風(fēng)電產(chǎn)能關(guān)鍵氣象指標(biāo)研究
——以甘肅省環(huán)縣為例

宋亞男，王有恒，張?zhí)旆?，周忠文，李巧霞，?娟

1甘肅省環(huán)縣氣象局甘肅環(huán)縣

2甘肅省氣象局

3慶陽市氣象局

風(fēng)電場發(fā)電機組處于野外自然環(huán)境下，風(fēng)資源大小會受到地形地貌影響，尤其是受到微地形影響[1-2]。當(dāng)遭遇惡劣天氣及其引發(fā)的次生災(zāi)害性天氣影響時，風(fēng)電場安全運行有可能受到威脅，甚至引發(fā)財產(chǎn)損失。經(jīng)國內(nèi)外專家研究，影響風(fēng)電場正常運行的高影響天氣主要有極端低溫、積冰、雷電、沙塵暴[3-5]等。2021年2月25—26日甘肅環(huán)縣西部出現(xiàn)較為嚴(yán)重的雨雪冰凍天氣，致使330kV毛井風(fēng)電場送出線路、35kV毛井-虎洞、35kV毛井-小南溝輸電線線路發(fā)生導(dǎo)線結(jié)冰跳閘事故，10kV線路倒塔（桿）、斷線100余基，這是繼1964、1996年、2006年、2014年電線結(jié)冰后，又一次較為嚴(yán)重的線路事故。環(huán)縣西部如此高頻度的電線結(jié)冰事故，不僅與當(dāng)時的天氣條件有關(guān)，還與其特殊的地理位置、地形地貌、大氣環(huán)流有關(guān)。因此，分析環(huán)縣境內(nèi)的地理環(huán)境特點，研究影響環(huán)境風(fēng)電產(chǎn)能的氣象因素，獲得關(guān)鍵氣象指標(biāo)，對風(fēng)電場的氣象災(zāi)害防御及安全管理尤為重要。

1 地形特征

環(huán)縣位于甘肅東部，屬隴東黃土高原丘陵溝壑區(qū)，90%以上面積為黃土覆蓋，總體呈西北高東南低的地形地勢,丘陵起伏、溝壑縱橫，海拔最高點為2 089 m毛井馬家大山，最低點為1 136 m曲子五里橋。其中，環(huán)縣西部多梁、峁、溝谷和壟板，地形的跌宕起伏變化有利于氣流的分流、擴散與匯聚，導(dǎo)致山區(qū)覆冰、雷擊等氣象災(zāi)害發(fā)生。

2 氣象影響分析

2.1 氣象條件分析

環(huán)縣隸屬溫帶大陸性半干旱氣候，常年平均氣溫9.2℃，無霜期為200 d，年平均日照時數(shù)為2 600 h，常年平均降水量約300 mm，降水時空分布不均，由東南的天池、演武向西北的甜水、山城逐漸減少，年蒸發(fā)量高達(dá)2 000㎜。

2.2.1 年變化

分析環(huán)縣2012—2021年逐年的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫和降水量年際變化趨勢（圖1）可知，氣溫分布年際變化比較穩(wěn)定，總體呈現(xiàn)升高趨勢，平均氣溫在8.84～10.31 ℃，每年升溫0.05 ℃；平均最高氣溫在15.78～17.98 ℃，每年升溫0.1 ℃；平均最低氣溫在3.53～5.75 ℃，每年升溫0.01 ℃。年降水量總體呈現(xiàn)M形，最多年份降水量出現(xiàn)在2013年，為674.5 mm，其次出現(xiàn)在2018年，為651 mm；最少降水年份出現(xiàn)在2016年，為319.2 mm，其次出現(xiàn)在2015年，為357.6 mm。由圖2可以看出，10 m高速的2 min平均風(fēng)速在1.85～2.19 m/s,年際變化波動稍大，總體呈現(xiàn)W形，大風(fēng)年主要出現(xiàn)在2016年、2015年、2012年和2017—2018年，都超過2.1 m/s。

圖2 環(huán)縣2012—2021年2分鐘10米高度平均風(fēng)速年際變化圖

2.1.2 月變化

分析環(huán)縣2012-2021年逐月平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫月際變化趨勢（圖3）可知，三者變化趨勢總體是一致的，先升高再降低，7月達(dá)到最高，平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫分別是23.23℃、29.76℃和17.9℃。1月份氣溫達(dá)到最低，分別為-5.01℃、2.85℃和10.97℃。分析圖4逐月降水量和2 min平均風(fēng)速的月際變化圖，降水量主要出現(xiàn)在7—9月，占全年降水量的60%；11月—翌年3月，降水量偏少，月降水量都在12 mm以下，占全年降水量的6.8%。月2 min平均風(fēng)速隨著月份變化呈現(xiàn)先升后降再升高的趨勢，5月份風(fēng)資源最豐富，達(dá)到2.3m/s；10月份風(fēng)資源最弱，降低到1.7m/s。

圖3 環(huán)縣2012-2021年平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫月際變化圖

圖4 環(huán)縣2012—2021年降水量和2分鐘10米高度平均風(fēng)速月際變化圖

2.2 大氣環(huán)流分析

秋季到冬季過渡期為大氣環(huán)流系統(tǒng)調(diào)整時段，西風(fēng)帶南下，西南季風(fēng)與東南季風(fēng)逐漸減弱，陜、甘、寧交匯區(qū)呈現(xiàn)偏北氣流與偏南氣流的對峙擺動。此時，東面水汽仍較充足，暖濕空氣順著山體抬升；而高空西風(fēng)逐漸加強，并夾帶偏北較冷空氣，風(fēng)速大，降溫快，當(dāng)暖濕氣流上升到一定高度時，遇冷迅速凝結(jié)，以雨雪等形式降落。高空冷空氣逐漸下降，與抬升的暖濕空氣相遇產(chǎn)生雨雪天氣，當(dāng)空氣溫度、濕度適當(dāng)，即會出現(xiàn)電線結(jié)冰現(xiàn)象。

