朱玲，柳艷香，龔強，黃鳳新，蘭海波，晁華，藺娜，王剛，尚敏帥

（1.沈陽區(qū)域氣候中心，沈陽 110016；2.中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081；3.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 110016；4.遼寧電力勘測設(shè)計院，遼寧 110016）

全國極端最低氣溫時空分布特征研究*

朱玲1，柳艷香2，龔強1，黃鳳新2，蘭海波2，晁華1，藺娜1，王剛3，尚敏帥4

（1.沈陽區(qū)域氣候中心，沈陽 110016；2.中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081；3.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 110016；4.遼寧電力勘測設(shè)計院，遼寧 110016）

根據(jù)1961-2009年冬半年（11月—翌年3月）的氣溫定時觀測資料，本文分析了我國極端低溫的時空分布以及不同低溫時段的變化特征。我國極端最低氣溫由南至北呈現(xiàn)明顯的帶狀分布，近49年我國北方大范圍區(qū)域極端低溫低于-30℃，局部地區(qū)低于-45℃，極端低溫的累積時間逐漸較少。近10年來，東北、新疆北部和青藏高原西部地區(qū)極端低溫低于不同溫度段（-30℃、-35℃，-40℃和-45℃）的累積時間基本大于100小時、50小時、10小時和1小時，大部分地區(qū)持續(xù)時間基本在4—5小時之間，氣溫的回升時間因地而異，新疆北部地區(qū)從低于-40℃回升至-35℃需要最長時間約6小時，回升至-30℃需要約40小時，從-35℃回升至-30℃需要50小時左右。

極端低溫；不同低溫時段；累積時間；最大持續(xù)時間；溫度回升時間

0 引言

根據(jù)國際電工委IEC 61400－1－2005 風(fēng)電機組設(shè)計要求標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定風(fēng)電機組的運行環(huán)境溫度為－20℃，生存環(huán)境溫度為－30℃[1]。我國北方風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，冬半年的極端最低氣溫（以下簡稱極端低溫）均低于－20℃，大部分地區(qū)低于－30℃[2]。為了避免低溫對風(fēng)電機組的葉片、液壓系統(tǒng)以及電子元器件等造成損害[3-5]，也為了能合理高效地開發(fā)利用風(fēng)能資源，在我國風(fēng)能資源豐富的北方地區(qū)采用低溫型風(fēng)電機組是必要的。如果根據(jù)我國北方地區(qū)極端低溫的分布變化特征來選擇風(fēng)電機組，可以有效降低企業(yè)成本。

1 資料來源及說明

本文采用全國756個氣象觀測站49年（1961－2009年）冬半年（11月－翌年3月）氣溫定時觀測資料（2005年以前為一日四次，之后為逐小時觀測），對極端低溫的變化特征進行分析。計算中將一日四次的定時觀測插值到逐時整點，可以得到全國49年冬半年逐日逐時氣溫的資料序列。

按GB/T 4797.1—2005 規(guī)定的氣候類型劃分區(qū)域，將風(fēng)電機組適用的低溫環(huán)境劃分為寒溫環(huán)境和寒冷環(huán)境[6]。

表1 規(guī)定低溫環(huán)境下風(fēng)電機組機型適用的溫度范圍

為了更好地了解我國極端低溫的變化特征，本文將極端低溫分為－45℃、－40℃、－35℃、和－30℃四個階段來進行分析。

2 極端低溫變化

2.1 極端低溫時空分布特征

圖1顯示了我國1961－2009年冬季極端低溫的分布特征。我國極端低溫呈現(xiàn)從南向北逐漸降低的緯向分布，最低溫度主要分布在東北和新疆等地區(qū)，自有器測以來的極端最低氣溫－50.8℃出現(xiàn)在1969年的漠河地區(qū)。低于－45℃的區(qū)域主要集中分布在我國黑龍江和內(nèi)蒙古的最北端，－40℃的范圍向南擴展到內(nèi)蒙古和黑龍江的北部地區(qū)，新疆北部地區(qū)也出現(xiàn)了極端低溫低于－40℃的區(qū)域。－35℃的區(qū)域范圍幾乎包括了東北大部地區(qū)、內(nèi)蒙古中東部以及北疆的北部地區(qū)。東北、內(nèi)蒙古、新疆北部、甘肅和青藏高原部分地區(qū)的極端低溫都可以達到－30℃。－20℃的極端低溫范圍覆蓋了我國的北方地區(qū)。

