近12年來影響風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的氣象災(zāi)害因子分布特征﹡

柳艷香，袁春紅，朱玲，黃鳳新，郭鵬，蘭海波，何曉鳳

（1. 中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽能資源中心，北京 100081；2. 沈陽區(qū)域氣候中心，沈陽 110016）

0 引言

中國(guó)位于中緯度歐亞大陸腹地，地勢(shì)復(fù)雜，氣候布局復(fù)雜多變，風(fēng)能資源豐富。但是,極端氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)行會(huì)造成不同程度的損害，致使風(fēng)電機(jī)組受損，效益降低。我國(guó)風(fēng)能資源豐富地區(qū)主要在“三北”（東北、華北和西北）和東部沿海地區(qū)，而在 “三北”地區(qū)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組部件的安全運(yùn)行造成威脅的極端氣象因子有極端低溫、積冰、沙塵暴等，而對(duì)東部沿海風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生最大威脅的氣象因子是臺(tái)風(fēng)，雷暴對(duì)全國(guó)的風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組都會(huì)產(chǎn)生影響，尤其對(duì)南方地區(qū)影響最大。盡管空氣密度對(duì)風(fēng)電機(jī)組不會(huì)產(chǎn)生威脅，但它對(duì)高海拔地區(qū)的風(fēng)電機(jī)組出力會(huì)造成很大的影響。

利用2000年－2011年近12年來中國(guó)氣象局的逐日觀測(cè)資料，對(duì)雷暴、極端低溫、積冰、沙塵暴、臺(tái)風(fēng)以及空氣密度的變化特征進(jìn)行了分析，以期對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)行提供參考保障。

1 雷暴

雷暴為積雨云云中、云間或云地之間產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。雷暴表現(xiàn)為閃電兼有雷聲，有時(shí)亦可只聞雷聲而不見閃電。雷暴發(fā)生時(shí)常伴有冰雹、大風(fēng)、暴雨等多種極端天氣現(xiàn)象。

我國(guó)的雷暴主要出現(xiàn)在夏季，春、秋季出現(xiàn)的幾率相對(duì)較小。雷暴的主要分布特征是南多北少。近12年來，大于30天的年平均雷暴日數(shù)主要出現(xiàn)在長(zhǎng)江中下游以南地區(qū)。我國(guó)南部沿海地形復(fù)雜，來自洋面豐沛的水汽由于動(dòng)力抬升，對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)盛，雷暴頻發(fā)，如在云南西南、廣西南部、廣東西南的部分地區(qū)及海南地區(qū)年平均雷暴日數(shù)會(huì)達(dá)到60天－70天。其中，云南西南部最高可以達(dá)到80天，局部地區(qū)會(huì)超過100天。而青藏高原、云南西北部以及四川西部夏季對(duì)流活動(dòng)旺盛，年平均雷暴日數(shù)基本在40天以上，青藏高原的中東部部分地區(qū)可以達(dá)到60天－70天。長(zhǎng)江中下游以北的華中、華北、東北地區(qū)的雷暴相對(duì)較少，基本少于30天，但京、晉、冀部分地區(qū)的雷暴日數(shù)會(huì)達(dá)到30天－40天。除新疆西北地區(qū)之外，西北大部分地區(qū)的年平均雷暴日數(shù)小于20天，也是我國(guó)雷暴日數(shù)出現(xiàn)較少的地區(qū)。由于風(fēng)電機(jī)組和輸電線路多建設(shè)在空曠地帶，尤其在地勢(shì)較高的地方，裸露于雷雨云形成的大氣電場(chǎng)中，很容易發(fā)生尖端放電而被雷電擊中。雷暴發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電流、炙熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的靜電場(chǎng)和強(qiáng)烈的電磁輻射等物理效應(yīng)，造成風(fēng)電機(jī)組葉片損壞、發(fā)電機(jī)絕緣擊穿、控制元件燒毀等，致使設(shè)備和線路遭受嚴(yán)重破壞，即使沒有被雷電直接擊中，也可能因靜電和電磁感應(yīng)引起高幅值的雷電壓行波，在終端產(chǎn)生一定的入地雷電流，造成不同程度的危害。

