时, 又 会 出 现 与 河 谷 走 向 一 致 的 东 南 大 风 或 东 风, 这 种 情 况 一 般 出 现 在 冬 季 平 均 风 速 最 大 区 域 位 于 达 坂 城 谷 地 东 南 部 的 盐 湖 附 近 (1 号 塔 附

6 6 期 辛 渝 等 :XJRUC/CALMT 及 CALMT 不 同 参 数 调 整 对 达 坂 城 小 草 湖 区 风 场 预 报 影 响 1679 表 2 XJRUC 主 模 块 参 数 化 方 案 配 置 Table2 ThepaameteschemeconfiguationofmainmoduleinXJRUC 27km 水 平 分 辨 率 9km 水 平 分 辨 率 3km 水 平 分 辨 率 动 力 框 架 三 维 科 氏 力 / 欧 拉 质 量 坐 标 三 维 科 氏 力 / 欧 拉 质 量 坐 标 三 维 科 氏 力 / 欧 拉 质 量 坐 标 地 图 投 影 兰 勃 特 兰 勃 特 兰 勃 特 垂 直 层 数 / 层 水 平 网 格 方 案 AakawaC 网 格 AakawaC 网 格 AakawaC 网 格 积 分 时 步 /s 模 式 顶 高 度 /hpa 边 界 条 件 GFS/T639 GFS/T639 GFS/T639 辐 射 参 数 化 方 案 长 波 : tm / 短 波 :Goddad 长 波 : tm / 短 波 :Goddad 长 波 : tm / 短 波 :Goddad 表 层 物 理 方 案 Monin-Obukhov Monin-Obukhov Monin-Obukhov 陆 面 过 程 统 一 的 Noah 陆 面 统 一 的 Noah 陆 面 统 一 的 Noah 陆 面 边 界 层 方 案 YSU YSU YSU 积 云 参 数 化 方 案 Kain-Fitsch(newta) Kain-Fitsch(newta) 无 湿 物 理 过 程 冬 季 :WSM6( 夏 季 :WSM3) 冬 季 :WSM6( 夏 季 :WSM3) 冬 季 :WSM6( 夏 季 :WSM3) 扩 散 拖 曳 对 流 时 间 积 分 Runge-Kuta3 阶 无 Runge-Kuta3 阶 是 否 双 向 反 馈 是 是 否 是 否 考 虑 地 表 通 量 是 否 是 是 否 考 虑 雪 面 效 应 是, 随 季 节 而 变 否 是, 随 季 节 而 变 是 否 考 虑 云 效 应 否 否 否 土 壤 模 块 Noah 陆 面 Noah 陆 面 Noah 陆 面 高 层 拖 曳 有 无 无 是 否 非 静 力 平 衡 是 是 是 水 汽 对 流 水 汽 绝 对 定 义 的 对 流 无 无 标 量 对 流 标 量 绝 对 定 义 的 对 流 无 无 水 平 动 量 对 流 阶 数 / 阶 垂 直 动 量 对 流 阶 数 / 阶 水 平 标 量 对 流 阶 数 / 阶 垂 直 标 量 对 流 阶 数 / 阶 表 3 达 板 城 小 草 湖 区 测 风 塔 信 息 Table3 MaskinfomationinDabanchen Xiaocaobuaea 测 风 塔 编 号 经 度 / 纬 度 / N 海 拔 /m 坡 度 /( ) 风 速 仪 距 地 高 度 /m 风 向 仪 距 地 高 度 /m 风 切 变 指 数 70m 处 湍 流 强 度 No ,30,50,70,100 10,50,70, No ,30,50,70 10,50, No ,30,50,70,100 10,50,70, No ,30,50,70 10,50, 注 : 坡 度 的 计 算 方 法 见 文 献 [1], 计 算 范 围 均 为 1km 1km 近 ) 该 风 区 春 季 至 初 夏 (3 6 月 ) 的 风 速 最 大, 午 后 至 夜 间 较 大, 凌 晨 至 午 后 较 小 接 近 水 体 处 的 湍 流 强 度 以 夜 间 略 大 白 天 略 小 为 主 要 特 征, 其 余 则 是 以 午 后 至 傍 晚 最 大 夜 间 至 凌 晨 最 小 为 主 要 特 征 其 中 2 号 塔 区 域 湍 流 强 度 的 月 际 变 化 在 0.18 ~0.25 之 间 ; 其 余 在 0.13~0.17 之 间 小 草 湖 风 区 全 年 盛 行 西 北 风 当 气 流 经 由 狭 长 平 坦 的 达 坂 城 谷 地 进 入 南 疆 时, 气 流 不 仅 在 河

