数值天气预报结果在河南电网生产中的应用

梁允　李哲　李帅　刘善峰

（国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州　450052）

数值天气预报结果在河南电网生产中的应用

梁允李哲李帅刘善峰

（国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州450052）

针对河南电网生产特点和对天气预报的需求，采用BJRUCv3.0精细化区域数值预报系统和动力降尺度技术，得到河南省范围内9km×9km、特殊区域1km×1km至72h精细化数值天气预报结果，并将其利用到“迎峰度夏”“迎峰度冬”等重要电网生产过程，提高电网防灾减灾能力。

BJRUCv3.0；动力降尺度；数值天气预报；电网生产；防灾减灾

1　气象灾害对电力生产的影响

我国幅员辽阔，气候差异很大，恶劣的气象条件和天气现象对电网安全运行的影响程度也随之增加［1］，台风、大雾、冰冻、高温等恶劣气象条件引发的电网事故时有报道［2］。对河南电网来说，主要受夏季强对流（大风、强降水、雷电、冰雹）天气和冬季的雨雪冰冻天气影响，2015年7月29日河南省多个地区遭遇强对流天气，2015年11月23-24日，河南电网受雨雪冰冻天气影响，发生大面积覆冰舞动事件，给主网、配网的运行造成了严重影响。因此，相对准确的气象预报结果，对电网生产具有重要的意义。然而，气象部门发布的针对公共服务的气象预报产品，具有范围广、时间跨度大的特点，其空间精确度、时间准确度均不能满足电网生产的需要。然而，要进一步提高天气预报准确率，必须从大气内部的物理规律（大气动力学、热力学、质量守恒、水相变化规律等）出发，建立数学物理模型，用数学物理的方法，并借助巨型计算机技术，预测未来天气的变化，即通常所说的“数值天气预报”技术，来实现针对电网生产的精细化天气预报［3］。

2　数值天气预报的发展和应用

数值天气预报是指根据大气实际情况，在一定的初值和边值条件下，通过大型计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法［4］。

近二三十年来，随着大气科学、计算机技术、网络、存储及高速通信技术的不断发展，气象观测资料的不断增多，数值天气预报的水平也在不断提高，高分辨率（水平格距小于10km）中尺度模式研究与业务应用得到了很大发展，数值预报模式也向着统一动力模式框架、统一编码（多尺度通用、模块化）、高计算精度、非静力平衡和格点模式（非谱模式）的方向发展，变分方法、集合预报技术分别成为资料同化和解决预报不确定性的主流技术。美、英、法、加拿大、日本、中国和澳大利亚等国家先后建立了数值天气预报中心，数值天气预报已成为气象预报制作不可缺少的重要工具和手段，已经在世界各国的防灾减灾、大型工程气象保障、社会公众服务及国防建设等工作中发挥着越来越大的决策支持作用。

根据河南电网生产需求和特点，数值天气预报结果已经实现9km×9km、重点区域1km×1km、0～72h精细化预报，并在夏季强对流天气、冬季覆冰舞动事件的预报、预警过程中得到应用。

3　河南电网数值天气预报技术及应用

3.1不同来源数据预处理过程

为了给河南电网输电线路沿线制作更为精细、准确的气象要素预报产品，便于电力部门开展不同时间尺度的电力气象灾害预警工作，分以下4个步骤开展多数据源的数据预处理。

①通过精细的区域数值预报系统，得到覆盖河南省的9km分辨率的未来3d的逐小时气象要素预报；②在全省预报的基础上，再应用动力降尺度技术，得到未来3d 1km分辨率的逐小时气象要素预报；③针对风速、气温、湿度等预报要素建立预报产品订正模型，对线路周边气象要素预报场进行统计订正，得到更准确的要素预报场；④应用河南全省自动站资料，对基础背景预报场进行改进，在此基础上再进行外推预报，进一步提升预报准确率。

3.29km×9km数值天气预报计算过程及展示

数值预报采用BJRUCv3.0精细化区域数值预报系统，该预报系统基于中尺度气象模式WRF开发完成，WRF（Weather Research Forecast）模式系统是美国研究部门及大学共同参与开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统。该模式是一个完全可压非静力模式，控制方程组都写为通量形式，网格形式为Arakawa C格点。该预报系统的水平分辨率为9km，水平网格点数为400×649，垂直方向50层，具体计算预报流程如图1所示。

图1　BJRUCv3.0预报系统流程图

该预报系统中同化的观测资料不仅包括BJ-RUC同化系统中的观测资料，还同化了雷达的径向风速度和反射率因子观测资料。同时，利用卫星资料反演了土地利用类型、叶面积指数、植被覆盖度等产品，在此基础上形成了可直接应用于数值模式的产品。

基于BJRUCv3.0预报系统制作河南地区水平分辨率9km未来3d逐小时基础地面气象要素（温度、风速、湿度、雨量和冻雨等）预报结果，预报要素及时效如表1所示，预报区域如图2所示。

表1　9km数值天气预报要素及时效一览表

图2　9km分辨率数值天气预报区域

3.3重点区域1km×1km天气预报计算过程及展示

降尺度预报采用微尺度模式CALMET来进行，CALMET模式是美国环境保护署（EPA）推荐的一个网格化的复杂地形风场动力诊断模式，其利用质量守恒原理对风场进行动力诊断，主要考虑了地形对近地层大气的动力效应、斜坡气流产生和障碍物阻挡效应，并采用三维无辐散处理消除插值产生的虚假波动。

