基于氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)降尺度預(yù)測(cè)方法及應(yīng)用研究

張鋒，張怡，裘愉濤，王少華，張秋實(shí)，唐律，莫建國(guó)

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007；2.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

近年來(lái)，在全球變暖背景下超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)極端氣象災(zāi)害發(fā)生頻率和強(qiáng)度增大[1]，其對(duì)電力設(shè)施影響和危害加劇[2-3]。臺(tái)風(fēng)引起的強(qiáng)風(fēng)暴雨會(huì)對(duì)電網(wǎng)尤其是輸電網(wǎng)造成大范圍故障和設(shè)備損壞，給事故處置和電網(wǎng)搶修帶來(lái)巨大壓力。隨著電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大，輸電通道日益緊張，處于復(fù)雜地貌及臺(tái)風(fēng)風(fēng)口區(qū)域內(nèi)的輸電線日漸增加，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)更為嚴(yán)峻考驗(yàn)[4-5]。

目前，國(guó)內(nèi)主流臺(tái)風(fēng)氣象預(yù)警系統(tǒng)提供的臺(tái)風(fēng)信息主要包括臺(tái)風(fēng)中心位置、中心風(fēng)力、臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈、臺(tái)風(fēng)路徑等大尺度信息，簡(jiǎn)單通過(guò)線性插值算法或者簡(jiǎn)單的臺(tái)風(fēng)模型來(lái)推算電力設(shè)施所處位置的風(fēng)速信息，例如華東電網(wǎng)從氣象部門(mén)獲取臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)信息并接入安全穩(wěn)定防御系統(tǒng)來(lái)生成預(yù)想故障集[6]。實(shí)際上，文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)提出的預(yù)想故障集建立在利用臺(tái)風(fēng)路徑走向和風(fēng)圈影響等大尺度數(shù)據(jù)上，而沒(méi)有實(shí)際考慮百米尺度復(fù)雜微地形風(fēng)速對(duì)輸電線造成的可能影響。實(shí)際生產(chǎn)中，同樣的10 級(jí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈，有些輸電線處于風(fēng)口位置，風(fēng)速很大，而有些恰好處于背風(fēng)面等，風(fēng)速很小。該類方法不考慮百米尺度下復(fù)雜微地形影響，存在預(yù)測(cè)模擬能力不足問(wèn)題[7]。近年來(lái)，通過(guò)臺(tái)風(fēng)動(dòng)力降尺度方法的引入，較好地實(shí)現(xiàn)將低分辨率的廣域臺(tái)風(fēng)信息預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)換為考慮微地形的高分辨率臺(tái)風(fēng)風(fēng)力預(yù)測(cè)。但文獻(xiàn)[8]也提出由于臺(tái)風(fēng)是一個(gè)高度非平穩(wěn)、非中性層結(jié)的復(fù)雜天氣系統(tǒng)，而目前的動(dòng)力降尺度研究多是基于平穩(wěn)大氣、中性層結(jié)這一假設(shè)，動(dòng)力預(yù)測(cè)依然存在部分場(chǎng)景出現(xiàn)較大偏差的問(wèn)題，要提高其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，引入統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)完成修正成為現(xiàn)實(shí)需求。

