中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能預(yù)報(bào)系統(tǒng)（CMA-WSP）在風(fēng)資源短期預(yù)報(bào)中的檢驗(yàn)評(píng)估

王明 ，孟丹 ，許沛華 ，許楊 ，陳正洪 ，賈蓓西

（1.湖北省氣象服務(wù)中心,湖北 武漢 430205；2.中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430205；3.中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081）

0 引言

風(fēng)能資源作為一種安全無(wú)污染的可再生資源，對(duì)風(fēng)能資源的有效利用和開(kāi)發(fā)，對(duì)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整都具有極其重要的作用[1]。隨著風(fēng)電技術(shù)的成熟，風(fēng)電行業(yè)不斷發(fā)展與進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的重視與應(yīng)用[2]，并且已成為裝機(jī)容量?jī)H次于水電的第2 大可再生能源[3-4]。中國(guó)蘊(yùn)含豐富的風(fēng)資源，在能源結(jié)構(gòu)中增大風(fēng)能的比例可以為中國(guó)低碳發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施提供關(guān)鍵支撐。但風(fēng)力發(fā)電具有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)[5-6]，容易受到氣候因素的影響[7]，因此，對(duì)氣候變化背景下區(qū)域風(fēng)能資源開(kāi)展短期預(yù)報(bào)具有重大意義。

隨著數(shù)值模式技術(shù)水平的迅速提高，數(shù)值模式預(yù)報(bào)已成為中短期天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。21 世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)True Wind Solutions 公司在應(yīng)用數(shù)值模式評(píng)估風(fēng)能資源方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位[8]，其風(fēng)能資源評(píng)估系統(tǒng)已應(yīng)用于20 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)[9]。此外，在中國(guó)基于數(shù)值模式的風(fēng)速預(yù)報(bào)，已有許多研究和業(yè)務(wù)實(shí)踐工作[10-13]。為推動(dòng)我國(guó)新能源行業(yè)發(fā)展，中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)司組織中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心、北京市氣象局等單位，基于新一代高分辨率專業(yè)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)——RMAPS-Wind 1.0 系統(tǒng)，改進(jìn)中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)（China Meteorological Administration Wind and Solar Forecasting，CMAWSP），制作了省級(jí)風(fēng)能太陽(yáng)能短期預(yù)報(bào)產(chǎn)品。目前，該模式直接輸出的風(fēng)能太陽(yáng)能產(chǎn)品還難以直接應(yīng)用于預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和氣象服務(wù)中，輸出產(chǎn)品與實(shí)際需求還存在較大差距[14-15]。

對(duì)數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行客觀檢驗(yàn)和誤差的定量分析，不僅能夠?yàn)闅庀蠓?wù)提供有力參考，同時(shí)也為數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果的使用與訂正提供數(shù)據(jù)支持，從而提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率[16-17]。劉桂艷等[18]選取渤海、黃海8個(gè)浮標(biāo)站位觀測(cè)的海面10 m 風(fēng)資料，對(duì)WRF 模式的預(yù)報(bào)結(jié)果開(kāi)展了對(duì)比檢驗(yàn)和誤差統(tǒng)計(jì)分析。肖瑤等[19]對(duì)河南主要高速公路沿線逐3 h 最大風(fēng)速精細(xì)化指導(dǎo)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，預(yù)報(bào)產(chǎn)品表現(xiàn)出較好的預(yù)報(bào)能力，但仍存在較為明顯的系統(tǒng)性偏差。吳驥等[20]基于ERA5 再分析資料和NCEP 的GFS 預(yù)報(bào)系統(tǒng)的120 h 預(yù)報(bào)資料，對(duì)華東地區(qū)2020 年12 月～2021 年3 月期間9 次寒潮過(guò)程中數(shù)值模式的近地面風(fēng)速預(yù)報(bào)技巧進(jìn)行了檢驗(yàn)。程興宏[21]等利用甘肅2 座測(cè)風(fēng)塔50 m 和70 m 高度的實(shí)測(cè)資料，檢驗(yàn)了WRF 模式預(yù)報(bào)的2009 年1 月、4 月、7 月、10月該風(fēng)電場(chǎng)附近的逐15 min 的風(fēng)速和風(fēng)向，顯示預(yù)報(bào)結(jié)果能較好地反應(yīng)風(fēng)速、風(fēng)向的變化。夏曉玲等[22]運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)的方法，檢驗(yàn)了ECWMF、GRAPES 和JAPAN 模式對(duì)貴州省范圍內(nèi)84 個(gè)站點(diǎn)風(fēng)速預(yù)報(bào)的平均絕對(duì)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)系數(shù)和正確率。目前，開(kāi)展CMA-WSP 模式對(duì)風(fēng)資源短期預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的分析評(píng)估工作還不多，CMA-WSP 模式風(fēng)速預(yù)報(bào)性能還需要進(jìn)一步檢驗(yàn)。

