中國(guó)近海風(fēng)電開發(fā)氣候知識(shí)之二 臺(tái)風(fēng)與海上風(fēng)電開發(fā)

（作者單位：張秀芝：國(guó)家氣候中心；張容焱：福建省氣候中心）

我國(guó)沿海及近海區(qū)域是風(fēng)能資源豐富區(qū)，也是我國(guó)電力負(fù)荷中心，同時(shí)也是西北太平洋熱帶氣旋影響或者嚴(yán)重影響的地區(qū)。目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和認(rèn)證的主要依據(jù)是IEC 61400-1和GL Guideline for the Certification of Wind Turbines，它們基本以歐洲氣候條件為基礎(chǔ)，對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)況的定義很簡(jiǎn)單。盡管近些年主流機(jī)組在不斷地嘗試抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)、制造和控制系統(tǒng)，但仍相繼有2003年13號(hào)臺(tái)風(fēng)“杜鵑”、2006年1號(hào)臺(tái)風(fēng)“珍珠”、2006年8號(hào)臺(tái)風(fēng)“桑美”、2010年13號(hào)臺(tái)風(fēng)“鯰魚”、2013年19號(hào)臺(tái)風(fēng)“天兔”和2014年9號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”，分別造成了廣東、浙江、福建和海南等地沿海風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組嚴(yán)重?fù)p毀。

任何事物都具有兩面性，熱帶氣旋對(duì)風(fēng)力發(fā)電也有其有利的一面，強(qiáng)度較弱的熱帶氣旋(如熱帶風(fēng)暴量級(jí))以及較強(qiáng)的熱帶氣旋的外圍環(huán)流，可以給風(fēng)電場(chǎng)帶來(lái)較長(zhǎng)的“滿發(fā)”時(shí)段，關(guān)鍵是風(fēng)電場(chǎng)管理人員如何利用臺(tái)風(fēng)的基本規(guī)律和信息，趨利避害。本文重點(diǎn)介紹針對(duì)近海風(fēng)電開發(fā)的臺(tái)風(fēng)基本特點(diǎn)以及臺(tái)風(fēng)影響海域的風(fēng)電場(chǎng)臺(tái)風(fēng)專項(xiàng)分析應(yīng)關(guān)注的問題。

影響中國(guó)近海的臺(tái)風(fēng)概況

一、熱帶氣旋定義及等級(jí)

生成于熱帶或副熱帶洋面上，具有有組織的對(duì)流和氣旋性環(huán)流的非鋒面性渦旋的統(tǒng)稱，包括熱帶低壓（10.8～17.1m/s,風(fēng)力6～7 級(jí)）、熱帶風(fēng)暴（17.2～24.4m/s,風(fēng)力8～9級(jí)）、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴（24.5～32.6m/s,風(fēng)力10～11 級(jí)）、臺(tái)風(fēng) （32.7～41.4m/s，風(fēng)力12～13 級(jí)）、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（41.5～50.9m/s，風(fēng)力14～15 級(jí)）和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（風(fēng)速≥51m/s，風(fēng)力16級(jí)或以上）。

二、統(tǒng)計(jì)特征

1949—2016年登陸中國(guó)大陸的熱帶氣旋達(dá)到熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度及以上492個(gè)，以登陸前6小時(shí)強(qiáng)度判斷其對(duì)近海風(fēng)電場(chǎng)的影響程度，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)6個(gè)，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)46個(gè)，臺(tái)風(fēng)156個(gè)（32.5～37.4m/s,102個(gè)，37.5～41.4m/s，54個(gè)），強(qiáng)熱帶風(fēng)暴147個(gè)，熱帶風(fēng)暴137個(gè)?？梢钥吹?，熱帶風(fēng)暴和強(qiáng)熱帶風(fēng)暴占58%，臺(tái)風(fēng)占32%，破壞力很強(qiáng)的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)只占10.6%。

如果按照風(fēng)電機(jī)組安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分的話，25.0～37.4m/s為249個(gè)，37.5～42.4m/s為60個(gè)，42.5～50.0m/s為40個(gè)，大于50m/s為6個(gè)。也就是說(shuō)，在中國(guó)近海熱帶氣旋達(dá)到IEC II類的占12%，IEC I類的占8%，超IEC I類的占1.2%。

三、路徑特征

圖1為1949—2016年進(jìn)入24小時(shí)警戒線達(dá)到臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的頻數(shù)分布圖，影響中國(guó)近海的臺(tái)風(fēng)由西北太平洋生成后，向西北方向移動(dòng)，一部分穿過菲律賓和巴士海峽進(jìn)入南海，分別移向海南、粵西、粵東（個(gè)別進(jìn)入臺(tái)灣海峽登陸閩南），6個(gè)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中有4個(gè)屬于該路徑。圖2-1為2014年“威馬遜”臺(tái)風(fēng)損壞的風(fēng)電機(jī)組，臺(tái)風(fēng)一部分穿過臺(tái)灣島進(jìn)入臺(tái)灣海峽在登陸福建，登陸臺(tái)灣時(shí)強(qiáng)度很大，進(jìn)入臺(tái)灣海峽強(qiáng)度大減；一部分在臺(tái)灣附近海域西北登陸浙江，6個(gè)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中有2個(gè)為該路徑。圖2-2為2006年“桑美”臺(tái)風(fēng)破壞的風(fēng)電場(chǎng)，臺(tái)風(fēng)的一小部分直接由東海、黃海北上在上海、江蘇、山東登陸。