7 1680 高 原 气 象 33 卷 谷 中 因 气 压 梯 度 加 大 风 速 剧 增, 而 且 强 劲 的 风 力 在 翻 越 天 山 从 海 拔 2000m 左 右 的 恰 克 马 克 山 向 东 南 侧 海 平 面 以 下 的 吐 鲁 番 盆 地 下 泄 时, 势 能 又 转 换 成 动 能, 使 风 速 更 大 ; 同 时, 在 势 能 转 换 成 动 能 过 程 中, 还 受 到 达 坂 城 河 谷 东 南 侧 白 杨 河 河 口 狭 管 效 应 的 影 响 而 在 白 杨 河 河 口 出 口 处, 这 股 强 劲 的 风 力 还 会 因 气 层 的 不 稳 定, 与 两 侧 气 流 形 成 强 烈 的 切 变, 产 生 强 大 的 涡 旋 特 征, 从 而 形 成 比 其 上 游 的 达 坂 城 河 谷 更 强 劲 的 西 北 大 风 冬 季 (10 月 次 年 2 月 ) 风 速 相 对 较 小, 其 余 月 份 较 大 夜 间 (22:00 次 日 10:00) 的 风 速 较 大, 而 白 天 (11:00 21:00) 较 小 湍 流 强 度 的 月 际 变 化 和 日 变 化 均 很 大, 白 天 的 湍 流 强 度 明 显 大 于 夜 间, 其 中 06:00 07:00 最 大, 平 均 可 达 0.33, 最 小 仅 为 0.21; 冬 季 湍 流 强 度 可 达 0.37, 夏 季 最 小 可 达 CALMT 参 数 设 置 和 敏 感 性 试 验 在 CALMT 的 诊 断 风 场 模 块 中, 对 流 层 以 下 垂 直 层 数 共 设 14 层, 以 距 地 相 对 高 度 给 出 ( 模 式 地 形 ), 其 中 底 层 10,30,50,70,80,100 和 150m 等 高 度 处 均 有 一 层 输 出, 最 高 层 为 3200m 根 据 地 形 特 点, 在 反 复 调 整 最 优 地 形 特 征 影 响 半 径 基 础 上 ( 地 形 特 征 影 响 半 径 约 为 达 坂 城 沟 谷 宽 度 的 2/3), 将 以 下 风 场 诊 断 参 数 化 组 合 计 算 方 案 定 为 基 态 (BAS) : 不 使 用 地 形 动 力 学 调 整 ; 不 使 用 O Bien 垂 直 速 度 调 整 ; 考 虑 下 坡 气 流 效 应 ; 考 虑 Foude 数 调 整 参 照 基 态 方 案 开 展 了 4 套 控 制 性 组 合 试 验, 每 套 只 调 整 其 中 之 一, 这 样 共 4 套 : 使 用 地 形 动 力 学 调 整, 其 他 参 数 计 算 不 变, 即 IKIN 方 案 ; 使 用 O Bien 垂 直 速 度 调 整, 其 他 参 数 计 算 不 变, 即 OBR 方 案 ; 不 考 虑 下 坡 气 流 效 应, 其 他 参 数 计 算 不 变, 即 NON-SLOP 方 案 ; 不 考 虑 Foude 数 调 整, 其 他 参 数 计 算 不 变, 即 NON-FROUD 方 案 6 检 验 指 标 与 方 法 近 年 风 机 高 度 大 多 在 离 地 70m 高 度 左 右, 因 此 用 测 风 塔 70m 高 度 处 正 点 前 10min 间 隔 的 平 均 风 速 对 模 式 正 点 输 出 的 逐 时 风 场 预 报 效 果 进 行 检 验 模 式 预 报 插 值 到 站 点 时, 在 水 平 方 向 上, 采 用 双 线 性 内 插 法 ; 在 垂 直 方 向 上,CALMT 模 块 中, 直 接 用 模 式 输 出 的 70m 高 度 处 的 预 报,WRF 模 式 中, 采 用 距 地 70m 处 上 下 两 等 压 面 上 的 线 性 内 插 而 得 用 较 通 用 的 相 关 系 数 [1] 平 均 绝 对 相 对 误 差 MAP [18] 等 检 验 指 标 对 预 报 效 果 进 行 检 验 另 外, 为 了 便 于 与 国 外 同 类 工 作 进 行 比 较, 同 时 也 选 用 了 标 准 化 均 方 根 误 差 [21] 指 标, 公 式 如 下 : = N (f i -o i ) 2 i=1 N 槡 N (o i - o) 珋 2 i=1 N 槡, (6) 其 中 :f i 与 o i 分 别 为 70m 高 度 上 风 速 的 预 报 值 和 观 测 值 ;N 为 参 加 统 计 的 资 料 个 数 ; 珔 o 为 风 速 观 测 值 根 据 标 准 化 均 方 根 误 差 定 义, 如 果 >1.0, 表 示 预 报 值 与 实 测 资 料 的 均 方 根 误 差 超 过 了 实 测 值 的 标 准 差, 即 误 差 较 大 反 之, 如 果 <1.0, 则 表 示 该 点 上 两 者 的 均 方 根 误 差 小 于 实 测 值 的 标 准 差, 即 误 差 较 小 为 了 客 观 地 评 价 模 式 的 预 报 性 能, 检 验 前 按 风 电 场 风 能 资 源 评 估 方 法 (GB/T ) 要 求, 对 测 风 塔 资 料 的 可 靠 性 进 行 了 检 验, 同 时 剔 除 实 测 风 速 不 合 理 数 据 和 同 时 刻 的 预 报 风 速 数 据 本 研 究 对 模 式 00:00 冷 启 时 刻 第 13~36h 与 第 37 ~60h 逐 时 预 报 效 果 分 别 进 行 了 检 验 其 中,7 月 份 只 检 验 1 20 日 的 预 报 7 结 果 分 析 7.1 XJRUC 不 同 水 平 分 辨 率 与 CALMT 基 态 1km 水 平 分 辨 率 的 效 果 对 比 检 验 的 代 表 月 为 2009 年 12 月 2010 年 1,4, 