伴隨近年來(lái)中國(guó)智能電網(wǎng)持續(xù)建設(shè)與發(fā)展[9]，大量電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取、及時(shí)傳輸和科學(xué)利用已經(jīng)成為可能[10-12]。如果能通過(guò)長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)并有效利用這些氣象信息，通過(guò)分析統(tǒng)計(jì)，結(jié)合動(dòng)力降尺度方法，工程應(yīng)用上就能通過(guò)統(tǒng)計(jì)與動(dòng)力相結(jié)合降尺度法實(shí)現(xiàn)百米級(jí)水平網(wǎng)格分辨率的臺(tái)風(fēng)走向、強(qiáng)度預(yù)報(bào)和研究，多元融合利用這些分析，結(jié)合輸電網(wǎng)基礎(chǔ)信息，可以提前分析判斷臺(tái)風(fēng)路徑，研判其經(jīng)過(guò)區(qū)域的電力設(shè)施可能會(huì)受到的影響，進(jìn)一步智能化分析電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)并提出應(yīng)對(duì)舉措?；诖?，本文創(chuàng)新提出一種將電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與降尺度預(yù)測(cè)模型有機(jī)結(jié)合指導(dǎo)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害輸電故障預(yù)警研判方法。方法首先提出一種適用于我國(guó)沿海不同區(qū)域復(fù)雜地形條件下的臺(tái)風(fēng)微尺度（百米級(jí)）風(fēng)場(chǎng)模擬方法Stidm 法，該方法實(shí)質(zhì)是一種統(tǒng)計(jì)與動(dòng)力相結(jié)合的風(fēng)速降尺度預(yù)測(cè)法。通過(guò)電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)可為Stidm 提供統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并在臺(tái)風(fēng)影響期間實(shí)時(shí)將預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正比對(duì)，形成Stidmaj 修正模型。并通過(guò)Stidmaj 模型建立預(yù)警研判系統(tǒng)，具體工程應(yīng)用有三個(gè)方面：1)日常情況下，通過(guò)持續(xù)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)修正提高降尺度預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)魯棒性和準(zhǔn)確性；2)臺(tái)風(fēng)來(lái)襲時(shí)，通過(guò)電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提高臺(tái)風(fēng)災(zāi)害局部地形空間內(nèi)的預(yù)警精度及可信度；3)臺(tái)風(fēng)過(guò)境后，通過(guò)電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)故障時(shí)刻數(shù)據(jù)與模擬預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比研判，實(shí)現(xiàn)輸電故障原因前期研判、提高搶修效率。應(yīng)用實(shí)踐表明，該系統(tǒng)可顯著減少臺(tái)風(fēng)災(zāi)害影響和提高后期搶修效率，為臺(tái)風(fēng)災(zāi)前防御、災(zāi)中處置、災(zāi)后搶修指明方向，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 基于電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

文獻(xiàn)[10]提出智慧輸電線路建設(shè)方案，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、無(wú)線傳輸、人工智能、云計(jì)算等 技術(shù)手段的應(yīng)用，推進(jìn)智慧輸電線路建設(shè)與應(yīng)用。智慧輸電線路具有實(shí)時(shí)感知特征，其內(nèi)涵是指通過(guò)高可靠性監(jiān)測(cè)技術(shù)等手段，實(shí)時(shí)掌控輸電線狀態(tài)、走廊環(huán)境，為開(kāi)展科學(xué)研判和搶修處置提供可靠支撐。典型輸電應(yīng)用場(chǎng)景分為五大類共計(jì)22 項(xiàng)。表1 中“自然災(zāi)害全景感知與預(yù)警決策”位列第二大類，其中，第5 小項(xiàng)“微氣象全域監(jiān)測(cè)與輔助決策”及第11小項(xiàng)“臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警與智能決策”，為臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表1 智慧輸電線路內(nèi)典型應(yīng)用場(chǎng)景

微氣象全域監(jiān)測(cè)與輔助決策模塊依據(jù)重要輸電通道及微地形分布區(qū)域，網(wǎng)格化部署微型氣象站、氣象數(shù)值在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等感知裝置，準(zhǔn)確采集線路附近溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等關(guān)鍵氣象數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)線路走徑的氣象全域監(jiān)測(cè)。臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警與智能決策依托網(wǎng)格化輸電線路氣象監(jiān)測(cè)裝置等風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，與權(quán)威臺(tái)風(fēng)預(yù)警數(shù)據(jù)平臺(tái)融合共享，基于臺(tái)風(fēng)動(dòng)力降尺度預(yù)報(bào)模型和微地形等多源信息，實(shí)時(shí)計(jì)算與評(píng)估輸電線風(fēng)害風(fēng)險(xiǎn)，為運(yùn)維人員提出輔助決策建議，并充分應(yīng)用微信、短信等信息化手段，向運(yùn)維單位與各級(jí)調(diào)度部門(mén)實(shí)時(shí)推送風(fēng)害預(yù)警信息。臺(tái)風(fēng)過(guò)境后，進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)際風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況與預(yù)測(cè)模擬分析比對(duì)，進(jìn)而研判故障發(fā)生可能原因，為緊急搶修做好提前物資、人員和技術(shù)準(zhǔn)備。

根據(jù)智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)新型應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)[13-16]，基于電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害輸電故障預(yù)警研判系統(tǒng)從實(shí)際運(yùn)行角度出發(fā)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集輸電線周邊風(fēng)場(chǎng)等信息，結(jié)合導(dǎo)線實(shí)際結(jié)構(gòu)和參數(shù)，基于安全前提下，建立專家輔助決策模塊，智能、實(shí)時(shí)、友好形成輸電線災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析與處置應(yīng)對(duì)輔助決策建議。系統(tǒng)架構(gòu)及主要信息交互如圖1 所示。

