鄧心怡，黎北梅，王曉春，陳智強，陳旻豪，劉城，袁飛

（1.南京海維斯海洋信息服務(wù)有限公司，江蘇南京 210000；2.南京信息工程大學(xué)，江蘇南京 210044；3.上海海洋中心氣象臺，上海 200000；4.重慶海裝公司，重慶 404100）

1 引言

海上風(fēng)電具有風(fēng)機發(fā)電量高、單機裝機容量大和不占用土地資源等優(yōu)勢[1]，近年來在國內(nèi)得到了極大發(fā)展。2018年，全球海上風(fēng)電裝機量新增4.50 GW，其中國內(nèi)新增裝機量1.66 GW，較2017年增長42.7%，累計裝機4.45 GW[2]。在“21世紀(jì)海上絲綢之路”計劃中，憑借豐富的風(fēng)能資源及其他因素的綜合考量，沿海上絲綢之路關(guān)鍵節(jié)點的風(fēng)能利用也提上了議程[3-4]。我國東部沿海屬于經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，海岸線長，整體用電需求量大，可開發(fā)利用的風(fēng)電資源儲備空間巨大[5]。在東部沿海地區(qū)，特別是江蘇沿海及長江口地區(qū)近年來建設(shè)了許多風(fēng)電場，截至2019年，江蘇并網(wǎng)容量423萬kW，占總裝機72.7%，居全國首位[6]。

海上風(fēng)電業(yè)的發(fā)展，對海洋預(yù)報及天氣預(yù)報也提出了新的要求。例如，海上風(fēng)電機組的故障率較高，需經(jīng)常維修，根據(jù)風(fēng)電行業(yè)規(guī)范，海上風(fēng)電機組每年須進行1～4次常規(guī)巡檢，然而由于海上風(fēng)電機組處于復(fù)雜莫測的海上環(huán)境或投入使用前缺乏跟蹤記錄，實際檢修次數(shù)會更多[7]。海上風(fēng)電運維成本約占海上風(fēng)電場發(fā)電成本的20%～35%[8]。根據(jù)我國海上風(fēng)電運維船數(shù)據(jù)，每臺海上風(fēng)電機組在一年期間最少會出現(xiàn)40次故障，且需要保持每30臺機組使用一艘運維船進行維護[9]。目前，大多數(shù)普通鋼制運維船的航行波高為0.5～1.5 m，出現(xiàn)臺風(fēng)等特殊海況時則需根據(jù)波高使用更高指標(biāo)的海上風(fēng)電運維船舶，不同性能指標(biāo)運維船的使用成本有所差別，根據(jù)海上風(fēng)電場的波高預(yù)報選擇安全性合適的運維船可以降低運維成本[10]。為降低海上風(fēng)電機組運維成本，提高運維施工的安全系數(shù)，減少不必要的出海檢修，需要利用海洋和天氣狀況信息輔助運維決策，因而擁有準(zhǔn)確的海洋和天氣預(yù)報十分重要。海上運維時機一般依據(jù)天氣來決定，其中風(fēng)與浪是最重要的天氣要素[11]。

以重慶海裝為例，海上風(fēng)電運維分為計劃性維護和非計劃性維護，其中，后者對天氣預(yù)報的精準(zhǔn)度要求相對較高。計劃性維護是風(fēng)機每年都必須進行的常規(guī)維護，通常會根據(jù)風(fēng)場所屬區(qū)域以往年份的天氣情況進行數(shù)據(jù)分析，選擇“枯風(fēng)”季節(jié)進行，以減少發(fā)電量的損失。計劃性維護會參考很長一段時間的天氣預(yù)報，選擇風(fēng)速較低的時段，風(fēng)浪小，發(fā)電量損失低。例如，如果有連續(xù)5 d小風(fēng)天氣，可安排2臺機組的年度維護工作；如果有連續(xù)7 d小風(fēng)天氣，則可安排3臺機組的年度維護工作。如果在原計劃工作過程中，天氣情況和預(yù)報情況產(chǎn)生偏差，例如風(fēng)速增大到7 m/s（有些公司采用10 m/s），則可中斷維護工作，機組恢復(fù)運行?？偠灾?，計劃性維護對天氣預(yù)報的精準(zhǔn)度要求不高，海上風(fēng)電場維護人員會參考長時間段的天氣預(yù)報來做出海維護計劃，對發(fā)電量的影響不大，對現(xiàn)場人員的安全風(fēng)險較小。非計劃性維護指的是臨時性或突發(fā)性的維護工作，例如故障檢修。當(dāng)有非計劃維護工作時，維護人員則需要較多地依靠天氣預(yù)報來制定工作計劃，以保障維護人員在安全的風(fēng)浪環(huán)境下出海進行作業(yè)，同時保證在風(fēng)浪環(huán)境惡化之前安全撤離。