7 和 10 月 等 5 个 月 其 中,2010 年 1 月 9km 水 平 分 辨 率 的 预 报 为 3h 输 出, 不 做 检 验 从 各 月 各 测 风 塔 处 逐 时 平 均 风 速 的 模 式 预 报 值 与 实 测 值 的 对 比 以 及 各 月 逐 时 刻 预 报 的 平 均 风 速 绝 对 偏 差 百 分 率 的 对 比 ( 图 略 ) 及 表 4~7 可 见 : (1) 不 同 水 平 分 辨 率 预 报 值 逐 时 变 化 趋 势 基 本 一 致, 只 存 在 少 量 的 细 节 差 异, 与 实 测 值 间 的 相 关 系 数 均 相 差 不 大 说 明 这 种 动 力 降 尺 度 风 场 预 报 方 案 的 准 确 性 还 是 取 决 于 中 尺 度 预 报 方 案 对 该 区 背 景 场 预 报 的 准 确 性 把 握 上 另 一 方 面, 从 预 报 值 与 观 测 值 的 相 关 系 数 来 看, 相 关 系 数 均 较 高, 说 明 模 式 还 是 反 映 了 风 的 时 空 变 化 的 某 些 主 要 特 征 的, 在 风 的 预 报 业 务 中 是 有 积 极 意 义 的 (2) 与 以 往 单 纯 用 中 尺 度 模 式 进 行 模 拟 的 预 报 效 果 完 全 相 似, 预 报 偏 差 大 小 的 季 节 性 变 化 或 日 变 化 仍 明 显 [1] : 平 均 风 速 大 的 春 秋 季 预 报 效 果 最 佳 平 均 风 速 小 的 冬 夏 季 较 差, 平 均 风 速 小 的 夜 间 预 报 偏 差 明 显 大 于 午 后 同 时 结 合 测 风 塔 资 料 的

8 6 期 辛 渝 等 :XJRUC/CALMT 及 CALMT 不 同 参 数 调 整 对 达 坂 城 小 草 湖 区 风 场 预 报 影 响 1681 表 4 No.1 测 风 塔 不 同 分 辨 率 和 预 报 时 效 误 差 的 对 比 Table4 ThecompaisonofeowithdifeentesolutionanddifeentfoecastingvalidtimeofNo.1anemometetowe 时 段 /( 年 月 ) 13~36h 37~60h 表 5 同 表 4, 但 为 No.2 测 风 塔 Table5 ThesameasTable4,butfoNo.2anemometetowe 时 段 /( 年 月 ) 13~36h 37~60h 表 6 同 表 4, 但 为 No.3 测 风 塔 Table6 ThesameasTable4,butfoNo.3anemometetowe 时 段 /( 年 月 ) 13~36h 37~60h 表 7 同 表 4, 但 为 No.4 测 风 塔 Table7 ThesameasTable4,butfoNo.4anemometetowe 时 段 /( 年 月 ) 13~36h 37~60h

9 1682 高 原 气 象 33 卷 湍 流 强 度 分 析, 从 预 报 偏 差 大 小 的 月 际 变 化 来 看, 湍 流 强 度 最 小 的 7 月 或 凌 晨, 整 体 预 报 效 果 却 是 最 低 的, 湍 流 强 度 最 大 的 冬 季 预 报 效 果 仅 略 好 于 湍 流 强 度 最 小 的 7 月 ; 从 预 报 偏 差 大 小 的 日 变 化 来 看, 虽 然 2 号 与 4 号 塔 区 域 午 后 湍 流 强 度 较 大, 邻 近 水 域 的 1 号 与 3 号 塔 区 域 夜 间 湍 流 强 度 最 大 午 后 较 小, 但 午 后 的 整 体 预 报 效 果 却 是 最 好 的 ; 从 预 报 偏 差 大 小 的 空 间 分 布 来 看, 湍 流 强 度 最 大 的 小 草 湖 区 域, 整 体 预 报 效 果 却 是 最 好 的 可 见, 某 地 湍 流 强 度 的 大 小 并 非 是 影 响 预 报 效 果 的 主 导 因 子 这 可 能 不 仅 与 行 星 边 界 层 模 式 及 其 湍 流 闭 合 参 数 化 方 案 还 不 能 真 实 地 反 映 由 下 垫 面 非 均 匀 性 引 起 的 温 度 场 和 风 场 日 变 化 有 关, 还 与 这 种 理 想 化 的 参 数 化 方 案 还 不 能 反 映 一 地 气 层 稳 定 度 的 季 节 变 化 有 关, 甚 至 与 预 报 初 值 场 质 量 的 季 节 变 化 有 关 7 月 达 坂 城 风 区 不 同 分 辨 率 预 报 值 与 实 测 值 的 相 关 性 极 低, 标 准 化 均 方 根 误 差 接 近 或 大 于 1, 预 报 基 本 无 意 义 (3) 多 数 情 况 下,XJRUC 水 平 分 辨 率 为 3 km 的 预 报 场 接 近 其 上 通 过 CALMT 动 力 降 尺 度 预 报 的 水 平 分 辨 率 为 1km 的 预 报 场, 除 1 月 2 号 [1] 塔 区 域 两 种 分 辨 率 预 报 场 的 相 似 系 数 较 低 (0 881) 外, 