圖1 GlobeLand30 土地利用數(shù)據(jù)全球示意圖

圖1 中，電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)共有4 個(gè)分區(qū)，I 區(qū)為實(shí)時(shí)控制區(qū)，II 區(qū)為非控制生產(chǎn)區(qū)，III區(qū)為生產(chǎn)管理區(qū)，IV 區(qū)為管理信息區(qū)。電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上送到IV 區(qū)，經(jīng)過(guò)防火墻在III 區(qū)完成與大尺度臺(tái)風(fēng)氣象預(yù)報(bào)平臺(tái)的數(shù)據(jù)匯集，經(jīng)隔離裝置進(jìn)入II 區(qū)送入臺(tái)風(fēng)微氣象監(jiān)測(cè)與分析決策模塊實(shí)現(xiàn)Stidm 計(jì)算分析，并將計(jì)算結(jié)果經(jīng)隔離裝置送回III 區(qū)的專家輔助決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果的調(diào)度控制高級(jí)應(yīng)用。

2 電網(wǎng)輸電通道臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)降尺度預(yù)測(cè)方法

目前，世界各國(guó)基本把數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(Numerical Weather Prediction, NWP) 作為氣象預(yù)測(cè)的主要方法，當(dāng)前主流方法主要是新一代中尺度預(yù)報(bào)模式和同化系統(tǒng)WRF 方法(Weather Research and Forecasting Model, WRF)和臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力降尺度CFD 方法。

動(dòng)力降尺度研究多是基于平穩(wěn)大氣、中性層結(jié)的假設(shè)，實(shí)際上臺(tái)風(fēng)是一個(gè)高度非平穩(wěn)、非中性層結(jié)的復(fù)雜天氣系統(tǒng)，且在眼墻區(qū)存在較強(qiáng)的垂直對(duì)流活動(dòng)，采用目前的動(dòng)力降尺度技術(shù)對(duì)其近地微尺度風(fēng)場(chǎng)模擬時(shí)勢(shì)必出現(xiàn)偏差，故而有必要針對(duì)臺(tái)風(fēng)天氣條件下輸電線路在復(fù)雜地形作用下的近地面（線路及桿塔高度）微尺度風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行研究。值得注意的是，隨著近年來(lái)用于電網(wǎng)的臺(tái)風(fēng)氣象監(jiān)測(cè)點(diǎn)和觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的不斷建設(shè)，電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)信息的質(zhì)量、歷史資料累積、實(shí)時(shí)獲取能力不斷提高，通過(guò)電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)修正動(dòng)力降尺度方案成為可能。本文所提出的基于電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的中尺度模式與微尺度CFD 模式相結(jié)合的動(dòng)力降尺度方法，可以更好實(shí)現(xiàn)輸電線路區(qū)域風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)變化情況預(yù)測(cè)模擬。通過(guò)地形獲取、風(fēng)場(chǎng)模擬與動(dòng)力特性分析構(gòu)建風(fēng)場(chǎng)降尺度預(yù)測(cè)方法。

2.1 微地形提取及簡(jiǎn)化

為了實(shí)現(xiàn)水平分辨率為百米級(jí)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速等要素預(yù)報(bào)，需要提取水平網(wǎng)格分辨率為百米級(jí)甚至十米級(jí)的微地形特征，包括地形高程、土地利用數(shù)據(jù)等，分析復(fù)雜地形對(duì)臺(tái)風(fēng)近地面風(fēng)場(chǎng)的影響，從而建立百米級(jí)分辨率的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力降尺度模型。

