中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：習(xí)近平總書(shū)記在2020年9月22日第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出：中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。在同年12月12日的氣候雄心峰會(huì)上進(jìn)一步提出：2030年，中國(guó)單位GDP的CO2排放將比2005年下降65%以上，風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)1.2太瓦以上。
2021年9月，《中共中央國(guó)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(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》中明確要求，我國(guó)的非化石能源消費(fèi)比重在2025年2030年和2060年將分別達(dá)20%、25%和80%。當(dāng)前，我國(guó)的能源消費(fèi)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(shí)這個(gè)比例將會(huì)相互轉(zhuǎn)換，變成一個(gè)全新的“8:2”的形態(tài)，意味著在未來(lái)幾十年的時(shí)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(bào)告中提出：要深入推進(jìn)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(lái)一個(gè)全新時(shí)代。新型能源體系涵蓋能源生產(chǎn)、供給、消費(fèi)、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(fèi)體系，以及穩(wěn)定可靠的能源安全保障體系，這4個(gè)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(duì)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(guó)實(shí)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(lái)則會(huì)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(jìn)口，而出口國(guó)的氣象條件、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸和沿海氣象條件，特別是極寒、大風(fēng)災(zāi)害性天氣都會(huì)對(duì)我國(guó)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(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，對(duì)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(qiáng)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(yùn)輸易受到低能見(jiàn)度、路面結(jié)冰等惡劣天氣的影響。
能源消費(fèi)環(huán)節(jié)
能源消費(fèi)是用電用能的過(guò)程，其中的用電負(fù)荷和供暖負(fù)荷對(duì)氣溫和降水的變化非常敏感。近年來(lái)，我國(guó)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(fù)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(fù)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(guó)計(jì)民生，是須臾不可忽視的國(guó)之大者。能源安全保障貫穿了能源生產(chǎn)、供給和消費(fèi)的全過(guò)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(fèi)為主體人們又將回到“靠天吃飯”的時(shí)代。在此背景下，新能源氣象服務(wù)的工作任務(wù)、邏輯和機(jī)制將會(huì)發(fā)生深刻的變化，其定位也將從當(dāng)前面向市場(chǎng)的專業(yè)氣象服務(wù)逐步上升到為國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展服務(wù)的層面，具體來(lái)說(shuō)，包括支撐、融入、保障3個(gè)方面。
首先，以精細(xì)的資源評(píng)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(yáng)能規(guī)劃和選址取決于3個(gè)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(chǎng)站的安裝空間，“天”、“空”、“地”3種資源缺一不可。對(duì)氣象工作而言，最主要的是摸清風(fēng)光資源，對(duì)風(fēng)能太陽(yáng)能的資源參數(shù)、空間分布、變化特征等進(jìn)行精細(xì)評(píng)估，是氣象工作發(fā)揮先導(dǎo)性作用的重要支撐點(diǎn)。
