基于卫星资料同化和LAPS/WRF模式系统的云天太阳辐射数值模拟改进方法

摘要

太阳能光伏发电已成为仅次于水电和风能的第三大可再生能源,光伏发电受云量时空变化的影响较大,准确模拟云天太阳辐射的时空变化对电网安全运行至关重要.围绕如何减小中尺度气象模式的云初始场误差,进而改进云天的太阳辐射模拟这一关键科学问题.本文通过研究基于卫星资料同化的LAPS多时间层三维云分析同化方法,改进三维云结构,并将LAPS模式结果作为WRF模式的初始场,模拟了2008年1、6-8月及6月典型降水天气过程北京地区的总云量和总辐射的时空分布,重点分析了多云和有降水天气过程总辐射的模拟效果及其改进原因.结果表明,同化前后的模拟总云量与观测值的时间变化趋势基本一致,但大部分时次模拟总云量低于观测值;大部分多云及降水时段同化后模拟总云量较接近于实测值.1月晴天、多云天以及夏季晴天同化前后模拟总辐射与实测值的时间变化趋势较一致,但同化前后两者的相关性差异不明显;晴天条件下同化前后总辐射模拟值均低于实测值,1月多云条件下多数时段同化后总辐射模拟误差减小不明显,与总云量的改进效果不显著有关.夏季多云、有降水及6月典型降水三种天气条件下同化前后总辐射模拟值与观测值的相关性稍差,同化后两者的相关性较同化前有所改进,尤其是6月典型降水过程改进较明显;同化前总辐射模拟误差较大,而同化后误差显著减小,尤其是6月典型降水过程同化后均方根误差和平均相对误差较同化前分别减小了102.6W/m2和355.9％,最大相对误差减小更显著;同化后总辐射模拟误差小于同化前的比例高达75％,即大部分时刻同化后模拟误差小于同化前.多云和有降水天气过程总辐射模拟效果的显著改进与总云量的改进密切相关,即同化后模拟总云量增加,云的反射和散射作用增强,导致模拟总辐射减小,即更接近于实测总辐射值.研究结果对于多云和降水天气条件下太阳辐射的模拟效果改进、太阳能资源客观评估以及光伏电站的发电量预测具有一定的科学和实际应用价值.