其 他 各 月 均 达 以 上, 这 也 与 以 往 单 独 只 用 中 尺 度 模 式 和 再 分 析 资 料 进 行 类 似 高 分 辨 率 的 预 报 效 果 相 似 [1] ( 以 往 10m 高 度 上, 中 尺 度 3km 与 1km 水 平 分 辨 率 的 预 报 场 的 相 似 系 数 可 达 0.99 以 上 ), 说 明 在 这 种 水 平 分 辨 率 配 置 下, CALMT 在 这 些 区 域 的 作 用 较 小 ;3km 水 平 分 辨 率 的 预 报 效 果 总 体 要 略 好 于 9km 水 平 分 辨 率 模 式 对 大 风 天 气 的 把 握 趋 势 较 好, 但 对 达 坂 城 风 区 10 m s -1 以 下 以 及 小 草 湖 风 区 5m s -1 以 下 的 风 速 趋 势 预 报 有 较 大 误 差, 常 出 现 预 报 趋 势 与 观 测 相 反 现 象 (4) 多 数 情 况 下, 提 高 模 式 水 平 分 辨 率, 预 报 值 与 观 测 值 间 的 相 关 系 数 会 略 有 增 加, 但 预 报 误 差 大 小 的 变 化 却 因 时 因 地 而 异 如 对 气 层 较 稳 定 的 1 月 和 12 月 达 坂 城 风 区 3 座 测 区 塔 的 预 报 而 言, 高 分 辨 率 的 预 报 就 好 于 低 分 辨 率 的 预 报, 但 模 式 水 平 分 辨 率 的 提 高 对 误 差 的 减 小 又 极 其 甚 微 而 在 4 月, 靠 近 柴 窝 堡 湖 附 近 的 地 貌 相 对 复 杂 陡 峭 的 3 号 测 风 塔 区 域 以 及 受 动 量 下 传 影 响 较 大 且 陡 峭 的 4 号 测 风 塔 区 域,9km 分 辨 率 的 预 报 效 果 反 而 最 高 这 可 能 主 要 与 此 时 的 湍 流 机 械 作 用 过 大 占 主 导 因 子, 而 模 式 的 地 形 坐 标 系 对 这 种 地 形 地 貌 区 域 的 气 压 梯 度 力 (PGF) 的 计 算 又 有 较 大 误 差 有 关 对 小 草 湖 风 区 总 体 而 言, 水 平 分 辨 率 为 3km 的 逐 时 平 均 风 速 的 预 报 值 与 实 测 值 的 相 关 性 最 好 预 报 效 果 最 好,1km 分 辨 率 次 之 ; 其 中,10 月 3km 分 辨 率 的 预 报 效 果 最 佳 ; 对 于 地 形 相 对 开 阔 的 1 号 测 风 塔 所 在 区 域 以 及 位 于 柴 窝 堡 湖 附 近 陡 峭 的 3 号 测 风 塔 所 在 区 域,10 月 预 报 效 果 好 于 4 月 对 于 位 于 狭 窄 地 带 的 2 号 塔 所 在 区 域 而 言,4 月 预 报 效 果 要 好 于 10 月 (5) 模 式 对 第 37~60h 的 预 报 效 果 比 对 其 前 24h 的 预 报 效 果 略 有 下 降, 仍 有 参 考 价 值 (6) 从 与 以 往 采 用 NCP 再 分 析 资 料 对 试 验 区 域 10m 高 度 4,7 和 10 月 中 尺 度 3km 与 1km 分 辨 率 的 比 较 可 见,70m 高 度 上 的 3km 与 1km 分 辨 率 的 预 报 值 与 观 测 值 间 的 相 关 系 数 均 偏 低, 误 差 也 较 大, 这 一 方 面 与 模 式 初 值 场 的 预 报 水 平 不 同 有 关, 与 同 化 的 观 测 资 料 过 少 同 化 效 果 不 显 著 有 关, 另 一 方 面, 也 有 以 往 采 用 的 再 分 析 资 料 已 对 全 球 10m 高 度 的 风 场 做 了 修 订 而 且 检 验 时 又 恰 好 对 10m 高 度 的 风 场 检 验 有 关 7.2 微 尺 度 模 式 CALMT 中 基 态 与 4 个 敏 感 性 试 验 对 比 分 析 从 表 8~11 中 可 以 看 出, 达 坂 城 风 区 不 同 水 平 分 辨 率 的 预 报 对 7 月 风 速 预 报 的 标 准 化 均 方 根 误 差 均 接 近 或 大 于 1, 预 报 误 差 很 大 而 这 一 年 同 期 的 气 温 降 水 预 报 效 果 也 是 极 低 的 [22], 这 可 能 主 要 与 此 时 GFS 的 预 报 水 平 有 关, 在 此 不 对 该 月 的 微 尺 度 诊 断 风 场 展 开 研 究 表 8~11 是 在 达 坂 城 小 草 湖 区 域 开 展 的 基 于 XJRUC 之 上 的 代 表 月 第 13~37hCALMT 诊 断 风 场 及 其 4 个 敏 感 性 试 验 所 得 到 的 预 报 与 观 测 值 的 偏 差 对 比, 可 见 : (1) 在 CALMT 风 场 诊 断 模 块 中 考 虑 动 力 学 调 整 后, 除 达 坂 城 风 区 相 对 平 坦 的 2 号 塔 区 域 在 4 月 使 用 动 力 学 调 整 会 使 预 报 的 MAP 减 小 预 报 与 观 测 的 相 关 性 提 高 ( 即 有 正 效 应 ) 外, 大 多 数 情 况 下,MAP 幅 度 会 显 著 增 大, 预 报 与 观 测 的 相 关 性 明 显 减 小, 即 在 诊 断 模 式 中 基 于 辐 射 最 小 化 原 理 的 水 平 风 场 调 整, 一 般 会 带 来 很 大 的 负 效 应 特 别 是 在 小 草 湖 风 区, 预 报 误 差 极 其 偏 大, 与 其 它 几 套 方 案 的 偏 差 也 常 成 反 位 相 说 明 在 相 对 平 坦 区 域 大 风 季 节, 使 用 动 力 学 调 整 才 有 正 效 应, 而 在 地 形 地 貌 复 杂 区 域 不 宜 采 用 动 力 学 调 整 (2) 当 在 风 场 诊 断 模 块 中 考 虑 基 于 质 量 守 恒 原 理 的 O Bien 垂 直 速 度 调 整 计 算 时, 只 在 小 草 湖

10 6 期 辛 渝 等 :XJRUC/CALMT 及 CALMT 不 同 参 数 调 整 对 达 坂 城 小 草 湖 区 风 场 预 报 影 响 1683 表 8 No.1 号 测 风 塔 不 同 试 验 预 报 风 速 与 观 测 风 速 的 检 验 对 比 Table8 ThevalidationcompaisonundethedifeentwindfieldpaametescombinationatNo.1mask 试 验 2009 年 12 月 2010 年 1 月 2010 年 4 月 2010 年 10 月 BAS IKIN OBR NON-SLOP NON-FROUD 表 9 同 表 8, 但 为 No.2 测 风 塔 Table9 ThesameasTable8,butfoNo.2anemometetowe 试 验 2009 年 12 月 2010 年 1 月 2010 年 4 月 2010 年 10 月 BAS IKIN OBR NON-SLOP NON-FROUD 表 10 同 表 8, 但 为 No.3 测 风 塔 Table10 ThesameasTable8,butfoNo.3anemometetowe 试 验 2009 年 12 月 2010 年 1 月 2010 年 4 月 2010 年 10 月 BAS IKIN OBR NON-SLOP NON-FROUD 表 11 同 表 8, 但 为 No.4 测 风 塔 Table11 ThesameasTable8,butfoNo.4anemometetowe 2009 年 12 月 2010 年 1 月 2010 年 4 月 2010 年 10 月 BAS IKIN OBR NON-SLOP NON-FROUD 风 区 冬 季 有 正 效 应 而 多 数 情 况 下, 该 调 整 会 使 这 些 区 域 预 报 的 平 均 绝 对 误 差 标 准 化 的 预 报 均 方 根 误 差 较 基 态 略 有 增 加, 预 报 与 观 测 的 相 关 系 数 基 本 没 有 大 的 改 变, 偶 有 略 增 现 象, 负 效 应 多, 但 偏 差 幅 度 远 不 及 使 用 动 力 学 调 整 所 带 来 的 误 差 (3) 在 达 坂 城 风 区, 在 诊 断 模 式 中 考 虑 斜 坡

11 1684 高 原 气 象 33 卷 流 和 FROUD 数 计 算 与 不 考 虑 两 者 的 计 算, 两 者 偏 差 的 差 异 甚 微, 但 是 从 预 报 的 标 准 化 均 方 根 误 差 大 小 来 看, 不 考 虑 斜 坡 流 和 FROUD 数 的 影 响, 预 报 的 标 准 化 均 方 根 误 差 会 增 加, 会 使 总 体 预 报 效 果 略 有 下 降 即, 该 区 域 以 基 态 方 案 最 佳 在 小 草 湖 风 区, 除 1 月 外, 在 CALMT 中 考 虑 FROUD 数 的 计 算 与 不 考 虑 它 的 计 算, 造 成 的 预 报 偏 差 刚 好 为 反 位 相, 而 且 偏 差 的 幅 度 均 相 当 从 不 计 算 FROUD 数 所 带 来 的 标 准 化 均 方 根 误 差 大 小 来 看, 该 区 域 总 体 需 考 虑 FROUD 数 的 计 算 同 时, 从 表 7 对 小 草 湖 风 区 不 同 分 辨 率 的 风 速 预 报 检 验 对 比 得 知, 该 区 总 体 以 3km 水 平 分 辨 率 的 平 均 绝 对 相 对 误 差 最 小, 说 明 在 该 区 即 使 在 CALMT 风 场 诊 断 模 式 中 采 用 其 它 风 场 参 数 的 调 整 计 算, 也 无 法 提 高 风 速 的 预 报 水 平 8 结 论 与 讨 论 以 2009 年 12 月 2010 年 月 代 表 月 逐 日 00:00 的 GFS 预 报 场 作 为 XJRUC 的 驱 动 背 影 场, 以 中 国 气 象 局 各 种 常 规 观 测 资 料 作 为 三 维 变 分 同 化 资 料, 通 过 对 达 坂 城 小 草 湖 风 区 预 报 的 不 同 分 辨 率 70m 高 度 风 