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預報系統 (CWB/WRF) 太陽能
本產品包含太陽短波輻射量及太陽能發電量密度。太陽短波輻射量是由本局區域預報系統(WRF)所產製,而太陽能發電量密度則是利用太陽短波輻射量(W/m2)及模式輸出的2米高溫度(K),透過簡易運算式所估計出來的。
單位面積(m2)的太陽能發電量密度 : \(Pt ={SSR× (1-((T-25℃) ×-0.1\%))× η}\)
(SSR為太陽短波輻射量,T為2米高氣溫,η為太陽電池的轉換效率。一般常見的矽晶類太陽能模組轉換效率約為14 %~16 %;薄膜類模組效率約為9 %。故在推估太陽能發電量密度計算中太陽電池轉換效率以15% 帶入計算。)
什麼是WRF?
WRF是中尺度數值天氣預報系統,本模式同時滿足大氣研究和天氣預報上的需求,並且廣泛應用在跨尺度的天氣現象。WRF模式設計的目標主要是應用在模式水平解析度1~10公里之間的數值模擬,這樣的解析度特別適合模擬地形所引發之局部天氣現象或劇烈中尺度天氣系統,例如山谷風、海陸風、鋒面、對流系統等等,颱風相關研究當然也是主要的應用目標之一。
WRF模式的兩個動力核心是依據不同目地所設計的,分別為ARW (Advanced Research WRF)及NMM (Non-hydrostatic Mesoscale Model)。兩者在WRF架構上是相同的,但所著重的地方不同。ARW是由NCAR的MMM( Mesoscale and Microscale Meteorology Division)所研發,注重在研究,可以調為靜力穩定模式,能夠應用於理想個案模擬、參數化研究、資料同化研究、即時數值天氣預報與分析、颱風模擬、區域氣候研究、偶合模式應用及教學等,WRF-ARW主要之物理過程可分為微物理、積雲參數化、行星邊界層、地表過程與輻射。而NMM則由NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)的NCEP所研發,著重於非靜力穩定與即時預報,可應用於即時數值天氣預報與分析、參數化研究、偶合模式應用及教學等。
WRF的作業方式
CWB/WRF模式每日進行4次預報(00Z、06Z、12Z、18Z),每次預報時間(tau)達120小時,模式輸出的時間間距為1小時,輸出的資料經內插至等壓面後再轉換網格點資料。為配合綠能計劃需求,利用模式輸出之100米高風場、溫度場、比濕、雲液態水混和比、以及離地表2 m高度之氣溫及地表太陽短波輻射量等氣象參數來做風能及太陽能資訊的監測及預報。
CWB/WRF為二層巢狀網格,解析度分別為15和3公里,積分範圍如圖1所示,垂直分層則為52層,模式頂設為20 hpa。模式網格設定資訊如表一,模式物理參數法組態設計列於表二。WRF模式使用模組設計標準化語言,具有完整的數值計算和資料同化技術、多重移動網格以及物理過程(尤其是對流和中尺度降水過程)。WRF的網格設計在水平面上是採用 Arakawa C 交錯網格方式,此種網格設計將速度場放交錯在質量場/熱力/化學的左右上下二分之一網格處,呈現交錯分佈網格架構,垂直方向eta(η )座標相當於MM5模式sigma(σ)的追隨地勢坐標,並可採用不一致的網隔間距。
圖1 , CWB WRF 積分範圍
Domain 1 | Domain 2 | |
巢狀網格設定 | ||
投影法 | Lambert | |
網格解析度(km) | 15 km | 3 km |
X方向格點數 | 662 | 1161 |
Y方向格點數 | 386 | 676 |
垂直層數 | 52層 | |
參考經度 | 120° | 120° |
參考緯度 | 10°、40° | 10°、40° |
中心經度 | 118.59 | 122.27 |
中心緯度 | 27.07 | 22.87 |
模式頂高度(Pa) | 2000 Pa | |
積分時間間隔 | 60 s | 15 s |
DMS 輸出X方向格點數 | 661 | 1158 |
DMS 輸出Y方向格點數 | 385 | 673 |
DMS 輸出左下端點座標 | -5.693677°N, 78.02554°E | 14.02224°N, 105.2500°E |
DMS 輸出右上端點座標 | 43.28705°N, -179.5461°E | 32.12021°N, 140.91388°E |
表一:模式網格設定資訊
Domain 1 | Domain 2 | |
物理參數化設定 | ||
積雲參數化法(mp_CuP) | Kain-Fritch with new trigger function | None |
微物理參數化法(mp_physics) | Goddard 5-class scheme | Goddard 5-class scheme |
邊界層參數化法(bl_pbl_physics) | Yonsei University scheme | Yonsei University scheme |
長波輻射參數化法(ra_lw_physics) | RRTMG scheme | RRTMG scheme |
短波輻射參數化法(ra_sw_physics) | RRTMG scheme | RRTMG scheme |
地表參數化法(sf_sfclay_physics) | Monin-Obukhov scheme | Monin-Obukhov scheme |
土壤模式(sf_surface_physics) | NOAH | NOAH |
土壤層數 | 4層 | |
動力參數設定選項 | ||
Dynamical core option(dyn_opt) | Eulerian mass core | |
時間積分方式(rk_ord) | Runge-Kutta 3rd order | |
(w_damping) | With vertical velocity damping. | |
紊流與混合方式(diff_opt) | evaluates 2nd order diffusion term on coordinate surface | |
渦流參數方式(km_opt) | horizontal Smagorinsky first order closure | |
Upper level damping | without damping | |
Basetemp | 290 | |
從模式頂damping深度(zdamp) | 5000 (m) | |
邊界條件控制選項 | ||
(spec_bdy_width) | 5 |
表二:CWB WRF 3個系集成員模式組態共同的部分
太陽能計算方法
太陽能發電是透過太陽光電板吸收太陽的能量來發電,因此日射量的多寡會直接影響發電量大小,太陽光電板發電量隨著日射量大小隨時在改變,通常不會逐日、逐時計算發電量,通常的做法是觀察一段時間例如一個月或者一年的總值,然後換算相當於ASTM E1036 標準的等效日照小時(Equivalent Sunshine Hours, ESH),以簡化計算。等效日射小時,為評估太陽能發電之重要因子,此數值越大表示當地日射能量越強,發電量可以越多,其定義為將當地之日射量換算為1000 W/\(m^2\)之標準條件下之有效照射時間。
簡易的太陽能計算式可由下式表示:
利用模式輸出的太陽短波輻射量(SSR)與2公尺高氣溫(T)計算單位面積(m2)的太陽能發電量密度 :
\(Pt ={SSR× (1-((T-25℃) ×-0.1\%))× η}\)
(SSR為太陽短波輻射量,T為2米高氣溫,η為太陽電池的轉換效率。)
根據登錄在經濟部能源局太陽能高效率模組產品中常見矽晶類太陽能模組轉換效率約14 %~16 %;薄膜類模組效率約9 %。故在推估太陽能發電量密度計算中太陽電池轉換效率以15%帶入計算式中,最後藉由上述方法來建置太陽能發電量密度預報系統。