柳艷香，袁春紅，朱玲，黃鳳新，郭鵬，蘭海波，何曉鳳

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

0 引言

中國位于中緯度歐亞大陸腹地，地勢復雜，氣候布局復雜多變，風能資源豐富。但是,極端氣象災害對風電場的安全運行會造成不同程度的損害，致使風電機組受損，效益降低。我國風能資源豐富地區(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)，對風電場機組部件的安全運行造成威脅的極端氣象因子有極端低溫、積冰、沙塵暴等，而對東部沿海風電場產生最大威脅的氣象因子是臺風，雷暴對全國的風電場機組都會產生影響，尤其對南方地區(qū)影響最大。盡管空氣密度對風電機組不會產生威脅，但它對高海拔地區(qū)的風電機組出力會造成很大的影響。

利用2000年－2011年近12年來中國氣象局的逐日觀測資料，對雷暴、極端低溫、積冰、沙塵暴、臺風以及空氣密度的變化特征進行了分析，以期對風電場的安全運行提供參考保障。

1 雷暴

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

我國的雷暴主要出現在夏季，春、秋季出現的幾率相對較小。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主要出現在長江中下游以南地區(qū)。我國南部沿海地形復雜，來自洋面豐沛的水汽由于動力抬升，對流活動強盛，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)年平均雷暴日數會達到60天－70天。其中，云南西南部最高可以達到80天，局部地區(qū)會超過100天。而青藏高原、云南西北部以及四川西部夏季對流活動旺盛，年平均雷暴日數基本在40天以上，青藏高原的中東部部分地區(qū)可以達到60天－70天。長江中下游以北的華中、華北、東北地區(qū)的雷暴相對較少，基本少于30天，但京、晉、冀部分地區(qū)的雷暴日數會達到30天－40天。除新疆西北地區(qū)之外，西北大部分地區(qū)的年平均雷暴日數小于20天，也是我國雷暴日數出現較少的地區(qū)。由于風電機組和輸電線路多建設在空曠地帶，尤其在地勢較高的地方，裸露于雷雨云形成的大氣電場中，很容易發(fā)生尖端放電而被雷電擊中。雷暴發(fā)生時會產生強大的電流、炙熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的靜電場和強烈的電磁輻射等物理效應，造成風電機組葉片損壞、發(fā)電機絕緣擊穿、控制元件燒毀等，致使設備和線路遭受嚴重破壞，即使沒有被雷電直接擊中，也可能因靜電和電磁感應引起高幅值的雷電壓行波，在終端產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期內出現的最低氣溫。極端低溫均出現在冬季，受極地大陸冷氣團的影響，特別是我國的北方地區(qū)極易受到冷空氣的影響，致使溫度驟降。我國極端低溫的分布由南向北逐漸降低，呈現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℃，對風電場沒有影響，而以北的大部分地區(qū)在-25℃～-30℃之間，東北、內蒙古中東部、新疆北部以及內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，黑龍江北部和內蒙古東部的極端低溫會降至-40℃以下。歷史上，我國最低氣溫-52.3℃出現在1969年2月13日黑龍江的漠河地區(qū)，它是我國有器測歷史以來觀測到的最低溫度。

據IEC標準規(guī)定，風電機組的運行溫度為-20℃，生存溫度為-30℃。在我國風能資源豐富的“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)的風電場開發(fā)利用時都要考慮到極端低溫對風電機組的影響。極端低溫對電子電氣器件的正常功能影響較大，液壓系統(tǒng)也會因液壓油粘度增大出現異常，致使機組難以運轉，進而危及設備的安全運行[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在其表面上的現象，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成的堅硬冰層，而霧淞則是過冷卻霧滴直接凍結在物體上形成乳白色冰晶物，有時結構松脆受震易塌落。積冰主要出現在冬季，有些地區(qū)春秋季節(jié)也會出現。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，但超過凝結高度以后又會隨高度減少。在相近的溫濕條件下，凍結厚度隨風速增大而增加。積冰在增長過程中還可能有幾種積冰交替積聚而形成混合積冰。對風電場影響較大的是雨淞、霧淞和混合積冰，雨淞的危害更為突出。

我國雨凇多分布在長江中下游以南地區(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。雨凇出現范圍較大的地區(qū)主要在湖南和貴州，貴州地勢較高，雨凇的出現幾率更高一些，幾乎全省均有出現，大部分地區(qū)雨凇的年平均日數在10天以上，海拔較高的威寧地區(qū)甚至達到了43.8天，如圖3（a）所示。我國其余雨凇出現幾率較高的地區(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年年平均日數達到了106天，位居我國雨凇出現幾率之首。

我國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)，是我國霧凇出現面積最大且出現頻率較高的區(qū)域，蔡家湖可高達52天。同樣，霧凇出現頻率較高的區(qū)域也多在高山站，如四川峨眉山出現的頻率最高可達115天，甘肅華家?guī)X可達65天，安徽黃山、南岳衡山的出現日數在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、山西五臺山及吉林等地在30天－40天。

積冰對風電場的安全存在很大的危害。風電機組葉片表面積冰，會造成葉片負載增加，粗糙度增大，風電機組機翼的氣動性能就會大大降低，從而影響機組的正常運行。積冰嚴重時，會導致導線跳頭、扭轉甚至拉斷或結構倒塌等事故。同時，積冰對導線、桿件、風電機組自帶的常規(guī)測風儀中的風杯、風標、輸電線路電線等都會造成一定程度的影響，給風電場的正常運行帶來一定的威脅。

