什麼是NCEP?

  NCEP( The National Centers for Environmental Prediction)為美國國家環境預報中心，以最佳的數據處理技術分別提供適用於不同領域使用者的預測資訊，包含氣候，水文，氣象，天氣和海洋等空間資料。

  NCEP中心在區域和全球模式基礎上分析和預測短期氣候波動，鑑定出重要的氣候異常，並針對能源，食品供應，水資源和健康等相關使用者提出氣候問題的最新資訊，並持續監測雷暴活動，發布當地嚴重暴風雨資訊，以保護人民財產及人身安全，透過持續的天氣預測，來提供飛航產業最即時的天氣資訊以利於維護飛航安全，並且持續監測大西洋和太平洋、加勒比海和墨西哥灣等熱帶氣旋活躍的區域，為大眾準備颶風監視和警報消息，以及其他海洋，航空和軍事用途的颶風警報。

什麼是MDDS?

  MDDS(Mesoscale Dynamic Downscaling System)為本局與美國國家海洋與大氣總署（NOAA）下之GSD (Global System Division)合作發展的複雜地形區的三維連續變分降尺度系統。降尺度是指利用統計法或動力法由尺度較大的模式結果得到較小尺度的現象。統計法是指利用統計的關係（通常為經驗關係），慎選較大尺度模式結果的參數（或稱之為預報因子），得到較小尺度的氣象特徵（如von Storch et al., 1993; Goodess and Palutikof, 1998; Wilby et al., 2004）。而動力法主要是利用較小尺度的模式，以較大尺度模式的結果為其邊界條件，而得到較小尺度的氣象特徵（如Zagar and Rakovec, 1999; Giorgi et al., 2001; Mearns et al., 2004），另外亦可廣義的利用物理關係為基礎，由尺度較大的模式結果得到較小尺度的現象。

  在地形上的氣象場受地形的影響程度視地表的特性及所要解析的天氣系統尺度而決定。當地形越複雜且天氣系統尺度越小，氣象場受地形的影響越嚴重。在如此複雜的地形影響下，降尺度方法是否考慮地形的效應就決定了其結果的可信度。在複雜地形區的降尺度方法最簡便的即是利用區域數值模式的動力降尺度法，但此方法會面臨所有數值模式的極限，諸如初始場產生的模式調整問題（spin up problem）、模式動力及物理參數化問題等等。而在統計降尺度法中，Steincker et al. (2006) 利用其所謂的”fingerprint method”，將地形高度對氣象場的理想分布特性做為其方法的權重函數，可得到複雜地形區內較好的氣象場分佈。但此方法僅適用於單一的純量氣象變數，對向量氣象變數（風場）並不適用，且不同氣象變數間並無任何的物理關係存在。

  本方法利用追隨地勢座標下的純控制方程三維變分法，試圖解出在靜態下因複雜地形產生的氣象場變化，且因為此方法利用較完整的中小尺度氣象物理方程式為變分法的控制方程，其所得結果在不同氣象變數間有相當大程度滿足其所使用的控制方程。考慮僅以動量方程、連續方程、熱力方程及水汽保守方程為控制方程的純三維變分，其價值函數可寫為

$$J={∭(α_1 P_1^2+α_2 P_2^2+α_3 P_3^2+α_4 P_4^2+α_5 P_5^2+α_6 P_6^2+α_7 P_7^2 )dΩ}$$

  其中\(P_n\)為各項控制方程，包含三個方向的動量方程(\(P_1\)到\(P_3\))、連續方程(\(P_4\))、熱力方程(\(P_5\))、水汽保守方程(\(P_6\))及所有氣象變數的平滑懲罰項(\(P_7\))，\(α_n\)為各控制方程項的權重。

MDDS的作業方式

  MDDS目標在於提供下游單位即時且不耗費大量計算資源的情況下，取得更高解析度的氣象場資訊，同時包含台灣複雜地形條件下氣象場更細微變化過程。由於接收到初始場為氣壓層場資料，為滿足MDDS之應用，會將其轉換成地勢追隨座標。

  目前因應綠能計畫需求提供3種降尺度產品(MDDS-CWRF、MDDS-CGFS與MDDS-NCEP)，水平與垂直解析度分別為2公里、250公尺，一共32層場資料且為追隨地勢座標下產品，降尺度範圍如圖一所示。即時作業流程每日4次(00、06、12、18 UTC)，MDDS-CWRF初始條件使用目前本局區域預報模式系統之3公里水平解析度分析與預報場(CWBWRF-M04_WD02，DMS34key格式)進行動力降尺度，每次提供84小時逐時預報。MDDS-CGFS模式的初始條件使用目前本局全球預報模式系統之25公里水平解析度分析與預報場(CWBGFS-GH0G，DMS34key格式)進行動力降尺度，每次提供192小時逐6時預報。MDDS-NCEP模式的初始條件使用美國國家海洋和大氣管理局之全球預報模式之0.5度水平解析度分析與預報場(NCEP-GFS，grib2格式)進行動力降尺度，每次提供192小時逐6時預報。MDDS待上游分析與預報資料接收齊全之後立即啟動，平均計算時間花費約20~30分鐘，模式網格設定資訊及模式平均輸出時間列於附表一。本產品輸出格式為Bindary格式，提供給氣象資訊綠能營運中心使用，透過發電量評估模組介接系統將氣象資訊轉換風能發電量、風能密度等，為滿足離岸風機平均高度之需求，MDDS模式產品另外輸出高度100公尺層場資料。歷史備份資料為逐時(或逐六時)分析與預報場之100公尺高度之經緯度(deg)、東西風(m/s)、南北風(m/s)、氣壓(Pa)、相當位溫(K)、水氣含量(g/kg)，預計儲存3年，規劃放置於氣象局綠能營運中心雲端資料庫。

表一、MDDS-CWRF模式網格設定資訊與輸出時間(LST)

表二、MDDS-CGFS模式網格設定資訊與輸出時間(LST)

表三、MDDS-NCEP模式網格設定資訊與輸出時間(LST)

圖一 、 MDDS降尺度範圍

風能計算方法

  風能即為空氣流動所產生的動能，當空氣流動越快，其蘊含的動能越高。風力發電機的原理是利用風的動能轉動發電機來產生電力，而在目前發電機的有效利用風速範圍大約是3~25 m/s，因此在本計劃的風能計算方法，亦加入有效風速的限制條件，來計算有效風能密度。而根據貝茲極限理論，在物理上風力發電機是無法百分之百擷取風能，因此從風中取出的能量有一個極限值大約59%。

簡易的風能計算可由下式表示:

$$P={C_P×ρ/2×A×V^3}$$

(\(C_p\)為風機功率係數;本計劃目前設定為40% ;ρ為空氣密度;A為風機葉片掃掠面積，本計劃目前設定為1 \(m^2\);V為有效風速，3m/s~25m/s)

藉由上述方法取得風能密度，而風能發電量則從風力發電機的啟動風速至切出風速之功率曲線(圖1-1)去做計算。

圖1-1 理想功率曲線