海上風(fēng)電場(chǎng)臺(tái)風(fēng)專項(xiàng)分析

臺(tái)風(fēng)影響海域的風(fēng)電場(chǎng)，臺(tái)風(fēng)專項(xiàng)分析是設(shè)計(jì)院、開發(fā)商、整機(jī)商和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維的重要依據(jù)。應(yīng)包括（但不限于）以下幾個(gè)方面：

一、影響風(fēng)電場(chǎng)臺(tái)風(fēng)概況分析

風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域向外100公里半徑范圍歷史上出現(xiàn)的熱帶氣旋，分析不同級(jí)別熱帶氣旋出現(xiàn)頻率、路徑特征、季節(jié)變化、年際變化，以及大風(fēng)、大浪災(zāi)害。

二、臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)速、風(fēng)向變化分析

GL Renewables Certification規(guī)定臺(tái)風(fēng)風(fēng)況下 180°/ 30 min，實(shí)際上一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)況變化大致分三個(gè)階段：1.當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心到達(dá)之前風(fēng)速快速加強(qiáng)并達(dá)到最大，風(fēng)向相對(duì)穩(wěn)定；2.臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過時(shí)風(fēng)速急速減小，臺(tái)風(fēng)眼過后再急速增大，即所謂的風(fēng)速雙峰型，這期間風(fēng)向則變化極快，也就是所謂的180°/ 30 min（如圖3-1）；3.臺(tái)風(fēng)中心過后風(fēng)速逐漸減小，風(fēng)向趨于穩(wěn)定。然而，由于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、大小、移動(dòng)速度以及環(huán)境流場(chǎng)、地形等差異，像圖3-1的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)況很少被觀測(cè)到，如圖3-2臺(tái)風(fēng)眼過后第2個(gè)風(fēng)速峰值就小了很多，但風(fēng)向的變化是相同的。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，位于臺(tái)風(fēng)中心及臺(tái)風(fēng)中心附近的觀測(cè)點(diǎn)，風(fēng)向前后變化一般在120～200°之間。

圖1 1949-2016年進(jìn)入24小時(shí)警戒線達(dá)到臺(tái)風(fēng)及以上強(qiáng)度頻數(shù)圖

圖2 遭受風(fēng)破壞的風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)圖

圖3 測(cè)風(fēng)塔位于臺(tái)風(fēng)的不同方位時(shí)，風(fēng)向變化情況

另外，臺(tái)風(fēng)行進(jìn)方向的右前方風(fēng)速最大，左后方風(fēng)速相對(duì)小一些，觀測(cè)點(diǎn)位于臺(tái)風(fēng)中心的不同方位，風(fēng)向的變化也是不同的，如圖3所示，若測(cè)風(fēng)塔位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的右側(cè)，風(fēng)向呈順時(shí)針變化；若測(cè)風(fēng)塔位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的左側(cè)，風(fēng)向呈逆時(shí)針變化，與臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向和登陸區(qū)域無(wú)關(guān)。風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員根據(jù)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)和測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)向、風(fēng)速和氣壓的變化，可判斷風(fēng)電場(chǎng)處于臺(tái)風(fēng)的什么方位，處于臺(tái)風(fēng)影響的哪個(gè)階段，從而采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

三、臺(tái)風(fēng)風(fēng)特性分析

目前海上風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組招標(biāo)一般帶方案投標(biāo)，至少需要臺(tái)風(fēng)影響下的湍流、風(fēng)切變、陣風(fēng)系數(shù)，如果有三維脈動(dòng)觀測(cè)資料，則分析入流角，縱向、橫向、垂向湍流標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系，以及湍流譜。國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)觀測(cè)期一般1～2年，觀測(cè)期間觀測(cè)到的臺(tái)風(fēng)可能強(qiáng)度不大或臺(tái)風(fēng)外圍，甚至沒觀測(cè)到臺(tái)風(fēng)。可以廣泛收集其他海域臺(tái)風(fēng)影響下的觀測(cè)資料，根據(jù)本海域不同級(jí)別熱帶氣旋頻率情況，間接地獲得風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)特性參數(shù)。

四、極端風(fēng)速持續(xù)時(shí)間分析

臺(tái)風(fēng)影響嚴(yán)重的海上風(fēng)電場(chǎng)一般需要配備用電源。應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：1.掌握當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)抗風(fēng)等級(jí)，包括設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和臺(tái)風(fēng)破壞輸電線路實(shí)例風(fēng)速；2.超出電網(wǎng)抗風(fēng)能力的大風(fēng)持續(xù)小時(shí)數(shù)，可通過分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和經(jīng)過風(fēng)電場(chǎng)及輸電線路的臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)速兩種途徑獲得，以此確定備用電源合理的容量和支撐時(shí)間。

五、臺(tái)風(fēng)影響下的50年一遇最大風(fēng)速計(jì)算

由于沿海氣象站城市發(fā)展很快，氣象站與風(fēng)電場(chǎng)的大風(fēng)相關(guān)性往往較差，可以根據(jù)影響風(fēng)電場(chǎng)的臺(tái)風(fēng)大風(fēng)，使用Poisson-Gumbel 聯(lián)合極值概率分布計(jì)算海域50年一遇最大風(fēng)速，以互相驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。