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預報系統 (CWB/RWRF) 風能
本產品分為風速、風能密度、風能發電量。利用本局區域預報系統(CWB/RWRF)所產製100米高度的氣象預報資料[東西風(m/s)、南北風(m/s)、氣壓(hpa)、溫度(℃)、比溼(kg/kg)],將模式輸出的東西風及南北風計算出100米高度的風向及風速,再透過簡易運算式將風速轉換成風能密度及風能發電量。
風能密度 : \(P={C_P×ρ/2×A×V^3}\)
(\(C_p\)為風機功率係數,目前極限約為40%,ρ為密度,A為風機葉片掃掠面積,V為有效風速,3m/s~25m/s)
什麼是RWRF?
RWRF為本局的雷達資料同化預報系統,Westra et al.(2013,2014)指出近年來全球各地短延時、強降水事件發生的頻率有明顯增長的趨勢,使得水災發生的頻率和強度隨之增加,面對類似短延時、強降水天氣事件,如何能提早防範以減少災害的發生成為重要的議題。龔等(2015)分析了21年的降水資料,定義3小時內雨量達130毫米或6小時內雨量達200毫米,稱之為短延時、強降水天氣事件,此一門檻足以反應短延時、強降水天氣事件與災害的關係,並作為防災操作的參考依據。
短延時、強降水系統具有劇烈的降水過程以及系統快速演變的特性,同時又深受台灣複雜地形的影響,因此其可預報度相當有限。囿於有限的可預報度,為了提升對短延時、強降水天氣系統的預報能力,整合當下衛星或雷達等各式觀測資料,以建構快速更新的即時定量降水預報,是提升災害預警能力的重要作為之一。但,要發展中尺度甚至是對流尺度的即時預報系統,提供即時且有效的預報指引,在實務作業與科學研發上仍有諸多的考量。
數值天氣預報期望能掌握劇烈天氣系統的演變,改善模式解析度是首要關鍵。Weisman et al.(1997)由颮線系統的數值模擬中指出,4公里模式解析度是解析劇烈天氣系統之對流行為的最低門檻。然而,只提高模式解析度仍不能有效掌握短延時、強降水天氣系統的結構和演變,欲要提升模式的可預報度仍需仰賴一個好的模式初始場。因此,有效的對流尺度資料同化技術,特別是同化雷達觀測,亦為提供即時定量降水預報的一個重要關鍵。
中央氣象局建置之高密度雷達網,不僅可提供劇烈降水天氣系統之監測與預警,同時可探討各種天氣系統之生命週期、降水過程等。此外,發展雷達資料同化系統以改進短期定量降雨預報亦為其重要的應用。
本局之雷達資料同化系統(RWRF)於2016年12月15日正式上線作業,使用WRFDA模組進行高解析度雷達資料同化,以提供逐時滾動式更新的即時定量降水預報,以改善模式針對短延時、強降水系統之定量降水預報能力。本局近年來致力發展對流尺度雷達資料同化系統,期望藉由同化高時空解析度觀測資料,提升模式對於對流尺度系統之預報能力,故於2019年1月9日開始應用3維變分資料同化方法同化地面觀測資料,更於2019年11月4日將資料同化策略精進為混合式三維系集變分資料同化方法,可有效使用LETKF系統同化地面測站之傳統觀測資料(風向、風速、溫度、水氣),提供更完整底層大氣資訊于模式,使模式能在午後對流發生前即能掌握激發局部環流發展的動力及熱力條件,以增進模式短延時強降水預報能力及午後對流降水可預報度。
其中,RWRF系統包括雷達觀測資料前處理程序、循環更新之同化策略、混合式三維系集變分資料同化方法以及0-13時的模式預報。本手冊為目前上線作業(RWRF V2.0)版本模式架構的作業說明。
RWRF的作業方式
RWRF系統中,10-km解析度模式由NCEP GFS以NODA的方式,於每天00、06、12、18 UTC進行降尺度模式預報,並藉由WRF提供之NDOWN模組,提供邊界條件和初始猜測場給2-km解析度模式。其設計目的是期望能藉由使用10-km解析度模式預報場來降低2-km解析度模式在氣象場的模式起轉問題,並可於缺乏雷達觀測資料之區域延展氣象場資訊。
2-km解析度模式,採用循環更新之同化策略目前可提供逐時0-13時的模式預報。其資料同化方法可分為兩部分,首先,先採用混合式三維系集變分資料同化方法同化地面觀測資料,使用的觀測資料包括氣象局人工觀測站及自動觀測站,同化變數包括地面風向、風速、溫度、濕度,此步驟可提供較佳的初始猜測場於雷達資料同化使用,接著,再應用三維變分資料同化方法同化雷達觀測資料。
預報作業逐時執行,每日執行24次,每次產出13小時預報結果。作業版本為WPS V3.9.1、WRF VAR V3.9.1a和WRF V3.8.1等,據以建構一個以WRF前置處理和模式預報的資料同化系統。輸出格式為NETCDF格式,經內插至等壓面後轉換為DMS格式以提供給下游使用者;備份NETCDF格式資料,線上儲存1.5天,DMS格式資料備份線上儲存3年。
模組包含10公里及2公里之巢狀網格,其網域設計如圖1所示。兩層網格之垂直解析度皆設定為52層,模式大氣層頂皆設為20 hpa。
圖1 : CWB RWRF模式積分範圍。10公里模式格點為451*451,2公里為301*301,其垂直層數皆為52層。
10 km domain | 2 km domain | |
網格設定 | ||
投影法 | Lambert | |
網格解析度(km) | 10 km | 2 km |
X方向格點數 | 301 | 451 |
Y方向格點數 | 301 | 451 |
垂直層數 | 52 (1.0000,0.9965,0.9920,0.9865,0.9795,0.9710,0.9610,0.9495,0.9365,0.9216, 0.9050,0.8870,0.8675,0.8465,0.8240,0.7995,0.7730,0.7450,0.7150,0.6830, 0.6500,0.6160,0.5810,0.5460,0.5115,0.4775,0.4445,0.4130,0.3835,0.3558, 0.3299,0.3057,0.2831,0.2620,0.2422,0.2235,0.2058,0.1892,0.1735,0.1585, 0.1442,0.1306,0.1177,0.1055,0.0940,0.0828,0.0719,0.0610,0.0500,0.0380, 0.021,0) |
|
參考經度 | 120° | |
參考緯度 | 10°、40° | |
中心經度 | 123.396°E | 120.814°E |
中心緯度 | 21.49418°N | 23.7644°N |
模式頂高度(Pa) | 2000 Pa | 2000 Pa |
積分時間間隔 | 60 s | 6 s |
DMS 輸出X方向格點數 | X | 450 |
DMS 輸出Y方向格點數 | X | 450 |
DMS 輸出左下端點座標 | X | 19.5483°N, 116.371°E |
DMS 輸出右上端點座標 | X | 27.8446°N, 125.568°E |
表一:模式網格設定資訊
100M風速的產出
100米高度的資料,是透過模式輸出層場中,最接近100米高度的兩層內插而得。首先判斷100米位於模式資料中的哪兩層,若是低於模式最低層,則由地面場(2米/10米)和模式最低層進行線性內插而得。
圖2 模式100公尺高度示意圖
灰色虛線為模式層,綠色為地面,紅色為100公尺高度線。
圖中藍點(100公尺高)位在模式第1層和第2層之間,藍點值則由第1層和第2層內差而得。
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