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Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie und Energiewirtschaft - Stefan Declair*, Klaus Stephan, Roland Potthast 79. DPG-Jahrestagung, Arbeitskreis Energie Berlin, March 18 th 2015 On the Improvement of Numerical Weather Prediction by Assimilation of Wind Power data

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Page 1: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger

Energieträger

- Eine Kooperation von Meteorologie und Energiewirtschaft -

Stefan Declair*, Klaus Stephan, Roland Potthast

79. DPG-Jahrestagung, Arbeitskreis EnergieBerlin, March 18th 2015

On the Improvement of Numerical Weather

Prediction by Assimilation of Wind Power

data

Page 2: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

Source: Andrea Streiner, DWD

Page 3: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

Who is EWeLiNE?

Page 4: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

Agenda

1. Data Assimilation

2. Impact-Study

Page 5: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

Agenda

1. Data Assimilation

2. Impact-Study

Page 6: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

Information used:

•Observations

•Knowledge about cars, street, etc

•Experience statistics

Forecast errors due to:

•Observation (estimation) errors

•Model errors (icy street)

•Case does not match statistics

Forecast: Can I cross the street without getting hit?

Page 7: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

Weather forecast

,...),,',,,(

,),,(),(

qTpwvu

txtxFtx

Page 8: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

Agenda

1. Data Assimilation

2. Impact-Study

Page 9: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

OSSE

What: Observation System Simulation Experiment

Goal: Test the impact of newly available observations in the data assimilation

Method: assimilate artificial observations in slightly perturbed truth

Advantages:

Truth is known exactly

All generated athmospheric fields can be used as observations

Observation system can be altered easily

Observation errors

Observation densities

Temporal resolution/delay

Page 10: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

OSSE

What: Observation System Simulation Experiment

Goal: Test the impact of newly available observations in the data assimilation

Method: assimilate artificial observations in slightly perturbed truth

free forecasttruth

artificial obs *

control

create

perturb

assimilate

)(

),(),,(),(

,

obskkobskk txWGtxF

t

tx

* obs: all conventional obs ervations PLUS

wind observations at average park hub height

Page 11: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

OSSE – Settings

Artificial wind observations

68 wind farm sites

Average hub height, farm point of mass

15min resolution/10min delay

Observation error: N(0, 2 ms-1)

Control

2 perturbations @ physics

2 perturbations @ dynamical core

Page 12: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

OSSE – Settings

Cycling over N-day evaluation period

Hourly assimilation of artificial wind observations

Hourly free forecast over 21h

UTC time

days

1 2 NN-13

12 18 00 06 12 18

analysis

21h forecast

analysis

21h forecast

analysis

21h forecast

analysis

21h forecast

analysis

21h forecast

analysis

21h forecast

Page 13: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

OSSE – Results Test Period

Computational domain

Results for 2013062100 - 2013062918, mean over all 00UTC free forecasts

evaluation region

Page 14: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

OSSE – Results Test Period

Results for 2013062100 – 2013062918

How many observations have been assimilated?

Conventional observations (AIREP,TEMP,etc): ~4000-5000 / h

Artificial wind information: <300 / h

New observations have small weight compared to conventional obs!

3 possibilities:

Reduce amount of conventional observations

Evaluate locally around station / along wind path

Rerun with higher artificial wind observation density (work in progress)

Page 15: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

OSSE – Evaluation 1

Results for 2013062100 - 2013062918, mean over all 00UTC free forecasts

Computational domainevaluation region

Page 16: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

OSSE – Evaluation 2

x

x

x

Evaluate locally :

at reference wind park

propagate evaluation point with wind field

Page 17: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

OSSE – Evaluation 2

Results for 2013062100 - 2013062918, mean over all 00UTC free forecasts

RMSE between NTR analysis

and ctl (marks) / exp

68 stations

Positive local impact

Horizon:

Stat: up to 12h

Dyn: up to 17h

Diurnal error: slightly…

Page 18: Erstellung innovativer Wetter- und Leistungsprognosemodelle für die Netzintegration wetterabhängiger Energieträger - Eine Kooperation von Meteorologie

Data assimilation

NWP is a (boundary and) inital value problem: you need accurate initial fields

Task: create a best-fit atmospheric state according to first guess and observations

Conclusion

Impact study: OSSE

Visible positive impact of artificial hub height wind speeds

Regional:

Fierce competition with conventional observation networks: neutral

Unrivaled: strongly positive over 8 hours

Local:

positive effect for more tha half a day even with conventional observation networks included

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Thank you for your attention!

Now: Q & A