根據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)，截至2024年6月，全國(guó)風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)容量分別達(dá)到467吉瓦和714吉瓦，兩者之和（1180吉瓦）已超過(guò)煤電裝機(jī)（1170吉瓦）。截至2024年7月底，我國(guó)風(fēng)電光伏裝機(jī)合計(jì)達(dá)到1206吉瓦，提前6年多實(shí)現(xiàn)了“2030年裝機(jī)容量1.2太瓦”的目標(biāo)。而截至2024年底，全國(guó)風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)已分別達(dá)到521吉瓦、887吉瓦。預(yù)計(jì)到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和時(shí)，風(fēng)能太陽(yáng)能裝機(jī)規(guī)模將要達(dá)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(yáng)能裝機(jī)，勢(shì)必要依據(jù)資源條件進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和布局，氣象工作應(yīng)以此國(guó)家需求為重點(diǎn)，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(shì)、新特點(diǎn)，進(jìn)一步開(kāi)展精細(xì)化的風(fēng)能太陽(yáng)能資源評(píng)估工作。
其次，以精準(zhǔn)的氣象預(yù)報(bào)融入新型電力系統(tǒng)，發(fā)揮氣象預(yù)報(bào)指揮棒作用。
當(dāng)前，隨著風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模越來(lái)越大在電力供應(yīng)中的占比越來(lái)越高，其固有的波動(dòng)性特征給電網(wǎng)調(diào)度、電力交易帶來(lái)的困擾也越來(lái)越大，如下圖所示，以甘肅省夏季的一段時(shí)間為例，在6月9日的“谷值”期，風(fēng)能太陽(yáng)能低發(fā)，新能源出力僅有電力負(fù)荷需求的5%，導(dǎo)致全省在用電高峰時(shí)段供應(yīng)能力不足；而在6月14日的“峰值”期，風(fēng)能太陽(yáng)能高發(fā)，新能源出力幾乎完全達(dá)到電力負(fù)荷需求，此時(shí)，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(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)供需矛盾，新能源高發(fā)時(shí)段需要低價(jià)外送促消納，新能源低發(fā)時(shí)段則需要高價(jià)購(gòu)買保供應(yīng)。這種電力系統(tǒng)中的兩難問(wèn)題和供需矛盾，近年來(lái)已在越來(lái)越多的省份出現(xiàn)，其根源就在于風(fēng)能太陽(yáng)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(shí)間新能源出力與用電負(fù)荷的關(guān)系
對(duì)此，氣象工作要發(fā)揮自身的專業(yè)特長(zhǎng)，做好風(fēng)能太陽(yáng)能預(yù)報(bào)和服務(wù)，提前3天、7天乃至更長(zhǎng)時(shí)間將風(fēng)能太陽(yáng)能的量值大小、可能變化、波動(dòng)程度等提供給電力行業(yè)，并將預(yù)報(bào)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(bào)的指揮棒作用，助力緩解電力系統(tǒng)中的兩難問(wèn)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(yùn)行，履行氣象部門職責(zé)。
近年來(lái)，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(qiáng)發(fā)的特征，對(duì)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(guó)得州出現(xiàn)大面積停電事件，占比超過(guò)30%的風(fēng)電和光伏在暴雪天氣下難以正常運(yùn)行，是其中一個(gè)重要因素。我國(guó)北方地區(qū)春季時(shí)常出現(xiàn)大范圍沙塵天氣，觀測(cè)表明，大氣中的沙塵可能導(dǎo)致地面太陽(yáng)輻射下降60%-80%，光伏組件表面的灰塵進(jìn)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(lái)，我國(guó)中東部地區(qū)夏季屢屢出現(xiàn)大范圍極端高溫天氣過(guò)程，導(dǎo)致電力負(fù)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(jiàn)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(jī)容量和發(fā)電量占比均會(huì)越來(lái)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(lái)越大。
防災(zāi)減災(zāi)是氣象工作的一項(xiàng)基本職責(zé)，做好專業(yè)化、針對(duì)性的災(zāi)害天氣預(yù)警，為能源電力系統(tǒng)提供盡可能長(zhǎng)的災(zāi)害預(yù)防時(shí)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(yùn)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(gè)方面：