為響應(yīng)《湖北省氣象局、湖北省能源局關(guān)于強(qiáng)化能源保供氣象服務(wù)工作》方案，開(kāi)發(fā)能源保供產(chǎn)品，建立全省未來(lái)3 d 短期風(fēng)資源預(yù)報(bào)產(chǎn)品，本研究利用湖北棗陽(yáng)周樓、麻城蔡家寨和大金中部風(fēng)電場(chǎng)逐15 min 的100 m 實(shí)測(cè)風(fēng)速，對(duì)CMA-WSP 風(fēng)速產(chǎn)品在風(fēng)資源短期預(yù)報(bào)中的應(yīng)用開(kāi)展檢驗(yàn)評(píng)估，分析該預(yù)報(bào)產(chǎn)品的質(zhì)量特點(diǎn)和誤差產(chǎn)生原因，為下一步對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行訂正、降低誤差水平打下基礎(chǔ)，也為該產(chǎn)品在湖北風(fēng)資源短期預(yù)報(bào)中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

1.1.1 CMA-WSP 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)

自2015 年開(kāi)始，北京城市氣象研究院建立了新一代高分辨率專業(yè)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)——RMAPS-Wind 1.0 系統(tǒng)，為風(fēng)電光伏電站的精細(xì)化預(yù)報(bào)提供實(shí)時(shí)風(fēng)能太陽(yáng)能數(shù)值預(yù)報(bào)基礎(chǔ)產(chǎn)品。RMAPS-Wind 系統(tǒng)的預(yù)報(bào)和資料同化模塊分別基于WRF 模式和WRFDA資料同化系統(tǒng)深入發(fā)展而建立。2019 年12 月，RMAPS-Wind 1.0 系統(tǒng)作為風(fēng)能太陽(yáng)能專業(yè)氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)的重要技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐，通過(guò)了中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)與網(wǎng)絡(luò)司的業(yè)務(wù)準(zhǔn)入評(píng)審（氣預(yù)函〔2019〕67 號(hào)），正式實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)運(yùn)行。該系統(tǒng)采用單層嵌套覆蓋中國(guó)區(qū)域，模擬區(qū)域水平分辨率為9 km，格點(diǎn)為649 km×550 km。垂直方向采用σ 坐標(biāo)，共51 層，層頂氣壓為10 hPa。采用的模式版本為WRF v4.2.2，前處理模塊為WPS v4.1.2，用于處理全球模式分析場(chǎng)和預(yù)報(bào)場(chǎng)數(shù)據(jù)的解碼以及向中尺度網(wǎng)格點(diǎn)的插值，同化模塊為WRFDA v4.1.2，采用三維變分同化技術(shù)進(jìn)行各種觀測(cè)資料的同化分析。采用的各類物理參數(shù)化設(shè)置如下：Thompson顯式微物理方案、尺度適應(yīng)的New Tiedtke 對(duì)流參數(shù)化方案、YSU 邊界層方案、RRTMG 長(zhǎng)、短波輻射方案。