本文采用國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心發(fā)布的全球30 米分辨率地表覆蓋數(shù)據(jù)（GlobeLand30）形成的全球示意圖見(jiàn)圖2 所示。在形態(tài)學(xué)上，復(fù)雜地形可以看成是若干個(gè)“基本地形”的組合。如果將一個(gè)山體看成是一個(gè)“基本地形”，則描述這個(gè)山體的主要特征參數(shù)有：坡度、坡向、坡長(zhǎng)、地表覆蓋類型等。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）可知，計(jì)算結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，主要受地表粗糙度、離地高度、山體坡度、山體高度或者坡長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)高寬比、截面形狀等因素影響。為了簡(jiǎn)化三維地形的復(fù)雜程度，從二維地形的角度考慮，排除結(jié)構(gòu)高寬比、截面形狀影響后，描述山體地表氣動(dòng)參數(shù)的主要因子有：山體坡度、山體坡長(zhǎng)、地表粗糙度等。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD 數(shù)值模擬的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為影響二維山體地表面氣動(dòng)參數(shù)的關(guān)鍵因子，從最重要的開(kāi)始依次為：山體坡度>山體坡長(zhǎng)≈地表粗糙度。利用這一結(jié)論，即可在后續(xù)通過(guò)建立坡度、坡長(zhǎng)等對(duì)應(yīng)擬合函數(shù)關(guān)系實(shí)現(xiàn)微地形風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬。

圖2 輸電線路風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力降尺度模型實(shí)現(xiàn)流程圖

2.2 微地形風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬

對(duì)于登陸臺(tái)風(fēng)而言，由于其近地面的風(fēng)速和風(fēng)向在短時(shí)間內(nèi)（如半小時(shí)內(nèi)）變化不大，可近似看成穩(wěn)態(tài)來(lái)流。若假定為穩(wěn)態(tài)來(lái)流條件，則理論上該來(lái)流條件所對(duì)應(yīng)的空間流場(chǎng)分布是唯一的，采用CFD 模型對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，可以獲得該來(lái)流條件下的流場(chǎng)分布。以中尺度網(wǎng)格區(qū)域?yàn)槔?，如果若干預(yù)測(cè)時(shí)刻具有相同或相近的來(lái)流條件，則這些時(shí)刻中尺度網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)也將呈現(xiàn)出相同或相似的分布。因此，對(duì)某一時(shí)刻進(jìn)行風(fēng)速模擬或預(yù)測(cè)時(shí)，可以采用CFD 事先模擬出各種天氣條件下（如不同來(lái)流方向，不同大氣穩(wěn)定度）的風(fēng)場(chǎng)分布，建立微尺度流場(chǎng)動(dòng)力特性數(shù)據(jù)庫(kù)，然后直接根據(jù)中尺度氣象模式的模擬或預(yù)報(bào)結(jié)果，選擇對(duì)應(yīng)來(lái)流條件的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行降尺度計(jì)算。

描述空氣狀態(tài)的基本參數(shù)有四個(gè)：風(fēng)速、氣壓、溫度、濕度。其中，風(fēng)速和氣壓屬于動(dòng)力參數(shù)，溫度和濕度屬于熱力參數(shù)。在臺(tái)風(fēng)近地面風(fēng)場(chǎng)研究中，空氣動(dòng)力過(guò)程為主導(dǎo)因素，而熱力過(guò)程為次要因素，一般選取風(fēng)壓系數(shù)和風(fēng)速比作為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型CFD 計(jì)算的輸出結(jié)果。

其中風(fēng)壓系數(shù)的定義為：

式(1)中：Pi為測(cè)點(diǎn)i的平均壓力，PH為參考高度H處的靜壓，UH為參考高度H處的平均風(fēng)速，空氣密度ρ=1.225kg/m3。

風(fēng)速比的定義為：

式(2)中：Ui為測(cè)點(diǎn)i的平均風(fēng)速。

2.3 流場(chǎng)動(dòng)力特性數(shù)據(jù)庫(kù)建立與調(diào)用

為了進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)模型的計(jì)算效率，保持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，有必要建立流場(chǎng)動(dòng)力特性數(shù)據(jù)庫(kù)，在此過(guò)程中充分考慮微地形中山體坡度、山體坡長(zhǎng)、地表粗糙度等影響因素。流場(chǎng)動(dòng)力特性數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)是指通過(guò)CFD 數(shù)值模擬所獲取的風(fēng)壓系數(shù)Cp和風(fēng)速比Ri兩個(gè)參數(shù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)建立完畢后，可被風(fēng)場(chǎng)降尺度模型直接調(diào)用，詳見(jiàn)節(jié)3.4。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，根據(jù)中尺度天氣預(yù)報(bào)模型提供中尺度網(wǎng)格格點(diǎn)風(fēng)速（公里級(jí)分辨率），結(jié)合風(fēng)速比Ri，便可通過(guò)迭代降尺度得到次網(wǎng)格尺度的風(fēng)速（百米級(jí)分辨率）。在該方法中，風(fēng)速比Ri體現(xiàn)了次網(wǎng)格復(fù)雜地形對(duì)中尺度模式格點(diǎn)風(fēng)速的影響，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)降尺度計(jì)算。在流場(chǎng)動(dòng)力特性數(shù)據(jù)庫(kù)中，風(fēng)壓系數(shù)Cp主要用于風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力降尺度方法的升級(jí)和改進(jìn)之中。按此方法建立的流場(chǎng)動(dòng)力特性數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅可以進(jìn)行中國(guó)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)降尺度計(jì)算，也可結(jié)合GlobeLand30 信息，適用于全球任意復(fù)雜地形的風(fēng)場(chǎng)降尺度計(jì)算，其數(shù)據(jù)具有普適性。