场 的 检 验, 以 及 XJRUC 输 出 的 3km 水 平 分 辨 率 预 报 场 与 1km 水 平 分 辨 率 CALMT 诊 断 风 场 的 耦 合 得 到 70m 高 度 的 风 场 预 报 检 验 表 明 : (1) 模 式 系 统 第 37~60h 的 预 报 能 力 略 次 于 前 24h; 春 秋 季 预 报 效 果 远 好 于 冬 夏 季, 湍 流 强 度 大 的 午 后 的 预 报 效 果 远 好 于 夜 间 (2) XJRUC 不 同 分 辨 率 的 逐 时 风 场 预 报 以 及 经 过 动 力 降 尺 度 的 逐 时 风 场 的 变 化 趋 势 大 致 相 似, 只 存 在 少 量 细 节 差 异 中 尺 度 预 报 场 在 风 场 预 报 的 水 平 决 定 了 其 上 经 过 CALMT 动 力 降 尺 度 在 风 场 预 报 的 性 能 (3) 从 与 以 往 对 该 区 域 10m 高 度 上 直 接 采 用 MM5 模 式 对 不 同 分 辨 率 风 场 预 报 效 果 检 验 的 对 比 发 现, 即 使 在 模 式 中 增 加 观 测 资 料 的 同 化, 或 在 资 料 同 化 基 础 上 采 用 动 力 降 尺 度 方 式 与 微 尺 度 诊 断 风 场 CALMT 耦 合, 对 风 场 预 报 准 确 性 的 提 高 依 然 极 其 有 限, 且 因 时 因 地 而 异, 今 后 还 需 从 偏 差 成 因 上 进 一 步 探 索 改 进 模 式 在 微 地 形 风 场 预 报 效 果 的 途 径 在 达 坂 城 与 小 草 湖 风 区,XJRUC 预 报 的 3 km 水 平 分 辨 率 的 风 速 预 报 与 经 过 CALMT 动 力 降 尺 度 水 平 分 辨 率 为 1km 的 预 报 效 果 十 分 相 近 对 于 达 坂 城 风 区 而 言, 冬 季 月 份 采 用 水 平 分 辨 率 为 3km 的 XJRUC 的 预 报 场 与 1km 水 平 分 辨 率 的 CALMT 耦 合, 能 略 改 进 风 场 预 报 的 准 确 性 对 于 风 场 预 报 效 果 较 好 的 4 10 月 而 言, 对 位 于 盐 湖 与 二 十 里 店 区 域 的 风 速 则 以 3km 水 平 分 辨 率 的 预 报 效 果 最 佳, 而 在 该 风 区 地 形 陡 峭 且 又 受 狭 管 效 应 地 带 ( 如 柴 窝 堡 ) 则 以 9km 水 平 分 辨 率 的 预 报 效 果 反 而 最 高 对 于 小 草 湖 风 区 而 言, 除 4 月 份 外,XJRUC 预 报 的 3km 分 辨 率 的 风 场 预 报 效 果 最 佳 (4) 通 过 对 CALMT 风 场 诊 断 模 式 中 的 风 场 参 数 不 同 计 算 组 合 方 案 看, 参 数 调 整 也 是 因 地 因 季 而 异, 且 局 限 于 极 小 区 域 使 用 动 力 学 调 整 只 在 平 坦 区 域 大 风 季 节 对 风 的 预 报 有 改 进 作 用, 而 其 它 季 节 其 它 区 域, 会 使 预 报 效 果 大 幅 度 退 化 这 可 能 主 要 与 本 研 究 中 预 报 区 域 范 围 过 大 地 形 高 低 落 差 [15] 大 局 地 环 流 多 而 复 杂, 基 于 Liuetal 的 理 论 的 动 力 学 调 整 不 再 适 用 有 关 因 为 动 力 学 调 整 是 基 于 预 报 区 的 平 均 风 矢 量 和 平 均 风 标 量 而 言 的, 在 这 种 复 杂 的 大 地 形 区 域, 平 均 会 平 滑 掉 应 该 有 的 动 力 学 机 制 O Bien 垂 直 速 度 计 算 只 在 小 草 湖 风 区 气 层 稳 定 的 冬 季 对 风 的 预 报 有 改 进 作 用, 其 他 季 节 其 他 地 点 均 无 差 别 说 明 在 CALMT 顶 层 ( 本 研 究 为 3200m 高 度 上 ), 采 取 强 迫 区 域 顶 层 的 垂 直 风 速 为 0, 然 后 将 水 平 风 分 量 重 新 调 整 到 新 的 垂 直 风 速 场 相 一 致 的 质 量 方 程 中, 对 风 速 预 报 的 改 进 作 用 也 是 微 乎 其 微 的 这 可 能 与 CALMT 设 置 的 顶 层 高 度 与 地 形 对 风 的 影 响 高 度 不 匹 配 有 关 在 不 确 定 影 响 风 预 报 准 确 性 的 情 况 下, 不 考 虑 地 形 动 力 学 调 整 和 O Bien 垂 直 速 度 计 算, 只 考 虑 地 形 斜 坡 流 和 局 地 FROUD 数 调 整 时, 整 体 预 报 效 果 最 佳 (5) 在 达 坂 城 小 草 湖 区 域,3km 水 平 分 辨 率 XJRUC 的 预 报 场 与 1km 分 辨 率 CALMT 风 场 诊 断 模 式 的 耦 合 中,CALMT 动 力 降 尺 度 在 提 高 该 区 域 风 场 预 报 水 平 的 作 用 依 然 