以精細(xì)的風(fēng)能太陽(yáng)能資源評(píng)估支撐能源生產(chǎn);
以精準(zhǔn)的多時(shí)空尺度新能源預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)融入能源供給和消費(fèi)過(guò)程;
以精確的能源電力氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警保障能源安全。
風(fēng)能太陽(yáng)能資源評(píng)估技術(shù)進(jìn)展
● 風(fēng)能資源評(píng)估
當(dāng)前技術(shù)條件下，風(fēng)能資源開(kāi)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(gè)高度層的風(fēng)況受地形和人類活動(dòng)影響大，時(shí)空變化特征復(fù)雜。
我國(guó)開(kāi)展風(fēng)能資源評(píng)估的歷史由來(lái)已久，先后于1979－1984年、1984－1987年、2003－2006年、2007－2012年開(kāi)展了4次全國(guó)范圍的資源普查/詳查工作，技術(shù)方法也由地面觀測(cè)統(tǒng)計(jì)發(fā)展到數(shù)值模擬評(píng)估，如下圖所示。
↑ 第4次全國(guó)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(guó)家地面氣象站10米高度風(fēng)速統(tǒng)計(jì)分析，評(píng)估得到全國(guó)風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)量不足300吉瓦。此后，逐步引入國(guó)際先進(jìn)的數(shù)值模擬系統(tǒng)開(kāi)展精細(xì)化風(fēng)能資源評(píng)估。2007－2012年，由國(guó)家發(fā)改委、財(cái)政部和中國(guó)氣象局組織開(kāi)展全國(guó)第4次風(fēng)能資源詳查工作，建設(shè)400座測(cè)風(fēng)塔，研發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)能資源數(shù)值模擬系統(tǒng)，獲得全國(guó)水平分辨率1公里、垂直方向150米以下逐10米的精細(xì)化風(fēng)能資源數(shù)據(jù)集，評(píng)估得到70米和100米高度的風(fēng)能資源技術(shù)開(kāi)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(jìn)一步考慮低風(fēng)速資源開(kāi)發(fā)，評(píng)估得到全國(guó)陸地100米高度風(fēng)能資源技術(shù)開(kāi)發(fā)量為3.9太瓦，中國(guó)近海5～50米等深線內(nèi)的風(fēng)能資源技術(shù)開(kāi)發(fā)量為400吉瓦。這些研究成果有力地支撐了我國(guó)“十二五”、 “十三五”、 “十四五”期間風(fēng)電大規(guī)模開(kāi)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(jī)組呈現(xiàn)大型化的發(fā)展趨勢(shì)。單臺(tái)風(fēng)電機(jī)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(jī)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(lái)越大。
這種發(fā)展趨勢(shì)為風(fēng)能資源評(píng)估帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)：
首先，風(fēng)能利用高度超過(guò)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(jiǎn)單的指數(shù)率描述；
其次，簡(jiǎn)單以輪轂高度處的風(fēng)速近似代表整個(gè)掃風(fēng)面積，進(jìn)行風(fēng)功率密度計(jì)算的方法，可能出現(xiàn)越來(lái)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(chǎng)計(jì)算不能滿足大型風(fēng)電機(jī)組的等效風(fēng)功率密度計(jì)算精度要求。對(duì)此，國(guó)際電工學(xué)會(huì)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IEC61400-12-1）中提出，應(yīng)采用葉輪等效風(fēng)速評(píng)估風(fēng)功率密度和發(fā)電量，并給出了具體的計(jì)算方法，為風(fēng)能資源的技術(shù)發(fā)展指明了方向。
● 太陽(yáng)能資源評(píng)估
太陽(yáng)能資源評(píng)估的實(shí)質(zhì)是對(duì)到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射的準(zhǔn)確計(jì)算，包括總輻射、直接輻射、散射輻射3個(gè)要素。