4 沙塵暴

沙塵暴是指強風將地面大量沙塵物質吹起卷入空中，使空氣特別混濁，水平能見度小于1000m的嚴重風沙天氣現象。強沙塵的水平能見度小于500m。沙塵暴多發(fā)生在春季。中國西北地區(qū)是沙塵暴的頻發(fā)地區(qū)，蒙古國中南部戈壁地區(qū)也是影響中國的主要沙源地。

我國沙塵暴多發(fā)生在春季的北方地區(qū)，如新疆、青海、甘肅、內蒙古等，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蒙古中東部的大部分地區(qū)，出現的年平均日數大于3天。南疆、青海西部以及內蒙古中部和西部的局部區(qū)域沙塵暴出現日數平均在5天－11天，南疆局部地區(qū)可達28天。全國其余地區(qū)幾乎沒有沙塵暴出現或出現的平均日數少于1天，如圖4所示。

表1 各高地雨凇多年平均日數

強沙塵暴發(fā)生時風力往往達8 級（風速17.2m/s－20.8m/s）以上，有時甚至可達12 級( ＞32.7m/s)，大風夾帶的沙礫不僅會使葉片表面嚴重磨損，甚至會造成葉面凹凸不平，破壞葉片的強度和韌性，影響風電機組出力。

5 臺風

熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上的低壓渦旋，是一種強大而深厚的熱帶天氣系統(tǒng)，熱帶氣旋按照其強度的不同，可分為6個等級：熱帶低壓、熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風、強臺風和超強臺風。根據國際慣例，中國對發(fā)生在北太平洋西部和南海的熱帶氣旋依據的中心最大風力對應值見表2。

熱帶氣旋中心風力持續(xù)達到12級就稱為臺風。臺風的水平尺度約幾百公里到上千公里，最大風速出現在中心附近，不少熱帶氣旋都伴有12級以上的大風區(qū)，8級大風區(qū)半徑一般可達上百公里。

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

臺風對風電場的影響是把雙刃劍，有利有弊。既要充分利用臺風帶來的風力資源，也要防范臺風對風電場帶來的重大損失。2009年的“莫拉克”臺風使風電場多發(fā)電量7.420GW/h[5]，但2006年的臺風“桑美”給浙江蒼南風電場造成慘重的損失，28臺風電機組全部受損，5臺倒塌[6]。

6 空氣密度

空氣密度也是影響風電場出力的一個重要因子。空氣密度是指單位體積所具有的空氣質量（kg/m3）。所謂的標準空氣密度，是指風能計算中常用的標準大氣壓下海平面空氣密度1.225kg/m3。

圖8是近12年來我國年平均空氣密度分布。很明顯，我國東部地區(qū)的空氣密度大于西部地區(qū)。長江中下游以北的東部地區(qū)空氣密度大于1.20kg/m3，最大值出現在黑龍江地區(qū)，空氣密度達1.28kg/m3，也是我國近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。

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

表2 熱帶氣旋等級

7 結論

通過對全國近12年來會對風電場安全運行造成威脅的氣象災害因子分布特征的分析，初步得出如下結論：

（1）夏季，我國雷暴主要分布特征是南多北少。長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可以達到60天以上，局部可達100天以上。近12年來，影響我國的登陸臺風增多，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、內蒙古中東部和北疆地區(qū)，極端低溫低于－30℃，超過了風電機組的生存環(huán)境溫度，而內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，多沿長江中下游地區(qū)分布，出現幾率較高的地區(qū)多在海拔較高的山地。而云南東北部、貴州和湖南地區(qū)的出現范圍相對較大。

（3）春季，對風電場有影響的氣象因子主要是沙塵暴。沙塵暴多出現在塔里木盆地到巴丹吉林沙漠一帶，其中南疆局部地區(qū)的年平均出現日數可達28天。

（4）空氣密度對風電機組的出力會造成較大影響。全國平均空氣密度中，黑龍江最大，青藏高原最小，平均只有0.74 kg/m3。與標準空氣密度相比，同等條件下，青藏高原的風能會減損約40%，只有當風速增加約1.0m/s，實際的風能才能達到標準空氣密度下的量值。

以上結論只是針對影響風電場安全運行的氣象災害因子的宏觀分析，在實際應用中需要進一步考慮風電場所處的地理環(huán)境以及局部地區(qū)天氣氣候的影響，盡可能防范氣象災害對風電場帶來的不利影響。

[1] 孫鵬,王峰, 康智俊.低溫對風力發(fā)電機組運行影響分析[J]. 內蒙古電力技術,2008,26（5）:8-17.

[2] 雷小涂.全球氣候變化對臺風影響的主要評估結論和問題[J]. 中國科學基金,2011（2）: 85-89.

[3] 雷小涂,徐明, 任福民.全球變暖對臺風活動影響的研究進展[J].氣象學報,2009,67（5）: 679-688.

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

[5] 張秀芝等.臺風對我國風電開發(fā)的影響與對策[M]. 北京: 氣象出版社,2010.

[6] 王力雨,許移慶.臺風對風電場破壞及臺風特性初探[J]. 風能, 2012（5）:74-79.