CMA-WSP 風(fēng)速預(yù)報(bào)產(chǎn)品是中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心基于RMAPS-Wind 1.0 輸出氣象要素制作而成的風(fēng)能太陽(yáng)能數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品（以下簡(jiǎn)稱CMAWSP），該產(chǎn)品包括中國(guó)區(qū)域邊界層分層溫、濕、風(fēng)場(chǎng)以及到達(dá)地表短波輻射、地面氣壓、降水量等風(fēng)功率、光伏發(fā)電功率預(yù)報(bào)所需氣象要素，時(shí)間分辨率為15 min，空間分辨率為9 km，預(yù)報(bào)時(shí)效為126 h，預(yù)報(bào)頻次為1 次/d，即每1 d 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)都包含未來(lái)5 d的預(yù)報(bào)結(jié)果，本文只檢驗(yàn)前3 d 的預(yù)報(bào)效果。由于RMAPS-Wind 1.0 輸出風(fēng)速產(chǎn)品為51 層，CMAWSP 模式對(duì)風(fēng)速的預(yù)報(bào)包含4 個(gè)高度層，分別為15～20 m、45～50 m、100～110 m 和190～200 m，考慮到100 m 風(fēng)速是目前風(fēng)資源短期預(yù)報(bào)中最常用到的變量，且CMA-WSP 1.0 產(chǎn)品于2022 年3 月20 日發(fā)布，因此，本文選取2022 年4 月1 日～2023 年3 月31 日1 個(gè)完整年的100 m 高度風(fēng)速預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)作為被檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.1.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

本文選取湖北省境內(nèi)3 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)作為代表站，分別為：棗陽(yáng)周樓風(fēng)電場(chǎng)、麻城蔡家寨風(fēng)電場(chǎng)、大金中部風(fēng)電場(chǎng)，海拔高度分別為440.32 m、671.32 m 和372.37 m。其中，棗陽(yáng)周樓風(fēng)電場(chǎng)共16 臺(tái)風(fēng)機(jī)，包含15 臺(tái)3 MW 風(fēng)機(jī)和1 臺(tái)2 MW 風(fēng)機(jī)，裝機(jī)容量共47 MW；麻城蔡家寨風(fēng)電場(chǎng)共25 臺(tái)風(fēng)機(jī)，均為2 MW風(fēng)機(jī)，裝機(jī)容量為50 MW；大金中部共13 臺(tái)風(fēng)機(jī)，均為2 MW 風(fēng)機(jī)，裝機(jī)容量為26 MW。風(fēng)電場(chǎng)各風(fēng)電場(chǎng)分布如圖1 所示。采用風(fēng)機(jī)輪轂100 m 高度處逐15 min 的所有風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)的平均風(fēng)速，風(fēng)速記錄均經(jīng)過(guò)校正，數(shù)據(jù)完整率分別為100%、70.88%和78.17%。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)的空間分布Fig.1 Spatial distribution of wind farm

1.2 方法

1.2.1 檢驗(yàn)方法

本文利用風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)風(fēng)速資料，通過(guò)對(duì)比分析CMA-WSP 預(yù)報(bào)風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)（R）、均方根誤差（RMSE）、相對(duì)誤差（MRE）、平均偏差（MB）和平均絕對(duì)偏差（AMB），來(lái)進(jìn)行CMA-WSP 模式風(fēng)速預(yù)報(bào)的效果檢驗(yàn)，這些指標(biāo)均能反映預(yù)報(bào)值和實(shí)測(cè)值的差別。

Ei、Qi分別表示CMA-WSP 的預(yù)報(bào)風(fēng)速和風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)風(fēng)速，和分別表示它們的平均值，N 表示統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)樣本總量，i表示統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)樣本序號(hào)。R、RMSE、MRE、MB 和AMB 的計(jì)算方法依次如下：