我國(guó)自上世紀(jì)八十年代開(kāi)始開(kāi)展太陽(yáng)能資源評(píng)估，王炳忠等于1980年首次從資源角度給出了全國(guó)總輻射空間分布。此后，利用氣象臺(tái)站觀測(cè)日照時(shí)數(shù)，采用氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)方法，研究工作者對(duì)全國(guó)的總輻射、直接輻射、散射輻射進(jìn)行了更多的計(jì)算和評(píng)估，中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能中心在此基礎(chǔ)上利用近百個(gè)輻射站和2400多個(gè)站點(diǎn)日照時(shí)數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展全國(guó)太陽(yáng)能資源業(yè)務(wù)化評(píng)估，每年年初發(fā)布《中國(guó)風(fēng)能太陽(yáng)能資源年景公報(bào)》。近年來(lái)，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(kāi)展精細(xì)化太陽(yáng)能資源評(píng)估成為主流。研究人員利用風(fēng)云四號(hào)A星（FY-4A）構(gòu)建太陽(yáng)能資源精細(xì)化監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)千米級(jí)、逐小時(shí)太陽(yáng)能資源精細(xì)化監(jiān)測(cè)和評(píng)估，如下圖所示。
↑ 全國(guó)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(yáng)能資源開(kāi)發(fā)的最大特點(diǎn)是利用方式多樣化。從大的方面看，主要分為太陽(yáng)能熱利用和太陽(yáng)能發(fā)電2種方式；而太陽(yáng)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(bǔ)、漁光互補(bǔ)、牧光互補(bǔ)等。
由此，太陽(yáng)能資源評(píng)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(yáng)輻射精確求解；
在工程應(yīng)用方面，針對(duì)每種太陽(yáng)能利用方式的差異和特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)對(duì)可利用輻射能量的準(zhǔn)確計(jì)算。對(duì)此，已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分別從資源測(cè)量、等級(jí)劃分、評(píng)估方法等方面進(jìn)行了規(guī)范性要求，今后還需要針對(duì)更多太陽(yáng)能利用方式發(fā)展新的評(píng)估技術(shù)。
● 風(fēng)能太陽(yáng)能資源技術(shù)開(kāi)發(fā)量評(píng)估
空間分布、等級(jí)區(qū)劃、時(shí)間變化等是風(fēng)能太陽(yáng)能資源評(píng)估的主要內(nèi)容。除此之外，風(fēng)能太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃和布局還關(guān)注區(qū)域的技術(shù)開(kāi)發(fā)量，即在現(xiàn)行技術(shù)條件下，剔除制約風(fēng)電、光伏開(kāi)發(fā)的自然和社會(huì)因素后，1個(gè)區(qū)域的風(fēng)電、光伏可裝機(jī)容量。評(píng)估技術(shù)開(kāi)發(fā)量，主要考慮2個(gè)方面的因素：
首先是裝機(jī)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(jī)容量，其中風(fēng)電裝機(jī)容量系數(shù)與單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組額定功率、葉輪直徑、風(fēng)機(jī)之間的尾流效應(yīng)等有關(guān)，光伏裝機(jī)容量系數(shù)與緯度以及單個(gè)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(kāi)發(fā)因素和限制開(kāi)發(fā)因素，其中不可開(kāi)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(kāi)發(fā)）、自然因素（如生態(tài)保護(hù)紅線、自然保護(hù)地、永久基本農(nóng)田等）、社會(huì)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(kāi)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(guó)家和地方政府的相關(guān)政策，設(shè)置合理的開(kāi)發(fā)比例。
風(fēng)能太陽(yáng)能資源技術(shù)開(kāi)發(fā)量，通常是以省、市、縣級(jí)行政區(qū)域或特定區(qū)域?yàn)閱挝贿M(jìn)行評(píng)估，摸清區(qū)域內(nèi)的開(kāi)發(fā)潛力，為碳中和目標(biāo)下各級(jí)政府制定科學(xué)的新能源開(kāi)發(fā)路徑，明確優(yōu)先開(kāi)發(fā)區(qū)提供技術(shù)支撐。
● 新一輪風(fēng)能太陽(yáng)能資源普查工作