2 極端低溫

極端低溫是指在一定時(shí)期內(nèi)出現(xiàn)的最低氣溫。極端低溫均出現(xiàn)在冬季，受極地大陸冷氣團(tuán)的影響，特別是我國(guó)的北方地區(qū)極易受到冷空氣的影響，致使溫度驟降。我國(guó)極端低溫的分布由南向北逐漸降低，呈現(xiàn)東北向西南略傾斜分布。黃河下游、秦嶺至西藏東南以南地區(qū)的極端低溫均高于-15℃，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)沒有影響，而以北的大部分地區(qū)在-25℃～-30℃之間，東北、內(nèi)蒙古中東部、新疆北部以及內(nèi)蒙古西部的部分地區(qū)在-30℃～-35℃之間，其中除了黑龍江東部的東北大部、內(nèi)蒙古中東部以及北疆東部地區(qū)的極端低溫在-35℃～-40℃之間，黑龍江北部和內(nèi)蒙古東部的極端低溫會(huì)降至-40℃以下。歷史上，我國(guó)最低氣溫-52.3℃出現(xiàn)在1969年2月13日黑龍江的漠河地區(qū)，它是我國(guó)有器測(cè)歷史以來觀測(cè)到的最低溫度。

據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行溫度為-20℃，生存溫度為-30℃。在我國(guó)風(fēng)能資源豐富的“三北地區(qū)”（東北、華北、西北），極端最低溫度均在-20℃以下。而東北、內(nèi)蒙古中東部以及新疆北部地區(qū)的極端低溫均低于-30℃。這些地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)利用時(shí)都要考慮到極端低溫對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響。極端低溫對(duì)電子電氣器件的正常功能影響較大，液壓系統(tǒng)也會(huì)因液壓油粘度增大出現(xiàn)異常，致使機(jī)組難以運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而危及設(shè)備的安全運(yùn)行[1]。

3 積冰

積冰是各種降水或霧與地面或空中冷卻物體碰撞后凍結(jié)在其表面上的現(xiàn)象，包括雨凇和霧凇。雨凇是大氣中過冷雨滴同低于0℃ 的物體或地面相碰凍結(jié)成的堅(jiān)硬冰層，而霧淞則是過冷卻霧滴直接凍結(jié)在物體上形成乳白色冰晶物，有時(shí)結(jié)構(gòu)松脆受震易塌落。積冰主要出現(xiàn)在冬季，有些地區(qū)春秋季節(jié)也會(huì)出現(xiàn)。它們多形成在空氣中水汽含量比較豐富的地區(qū)，且隨著海拔高度的增加而增多，但超過凝結(jié)高度以后又會(huì)隨高度減少。在相近的溫濕條件下，凍結(jié)厚度隨風(fēng)速增大而增加。積冰在增長(zhǎng)過程中還可能有幾種積冰交替積聚而形成混合積冰。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)影響較大的是雨淞、霧淞和混合積冰，雨淞的危害更為突出。

我國(guó)雨凇多分布在長(zhǎng)江中下游以南地區(qū)，如四川南部、云南東北部、貴州和湖南大部、江西北部、湖北和安徽南部。雨凇出現(xiàn)范圍較大的地區(qū)主要在湖南和貴州，貴州地勢(shì)較高，雨凇的出現(xiàn)幾率更高一些，幾乎全省均有出現(xiàn)，大部分地區(qū)雨凇的年平均日數(shù)在10天以上，海拔較高的威寧地區(qū)甚至達(dá)到了43.8天，如圖3（a）所示。我國(guó)其余雨凇出現(xiàn)幾率較高的地區(qū)均在海拔較高的山地，詳見表1。其中四川峨眉山（海拔高度3048m）雨凇12年年平均日數(shù)達(dá)到了106天，位居我國(guó)雨凇出現(xiàn)幾率之首。

我國(guó)霧凇分布以北方居多，如圖3(b)所示。天山以北的新疆地區(qū)，是我國(guó)霧凇出現(xiàn)面積最大且出現(xiàn)頻率較高的區(qū)域，蔡家湖可高達(dá)52天。同樣，霧凇出現(xiàn)頻率較高的區(qū)域也多在高山站，如四川峨眉山出現(xiàn)的頻率最高可達(dá)115天，甘肅華家?guī)X可達(dá)65天，安徽黃山、南岳衡山的出現(xiàn)日數(shù)在50天以上，山東泰山、陜西華山、新疆巴里坤在40天－50天，江西廬山、甘肅烏鞘嶺、山西五臺(tái)山及吉林等地在30天－40天。

積冰對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的安全存在很大的危害。風(fēng)電機(jī)組葉片表面積冰，會(huì)造成葉片負(fù)載增加，粗糙度增大，風(fēng)電機(jī)組機(jī)翼的氣動(dòng)性能就會(huì)大大降低，從而影響機(jī)組的正常運(yùn)行。積冰嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線跳頭、扭轉(zhuǎn)甚至拉斷或結(jié)構(gòu)倒塌等事故。同時(shí)，積冰對(duì)導(dǎo)線、桿件、風(fēng)電機(jī)組自帶的常規(guī)測(cè)風(fēng)儀中的風(fēng)杯、風(fēng)標(biāo)、輸電線路電線等都會(huì)造成一定程度的影響，給風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)行帶來一定的威脅。