1.2.2 100 m 風(fēng)速提取

本文目的是檢驗(yàn)評(píng)估CMA-WSP 預(yù)報(bào)的100 m風(fēng)速在風(fēng)資源短期預(yù)報(bào)中的適用性，CMA-WSP 預(yù)報(bào)風(fēng)速分為4 個(gè)高度層，其中第3 層風(fēng)速高度為100～110 m，同一時(shí)次不同格點(diǎn)風(fēng)速的高度不同。為確保CMA-WSP 模式預(yù)報(bào)風(fēng)速評(píng)估的準(zhǔn)確性，需先提取風(fēng)速預(yù)報(bào)中各高度層的風(fēng)速，再基于線性插值方法將風(fēng)速插值到100 m，從而對(duì)100 m 預(yù)報(bào)風(fēng)速開(kāi)展評(píng)估檢驗(yàn)。

2 結(jié)果分析

本文先以棗陽(yáng)風(fēng)場(chǎng)站為例，檢驗(yàn)15 min、小時(shí)、日、月時(shí)間尺度下CMA-WSP 預(yù)報(bào)風(fēng)速的預(yù)報(bào)效果，并分析其特征。進(jìn)而橫向?qū)Ρ菴MA-WSP 預(yù)報(bào)風(fēng)速在棗陽(yáng)周樓、蔡家寨和大金中部3 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的預(yù)報(bào)發(fā)表效果。

2.1 逐15 min 風(fēng)速

CMA-WSP 前3 d 預(yù)報(bào)與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)逐15 min 風(fēng)速隨時(shí)間的變化如圖2（a）、圖2（c）、圖2（e）所示，預(yù)報(bào)風(fēng)速與風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，同時(shí)，CMA-WSP 預(yù)報(bào)風(fēng)速整體要高于實(shí)測(cè)風(fēng)速。從數(shù)值上來(lái)看，棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)逐15 min 的風(fēng)速介于0～19.9 m/s 之間，風(fēng)速年平均值為4.83 m/s，CMA-WSP前3 d 預(yù)報(bào)風(fēng)速分別介于0～26.1 m/s、0～24.8 m/s、0～22.9 m/s 之間，年平均值分別為6.70 m/s、6.83 m/s和6.88 m/s，表明CMA-WSP 模式對(duì)風(fēng)速的預(yù)報(bào)普遍偏高?？紤]到CMA-WSP 模式預(yù)報(bào)的風(fēng)速是4 個(gè)高度層的風(fēng)速，其中第3 個(gè)高度層風(fēng)速高度為100～110 m，因此，預(yù)報(bào)風(fēng)速會(huì)存在一定偏大。

圖2 CMA-WSP 前3 d 預(yù)報(bào)與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)逐15 min 風(fēng)速時(shí)間序列（a、c、e）及相關(guān)關(guān)系（b、d、f）Fig.2 The wind speed time series (a,c,e) in 15 min intervals and correlation (b,d,f) of the first 3 days of CMA-WSP forecast and the measured wind speed in Zaoyang wind farm

CMA-WSP 前3 d 預(yù)報(bào)與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)逐15 min 風(fēng)速相關(guān)如圖2（b）、圖2（d）、圖2（f）所示，實(shí)測(cè)風(fēng)速與3 d 預(yù)報(bào)風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分別為0.728、0.674、0.638，均通過(guò)了置信度區(qū)間為95%水平的顯著性檢驗(yàn)，可見(jiàn)CMA-WSP 對(duì)100 m 風(fēng)速的預(yù)報(bào)效果較好，且隨著預(yù)報(bào)時(shí)效增加，預(yù)報(bào)效果略有降低。

從CMA-WSP 前3 d 預(yù)報(bào)與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速相對(duì)誤差區(qū)間分布來(lái)看，MRE 值主要集中在MRE值為200% 區(qū)間內(nèi)，數(shù)據(jù)占比分別為68%、67%和66%，其中，MRE 值在50% 內(nèi)的數(shù)據(jù)分別占34%、32%和29%，負(fù)偏差占比約為23%，預(yù)報(bào)風(fēng)速比棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)值要偏高。此外，在-40%～100%的MRE 值區(qū)間內(nèi)，第1 d 的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)占比要高于第2 d 和第3 d，表明第1 d 預(yù)報(bào)風(fēng)速的MRE 值整體要高于第2 d 和第3 d，如圖3 所示。