采用世界氣象組織（WMO）推薦的1971－2000年 30年平均態(tài)為參考，給出了1961－2009年全國冬季極端低溫的年代際變化，如圖2所示。以20世紀(jì)80年代為界，之前的極端低溫基本在－45℃以下波動變化，最低值－50.8℃出現(xiàn)在1969年，之后全球開始增暖，極端低溫也開始逐漸升高，其5年滑動平均值基本高于－45℃，20世紀(jì)90年代較高，1992年是極端低溫最高的一年，達到－39.8℃。

2.2 各低溫段的累積小時數(shù)變化趨勢

在每個溫度段內(nèi)，將每年低于每個極端低溫的小時數(shù)分別累加得到49年各低溫段的累積小時數(shù)，見圖3。各溫度段累積小時數(shù)的年代際變化特征相似，在60年代年波動增大，60年代中期和70年代末期，極端低溫累積小時數(shù)明顯偏大，60年代末至70年代前期略有減少。80年代中期開始減小，到90年代最小，之后一直在平衡態(tài)下波動。其中，累積小時數(shù)最大值均出現(xiàn)在1969年，和極端低溫最低值出現(xiàn)時間一致。

圖1 1961-2009年全國極端最低氣溫分布

圖2 1961-2009年逐年全國極端最低氣溫年代際變化特征

圖3 全國低于各溫度段的累積小時數(shù)

在全球氣候變暖的影響下，我國低溫的分布情況也有了很大的變化，為了更好地服務(wù)于風(fēng)電行業(yè)，下面給出更為接近當(dāng)前氣候平均狀況的低溫分布特征，僅對近10年的極端低溫特征進行分析。

3 近10年極端低溫變化特征

3.1 各低溫段累計時間

近年來，我國極端低溫分布特征見文獻[6]。2000-2009年以來，我國極端低溫累積時數(shù)分布見圖4。北方大部分地區(qū)極端低溫低于－30℃的累計小時數(shù)在100小時以下，新疆北部和青藏高原西部介于100－1000小時之間，東北地區(qū)基本大于100小時，其中漠河地區(qū)的最長累積時間可超過7000小時。低于－35℃的累計時長范圍向北收縮，東北、內(nèi)蒙古中東部、新疆北部以及青藏高原中西部地區(qū)小于50小時，黑龍江和內(nèi)蒙古北部大于100小時，漠河地區(qū)的最大累積時長可以達到1800小時。低于－40℃的區(qū)域只出現(xiàn)在黑龍江和內(nèi)蒙古北部、新疆北部及西藏西南部地區(qū)，累積時長小于10小時，最大時長依然出現(xiàn)在黑龍江和內(nèi)蒙古北部可超過400小時。極端低溫低于－45℃的出現(xiàn)概率較小，僅出現(xiàn)在圖里河及漠河地區(qū)且最大累積時長只有30小時左右。

3.2 各低溫段持續(xù)最長時間

在風(fēng)電場運營中，極端低溫持續(xù)時間的長短更為重要。圖5給出了近10年低于－30、－35、－40和－45℃的最大持續(xù)時間的分布。北方大范圍地區(qū)極端低溫低于－30℃的最大持續(xù)時間達到5小時，東北和北疆大部地區(qū)超過10小時，東北中北部、內(nèi)蒙古中東部以及北疆北部和西南部地區(qū)可持續(xù)20－40小時，內(nèi)蒙古新巴爾虎左旗地區(qū)最長持續(xù)時間可達166小時。持續(xù)時間至少5小時的低于－35℃范圍明顯減小，只出現(xiàn)在東北、內(nèi)蒙古中東部、新疆北部和西藏西南部，其中黑龍江中北部和內(nèi)蒙古東部以及新疆北部地區(qū)的最大持續(xù)時間介于10－15小時，最長的持續(xù)時間46小時出現(xiàn)在內(nèi)蒙古額爾古納右旗地區(qū)。極端低溫低于－40℃的最大持續(xù)時間較短，出現(xiàn)區(qū)域較小，只有黑龍江北部和內(nèi)蒙古東部地區(qū)最大持續(xù)時間大于4小時，而最長持續(xù)時間16小時出現(xiàn)在漠河地區(qū)。另外，新疆北部和東北部分地區(qū)的持續(xù)時間小于4小時。低于－45℃的極端低溫持續(xù)時間出現(xiàn)概率較小，僅出現(xiàn)在黑龍江和內(nèi)蒙古北部地區(qū)，其中圖里河地區(qū)的最長持續(xù)時間可以達到9小時。

