湯天然，楊 林，周明飛，袁 晨，李 剛，吳昌航

(貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

0 引言

貴州能源資源豐富，具有“水火互濟(jì)、多能互補(bǔ)”的特點。經(jīng)過多年發(fā)展，能源產(chǎn)業(yè)已成為貴州重要支柱產(chǎn)業(yè)。經(jīng)調(diào)研，截止2021年10月，全省電力裝機(jī)容量(6000 kW以上)7142萬kW，其中，水、風(fēng)、光等可再生能源裝機(jī)達(dá)到3634萬kW，占比超過50%；非水可再生新能源裝機(jī)1637萬kW，占比由2016年的7.5%上升至22.9%，其中風(fēng)力發(fā)電占比15.9%，光伏發(fā)電占比29.1%。

雖然新能源發(fā)電技術(shù)已相對成熟并被廣泛應(yīng)用，但相較于傳統(tǒng)火電廠，以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電為主的新能源在發(fā)電生產(chǎn)過程中容易受到風(fēng)速、風(fēng)向、日照、氣溫、氣壓等環(huán)境因素的影響，其隨機(jī)性、波動性與不可控性比較大。大規(guī)模新能源并入電網(wǎng)時，會給系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及電力調(diào)度帶來巨大挑戰(zhàn)。因此，合理用好氣候資源、充分利用氣象要素監(jiān)測和預(yù)報，將對新能源發(fā)電“趨利避害”產(chǎn)生積極作用。

1 貴州地理氣候特點以及新能源建設(shè)布局

貴州地處青藏高原東南側(cè)、云貴高原東斜坡上[1]，是高聳于四川盆地和廣西丘陵間的強(qiáng)烈?guī)r溶化高原山區(qū)，山地和丘陵占全省總面積的97%。境內(nèi)地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，地形破碎平整度較差，氣候環(huán)境復(fù)雜，受靜止鋒影響，在秋冬春季，會存在明顯的“晴陰雨”分界，并存在不規(guī)律的日變化；而近地風(fēng)場受地形影響波動較大，風(fēng)速風(fēng)向變化缺乏規(guī)律。

貴州省光伏發(fā)電主要分布于省的西部地區(qū)[2]，南部邊緣也有少量分布(圖1)，以集中式光伏電站為主，分布式為輔，但集中式光伏電站受貴州地形影響，大部分修建于山坡、丘陵區(qū)域，同一電站光伏板分布也缺乏朝向、排列、海拔、位置的一致性。風(fēng)力發(fā)電同樣受地形影響，主要分布于烏蒙山脈、苗嶺山脈、大婁山山脈、武陵山南段山脈、雷公山區(qū)域，沿山脊線、山頂區(qū)域修建居多，在運(yùn)行時的偏航角、排列布局、風(fēng)機(jī)軸海拔、位置上同樣缺乏一致性和規(guī)律性(圖2)。因此，復(fù)雜的氣候背景和氣象要素的不確定性，對結(jié)合氣象要素進(jìn)行新能源功率預(yù)測服務(wù)提出了更嚴(yán)格的要求，也對貴州氣象事業(yè)更深入服務(wù)和切入“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[3-4]。

圖1 貴州光伏發(fā)電站分布

圖2 貴州風(fēng)力發(fā)電站分布

2 國內(nèi)和貴州氣象服務(wù)新能源功率預(yù)測等能力的現(xiàn)狀

風(fēng)能、太陽能功率預(yù)測氣象服務(wù)能力在國家級和諸多省份建設(shè)取得明顯進(jìn)展，但整體產(chǎn)業(yè)價值依舊偏低，服務(wù)效益不高，原因主要體現(xiàn)在：①風(fēng)能、太陽能資源精細(xì)化監(jiān)測能力不足。目前的觀測體系主要針對暴雨、雷電等傳統(tǒng)普惠防災(zāi)減災(zāi)體系構(gòu)建，尚未實現(xiàn)對標(biāo)新能源功率預(yù)測等運(yùn)營需求的氣象要素的高分辨、廣覆蓋、全要素的長時間連續(xù)性觀測。②預(yù)報核心科技支撐能力不足。國產(chǎn)數(shù)值預(yù)報模式對風(fēng)能、太陽能精細(xì)化、無縫隙、全要素預(yù)報支撐不足，缺乏對多層高度風(fēng)機(jī)輪轂高度風(fēng)速和地面太陽輻照度等專業(yè)需求開展針對性改進(jìn)和提升。③業(yè)務(wù)體系不健全和布局不夠科學(xué)。目前新能源氣象服務(wù)缺乏國省聯(lián)動機(jī)制，標(biāo)準(zhǔn)、品牌和產(chǎn)品缺乏整體性和統(tǒng)一性，研究和服務(wù)分散，未能將技術(shù)、人才等資源科學(xué)整合。④觀測、預(yù)報、服務(wù)建設(shè)缺乏標(biāo)準(zhǔn)和體系，數(shù)據(jù)間融合難以對標(biāo)，服務(wù)質(zhì)量難以客觀評價。