圖3 CMA-WSP 預(yù)報(bào)與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)逐15 min 風(fēng)速相對(duì)誤差區(qū)間分布Fig.3 The distribution of relative errors between the CMA-WSP forecast and the measured wind speed in Zaoyang wind farm in 15 min intervals

2.2 小時(shí)風(fēng)速

如圖4 所示，可以看出CMA-WSP 前3 d 預(yù)報(bào)與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)小時(shí)平均風(fēng)速時(shí)間序列及相關(guān)關(guān)系，預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)小時(shí)平均風(fēng)速變化趨勢(shì)較為一致，從數(shù)值上來(lái)看，3 d 預(yù)報(bào)風(fēng)速分別介于0～25.2 m/s、0～23.8 m/s 和0～22.6 m/s 之間，整體高于實(shí)測(cè)風(fēng)速0～18.7 m/s。從預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)相關(guān)性來(lái)看，3 d 預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)相關(guān)系數(shù)分別為0.740、0.685 和0.648，均通過(guò)了置信度區(qū)間為95%水平的顯著性檢驗(yàn)。

圖4 CMA-WSP 前3 d 預(yù)報(bào)與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)小時(shí)平均風(fēng)速時(shí)間序列（a、c、e）及相關(guān)關(guān)系（b、d、f）Fig.4 The hourly average wind speed time series (a,c,e) and correlation (b,d,f) between CMA-WSP forecast and the measured wind speed in Zaoyang wind farm in the first 3 days

從CMA-WSP 前3 d 預(yù)報(bào)與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)小時(shí)平均風(fēng)速相對(duì)誤差區(qū)間分布來(lái)看，MRE 值在200%區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)分別為70%、68%、67%，其中，MRE 在50% 以內(nèi)的數(shù)據(jù)占比分別為35%、33%和30%，負(fù)偏差的數(shù)據(jù)占比約為23%，預(yù)報(bào)比棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)站實(shí)測(cè)小時(shí)平均風(fēng)速數(shù)值偏高。此外，在MRE 值區(qū)間-40%～100%內(nèi)，第1 d 的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)占比要高于第2 d 和第3 d，第1 d 預(yù)報(bào)風(fēng)速的MRE 值整體要高于第2 d 和第3 d，如圖5 所示。

圖5 CMA-WSP 預(yù)報(bào)與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)小時(shí)平均風(fēng)速相對(duì)誤差區(qū)間分布Fig.5 The distribution of relative errors between CMA-WSP forecast and the measured hourly average wind speed in Zaoyang wind farm

如圖6 所示，可以發(fā)現(xiàn)CMA-WSP 預(yù)報(bào)與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)小時(shí)平均風(fēng)速和相對(duì)誤差隨時(shí)間變化（圖6），CMA-WSP 預(yù)報(bào)小時(shí)平均風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速變化趨勢(shì)較為一致，數(shù)值整體偏高，均呈現(xiàn)白天（8～18 時(shí)，北京時(shí)間，下同）風(fēng)速低、晚上（19～7 時(shí)）風(fēng)速高的特征。第1 d 預(yù)報(bào)數(shù)值在7～11 時(shí)均高于第2 d和第3 d 預(yù)報(bào)，其他時(shí)段低于后兩天預(yù)報(bào)結(jié)果。MRE值在21%～60%之間波動(dòng)，在1～9 時(shí)MRE 主降低，9時(shí)以后逐漸升高，9 時(shí)MRE 值最低，22 時(shí)MRE 值最高，除7～11 時(shí)外，第1 d 預(yù)報(bào)MRE 值均低于后兩天預(yù)報(bào)MRE 值。

圖6 CMA-WSP 預(yù)報(bào)與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)小時(shí)平均風(fēng)速和相對(duì)誤差隨時(shí)間變化情況Fig.6 The variations over time of CMA-WSP forecast and the measured hourly average wind speed and relative error in Zaoyang wind farm