為應(yīng)對(duì)新型能源體系下新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)的資源需求，以更大力度推動(dòng)新能源高質(zhì)量發(fā)展，國(guó)家又組織實(shí)施了新一輪風(fēng)能太陽(yáng)能資源普查工作。2024年5月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局、自然資源部、生態(tài)環(huán)境部、中國(guó)氣象局、國(guó)家林草局等6部門發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展風(fēng)電和光伏資源普查試點(diǎn)工作的通知》（國(guó)能發(fā)新能〔2024〕43號(hào)），明確在河北、內(nèi)蒙古、上海、浙江、西藏、青海等6個(gè)?。▍^(qū)、市）率先開(kāi)展風(fēng)電和光伏發(fā)電資源普查試點(diǎn)工作，要求試點(diǎn)地區(qū)根據(jù)自身資源稟賦，因地制宜開(kāi)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(guó)氣象局又進(jìn)一步制定了《風(fēng)電和光伏發(fā)電資源普查試點(diǎn)氣象部門工作方案》（氣辦發(fā)〔2024〕54號(hào)），要求通過(guò)資源普查試點(diǎn)，優(yōu)化完善資源普查工作機(jī)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(gè)試點(diǎn)省份資源狀況，支撐試點(diǎn)地區(qū)新能源科學(xué)規(guī)劃布局和開(kāi)發(fā)建設(shè)，為全國(guó)開(kāi)展風(fēng)光發(fā)電資源普查積累經(jīng)驗(yàn)并奠定工作基礎(chǔ)。
本次資源普查工作要求，原則上試點(diǎn)地區(qū)陸上各縣應(yīng)至少保證1個(gè)180米高度的風(fēng)資源觀測(cè)點(diǎn)和1個(gè)太陽(yáng)能輻射觀測(cè)點(diǎn)，并至少實(shí)現(xiàn)連續(xù)3年有效觀測(cè)；原則上沿海試點(diǎn)地區(qū)海上至少保證5個(gè)200米高度的風(fēng)資源觀測(cè)點(diǎn)和5個(gè)太陽(yáng)能輻射觀測(cè)點(diǎn)，并至少實(shí)現(xiàn)連續(xù)3年有效觀測(cè)；具備海洋能開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)的沿海試點(diǎn)地區(qū)，可根據(jù)各省情況開(kāi)展潮流能、波浪能基本要素的觀測(cè)。豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)，將為資源普查工作奠定堅(jiān)實(shí)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(xì)化的全國(guó)風(fēng)能太陽(yáng)能資源數(shù)據(jù)集，時(shí)間分辨率為1小時(shí)，水平分辨率達(dá)到1公里，風(fēng)能資源在垂直方向?yàn)?0～300米逐10米。相比于以往的資源普查成果，本次的技術(shù)進(jìn)展主要體現(xiàn)在3個(gè)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(cè)數(shù)據(jù)的價(jià)值；
數(shù)據(jù)集具備時(shí)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)滿足風(fēng)電開(kāi)發(fā)的需求。目前，資源普查各項(xiàng)工作正在如期推進(jìn)，第一批技術(shù)指南即將正式發(fā)布。
風(fēng)能太陽(yáng)能預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)展
● 風(fēng)能太陽(yáng)能氣象預(yù)報(bào)需求
風(fēng)能太陽(yáng)能預(yù)報(bào)包括2個(gè)主要環(huán)節(jié)：氣象要素的預(yù)報(bào)，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(cè)。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《調(diào)度側(cè)風(fēng)電或光伏功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求》（GB/T40607－2021）對(duì)此做了明確規(guī)定。從預(yù)報(bào)時(shí)效上，該標(biāo)準(zhǔn)分為4個(gè)時(shí)段：
未來(lái)12個(gè)月、逐月的長(zhǎng)期電量預(yù)測(cè)；
未來(lái)240小時(shí)、逐15分鐘的中期功率預(yù)測(cè)；
未來(lái)72小時(shí)、逐15分鐘的短期功率預(yù)測(cè)；
未來(lái)15分鐘～4小時(shí)、逐15分鐘的超短期功率預(yù)測(cè)。
其中，對(duì)中期、短期和超短期的功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率也做了具體要求，如風(fēng)電場(chǎng)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(duì)于氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)中提了2類需求：
氣候預(yù)測(cè)，包括次月起到未來(lái)12個(gè)月的逐月平均風(fēng)速、總輻照度、溫度等；