2.4 輸電線路風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力降尺度模型與實(shí)現(xiàn)

在前述微地形提取及簡(jiǎn)化、微地形風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬、流場(chǎng)動(dòng)力特性數(shù)據(jù)庫(kù)建立調(diào)用的基礎(chǔ)上計(jì)算出各輸電線路微地形點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速比Ri，輸電線風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力降尺度方案的計(jì)算基于WRF 中尺度風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行。按此思路，提出基于簡(jiǎn)化地形氣動(dòng)參數(shù)的風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力降尺度方法Stidm，利用此Stidm降尺度方法可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輸電線路風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力降尺度模型。

計(jì)算過(guò)程的核心思想是：基于中尺度風(fēng)場(chǎng)，結(jié)合簡(jiǎn)化地形氣動(dòng)參數(shù)（平均風(fēng)速比Ri），綜合考慮微地形信息和桿塔高度等多源信息，對(duì)中尺度網(wǎng)格角點(diǎn)位置的風(fēng)速在降尺度網(wǎng)格內(nèi)進(jìn)行再分配、再修正，形成優(yōu)化動(dòng)力降尺度Stidm 方案，再利用電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)持續(xù)修正形成Stidmaj，實(shí)現(xiàn)適合輸電線路臺(tái)風(fēng)影響研判的百米級(jí)分辨率風(fēng)場(chǎng)降尺度計(jì)算與評(píng)估，適應(yīng)輸電線路風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力降尺度模型核心方案流程圖如圖3 所示。

圖3 Stidm 降尺度模式計(jì)算緯向風(fēng)速U 過(guò)程示意圖

風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力降尺度模式實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，將風(fēng)速分解為緯向風(fēng)速U和經(jīng)向風(fēng)速V，以緯向風(fēng)速U為例，Stidm 的計(jì)算過(guò)程示意圖如圖4 所示，具體的計(jì)算方法如公式(3)—(9)所示。

具體運(yùn)算步驟為：

步驟1：先把中尺度網(wǎng)格（粗實(shí)線）四個(gè)角點(diǎn)位置的緯向風(fēng)速U賦值給降尺度網(wǎng)格緯向風(fēng)速u（細(xì)實(shí)線）。

步驟2：求中尺度網(wǎng)格（粗實(shí)線）四邊中點(diǎn)的緯向風(fēng)速u：

步驟3：求中尺度網(wǎng)格中心點(diǎn)的緯向風(fēng)速u：

步驟4：同步驟1—步驟3 原理，計(jì)算得出式(9)中的降尺度網(wǎng)格中心的經(jīng)向風(fēng)速v。

步驟5：執(zhí)行步驟1—步驟4，便完成了第一次降尺度計(jì)算。若要進(jìn)一步降尺度，可在四個(gè)降尺度網(wǎng)格（細(xì)實(shí)線）內(nèi)重復(fù)步驟1—步驟4，進(jìn)行多次降尺度計(jì)算。假設(shè)中尺度網(wǎng)格的水平分辨率為Δx(公里級(jí))，則完成第一次降尺度后，其水平網(wǎng)格分辨率為Δx/2；完成第二次降尺度后，其水平網(wǎng)格分辨率為Δx/4；完成第三次降尺度后，其水平網(wǎng)格分辨率為Δx/8。如此類推，多次循環(huán)，直到水平網(wǎng)格分辨率達(dá)到需要的降尺度要求為止。