2.3 日平均風(fēng)速

如圖7 所示，可以看到CMA-WSP 前3 d 預(yù)報(bào)與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)日平均風(fēng)速相關(guān)關(guān)系可以看到，前3 d 預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速變化趨勢(shì)較為一致，從數(shù)值上來(lái)看，第1 d 預(yù)報(bào)日平均風(fēng)速在1.49～17.15 m/s之間，第2 d 預(yù)報(bào)日平均風(fēng)速在1.35～17.72 m/s 之間，第3 d 預(yù)報(bào)日平均風(fēng)速在1.38～17.47 m/s 之間，實(shí)測(cè)日平均風(fēng)速在1.27～14.83 m/s 之間，可見(jiàn)CMA-WSP預(yù)報(bào)風(fēng)速在數(shù)值上整體都高于實(shí)測(cè)風(fēng)速。

圖7 CMA-WSP 預(yù)報(bào)日平均風(fēng)速與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)日平均風(fēng)速和相對(duì)誤差隨時(shí)間變化情況Fig.7 The variations over time of CMA-WSP forecast and the measured daily average wind speed and relative error in Zaoyang wind farm

從預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系來(lái)看，第1 d預(yù)報(bào)的日平均風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速相關(guān)性達(dá)到0.860，第2 d 預(yù)報(bào)的日平均風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速相關(guān)性為0.814，第3 d 預(yù)報(bào)的日平均風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速相關(guān)性為0.777，可見(jiàn)，CMA-WSP 前3 d 風(fēng)速效果較好，且隨著預(yù)報(bào)時(shí)效增加預(yù)報(bào)效果降低。

從CMA-WSP 3 d 預(yù)報(bào)與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)日平均風(fēng)速相對(duì)誤差區(qū)間分布來(lái)看，MRE 值主要集中在MRE 值 為200% 的區(qū)間內(nèi)，3d 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)MRE 在200%以內(nèi)的數(shù)據(jù)分別占92%、89% 和85%。其中，分別有54%、47%、42%的數(shù)據(jù)MRE 值集中在0%～50%之間，負(fù)偏差占比分別約為7%、9%和13%，預(yù)報(bào)比實(shí)測(cè)日平均風(fēng)速數(shù)值總體偏高。此外，在MRE值為-40%～100%區(qū)間內(nèi)，第1 d 的預(yù)報(bào)日平均風(fēng)速數(shù)據(jù)樣本占比要高于第2 d 和第3 d，說(shuō)明第1 d 預(yù)報(bào)風(fēng)速的MRE 整體要高于第2 d 和第3 d，如圖8 所示。

圖8 CMA-WSP 預(yù)報(bào)與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)日平均風(fēng)速相對(duì)誤差區(qū)間分布Fig.8 The distribution of relative errors between CMA-WSP forecast and the measured daily average wind speed in Zaoyang wind farm

2.4 月平均風(fēng)速

從CMA-WSP 預(yù)報(bào)月平均風(fēng)速與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)月平均風(fēng)速和相對(duì)誤差隨時(shí)間變化可以看出，3 d預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)月平均風(fēng)速變化趨勢(shì)一致，從數(shù)值上來(lái)看，各月預(yù)報(bào)風(fēng)速在5.9～8.0 m/s、5.7～8.4 m/s 和5.6～8.4 m/s 之間波動(dòng)，整體要高于實(shí)測(cè)月平均風(fēng)速3.8～6.0 m/s。從預(yù)報(bào)月平均風(fēng)速與實(shí)測(cè)月平均風(fēng)速的MRE 值變化來(lái)看，MRE 值在25%～68%之間變化，最大值出現(xiàn)在6 月份，最小值出現(xiàn)在8 月份。從不同預(yù)報(bào)時(shí)效來(lái)看，第1 天預(yù)報(bào)MRE 值在1～6 月和10～12 月最低，在7～9 月最大。此外，從月平均風(fēng)速和MRE 值變化趨勢(shì)可以看到，風(fēng)速與MRE 值變化呈相反趨勢(shì)，即月平均風(fēng)速越大，MRE 越小，如圖9所示。