數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，包括次日零時(shí)起到未來(lái)240小時(shí)、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(gè)區(qū)域電網(wǎng)結(jié)合本地區(qū)實(shí)際情況，對(duì)風(fēng)電和光伏發(fā)電的功率預(yù)測(cè)及考核辦法做了更為細(xì)致的要求，即“雙細(xì)則”。
下表對(duì)比了風(fēng)能太陽(yáng)能氣象預(yù)報(bào)與常規(guī)天氣預(yù)報(bào)的差異，從下表可以看出，無(wú)論是預(yù)報(bào)要素、預(yù)報(bào)時(shí)效，還是時(shí)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(yáng)能氣象預(yù)報(bào)的要求遠(yuǎn)高于常規(guī)天氣預(yù)報(bào)，這也為新能源氣象預(yù)報(bào)服務(wù)帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。
↑ 風(fēng)能太陽(yáng)能氣象預(yù)報(bào)與常規(guī)天氣預(yù)報(bào)的對(duì)比
對(duì)于不同預(yù)報(bào)時(shí)效，要采用不同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)方法，IEC標(biāo)準(zhǔn)Renewable Energy Power Forecasting Technology（IECTR63043:2020）對(duì)此進(jìn)行了全面論述。以光伏功率預(yù)測(cè)為例，如下圖所示，對(duì)于小時(shí)級(jí)的超短期預(yù)報(bào)，要基于地表太陽(yáng)輻射或地基云量觀測(cè)，或星基衛(wèi)星遙感觀測(cè)，采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)或機(jī)器學(xué)習(xí)理論進(jìn)行外推預(yù)報(bào)，地基觀測(cè)通常只能覆蓋單一的場(chǎng)站范圍，而衛(wèi)星遙感則可以覆蓋較大的區(qū)域范圍；對(duì)于24小時(shí)以上的短中期預(yù)報(bào)，則要基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式，或采用多模式集成（集合）的方法獲得長(zhǎng)時(shí)效預(yù)報(bào)結(jié)果。以下按照不同預(yù)報(bào)時(shí)效，介紹中國(guó)氣象局現(xiàn)有的相關(guān)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)產(chǎn)品。
↑ 不同時(shí)空尺度的光伏發(fā)電氣象預(yù)報(bào)和功率預(yù)測(cè)
● 風(fēng)能太陽(yáng)能超短期預(yù)報(bào)
風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速超短期預(yù)報(bào)主要是對(duì)數(shù)值模式前4小時(shí)預(yù)報(bào)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(bào)系統(tǒng)（“睿圖睿思”系統(tǒng)），在數(shù)值預(yù)報(bào)模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量地面觀測(cè)資料和高分辨率地形信息，利用動(dòng)力降尺度手段和融合預(yù)報(bào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地形下、10分鐘更新的百米級(jí)陣風(fēng)預(yù)報(bào)，并在2022年北京冬季奧運(yùn)會(huì)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速預(yù)報(bào)的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)背景場(chǎng)、不同融合算法、模型關(guān)鍵參數(shù)等的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)輪轂高度（100米）未來(lái)4小時(shí)風(fēng)速預(yù)報(bào)的改進(jìn)，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(yáng)能短中期預(yù)報(bào)
72～240小時(shí)的風(fēng)能太陽(yáng)能短中期預(yù)報(bào)，均要基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式進(jìn)行。當(dāng)前，能源電力行業(yè)主要基于國(guó)外數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，如歐洲預(yù)報(bào)中心（EC）的高分辨率預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、美國(guó)國(guó)家氣象局（NOAA）的NCEP等格點(diǎn)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品，以及丹麥ConWx、西班牙Meteologica等單點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品。