甚 微, 且 适 用 范 围 很 小 因 此, 今 后 需 要 研 究 如 何 进 一 步 提 高 XJRUC 的 预 报 水 平 来 提 高 风 场 预 报 准 确 性 是 关 键 ; 其 次 仍 需 研 究 CALMT 在 诊 断 风 场 中 的 机 理, 充 分 发 挥 其 效 能, 提 高 它 在 甚 高 水 平 分 辨 率 的 风 场 预 报 水 平 ; 再 次, 由 于 不 同 分 辨 率 的 风 场 预 报 场 均 极 其 相 似, 在 模 式 后 处 理 基 础 上, 研 究 如 何 以 统 计 订 正 的 方 式 来 提 高 风 场 预 报 水 平 也 是 一 种 选 择 另 外, 如 果 将 XJRUC 在 风 电 场 区 域 的 水 平 分 辨 率 提 高 为 1km, 其 预 报 水 平 是 否 高 于 与 1km 分 辨 率 的 CALMT 的 耦 合, 也 是 值 得 探 究 的

12 6 期 辛 渝 等 :XJRUC/CALMT 及 CALMT 不 同 参 数 调 整 对 达 坂 城 小 草 湖 区 风 场 预 报 影 响 1685 参 考 文 献 : [1] 辛 渝, 汤 剑 平, 赵 逸 舟, 等. 模 式 不 同 分 辨 率 对 新 疆 达 坂 城 小 草 湖 风 区 地 面 风 场 模 拟 结 果 的 分 析 [J]. 高 原 气 象,2010, 29(4): [2] 辛 渝, 陈 洪 武, 赵 逸 舟, 等.MM5 模 式 在 新 疆 风 能 资 源 详 查 中 的 应 用 试 验 以 5 月 为 例 [J]. 沙 漠 与 绿 洲 气 象,2011,5 (2): [3] 辛 渝, 陈 洪 武, 江 远 安, 等. 基 于 MM5 模 拟 试 验 的 新 疆 风 能 资 源 统 计 订 正 初 探 [J]. 干 旱 区 地 理,2012,35(1): [4] 丁 煌, 陶 树 旺, 肖 子 牛, 等. 基 于 WRF 和 SVM 方 法 的 风 电 场 功 率 预 报 技 术 研 究 [J]. 高 原 气 象,2013,32(2): , doi: /j.isn [5] 程 兴 宏, 陶 树 旺, 魏 磊, 等. 基 于 WRF 模 式 和 自 适 应 偏 最 小 二 乘 回 归 法 的 风 能 预 报 试 验 研 究 [J]. 高 原 气 象,2012,31 (5): [6] 陈 敏, 范 水 勇, 仲 跻 芹, 等. 全 球 定 位 系 统 的 可 降 水 量 资 料 在 北 京 地 区 快 速 更 新 循 环 系 统 中 的 同 化 试 验 [J]. 气 象 学 报, 2010,68(4): [7] 范 水 勇, 郭 永 润, 陈 敏, 等. 高 分 辨 率 WRF 三 维 变 分 同 化 在 北 京 地 区 降 水 预 报 中 的 应 用 [J]. 高 原 气 象,2008,27(6): [8] 陈 敏, 范 水 勇, 郑 祚 芳, 等. 基 于 BJ-RUC 系 统 的 临 近 探 空 及 其 对 强 对 流 发 生 潜 势 预 报 的 指 示 性 能 初 探 [J]. 气 象 学 报, 2011,69(1): [9] 仲 跻 芹, 陈 敏, 范 水 勇, 等.AMDAR 资 料 在 北 京 数 值 预 报 系 统 中 的 同 化 应 用 [J]. 应 用 气 象 学 报,2010,21(1): [10] 周 荣 卫, 何 晓 凤, 朱 蓉.MM5/CALMT 模 式 系 统 在 风 能 资 源 评 估 中 的 应 用 [J]. 自 然 资 源 学 报,2010,25(12): [11] 周 荣 卫, 何 晓 凤, 朱 蓉, 等. 中 国 近 海 风 能 资 源 开 发 潜 力 数 值 模 拟 [J]. 资 源 科 学,2010,32(8): [12] 董 旭 光, 刘 焕 彬, 曹 洁, 等. 山 东 省 近 海 区 域 风 能 资 源 动 力 降 尺 度 研 究 及 储 量 估 计 [J]. 资 源 科 学,2011,33(1): [13] 姜 创 业, 孙 娴, 徐 军 昶.MM5/CALMT 数 据 模 拟 在 陕 北 风 能 资 源 评 估 中 的 应 用 [J]. 中 国 沙 漠,2011,31(6): [14] 杜 吴 鹏, 房 小 怡, 轩 春 怡, 等.MM5 与 CALMT 对 北 京 地 区 风 能 资 源 的 初 步 模 拟 [J]. 长 江 流 域 资 源 与 环 境,2012,21 (1): [15]LiuM K,YockeM A.Sitingofwindtubingeneatosincom plexteain[j].jnegy,1980,4(10):16. [16]ScieJS,RobeFR,FenauM,etal.AUse sguidefothe CALMTMeteoologicalModel(Vesion5)[Z].athTech Inc.,2000:2-6. [17]O BienJJ.Anoteontheveticalstuctueoftheeddyexchange coeficientintheplanetayboundaylaye[j].jatmossci, 1970,27: [18] 辛 渝, 王 澄 海, 沈 元 芳, 等.WRF 模 式 对 新 疆 中 部 地 面 总 辐 射 预 报 性 能 的 检 验 [J]. 