當(dāng)深冬到來，極地干冷空氣不斷南下，以偏北干冷空氣為主，導(dǎo)致陜、甘、寧交匯區(qū)濕度大幅度降低，同時因為東南季風(fēng)退卻，缺少水汽補充。只有當(dāng)高空脊處于高原東側(cè)至貝加爾湖一帶，高原小槽活動較強、孟加拉灣槽較深時，致使槽前偏南氣流強盛，脊中的負(fù)渦度平流使西南暖濕氣流因流場填充而沿青藏高原東南側(cè)與秦巴山系西側(cè)通道對環(huán)縣西北高山區(qū)有所補充。因此，這段時期環(huán)縣西北高山區(qū)覆冰相對較少。

冬季到春季過渡時，大氣環(huán)流系統(tǒng)較不穩(wěn)定，北方冷空氣與高原小槽活動頻繁，對陜、甘、寧交匯區(qū)的影響較大，冷暖交匯頻繁，有利于覆冰的形成。但此時系統(tǒng)調(diào)整快，也有利于覆冰的消融，因此該時段導(dǎo)線覆冰維持時間相對較短、尺寸量級一般較小。

3 風(fēng)電產(chǎn)能影響分析

3.1 災(zāi)害統(tǒng)計

統(tǒng)計2015—2021年因天氣原因造成的環(huán)縣風(fēng)電線路故障表可知（表1），雷擊和冰害是環(huán)縣主要影響的氣象災(zāi)害，其中雷擊發(fā)生14次，主要出現(xiàn)在4—8月；冰害出現(xiàn)6次，包括導(dǎo)線覆冰和舞動，主要出現(xiàn)在10月、12月—翌年2月。雷電發(fā)生的頻次雖然高，但造成的停運時間和損失電量相對較??；冰害發(fā)生較少，但影響非常嚴(yán)重，尤其是2021年2月26日舞動引發(fā)線路跳閘故障，造成停運時間94.5 h、電量損失874.12萬kW·h。

表1 2015—2021年環(huán)境氣象災(zāi)害引發(fā)的風(fēng)電故障統(tǒng)計表

3.2 影響指標(biāo)

2021年2月24 —27日，我國西北部有一次明顯的冷空氣活動，環(huán)縣縣城24日出現(xiàn)8.7 mm降水，但縣城海拔1 255.6 m，相對較低，最低溫度0.9℃，降水相態(tài)為雨、雪，平均相對濕度84.5%；25—26日，沒有明顯降水，伴有輕霧，平均相對濕度維持在82.8%以上。分析毛井木I線附近海拔高度1 722.2 m的毛井自動氣象觀測站（表2）觀測資料來看，24—25日，最低氣溫在0 ℃以上，且相對濕度偏低，尚未出現(xiàn)降水；25日夜晚至26日上午，最低氣溫將至-3.2 ℃，最高氣溫為1.4 ℃，最小相對濕度為86%，平均風(fēng)速5.8 m/s,極大風(fēng)速12.6 m/s,并伴有大霧、小雪天氣，從而引發(fā)了此次雨雪冰凍過程。

表2 2021年2月24—26日環(huán)縣氣象觀測站與毛井自動氣象站氣象要素統(tǒng)計表

通過現(xiàn)場實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，覆冰分布從海拔1 650 m的成冰地帶開始向上，海拔越高越嚴(yán)重，倒塔、斷線多發(fā)生在海拔1 850 m以上的地段；現(xiàn)場測得覆冰直徑10～12 cm，再根據(jù)輸電線路勘測技術(shù)規(guī)程中的調(diào)查冰厚向標(biāo)準(zhǔn)冰厚的換算公式，標(biāo)準(zhǔn)冰厚在14.8～ 16.5 mm。

4 結(jié)論

（1）環(huán)縣平均風(fēng)速在1.85～2.19 m/s,年際變化波動稍大，總體呈現(xiàn)W形；5月份風(fēng)資源最豐富，10月份風(fēng)資源最弱。

（2）影響環(huán)縣風(fēng)電的氣象災(zāi)害主要是雷擊和冰害（覆冰和舞動），雷擊主要出現(xiàn)在4—8月；冰害主要出現(xiàn)在10月、12月—翌年2月。雷電發(fā)生的頻次較高，但冰害造成的停運時間和損失電量卻更加嚴(yán)重。

（3）環(huán)縣發(fā)生覆冰適宜氣象條件為有雨夾雪、雪或者大霧，相對濕度≥85%，平均氣溫＜0℃，平均風(fēng)速≤5 m/s；舞動發(fā)生的適宜氣象條件有降水，溫度跨零，相對濕度≥85%，平均風(fēng)速大于5.8 m/s，最大風(fēng)速大于9.1 m/s，風(fēng)向與輸電線路有一定夾角。

（4）環(huán)縣風(fēng)電線路雨雪冰凍災(zāi)害是特定天氣條件下、特殊的地形地貌共同作用的產(chǎn)物，具有一定重復(fù)性，建議該地區(qū)輸電線路工程，尤其是海拔1 800 m以上地勢較高的地段應(yīng)適當(dāng)提高設(shè)計冰厚（覆冰取值應(yīng)按照15～20 mm設(shè)計），并適當(dāng)控制檔距，以增加抗冰能力。