中國(guó)氣象局則致力于研發(fā)國(guó)產(chǎn)自主、專業(yè)化的風(fēng)能太陽(yáng)能數(shù)值預(yù)報(bào)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(jìn)地表太陽(yáng)輻射和近地層風(fēng)速預(yù)報(bào)參數(shù)化方案，優(yōu)化長(zhǎng)時(shí)效、高時(shí)間分辨率預(yù)報(bào)輸出的運(yùn)行策略，發(fā)展形成專業(yè)化的風(fēng)能太陽(yáng)能數(shù)值預(yù)報(bào)模式RMAPS-Wind。中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心在該數(shù)值預(yù)報(bào)模式的基礎(chǔ)上，搭建產(chǎn)品制作和省級(jí)下發(fā)的業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)，即中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)（CMA-WSP），該系統(tǒng)于2022年3月向省級(jí)氣象部門下發(fā)1.0版本的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，于2023年5月升級(jí)為2.0版本。2.0版本的預(yù)報(bào)凈時(shí)效為336小時(shí)，時(shí)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(diǎn)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(guó)各省級(jí)氣象部門的能源氣象服務(wù)中得到廣泛應(yīng)用。
此外，中國(guó)氣象局還組織相關(guān)單位基于自主開(kāi)發(fā)的區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式（CMA-Meso）發(fā)展專業(yè)化的風(fēng)能太陽(yáng)能數(shù)值預(yù)報(bào)模式，通過(guò)10米風(fēng)診斷方案改進(jìn)、輻射參數(shù)化方案優(yōu)化，并將模式輸出頻次由1小時(shí)提高至15分鐘，初步實(shí)現(xiàn)未來(lái)72小時(shí)的風(fēng)能太陽(yáng)能預(yù)報(bào)。
多模式集成是提升風(fēng)能太陽(yáng)能短中期預(yù)報(bào)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(chǎng)站的風(fēng)光觀測(cè)為真值，利用LightGBM模型，經(jīng)過(guò)特征工程提取、回歸集成模型訓(xùn)練，構(gòu)建了針對(duì)場(chǎng)站的風(fēng)能太陽(yáng)能預(yù)報(bào)的多模式集成模型，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，特別在少云、陰天情況下效果顯著。
● 風(fēng)能太陽(yáng)能月尺度預(yù)報(bào)
風(fēng)能太陽(yáng)能月尺度預(yù)報(bào)既可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法實(shí)現(xiàn)，也可以基于氣候預(yù)測(cè)模式獲得。國(guó)家氣候中心在已有國(guó)家級(jí)氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，研制風(fēng)能太陽(yáng)能資源綜合預(yù)測(cè)產(chǎn)品和模式客觀化預(yù)測(cè)產(chǎn)品，主要內(nèi)容包括未來(lái)1個(gè)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(cè)的文字、圖形產(chǎn)品及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，并于每月月中面向省級(jí)氣象部門下發(fā)。一方面能夠提高電網(wǎng)安全和國(guó)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(zhǎng)期交易。
● 中國(guó)氣象局SDP示范計(jì)劃
2023年7月，中國(guó)氣象局組織實(shí)施風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)電精細(xì)化氣象服務(wù)示范計(jì)劃（SDP），這是氣象服務(wù)領(lǐng)域首個(gè)示范計(jì)劃。該示范計(jì)劃搭建統(tǒng)一的預(yù)報(bào)檢驗(yàn)平臺(tái)，從風(fēng)能太陽(yáng)能區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)、基于CMA-WSP的風(fēng)光場(chǎng)站短期氣象預(yù)報(bào)、風(fēng)光場(chǎng)站短期功率預(yù)測(cè)、風(fēng)光場(chǎng)站超短期功率預(yù)測(cè)等4個(gè)方面，對(duì)全國(guó)氣象部門28個(gè)單位的122個(gè)預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行為期2個(gè)月的檢驗(yàn)和對(duì)比，旨在遴選優(yōu)秀的風(fēng)能太陽(yáng)能預(yù)報(bào)技術(shù)和模型，提升風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)電精細(xì)化氣象服務(wù)的技術(shù)能力和產(chǎn)品質(zhì)量。檢驗(yàn)結(jié)果表明：