貴州省氣象部門對風(fēng)、光新能源的氣象服務(wù)起始于2010年前后，但到目前為止，主要以提供氣候評估和生態(tài)評估報告為主，服務(wù)場景較為分散，一次性服務(wù)偏多，服務(wù)支撐不足，服務(wù)效益較低，問題主要體現(xiàn)在：①觀測能力方面，貴州省對太陽能和風(fēng)能所需的相關(guān)氣象要素的長時間序列觀測較為缺乏。貴州省曾建有11個地面輻射站點，但近年來僅貴陽站(站號：57816)具備對輻射相關(guān)所有要素的標(biāo)準(zhǔn)化、業(yè)務(wù)化觀測能力；而對邊界層近地風(fēng)場的分層觀測目前仍處于起步狀態(tài)，僅有3部風(fēng)廓線雷達(dá)支撐，且受地面粗糙度變化干擾影響，風(fēng)廓線雷達(dá)觀測誤差存在一定程度垂直相關(guān)[5]，因此若無鐵塔觀測互補(bǔ)，對相關(guān)要素觀測精度也會受影響。②預(yù)報能力方面，在《預(yù)報司關(guān)于下發(fā)風(fēng)能太陽能預(yù)報現(xiàn)階段氣象支撐產(chǎn)品清單的函》(氣預(yù)函〔2021〕68號)文下發(fā)之前，貴州省暫無針對風(fēng)電、光伏所需要素進(jìn)行業(yè)務(wù)化服務(wù)的中尺度預(yù)報產(chǎn)品，包括輻射產(chǎn)品、低空風(fēng)速產(chǎn)品等。同時，受制于觀測設(shè)施，對相關(guān)要素進(jìn)行本地化、時空降尺度檢驗分析時，缺乏數(shù)據(jù)支撐。因此，在新能源對精細(xì)服務(wù)的需求下，摸清復(fù)雜山地環(huán)境天氣氣候規(guī)律存在難度。③業(yè)務(wù)體系方面，目前貴州省體系化的氣象服務(wù)以普惠和對政府防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)等為主，但面向新能源行業(yè)的專業(yè)氣象服務(wù)，暫無流程化、平臺化、標(biāo)準(zhǔn)化的全流程服務(wù)支撐體系、規(guī)范和制度。④信息數(shù)據(jù)共享壁壘，貴州氣象部門積極響應(yīng)貴州省“大數(shù)據(jù)”發(fā)展戰(zhàn)略，積極推動氣象數(shù)據(jù)共享開放，以此挖掘開發(fā)利用場景，但是新能源等行業(yè)數(shù)據(jù)開放程度的缺乏，導(dǎo)致數(shù)據(jù)難以有效融合，服務(wù)模式難以深入挖掘。

3 市場需求與支撐困境

根據(jù)貴州省新能源建設(shè)情況和“十四五”期間規(guī)劃，目前和未來氣象服務(wù)新能源行業(yè)主要將針對水風(fēng)光一體化、風(fēng)光水火儲一體化、多能互補(bǔ)等綜合能源開發(fā)等以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)氣象服務(wù)[7]。

短期來看，新能源對氣象服務(wù)需求以新能源功率預(yù)測的市場空間較大。功率預(yù)測板塊在2021年已被納入《風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電站設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 51437-2021)》中，預(yù)報預(yù)測系統(tǒng)和氣象要素觀測系統(tǒng)隨建設(shè)時標(biāo)配[6]。但是經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，貴州省對新能源電力上網(wǎng)考核制度和規(guī)則暫時缺乏，使得預(yù)測業(yè)務(wù)平臺使用價值難以轉(zhuǎn)換為商業(yè)價值，因此投資建設(shè)時一般不會在此版塊進(jìn)行較大投入，平臺系統(tǒng)通常以低價的預(yù)報系統(tǒng)的模式產(chǎn)品支撐，觀測設(shè)備等一般不會規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化安裝。