在圖4 和公式(3)—(9)中，U、V為中尺度模式中地表10m 高度（輸電桿塔高度）的平均緯向風(fēng)速和平均徑向風(fēng)速，來(lái)源于區(qū)域中尺度數(shù)值天氣模式預(yù)測(cè)輸出結(jié)果；u、v為輸電線路降尺度風(fēng)場(chǎng)中地表10 m 高度的平均緯向風(fēng)速和平均徑向風(fēng)速；Ri為平均風(fēng)速比。

步驟6：根據(jù)設(shè)定輸電線路降尺度風(fēng)場(chǎng)緯向風(fēng)速u和經(jīng)向風(fēng)速v，可以計(jì)算得到降尺度風(fēng)場(chǎng)中地表10 m 高度的平均風(fēng)速v10 和平均風(fēng)向θ10為：

式中：p=0,1,...；q=0,1,...。

以上6 個(gè)步驟便構(gòu)成了Stidm 風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力降尺度計(jì)算方案，由此結(jié)合權(quán)威氣象部門(mén)提供的中尺度模式預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，即可實(shí)時(shí)進(jìn)行設(shè)定所需分辨率降尺度風(fēng)場(chǎng)計(jì)算。

2.5 Stidmaj 模型修正實(shí)現(xiàn)

風(fēng)場(chǎng)計(jì)算數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果的精度主要受到兩個(gè)關(guān)鍵因素的制約：一個(gè)是預(yù)報(bào)模式對(duì)大氣物理過(guò)程的反映程度，即數(shù)值預(yù)報(bào)模式本身的準(zhǔn)確程度；第二是用作模式積分的初始條件的好壞，即預(yù)報(bào)的初始同化資料場(chǎng)。雖然已經(jīng)有不少的研究在不斷地改善模式物理參數(shù)化方案，提高模式初始場(chǎng)質(zhì)量，但是由于資料誤差和模式誤差在現(xiàn)階段不可避免，導(dǎo)致數(shù)值預(yù)報(bào)的結(jié)果在現(xiàn)階段需要修正。實(shí)踐證明，統(tǒng)計(jì)修正方法可以達(dá)到較好的修正效果，風(fēng)場(chǎng)誤差的傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)修正方法主要基于線性的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，比如自適應(yīng)偏最小二乘回歸、均生函數(shù)方法、AVT(average variance trend)方法等。

針對(duì)Stidm 模型，在對(duì)各類影響降尺度風(fēng)速預(yù)報(bào)偏差的因子進(jìn)行相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，選取了相關(guān)性較明顯的10m 風(fēng)速（u10）、850 hPa 風(fēng)速（u850）、700 hPa 風(fēng)速（u700）、海平面氣壓（pres）、海拔高度誤差（dh）、坡角（sa）、相對(duì)坡長(zhǎng)（rps）、預(yù)報(bào)時(shí)刻（hour）、10 m濕度（rh）、測(cè)站緯度（lat）、10 m 溫度（tmp）、測(cè)站經(jīng)度（lon）、實(shí)際測(cè)站高度（hobs）等作為回歸因子，利用選定時(shí)間段（一般選3 至6 個(gè)月）電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料作為訓(xùn)練樣本，統(tǒng)計(jì)建立起針對(duì)Stidm降尺度風(fēng)場(chǎng)的多元線性回歸訂正模型Stidmaj。得到的訂正關(guān)系如下：

基于此修正Stidmaj，即可選取可信度最佳的方案指導(dǎo)臺(tái)風(fēng)防范與事故搶修。具體應(yīng)用場(chǎng)景為：

1)常態(tài)化根據(jù)電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)修正動(dòng)力降尺度預(yù)測(cè)修正模型Stidm，同時(shí)根據(jù)Stidmaj預(yù)測(cè)研判識(shí)別電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)壞數(shù)據(jù)，消除壞數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)精準(zhǔn)性和可用性；

2)臺(tái)風(fēng)來(lái)襲時(shí)，根據(jù)Stidmaj 預(yù)測(cè)值和電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)值對(duì)比研判，動(dòng)態(tài)調(diào)整臺(tái)風(fēng)防范處置方案，指導(dǎo)過(guò)程中的調(diào)度事故處置，及時(shí)調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式；

3)輸電線路故障發(fā)生區(qū)域，通過(guò)Stidmaj 預(yù)測(cè)值與電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)值歷史值對(duì)比研判，研究該故障影響因素是否有由大風(fēng)導(dǎo)致，如果排除該區(qū)域發(fā)生大風(fēng)，則研判是否由降水導(dǎo)致，避免原因不明耽誤物資等準(zhǔn)備，為后續(xù)科學(xué)搶修提供決策參考依據(jù)。