現(xiàn)在，公益性的風(fēng)浪預(yù)報研究已有很多。王亞男等[12]分析了幾種誤差訂正方法，并對渤海區(qū)域10 m風(fēng)速預(yù)報進行了誤差訂正，取得了良好成果；韓雪等[13]基于水動力模型在南黃海海域建立了重點岸段的風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報模型,臺風(fēng)風(fēng)暴潮的后報平均相對誤差為14%,溫帶風(fēng)暴潮24 h預(yù)報平均相對誤差為12.9%。但風(fēng)電場從建設(shè)到運維對風(fēng)浪信息的需求與公益性預(yù)報有很多不同。在風(fēng)電場規(guī)劃及選址階段，需要對大面積海域的風(fēng)侯特征進行分析，鄭崇偉等[14]利用1979—2014年的歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的資料分析了海上絲綢之路涉及海域的風(fēng)候特征，為其建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和輔助決策。在確定選址并建設(shè)風(fēng)電機組之后，重要的是風(fēng)電場的運營，其中在風(fēng)電場運維階段，需要針對運維需求提供不同時效和精度的風(fēng)浪預(yù)報以提高運維安全系數(shù)并降低成本。2019年8—10月，海維斯公司為重慶海裝公司提供了長江口風(fēng)電場附近的風(fēng)浪預(yù)報，以探索風(fēng)浪預(yù)報在風(fēng)電場運維中的有效應(yīng)用途徑。這段時間內(nèi)，風(fēng)電場附近風(fēng)速及有效波高的預(yù)報對重慶海裝公司制定運維施工計劃提供了依據(jù)，提高了運維的安全系數(shù)，同時也降低了運維成本。

本文利用2019年8—10月風(fēng)浪預(yù)報產(chǎn)品及臺站觀測資料，針對海上風(fēng)電場的運維需求對風(fēng)速及波浪的預(yù)報技巧進行了評估。為提高風(fēng)速的預(yù)報精度，我們使用遞減平均法對風(fēng)速預(yù)報進行了訂正。這段時間內(nèi)，臺風(fēng)“米娜”經(jīng)過這一海域，我們也分析了臺風(fēng)過境前后的預(yù)報精度。

2 資料與方法

2.1 預(yù)報產(chǎn)品及觀測資料

本文使用2019年8—10月的風(fēng)場及有效波高預(yù)報產(chǎn)品。風(fēng)場預(yù)報來自于美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的全球預(yù)報系統(tǒng)（Global Forecast System，GFS，網(wǎng)址：https://www.emc.ncep.noaa）。該預(yù)報系統(tǒng)基于有限體積網(wǎng)格（Finite Volume Dynamical Core，F(xiàn)V3），網(wǎng)格分辨率13 km，垂直方向64層。GFS預(yù)報產(chǎn)品插值到全球1/4°網(wǎng)格上提供給用戶使用。有效波高來自NCEP的波浪集合預(yù)報系統(tǒng)（Global Ensemble Ocean Wave Forecast System），系統(tǒng)分辨率為0.5°，風(fēng)場來自NCEP的全球集合預(yù)報系統(tǒng)。日常業(yè)務(wù)預(yù)報使用20個集合樣本，使用第三代海浪模式Wave Watch III（WW3）[15]。