4 沙塵暴

沙塵暴是指強(qiáng)風(fēng)將地面大量沙塵物質(zhì)吹起卷入空中，使空氣特別混濁，水平能見度小于1000m的嚴(yán)重風(fēng)沙天氣現(xiàn)象。強(qiáng)沙塵的水平能見度小于500m。沙塵暴多發(fā)生在春季。中國(guó)西北地區(qū)是沙塵暴的頻發(fā)地區(qū)，蒙古國(guó)中南部戈壁地區(qū)也是影響中國(guó)的主要沙源地。

我國(guó)沙塵暴多發(fā)生在春季的北方地區(qū)，如新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙古等，而主要的沙源地在塔里木盆地的塔克拉瑪干沙漠、庫姆塔格沙漠、柴達(dá)木盆地以及巴丹吉林沙漠。近12年來，沙塵暴主要分布在沿南疆的塔里木盆地向東延伸到內(nèi)蒙古中東部的大部分地區(qū)，出現(xiàn)的年平均日數(shù)大于3天。南疆、青海西部以及內(nèi)蒙古中部和西部的局部區(qū)域沙塵暴出現(xiàn)日數(shù)平均在5天－11天，南疆局部地區(qū)可達(dá)28天。全國(guó)其余地區(qū)幾乎沒有沙塵暴出現(xiàn)或出現(xiàn)的平均日數(shù)少于1天，如圖4所示。

表1 各高地雨凇多年平均日數(shù)

強(qiáng)沙塵暴發(fā)生時(shí)風(fēng)力往往達(dá)8 級(jí)（風(fēng)速17.2m/s－20.8m/s）以上，有時(shí)甚至可達(dá)12 級(jí)( ＞32.7m/s)，大風(fēng)夾帶的沙礫不僅會(huì)使葉片表面嚴(yán)重磨損，甚至?xí)斐扇~面凹凸不平，破壞葉片的強(qiáng)度和韌性，影響風(fēng)電機(jī)組出力。

5 臺(tái)風(fēng)

熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上的低壓渦旋，是一種強(qiáng)大而深厚的熱帶天氣系統(tǒng)，熱帶氣旋按照其強(qiáng)度的不同，可分為6個(gè)等級(jí)：熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。根據(jù)國(guó)際慣例，中國(guó)對(duì)發(fā)生在北太平洋西部和南海的熱帶氣旋依據(jù)的中心最大風(fēng)力對(duì)應(yīng)值見表2。

熱帶氣旋中心風(fēng)力持續(xù)達(dá)到12級(jí)就稱為臺(tái)風(fēng)。臺(tái)風(fēng)的水平尺度約幾百公里到上千公里，最大風(fēng)速出現(xiàn)在中心附近，不少熱帶氣旋都伴有12級(jí)以上的大風(fēng)區(qū)，8級(jí)大風(fēng)區(qū)半徑一般可達(dá)上百公里。

由圖5、圖6可見，2000年以來，在西北太平洋生成的編號(hào)熱帶氣旋數(shù)明顯減少，明顯低于近30年（1971年-2000年）的平均值，而登陸數(shù)卻在顯著增加。近12年以來，登陸我國(guó)的熱帶氣旋共有90個(gè)，臺(tái)風(fēng)的平均登陸路徑比較偏北（如圖7）。有研究表明，近50年來登陸中國(guó)的熱帶氣旋平均強(qiáng)度有顯著增加，登陸時(shí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的比例有所增加[2-4]。

臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響是把雙刃劍，有利有弊。既要充分利用臺(tái)風(fēng)帶來的風(fēng)力資源，也要防范臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)帶來的重大損失。2009年的“莫拉克”臺(tái)風(fēng)使風(fēng)電場(chǎng)多發(fā)電量7.420GW/h[5]，但2006年的臺(tái)風(fēng)“桑美”給浙江蒼南風(fēng)電場(chǎng)造成慘重的損失，28臺(tái)風(fēng)電機(jī)組全部受損，5臺(tái)倒塌[6]。

6 空氣密度

空氣密度也是影響風(fēng)電場(chǎng)出力的一個(gè)重要因子?？諝饷芏仁侵竼挝惑w積所具有的空氣質(zhì)量（kg/m3）。所謂的標(biāo)準(zhǔn)空氣密度，是指風(fēng)能計(jì)算中常用的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下海平面空氣密度1.225kg/m3。