3 基于降尺度預(yù)測(cè)方法的臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)工程應(yīng)用

2019 年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)利奇馬(Super Typhoon Lekima，國(guó)際編號(hào)：1909)于8 月10 日1 時(shí)45分在中國(guó)浙江省溫嶺市沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力16 級(jí)(52 米/秒，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí))，中心最低氣壓930hPa，該臺(tái)風(fēng)具有登陸強(qiáng)度強(qiáng)、陸上滯留時(shí)間長(zhǎng)、風(fēng)雨強(qiáng)度大、影響范圍廣、災(zāi)害影響重等特點(diǎn)，其移動(dòng)路徑及強(qiáng)度變化如圖5 所示。在此次臺(tái)風(fēng)應(yīng)對(duì)過(guò)程中，利用本文所提出的臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，較好研判了各類輸電線路故障在此次臺(tái)風(fēng)中發(fā)生原因和故障性質(zhì)，為電網(wǎng)臺(tái)風(fēng)防范和事故搶修提供了具有工程價(jià)值的指導(dǎo)。本節(jié)中從氣象監(jiān)測(cè)信息、模型預(yù)測(cè)結(jié)果以及臺(tái)風(fēng)破壞研判分析三個(gè)方面詳細(xì)展示了本文所提出的臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

圖5 某省風(fēng)場(chǎng)降尺度地表10 米風(fēng)速均值時(shí)序圖

3.1 某東部省級(jí)電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)信息配置情況

經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)發(fā)展，某省級(jí)電網(wǎng)已完成約2000 個(gè)自動(dòng)觀測(cè)站點(diǎn)配置。經(jīng)過(guò)站點(diǎn)典型代表性、質(zhì)量穩(wěn)定性和線路重要性等條件篩選后，選取共約350 個(gè)站點(diǎn)的氣象監(jiān)測(cè)信息風(fēng)速資料用于研判分析，研究區(qū)域內(nèi)的自動(dòng)觀測(cè)站點(diǎn)分布圖6 所示。

圖6 臺(tái)風(fēng)利奇馬造成的線路故障點(diǎn)分布圖

選定氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為利奇馬臺(tái)風(fēng)集中影響的時(shí)段，即2019 年8 月9 日20 時(shí)至10 日22 時(shí)。氣象監(jiān)測(cè)信息中采集的風(fēng)場(chǎng)信息包括有十分鐘平均風(fēng)速和風(fēng)向、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速。本文中用于研判分析的風(fēng)力信息為十分鐘平均風(fēng)速及風(fēng)向。

3.2 基于氣象監(jiān)測(cè)信息評(píng)估降尺度模型預(yù)測(cè)結(jié)果

2019 年8 月9 日20 時(shí)至10 日22 時(shí)利奇馬臺(tái)風(fēng)影響期間，該省級(jí)電網(wǎng)配置在全省范圍的350 個(gè)自動(dòng)觀測(cè)站全時(shí)段平均風(fēng)速約為3～7 m/s，其中在臺(tái)風(fēng)登陸溫嶺期間（9 日23 時(shí)至10 日01時(shí)）有較明顯的波動(dòng)。圖7 給出了利奇馬臺(tái)風(fēng)影響期間，該省風(fēng)場(chǎng)降尺度地表10 米風(fēng)速的均值時(shí)序圖，其中obs 為觀測(cè)值，warr 為中尺度模式1 小時(shí)預(yù)報(bào)值，Stidm 為風(fēng)場(chǎng)降尺度模式1 小時(shí)預(yù)報(bào)值，Stidmaj 為訂正后的風(fēng)場(chǎng)降尺度模式1 小時(shí)預(yù)報(bào)值，灰色柱條為有效監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目。

圖7 3 號(hào)故障點(diǎn)地表10 米風(fēng)速均值時(shí)序圖

由圖7 可看出，中尺度模擬預(yù)測(cè)值warr 和訂正前的降尺度模擬預(yù)測(cè)結(jié)果Stidm 較為接近，其平均風(fēng)速約8～15m/s，模擬預(yù)測(cè)結(jié)果較實(shí)際觀測(cè)值明顯偏大。訂正后的降尺度模擬結(jié)果Stidmaj和觀測(cè)風(fēng)速非常接近，其平均風(fēng)速約5～8 m/s，均方根誤差約為3～5 m/s，偏差約為-1～3.5 m/s。由此可以認(rèn)為，訂正后的風(fēng)場(chǎng)降尺度模式Stidmaj比訂正前的風(fēng)場(chǎng)降尺度模式Stidm 的風(fēng)場(chǎng)模擬能力有較大提高，幅度約為50%，擬合效果更佳。