驗證預(yù)報產(chǎn)品的3個站點分別為上海長禁五號（121.7°E，31.42°N）、長江口燈船（122.53°E，31.1°N）和東海浮標(biāo)（124.5°E，31°N）。站點的實測數(shù)據(jù)每10 min測一次，風(fēng)為10 min平均風(fēng)速和10 min平均風(fēng)向。為和6 h一次的預(yù)報風(fēng)場匹配，我們將實測風(fēng)場數(shù)據(jù)做6 h平均后和預(yù)報產(chǎn)品進行比較。由于上海長禁五號為小浮標(biāo)，海拔為3 m，所以在中性層結(jié)假定下將實測風(fēng)調(diào)整到10 m高度[16]。調(diào)整使用的公式為：

式中，V10為10 m處的風(fēng)，V為高度z處的風(fēng)，粗糙度z0采用式（2）計算：

式中，a為0.032；k為0.40；重力常數(shù)g為9.81 m/s2；c1為0.165。全球預(yù)報產(chǎn)品在水平方向上插值到觀測站點位置，并和觀測數(shù)據(jù)進行比較，插值使用最鄰近觀測站點的4個經(jīng)緯度網(wǎng)格，插值權(quán)重與網(wǎng)格點和觀測站點之間的距離成反比。全球波浪預(yù)報在個別情況下不能產(chǎn)生某個格點的預(yù)報，此時可忽略缺測網(wǎng)格點，而用其余的網(wǎng)格點進行插值計算，若4個格點全為缺測值，則這一時刻不產(chǎn)生預(yù)報。2019年9月28日—10月4日，臺風(fēng)“米娜”經(jīng)過長江沿海（見圖1），本文特別分析了臺風(fēng)“米娜”過境前后風(fēng)及浪的預(yù)報精度。

圖1 2019年9月28日—10月4日臺風(fēng)“米娜”路徑

2.2 資料處理

在海上風(fēng)電維修時，有時需要高空作業(yè)與吊裝，考慮到施工人員在作業(yè)時的施工難度和安全問題，在風(fēng)速大于6 m/s時停止作業(yè)（有些公司采用8 m/s或10 m/s）。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，我們將風(fēng)速分為0～6 m/s和6 m/s以上來對預(yù)報產(chǎn)品進行評價。通過將預(yù)報時間和觀測時間相匹配，我們把預(yù)報分為0～24 h和24～48 h分別進行分析和討論。

在出海維修時，還需要考慮到海浪的狀況。根據(jù)《中國海洋災(zāi)害公報》的數(shù)據(jù)分析，在所有海洋災(zāi)害里造成最多人員傷亡的就是海浪災(zāi)害。近岸海域，當(dāng)海浪的有效波高達到2.5 m以上時，威力比較大且會造成災(zāi)害[17]；出現(xiàn)3 m以上大浪會對小型漁船和游艇產(chǎn)生威脅，有效波高達到4～6 m的巨浪會對近海航行的船舶產(chǎn)生威脅。有效波高越大，威脅越大，會造成更多的海洋災(zāi)害，由海浪引起的災(zāi)害是各類海洋活動需要面對的自然災(zāi)害，也是各種涉海工程設(shè)計、實施和運營維護工作需要考慮的因素[18]。根據(jù)有效波高可將海浪分為10個波級：0級（H=0 m）為無浪情況下的海面狀態(tài)，有效波高為0 m，1級有效波高為0～0.1 m，2級有效波高為0.1～0.5 m，3級有效波高為0.5～1.25 m，4級有效波高為1.25～2.5 m，5級有效波高為2.5～4.0 m，6級有效波高為4.0～6.0 m，7級有效波高為6.0～9.0 m，8級有效波高為9.0～14 m，9級為有效波高14 m以上的海浪狀況[19]。由于長江口海上風(fēng)電機組位于近海區(qū)域，考慮該區(qū)域的情況，本文依據(jù)以上海浪波級來討論3個站點在2019年8—10月的波級分布情況。同時，將長江口近海的預(yù)報和實測數(shù)據(jù)進行對比，統(tǒng)計上海長禁五號、長江口燈船和東海浮標(biāo)站點0～24 h預(yù)報和24～48 h預(yù)報與實測數(shù)據(jù)的誤差，以此來分析海浪的預(yù)報精度。