高 原 气 象,2013,32(5): , doi: /j.isn [19]PaishD F,DebeJC.Thenationalmeteoologicalcente s spectalstatisticalintepolationanalysissystem[j].monwea Rev,1992,120: [20]SadikiW,FisheC,GeleynJF.Mesoscalebackgoundeoco vaiances:ecentesultsobtainedwiththelimited aeamodelal ADINoveMoocco[J].MonWeaRev,2000,128: [21] 农 定 飞, 马 友 鑫, 李 红 梅, 等. 西 双 版 纳 地 区 土 地 利 用 / 覆 盖 变 化 对 气 温 的 影 响 [J]. 云 南 大 学 学 报 : 自 然 科 学 版,2012, 34(5): [22] 汤 浩, 辛 渝. 快 速 更 新 循 环 数 值 预 报 系 统 在 新 疆 的 预 报 能 力 检 验 [J]. 沙 漠 与 绿 洲 气 象,2012,6(6):21-27.

13 1686 高 原 气 象 33 卷 InfluenceofCALMTPaameteAdjustmentintheXJRUCCoupling ofcalmtovedabanchen XiaocaohuWindAea XINYu 1-2, CHNHongwu 1 (1.InstituteofDesetMeteoology,ChinaMeteoologyAdministation,Uumqi830002,China; 2.XinjiangClimateCente,Uumqi830002,China) Abstact:60hwindfoecastsusingtheXJRUCsystem combinedwithcalmtaevalidatedoveadomain centeedonthedabancheng Xiaocaohuegionduing2009(Decembe)and2010(Januay,Apil,Julyand Octobe).Timeseiesofmaskdatatoevaluatetheeliabilityofthefoecastingsystem wasused.theesults showthatthe24hwindfoecastsaeslightlybetethanthe37~60hfoecasts.higheesolutionmodelsystem doesnotseemtoalwayspovidebetewindfoecasts.genealy,windfoecastswith3kmesolutionaebete, especialyinspingandautumnoaftenooninaday.inthecomplexteainegionofdabancheng,windfoe castswith3km hoizontalesolutionaealmostthesameasthatwith1km esolution,exceptthat1km esolu tionwindfoecastsaeslightlybeteinwinte.a coase esolutionwindfoecast(9km)aebeteinsping whenstongwindoftenoccusatcomplexteainandlandfom aea,othewise,windfoecastswith3km hoi zontalesolutionaethegenealybest.inaddition,theauthoaddesesthequestionofwhetheconfiguationof CALMThassignificantimpactsonthefoecast.ItisfoundthatthekinematicadjustmentsinCALMTshould beusedcaefulyaccodingtotheclimaticandsynopticchaacteisticsinthestudyegion.ingeneal,calmt accountingfotheslopeflowsandfoudnumbeadjustmentaethebestschemeinthecasethattheimpactsof lage scaleciculationonthelocalwindfieldchaacteisticaenotsue. Keywods:XJRUC/CALMTmodel;Diagnosispaameteadjustmentofwindfield;Foecastingveification