同時，受制于貴州復(fù)雜地形下導(dǎo)致的復(fù)雜山地氣候背景，現(xiàn)有的天氣要素預(yù)測產(chǎn)品的準(zhǔn)確度、空間分辨率等難以迅速滿足發(fā)電企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)的精細(xì)時空分辨率要求，若缺乏強(qiáng)有力的資金補(bǔ)貼和考核帶來的商業(yè)價值驅(qū)動支持，技術(shù)能力建設(shè)和提升功率預(yù)測能力的邊際效益較低。

隨著電力體制改革的進(jìn)一步深化，電力市場交易、電力現(xiàn)貨市場的啟動，以新能源為主導(dǎo)的新型電力系統(tǒng)產(chǎn)生的“電力商品”將具有“金融屬性”。然而，現(xiàn)階段電力交易市場中二級市場還未成型，相關(guān)規(guī)則還未成熟，如何將天氣實況要素變化和預(yù)測預(yù)報的不確定性與電價波動建立量化關(guān)系，并在電力現(xiàn)貨交易中通過金融手段形成利差以反哺氣象服務(wù)，其中的服務(wù)模式和商業(yè)模式還需要挖掘。

4 解決方案及建議

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的持續(xù)推進(jìn)，新能源的運(yùn)營與市場必然會對專業(yè)氣象服務(wù)有極大的需求，氣象服務(wù)也將會和新能源的發(fā)展產(chǎn)生良性互動。為進(jìn)一步對標(biāo)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下的新能源發(fā)展，對新能源氣象服務(wù)的建設(shè)首先應(yīng)解決觀測精密的需求?？梢栽诳h氣象局等地建立標(biāo)準(zhǔn)化的能源氣象觀測基地，建設(shè)時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有新能源設(shè)施建設(shè)分布和規(guī)劃合理組網(wǎng)，適度加密，并通過實況格點技術(shù)形成連續(xù)、無縫隙、全要素的觀測數(shù)據(jù)覆蓋；其次，對新能源功率的預(yù)報預(yù)測能力提升應(yīng)有針對性的加強(qiáng)，推動對國產(chǎn)預(yù)報模式中相關(guān)新產(chǎn)品的運(yùn)用，利用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法進(jìn)一步提升模式產(chǎn)品的本地性能。同時，在以新能源功率預(yù)測切入新能源氣象服務(wù)后，還應(yīng)進(jìn)一步挖掘未來以新能源為主的新型電力系統(tǒng)中“源網(wǎng)荷儲”各個環(huán)節(jié)對氣象要素監(jiān)測和預(yù)報需求，實現(xiàn)服務(wù)范圍全覆蓋，服務(wù)環(huán)節(jié)全流程，服務(wù)模式多元化。最后，對業(yè)務(wù)體系和服務(wù)模式，也應(yīng)有針對性的提升和組織，實現(xiàn)國省氣象部門制定標(biāo)準(zhǔn)，國省氣象部門+社會科研主體(院校、企業(yè)、專業(yè)團(tuán)隊)推動技術(shù)研發(fā)，業(yè)務(wù)體系實現(xiàn)省級指導(dǎo)產(chǎn)品、市州輸送產(chǎn)品、縣區(qū)推廣產(chǎn)品聯(lián)動。并同時加強(qiáng)與能源部門、能源企業(yè)合作，將人才、技術(shù)、數(shù)據(jù)等資源科學(xué)有效融合，共同挖掘其中的服務(wù)模式和商業(yè)模式，提升產(chǎn)品服務(wù)效益，推動產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)。

5 結(jié)論

①貴州地理特征獨特，導(dǎo)致新能源設(shè)施建設(shè)布局和影響其運(yùn)行的天氣氣候因素較為復(fù)雜，因此對功率預(yù)測的難度和技術(shù)配套要求較高。

②新能源功率預(yù)測，作為氣象服務(wù)切入“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下的新能源建設(shè)的重要主體，目前國內(nèi)和貴州省氣象部門在觀測、預(yù)報、服務(wù)、運(yùn)營和管理機(jī)制等方面還有較大的提升空間。

③氣象業(yè)務(wù)服務(wù)體系發(fā)展和新能源產(chǎn)業(yè)的需求銜接還有較大的空間，且不僅局限在技術(shù)，還包括標(biāo)準(zhǔn)、體系和商業(yè)模式等方面。

④隨著氣象部門的能力提升，對內(nèi)管理和對外合作體系完善，同時以新能源為主的新型電力系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展和電力體制改革的日趨成熟，將為氣象深度服務(wù)新能源產(chǎn)業(yè)帶來更多場景和服務(wù)效益。