3 結(jié)果

3.1 風(fēng)速預(yù)報

在對數(shù)據(jù)進行匹配后，我們得到了預(yù)報時間段內(nèi)的預(yù)報和實測數(shù)據(jù)，通過對這兩組數(shù)據(jù)的對比來評價風(fēng)的預(yù)報技巧。將預(yù)報地區(qū)的風(fēng)速按照蒲氏風(fēng)級進行分級（見圖2），我們可以看出，8—10月長禁五號和長江口燈船站點風(fēng)速主要分布在3級（3.4～5.4 m/s），東海浮標(biāo)主要在4級（5.5～7.9 m/s）。長禁五號、長江口燈船和東海浮標(biāo)風(fēng)速在6 m/s以下的占比分別為81.64%、76.04%和46.5%，由于預(yù)報區(qū)域風(fēng)速在6 m/s以下的情況較多，因此在預(yù)報區(qū)域可以出海進行風(fēng)電維修的時機可以達到50%以上。對預(yù)報和實測數(shù)據(jù)求平均絕對誤差（Mean Absolute Error，MAE）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）和偏差（Bias）（見表1和圖3），總體來說MAE在3.5～4.5 m/s之間，RMSE一般在4.5～6 m/s之間，Bias在1.5～3 m/s之間。將預(yù)報和實測數(shù)據(jù)以6 m/s分界，RMSE一般在3～5.5 m/s之間，甚至可以達到6 m/s以上，若預(yù)報和實測同時小于6 m/s或大于6 m/s則視為預(yù)報正確。在預(yù)報區(qū)域，24 h的預(yù)報準(zhǔn)確率達到46.3%，24～48 h預(yù)報準(zhǔn)確率達43.6%（見表2），這一預(yù)報精度對于制定出海維修方案還有一定差距，因此下面將使用遞減平均法對原始預(yù)報結(jié)果進行校正以提高預(yù)報精度。

圖2 2019年8—10月3個浮標(biāo)站點實測數(shù)據(jù)風(fēng)級分布概率圖

表1 2019年8—10月3個浮標(biāo)站點風(fēng)速預(yù)報與實測數(shù)據(jù)誤差

圖3 2019年8—10月3個浮標(biāo)站點預(yù)報和實測風(fēng)速的RMSE

表2 0～48 h預(yù)報時效以6 m/s分界的各種情況出現(xiàn)次數(shù)（括號內(nèi)為訂正后數(shù)據(jù)）

3.2 使用遞減平均法訂正風(fēng)速預(yù)報

王亞男等[12]提出使用“遞減平均法”對預(yù)報場進行誤差訂正，取得了較好的訂正效果，說明“遞減平均法”的使用效果良好。本文使用此方法對風(fēng)場進行訂正。遞減平均法的誤差累計公式為：

式中，w為權(quán)重；B(t)為累加后的誤差，B(t-1)為上一個時次（6 h前）的誤差；f(t)為預(yù)報數(shù)據(jù)；a(t)為實測數(shù)據(jù)。最終得到訂正預(yù)報fc=f(t)-B(t)。

隨著權(quán)重w變化，“遞減評價法”對誤差的訂正效果也不同。定義誤差訂正量來比較不同w對訂正結(jié)果的影響，誤差訂正量為訂正前與訂正后的RMSE之差與訂正前RMSE的比值。以24 h預(yù)報為例，圖4為不同權(quán)重系數(shù)時各站點的誤差訂正量，表3為取最佳的權(quán)重系數(shù)時，24 h預(yù)報校正前后的RMSE與訂正量。同時，重新統(tǒng)計0～24 h的預(yù)報準(zhǔn)確率發(fā)現(xiàn)，訂正后的預(yù)報準(zhǔn)確率由46.8%提高為57.0%，24～48 h預(yù)報準(zhǔn)確率由43.6%提高為54.2%，預(yù)報結(jié)果有了明顯改善。