圖9 CMA-WSP 預(yù)報(bào)月平均風(fēng)速與棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)月平均風(fēng)速和相對(duì)誤差隨時(shí)間變化情況Fig.9 The variations over time of CMA-WSP forecast and the measured monthly average wind speed and relative error in Zaoyang wind farm

2.5 湖北3 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)預(yù)報(bào)效果對(duì)比

上述章節(jié)對(duì)棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)站和CMA-WSP 預(yù)報(bào)風(fēng)速的相關(guān)性和誤差分布特征進(jìn)行了詳細(xì)地分析。表1給出了棗陽(yáng)周樓、蔡家寨和大金中部風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速與CMA-WSP 預(yù)報(bào)風(fēng)速的相關(guān)性、均方根誤差、平均偏差和平均絕對(duì)偏差的統(tǒng)計(jì)值。通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，CMA-WSP 在不同區(qū)域的風(fēng)速預(yù)報(bào)存在較大的差異。

表1 CMA-WSP 預(yù)報(bào)風(fēng)速與棗陽(yáng)、蔡家寨和大金中部風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速的評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Evaluation index of CMA-WSP forecast and the measured wind speed in Zaoyang,Caijiazhai and Central Dajin wind farms

從預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)風(fēng)速的相關(guān)性來(lái)看，CMA-WSP對(duì)棗陽(yáng)周樓風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速預(yù)報(bào)效果最好，前3 d 預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分別為0.728、0.674 和0.638，蔡家寨前3 d 的預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速相關(guān)系數(shù)分別為0.548、0.500 和0.434，大金中部前3 d 的預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速相關(guān)系數(shù)分別為0.362、0.339 和0.306，預(yù)報(bào)效果最差。

從均方根誤差來(lái)看，棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)前3 d 預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速均方根誤差最大，分別為3.316 m/s、3.387 m/s、3.512 m/s，蔡家寨風(fēng)電場(chǎng)前3 d 預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速均方根誤差最小，分別為2.771 m/s、2.907 m/s、3.042 m/s，大金中部風(fēng)電場(chǎng)前3 d 預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速均方根居中，分別為3.204 m/s、3.127 m/s、3.161 m/s。從平均偏差和平均絕對(duì)偏差來(lái)看，棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)前3 d 預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速的平均偏差和平均絕對(duì)偏差均最大，其中，平均偏差分別為1.868 m/s、2.004 m/s、2.053 m/s，平均絕對(duì)偏差分別為2.492 m/s、2.682 m/s、2.826 m/s；蔡家寨風(fēng)電場(chǎng)前3 d 預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速的平均偏差和平均絕對(duì)偏差均最小，其中，平均偏差分別為-0.009 m/s、-0.027 m/s、0.100 m/s，平均絕對(duì)偏差分別為2.187 m/s、2.280 m/s、2.400 m/s；大金中部風(fēng)電場(chǎng)前3 d 預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速的平均偏差和平均絕對(duì)偏差居中，其中平均偏差分別為1.152 m/s、1.096 m/s、1.040 m/s，平均絕對(duì)偏差分別為2.430 m/s、2.403 m/s、2.455 m/s。棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)處的CMA-WSP 預(yù)報(bào)風(fēng)速和實(shí)測(cè)風(fēng)速的均方根誤差、平均偏差和絕對(duì)誤差較蔡家寨和大金中部風(fēng)電場(chǎng)都大，這可能與檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)量有關(guān)，蔡家寨和大金中部風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速數(shù)據(jù)缺測(cè)較多，而棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)相對(duì)完整。