3.3 基于臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的破壞性研判分析

8 月10 日1 時(shí)45 分左右，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在浙江省溫嶺市沿海以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)登陸，臺(tái)風(fēng)中心先后穿過(guò)臺(tái)州市、金華市、紹興市、杭州市、湖州市等地，在浙江省滯留超20 小時(shí)，于10 日22 時(shí)離開(kāi)浙江進(jìn)入江蘇。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響期間該省電網(wǎng)輸電線路出現(xiàn)故障點(diǎn)48 處，主要出現(xiàn)在溫嶺市，玉環(huán)市、溫州市東部沿海地區(qū)以及舟山市西側(cè)海島，具體分布如圖8(a)所示，圖中黑框地域?yàn)槭鹿拭芗瘏^(qū)，其放大圖為圖8(b)所示。

圖8 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”浙江省電網(wǎng)輸電線路故障點(diǎn)

3.3.1 溫嶺電網(wǎng)破壞研判分析

由于超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)利奇馬在溫嶺市登陸，溫嶺市輸電網(wǎng)遭受破壞最嚴(yán)重，溫嶺市和溫州北部輸電線路共有32 處出現(xiàn)故障，選取3 號(hào)故障點(diǎn)為例，其地表10 米高度的觀測(cè)風(fēng)速和降尺度模擬風(fēng)速如圖9 所示。圖中，預(yù)測(cè)最大風(fēng)速為27.34m/s，周邊最近監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大風(fēng)速22.53m/s，發(fā)生在臺(tái)風(fēng)中心登陸時(shí)刻附近，由此推測(cè)電塔的破壞主要由強(qiáng)風(fēng)及風(fēng)向快速變化造成。

圖9 3 號(hào)故障點(diǎn)地表10 米風(fēng)速均值時(shí)序圖

3.3.2 舟山西部電網(wǎng)破壞研判分析

超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)利奇馬造成舟山西側(cè)輸電線路出現(xiàn)兩處故障點(diǎn)，故障點(diǎn)1 處其地表10 米高度的觀測(cè)風(fēng)速和降尺度模擬風(fēng)速如圖10 所示。圖中降尺度預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)最大風(fēng)速為25.15m/s，周邊最近監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大風(fēng)速7.68m/s，說(shuō)明該處故障與風(fēng)力關(guān)聯(lián)度較小，調(diào)取舟山地區(qū)降水圖，8 月9 日夜晚21—23 點(diǎn)，10 日凌晨1—4 點(diǎn)均有大暴雨甚至特大暴雨發(fā)生，由此推測(cè)舟山市兩個(gè)輸電塔的破壞與強(qiáng)降水有關(guān)，有可能是強(qiáng)降水誘發(fā)了地基滑坡。后續(xù)搶修情況也佐證了此推測(cè)，為該處事故搶修前期準(zhǔn)備提供了科學(xué)參考。

圖10 1 號(hào)故障點(diǎn)地表10 米風(fēng)速均值時(shí)序圖

4 結(jié)論

超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)往往造成省域范圍內(nèi)大面積輸電線路故障和大數(shù)量用戶停電，為盡快實(shí)現(xiàn)正常供電，提高臺(tái)風(fēng)影響下輸電線路的故障處理和應(yīng)急修復(fù)效率具有重要意義。智慧輸電線路建設(shè)作為保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的科學(xué)技術(shù)手段，使得網(wǎng)格化氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠獲取、實(shí)時(shí)傳輸和分析應(yīng)用成為可能。本文創(chuàng)新提出一種將電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與降尺度預(yù)測(cè)模型有機(jī)結(jié)合指導(dǎo)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害輸電故障預(yù)警研判系統(tǒng)。此系統(tǒng)在某東部省級(jí)電網(wǎng)應(yīng)用實(shí)踐，證明了在電網(wǎng)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害輸電故障預(yù)警研判中成效明顯，并且對(duì)臺(tái)風(fēng)影響區(qū)沿海電網(wǎng)有普遍的實(shí)用性和指導(dǎo)價(jià)值。