圖4 不同權(quán)重系數(shù)時3個浮標(biāo)站點風(fēng)速的誤差訂正量

表3 各站點24 h風(fēng)速預(yù)報最佳訂正量

以上分析表明，使用全球風(fēng)速預(yù)報產(chǎn)品進行區(qū)域預(yù)報，在長江口海域誤差較大，難以滿足海上風(fēng)電場的運維需求，對于海上風(fēng)電維修施工決策可能只有一定的指導(dǎo)性。與全球預(yù)報產(chǎn)品相比，區(qū)域預(yù)報系統(tǒng)可以提供預(yù)報技巧更高的風(fēng)速預(yù)報。王亞男等[12]利用區(qū)域海洋和大氣模式（Regional Ocean and Atmosphere Model，ROAD）對渤海區(qū)域10 m風(fēng)速預(yù)報進行誤差訂正，訂正后12～72 h預(yù)報的均方根誤差在2.4～3.3 m/s之間。分辨率6 km海氣浪區(qū)域耦合模式的預(yù)報試驗也表明，在無臺風(fēng)的情況下，10 m風(fēng)場預(yù)報的RMSE為1～2 m/s。因此，建立一個海上風(fēng)電區(qū)的區(qū)域性海洋和天氣預(yù)報系統(tǒng)很有必要，對于海上風(fēng)電維修意義重大。

3.3 有效波高預(yù)報

中國東海區(qū)的月平均波高在1.0～2.5 m之間，最大波高在5.0～12.5 m之間，10月—翌年2月波高較大[20]。夏末秋初時，該海區(qū)受到太平洋副熱帶高壓控制，盛行東南季風(fēng)，波高的總體平均值不大，但是隨著副高的東退和西進，也會存在明顯的變化過程[21]。中國近海是遭受臺風(fēng)災(zāi)害最嚴重的海區(qū)，臺風(fēng)經(jīng)常引起波高4 m以上的災(zāi)害性海浪，對近岸活動、海上作業(yè)、海上工程和船舶航行等具有極強的破壞性。海浪預(yù)報對海上各種生產(chǎn)活動和規(guī)避災(zāi)害性海浪非常重要。

長江口是我國最大的入海口，具有三級分汊、四口入海的特征[22]。該海域的地形和海岸線分布導(dǎo)致海浪狀況多變。圖5為2019年8月1日—10月31日期間長江口海域的長禁五號、長江口燈船和東海浮標(biāo)3個站點實際觀測數(shù)據(jù)的波級分布結(jié)果。從圖中可以看出3個站點的有效波高基本分布在2～4級，即波高分布范圍為0.1～2.5 m。長禁五號的有效波高極大部分為2級浪高，概率高達70%以上，小部分出現(xiàn)0級浪高，概率在25%左右，偶有3級浪高出現(xiàn)。長江口燈船主要為3級浪高，概率為60%左右，部分為2級浪高，概率為30%左右，很小一部分為4級浪高，概率為10%左右。東海浮標(biāo)站的有效波高主要分布在3～4級，概率分別都高達40%以上，而且有6～7級的海浪，即4.0～9.0 m高的海浪。6～7級海浪是極具破壞性的，如不依據(jù)預(yù)報提前防范，極容易發(fā)生海浪災(zāi)害，威脅海上及近海的生產(chǎn)活動，造成難以估計的生命財產(chǎn)損失。

圖5 2019年8—10月3個站點有效波高波級分布

全球海浪預(yù)報產(chǎn)品在長江口近海具有較高的預(yù)報技巧。以長禁五號浮標(biāo)站為例，2019年8月12日—10月31日期間該站有效波高0～24 h和24～48 h的預(yù)報和觀測比對結(jié)果顯示（見圖5），預(yù)報結(jié)果與實測結(jié)果吻合程度較好，很好地預(yù)報了有效波高的變化趨勢。0～24 h預(yù)報與實測的均方根誤差為0.25 m，相關(guān)系數(shù)（R）為0.82（見圖6a）。24～48 h預(yù)報與實測的均方根誤差為0.24 m，誤差結(jié)果與0～24 h接近，相關(guān)系數(shù)為0.81（見圖6b），相關(guān)系數(shù)比0～24 h低。預(yù)報與觀測隨時間變化趨勢大體一致，擬合程度較高，預(yù)報效果較好。