圖8是近12年來我國(guó)年平均空氣密度分布。很明顯，我國(guó)東部地區(qū)的空氣密度大于西部地區(qū)。長(zhǎng)江中下游以北的東部地區(qū)空氣密度大于1.20kg/m3，最大值出現(xiàn)在黑龍江地區(qū)，空氣密度達(dá)1.28kg/m3，也是我國(guó)近12年來空氣密度最大的區(qū)域。青藏高原的空氣密度最小，基本小于1.0kg/m3，最小值只有0.73kg/m3。新疆北部、華南地區(qū)介于1.15kg/m3－1.20kg/m3之間。內(nèi)蒙古中東部地區(qū)在1.15kg/m3－1.25kg/m3之間，而中西部地區(qū)則介于1.05 kg/m3－1.15kg/m3之間。西北其余大部分地區(qū)空氣密度均低于1.10kg/m3。

空氣密度的大小會(huì)直接影響風(fēng)能密度?？諝饷芏鹊拇笮∨c氣溫、海拔高度、水汽壓等因素有關(guān)。氣溫越低，空氣密度越大；而海拔越高，空氣密度則越小。與標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.225kg/m3相比，青藏高原平均空氣密度按0.74kg/m3計(jì)算。同等條件下，青藏高原的風(fēng)能較標(biāo)準(zhǔn)密度下要減損40%左右。這意味著只有風(fēng)速增加約1.0m/s，實(shí)際的風(fēng)能才可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的量值。

表2 熱帶氣旋等級(jí)

7 結(jié)論

通過對(duì)全國(guó)近12年來會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行造成威脅的氣象災(zāi)害因子分布特征的分析，初步得出如下結(jié)論：

（1）夏季，我國(guó)雷暴主要分布特征是南多北少。長(zhǎng)江中下游以南是雷暴的頻發(fā)地區(qū)，廣東西南部、廣西和云南南部以及青藏高原中東部的年平均雷暴日數(shù)可以達(dá)到60天以上，局部可達(dá)100天以上。近12年來，影響我國(guó)的登陸臺(tái)風(fēng)增多，登陸路徑偏北。

（2）冬季，北方大部分地區(qū)的極端低溫均低于－20℃，尤其是東北、內(nèi)蒙古中東部和北疆地區(qū)，極端低溫低于－30℃，超過了風(fēng)電機(jī)組的生存環(huán)境溫度，而內(nèi)蒙古東部和黑龍江北部的極端最低溫度低于－40℃的地區(qū)。積冰，主要是雨凇，多沿長(zhǎng)江中下游地區(qū)分布，出現(xiàn)幾率較高的地區(qū)多在海拔較高的山地。而云南東北部、貴州和湖南地區(qū)的出現(xiàn)范圍相對(duì)較大。

（3）春季，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有影響的氣象因子主要是沙塵暴。沙塵暴多出現(xiàn)在塔里木盆地到巴丹吉林沙漠一帶，其中南疆局部地區(qū)的年平均出現(xiàn)日數(shù)可達(dá)28天。

（4）空氣密度對(duì)風(fēng)電機(jī)組的出力會(huì)造成較大影響。全國(guó)平均空氣密度中，黑龍江最大，青藏高原最小，平均只有0.74 kg/m3。與標(biāo)準(zhǔn)空氣密度相比，同等條件下，青藏高原的風(fēng)能會(huì)減損約40%，只有當(dāng)風(fēng)速增加約1.0m/s，實(shí)際的風(fēng)能才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的量值。

以上結(jié)論只是針對(duì)影響風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的氣象災(zāi)害因子的宏觀分析，在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)一步考慮風(fēng)電場(chǎng)所處的地理環(huán)境以及局部地區(qū)天氣氣候的影響，盡可能防范氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場(chǎng)帶來的不利影響。

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[2] 雷小涂.全球氣候變化對(duì)臺(tái)風(fēng)影響的主要評(píng)估結(jié)論和問題[J]. 中國(guó)科學(xué)基金,2011（2）: 85-89.

[3] 雷小涂,徐明, 任福民.全球變暖對(duì)臺(tái)風(fēng)活動(dòng)影響的研究進(jìn)展[J].氣象學(xué)報(bào),2009,67（5）: 679-688.

[4] 余帆,李培,李向軍,張濤.近60年西北太平洋臺(tái)風(fēng)年代際變化特征及成因的初步分析[J].海洋預(yù)報(bào), 2012, 29（1）: 1-5.

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