總體而言，CMA-WSP 對(duì)棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的預(yù)報(bào)效果較好，其中，第1 d 預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)風(fēng)速相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.728，第2～3 d 也超過(guò)了0.6，CMA-WSP對(duì)蔡家寨和大金中部風(fēng)電場(chǎng)預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速相關(guān)系數(shù)均低于0.6，但都通過(guò)了置信度區(qū)間為95%的顯著性檢驗(yàn)。均方根誤差、平均偏差和平均絕對(duì)偏差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，風(fēng)速的預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)風(fēng)速存在較大的偏差，如圖2 所示，預(yù)報(bào)風(fēng)速整體較實(shí)測(cè)風(fēng)速偏大，可見(jiàn)模式對(duì)風(fēng)速的預(yù)報(bào)存在明顯的系統(tǒng)性偏差。近地層風(fēng)速高時(shí)空分辨率預(yù)報(bào)一般依賴數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式，模式通常采用參數(shù)化的方法，但參數(shù)化方案通常是不完善的，這是造成數(shù)值模式不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)近地層風(fēng)場(chǎng)的原因之一；模式地形與實(shí)際地形存在不同程度的差異，即使同一個(gè)模式，不同地形地貌也會(huì)表現(xiàn)出不同的預(yù)報(bào)性能[23-24]，本文所選取的3 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)站均為丘陵，下墊面狀況比較復(fù)雜且各不相同，因此，CMA-WSP 模式對(duì)風(fēng)速的預(yù)報(bào)在棗陽(yáng)周樓、麻城蔡家寨和大金中部風(fēng)電場(chǎng)的預(yù)報(bào)存在較大的差異。

3 結(jié)論

以湖北棗陽(yáng)周樓、麻城蔡家寨和大金中部3 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)為代表，對(duì)中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能模式（CMAWSP）的100 m 風(fēng)速3 d 預(yù)報(bào)產(chǎn)品在風(fēng)資源短期預(yù)報(bào)中的應(yīng)用效果開(kāi)展了檢驗(yàn)評(píng)估，主要結(jié)論如下：

1）CMA-WSP 對(duì)棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)風(fēng)速變化趨勢(shì)較為一致，逐15 min、小時(shí)平均和日平均風(fēng)速第1 d 的預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)風(fēng)速相關(guān)性可達(dá)0.728、0.740 和0.860，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效增加，預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)相關(guān)性逐漸降低，但整體預(yù)報(bào)效果均較好。

2）CMA-WSP 預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速的MRE 值主要集中在200%以內(nèi)的區(qū)間，逐15 min、小時(shí)平均和日平均風(fēng)速第1 d 預(yù)報(bào)的MRE 值分別為68%、70%、92%，數(shù)值上預(yù)報(bào)風(fēng)速整體高于實(shí)測(cè)風(fēng)速。小時(shí)平均風(fēng)速及MRE 值均呈現(xiàn)白天小、晚上大的特征，月平均風(fēng)速變化與MRE 值變化呈相反趨勢(shì)，MRE 值在1～6 月和10～12 月最低、7～9 月最大。

3）CMA-WSP 對(duì)棗陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的預(yù)報(bào)效果最好。其中，第1 d 預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)風(fēng)速相關(guān)性可以達(dá)到0.728，第2～3 d 的預(yù)報(bào)相關(guān)性也超過(guò)了0.6，CMAWSP 對(duì)蔡家寨和大金中部預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速相關(guān)性均低于0.6。從均方根誤差、平均相對(duì)偏差和絕對(duì)偏差來(lái)看，CMA-WSP 對(duì)棗陽(yáng)風(fēng)速預(yù)報(bào)顯著高于對(duì)蔡家寨和大金中部。

本文選取了3 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)風(fēng)速對(duì)CMAWSP 預(yù)報(bào)風(fēng)速開(kāi)展了誤差統(tǒng)計(jì)和分析工作，要想對(duì)該模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行全面評(píng)估和應(yīng)用，還需要獲取更多場(chǎng)站的實(shí)測(cè)風(fēng)速資料，對(duì)更長(zhǎng)時(shí)間序列以及預(yù)報(bào)時(shí)效的風(fēng)速預(yù)報(bào)產(chǎn)品開(kāi)展檢驗(yàn)。為了使該預(yù)報(bào)產(chǎn)品應(yīng)用到專業(yè)氣象服務(wù)中，需要對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行訂正，為日后進(jìn)行風(fēng)速預(yù)報(bào)產(chǎn)品的使用提供科學(xué)依據(jù)。