圖6 2019年8—10月長江口燈船浮標(biāo)有效波高預(yù)報與實測對比

統(tǒng)計分析2019年8—10月長禁五號、長江口燈船和東海浮標(biāo)3個站點預(yù)報與觀測數(shù)據(jù)的MAE、RMSE和Bias（見表4和圖7），可以看到海浪預(yù)報質(zhì)量較好，0～24 h和24～48 h的MAE和RMSE都在0.36 m以下，偏差較小。長禁五號的RMSE最大，在0.35～0.40 m之間，其次為東海浮標(biāo)，在0.30～0.35 m之間，長江口燈船的RMSE最小，在0.25 m左右。

圖7 2019年8—10月3個浮標(biāo)站點波浪預(yù)報與實測數(shù)據(jù)的RMSE

表4 2019年8—10月3個站點波浪預(yù)報與實測數(shù)據(jù)的誤差

3.4 臺風(fēng)情況下的預(yù)報精度

2019年10月初第18號臺風(fēng)“米娜”在長江口預(yù)報區(qū)域過境。為分析臺風(fēng)極端天氣下全球風(fēng)浪預(yù)報產(chǎn)品在這一區(qū)域的精度，我們將篩取此時間段的數(shù)據(jù)，評價臺風(fēng)極端天氣下風(fēng)浪的預(yù)報效果。圖8和圖9分別為2019年10月2日臺風(fēng)過境前后東海浮標(biāo)站風(fēng)速及波浪預(yù)報與實測值的對比。可以注意到，在臺風(fēng)極端天氣下，全球預(yù)報產(chǎn)品對風(fēng)速極大值出現(xiàn)時間的預(yù)報結(jié)果有6 h左右的誤差，臺風(fēng)過后，風(fēng)速預(yù)報與觀測很接近。波浪預(yù)報結(jié)果與實測結(jié)果吻合程度高，有效波高的變化趨勢與觀測相比在時間上也高度一致。整體預(yù)報結(jié)果的時間變化較實測滯后幾小時。在臺風(fēng)和站點距離最近的時間點前后，預(yù)報和實測波高都達到峰值，在有效波高到達峰值前，預(yù)報值比實測值偏小，到達峰值后，實測值比預(yù)報值偏小，峰值附近大小差別最明顯。但兩者的RMSE不大，為0.37 m，相關(guān)系數(shù)達0.97，可見即使在臺風(fēng)天氣情況下，海浪預(yù)報的精度也非常高。

圖8 2019年10月2日第18號臺風(fēng)“米娜”過境前后東海浮標(biāo)站風(fēng)速預(yù)報與實測值對比

圖9 2019年10月2日第18號臺風(fēng)“米娜”過境前后東海浮標(biāo)站波浪預(yù)報與實測值對比

4 總結(jié)

2019年8—10月長江口海域風(fēng)浪的預(yù)報技巧分析表明，由于風(fēng)變化較大且預(yù)報產(chǎn)品為全球性預(yù)報，所以對區(qū)域的預(yù)報結(jié)果并不理想，但是使用遞減平均法對預(yù)報進行校正后，相對誤差校正量可以達到13.52%，校正結(jié)果較好。波浪預(yù)報精度高，效果好，波形變化趨勢一致，擬合度高，RMSE在0.40 m以下。在臺風(fēng)極端天氣下，風(fēng)速預(yù)報結(jié)果反映了大尺度形勢，但最大風(fēng)速的出現(xiàn)時間滯后。波浪預(yù)報與實測數(shù)據(jù)的RMSE為0.37 m，相關(guān)系數(shù)高達0.97，有效波高時間變化與觀測高度一致，與無臺風(fēng)情況下差別不大。在沒有區(qū)域海洋和天氣預(yù)報產(chǎn)品的情況下，全球預(yù)報產(chǎn)品可以為海上風(fēng)電場的運維決策提供一定的參考依據(jù)。更高精度的預(yù)報將依賴于高分辨率的全球產(chǎn)品或區(qū)域預(yù)報系統(tǒng)。本研究針對長江口海上風(fēng)電場運維的實際需求分析了兩個月內(nèi)的風(fēng)浪預(yù)報，得到的結(jié)果還需要更多的驗證工作，如何將公益性的預(yù)報產(chǎn)品進行深度加工以滿足特定行業(yè)的需求也仍有大量工作要做。