在區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)方面，與EC的高分辨率預(yù)報(bào)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(bào)還存在一定差距；
在風(fēng)光場(chǎng)站短期氣象預(yù)報(bào)方面，采用機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)方法對(duì)CMA-WSP的產(chǎn)品進(jìn)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(jià)值；
在風(fēng)光場(chǎng)站短期功率預(yù)測(cè)方面，24小時(shí)的最優(yōu)功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率能夠滿足GB/T40607－2021和區(qū)域電網(wǎng)“雙細(xì)則”的考核要求，同時(shí)也比場(chǎng)站現(xiàn)有功率預(yù)測(cè)產(chǎn)品的準(zhǔn)確率高2%。
當(dāng)前，中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心在上述工作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步打造基于SDP的國(guó)省一體化功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，包括后臺(tái)支撐子系統(tǒng)和場(chǎng)站端功率預(yù)測(cè)子系統(tǒng)，其中的核心模塊是在后臺(tái)支撐端構(gòu)建氣象預(yù)報(bào)訂正和功率預(yù)測(cè)算法的模型池，將SDP示范計(jì)劃中形成的優(yōu)秀算法納入其中，針對(duì)所服務(wù)風(fēng)光場(chǎng)站的特點(diǎn)，進(jìn)一步遴選形成最優(yōu)氣象預(yù)報(bào)和功率預(yù)測(cè)產(chǎn)品，從而在技術(shù)組織上實(shí)現(xiàn)國(guó)、省兩級(jí)一體化的風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)電精細(xì)化氣象服務(wù)。
以上對(duì)新型能源體系中的氣象工作和相關(guān)技術(shù)進(jìn)展進(jìn)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(gè)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(gè)方面：以精細(xì)的風(fēng)能太陽(yáng)能資源評(píng)估支撐能源生產(chǎn)；以精準(zhǔn)的多時(shí)空尺度新能源預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)融入能源供給和消費(fèi)過(guò)程；以精確的能源電力氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警保障能源安全。
風(fēng)能太陽(yáng)能資源評(píng)估技術(shù)從氣象站觀測(cè)統(tǒng)計(jì)發(fā)展到精細(xì)化的數(shù)值模擬和衛(wèi)星遙感反演，時(shí)空分辨率和準(zhǔn)確性顯著提升，但也面臨著風(fēng)電機(jī)組大型化、太陽(yáng)能利用多元化所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，需要不斷發(fā)展新的資源評(píng)估技術(shù)應(yīng)對(duì)能源行業(yè)需求。
風(fēng)能太陽(yáng)能預(yù)報(bào)包括超短期、短期、中期和長(zhǎng)期等多個(gè)時(shí)間尺度，不同時(shí)間尺度需要采用不同的預(yù)報(bào)技術(shù)和方法。風(fēng)速預(yù)報(bào)受大氣環(huán)流和局地地形的影響，輻照度預(yù)報(bào)則取決于云和氣溶膠的變化，從物理機(jī)制上而言，風(fēng)能太陽(yáng)能預(yù)報(bào)涉及到天氣預(yù)報(bào)學(xué)科的根本，其準(zhǔn)確率的提升需要方法論的突破。對(duì)于風(fēng)光場(chǎng)站而言，針對(duì)局地特點(diǎn)和場(chǎng)站運(yùn)行情況，基于人工智能技術(shù)，“一場(chǎng)一策”構(gòu)建氣象預(yù)報(bào)訂正和功率預(yù)測(cè)模型，將是提升預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的重要手段。
國(guó)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(kāi)發(fā)利用、規(guī)劃布局、建設(shè)運(yùn)行和調(diào)配儲(chǔ)運(yùn)氣象服務(wù)水平，強(qiáng)化氣候資源合理開(kāi)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(qiáng)化科技創(chuàng)新和社會(huì)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(xiàn)。