基于河南全省9km分辨率的背景预报场，采用微尺度模式CALMET模式对2个重点实验区进行动力降尺度计算，生成重点区域水平分辨率1km的预报结果，预报要素如表2所示。

表2　重点区域1km数值天气预报要素及时效一览表

重点区域选择依据，基于河南地区电网分布特点、电网气象灾害易发区域挑选2个重点降尺度计算区域，如图3所示。其中，区域1网格点数为201×161，区域2网格点数为241×161。

图3　重点区1km分辨率数值天气预报区域

4　数值天气预报在河南电网生产过程中的应用

4.1数值天气预报在“迎峰度夏”过程中的应用

“迎峰度夏”是电网生产的一个重要过程，一般从每年的6月初至9月底，整个过程中电网生产既要经受高温天气带来的电网负荷升高的考验，又要防范强对流天气给电网设备乃至整个电网运行带来的危害。

4.1.1在高温预测过程中的应用。每年的夏季，是全年平均气温最高的季节，对电网生产而言，尤其对电力负荷来说，温度有着另外的意义，日常生活中，温度越高，使用电器设备降温解暑的就越多，用电量就随之上升［5］。利用精细化的数值天气预报结果，能够对河南省范围内不同区域未来72h的温度变化情况进行较为准确的预测，电力调度部门能够根据气温变化对电力负荷和用电量作出合理预测，从而提高电网运行和社会用电的可靠性。

图4　2016年8月19日11：00-14：00高温区域预测结果展示

图4中红色区域为预测的高温区域，根据高温区域的变化，电力部门作出相应的负荷和用电量预测，为合理安排发电机组启停、电网运行方式和机组检修计划，保证社会正常生产和生活提供科学依据［6］。

4.1.2在强对流天气过程中的应用。对电网而言，强对流天气可能导致变电站停运、倒塔、线路雷击跳闸、导线舞动等突发状况发生。河南省位于中国中东部，是全国强对流天气高发区之一，夏季强对流天气对电网稳定运行和安全生产的影响较为严重［7］。利用精细化数值天气预报，能够对强降水、大风等强对流过程进行较为准确的预测，为电网调度、运维检修、应急抢修等生产过程提供必要的气象信息支撑。

图5　2016年7月18日20：00-23：00降水区域预测结果展示

4.2数值天气预报在“迎峰度冬”过程中的应用

数值天气预报结果在“迎峰度冬”过程中的应用主要体现在输电线路舞动预测上。舞动是不均匀覆冰导线在风的作用下产生的一种低频率、大振幅的自激振动，产生的危害是多方面的，轻者会发生闪络、跳闸，重者发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断线，杆塔螺栓松动、脱落，甚至倒塔，导致重大电网事故［8］。

河南省是我国舞动灾害频发的省份之一，是输电线路舞动的重灾区，1998年至2010年3月河南省共发生8次大规模舞动事故，给电网生产带来了严重威胁。目前，利用精细化的数值天气预报结果，通过周报和临近预警的方式，为河南电网的生产提供必要的舞动预测预警信息支撑。首先，以精细化数值天气预报结果为基础，结合天气预报中报，制作《舞动预测周报》，对下周极端天气进行预测；然后，再根据冻雨预测结果，对舞动预测周报进行每日更新，及时调整舞动预测区域和线路舞动概率，从而不断提高输电线路舞动预测概率准确性。利用精细化数值天气预报结果和逐日修正的舞动预测结果，成功预测了2015年11月23、24日河南电网线路大面积舞动。

图6　2015年11月24日8：00河南省75%以上概率舞动预测区域

5　结语

将精细化数值天气预报结果与河南电网生产相结合，对电网生产数据和气象预报数据进行深度融合挖掘，为“迎峰度夏”“迎峰度冬”等重要电网生产过程提供必要的、准确度和精细度较高的电力气象预测预警产品，不仅提高了电网运行的安全性，而且提高了社会生产、生活用电的可靠性。但是，在不同气象条件下电网设备乃至电网发生不同类型故障的概率预测方面仍需进一步研究、实践和完善。

［1］丁道齐.现代电网运行中的十个问题［J］.电力系统自动化，1990（3）：3-18.

［2］张峰，李继红.气象灾害对电网安全运行的危害及对策［A］//长三角电力科技分论坛论文集，2007：214-218.

［3］陈德辉，薛纪善.数值天气预报业务模式现状与展望［J］.气象学报，2004（5）：623-632.

［4］北京大学地球物理系气象专业译.数值天气预报［M］.北京：科学出版社，1975.

［5］王军，王辛方，孙仲毅，等.电力负荷与气象要素相关分析［J］.河南气象，2005（1）：35-36.

［6］董继征.电力系统负荷预测方法研究及应用［D］.长沙：湖南大学，2006.

［7］李帅，李哲，梁允，等.强对流预警技术在电网生产过程中的应用研究［J］.河南科技，2015（9）：149-152.

［8］朱宽军，张国威，付东杰，等.中国架空输电线路舞动防治技术［A］//自然灾害对电力设施的影响与应对研讨会，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

国家电网公司重大基础前瞻科技项目（SG20141187）。

梁允（1982-），男，硕士，工程师，研究方向：输变电设备状态监测、电力气象预测预警技术。