圖4 2000-2009年氣溫低于極端低溫的累計小時數(shù)

圖5 不同極端低溫時段的最大持續(xù)時間（單位：小時）

3.3 溫度回升時間

當(dāng)氣溫低于風(fēng)電機組生存環(huán)境溫度時，風(fēng)電機組就會強制停機，等待環(huán)境氣溫回升至安全溫度后重新開機，而氣溫回升時間的長短會直接影響到風(fēng)電場的發(fā)電效率。

內(nèi)蒙古和黑龍江北部地區(qū)的極端低溫最顯著。內(nèi)蒙古北部圖里河地區(qū)氣溫從低于－45℃回升至－40℃需要的最長時間為13小時，回升至-35℃需要14小時，而回升至－30℃需要102小時。黑龍江北部漠河地區(qū)從低于－45℃回升至－40℃需要7小時，回升至－35℃需要8小時，回升至－30℃需要9小時。額爾古納右旗地區(qū)從低于－40℃回升至－35℃需要36小時，而額爾古納右旗、圖里河、新巴爾虎左旗和阿爾山地區(qū)從低于－40℃回升至－30℃需要100小時以上。內(nèi)蒙古和黑龍江北部部分地區(qū)從低于－35℃回升至－30℃的時間均可達到50小時以上。

新疆北部地區(qū)，從低于－40℃回升至－35℃需要最長時間約6小時，回升至－30℃需要約40小時，而從－35℃回升至－30℃最長需要50小時左右。

青藏高原西部地區(qū)，從低于－40℃回升至－35℃，最長需要6小時左右，從－40℃回升至-30℃，最長需要10小時，而從－35℃回升至－30℃最長同樣也需要10小時左右。

4 結(jié)語

我國地域廣闊氣候復(fù)雜，冬季的北方地區(qū)處于西風(fēng)急流控制之下，強勁的冷空氣會造成氣溫劇降，極端最低氣溫會對風(fēng)電場的安全運行帶來潛在的威脅。本文給出了我國出現(xiàn)的極端低溫的分布和變化特征、不同低溫階段的出現(xiàn)地域、累積時間、持續(xù)時間以及溫度回升所需要的時間，旨在為風(fēng)電場開發(fā)選擇適合的風(fēng)電機組類型，降低成本以及降低極端低溫對風(fēng)電機組造成的風(fēng)險提供科學(xué)依據(jù)[7]。

另外，隨著溫度的降低，單位體積的空氣質(zhì)量相應(yīng)增大，空氣密度隨之增大，當(dāng)極端最低溫度低于－30℃時，大于1.225 kg/m3的區(qū)域主要分布在我國東北和內(nèi)蒙古中東部以及新疆的北部地區(qū)，空氣密度最大可以達到1.4 kg/m3。如果有較好的風(fēng)況，則會極大提高風(fēng)電機組的出力水平。所以，選擇合適的風(fēng)電機組、合理利用氣候資源既可以降低成本又能獲取更大的經(jīng)濟效益。

[1]國際電工委員會.風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計要求IEC 61400-1-2005 [S],2005.

[2]張寧,孫照渤,曾剛.1955-2005年中國極端氣溫的變化[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報，2008，31（1）:123-128.

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

[4]王鳳玲,李亞濱,劉春生.黑龍江省極端最低氣溫對風(fēng)電工程的影響[J].黑龍江氣象，2012，29（2）： 23-26.

[5]王相明.低溫環(huán)境對風(fēng)力發(fā)電機組的影響初探.[2006-05-22].http://www. newenergy.org.cn/html/0065/2006522_10095_1.html.

[6]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.電工電子產(chǎn)品自然環(huán)境條件 濕度和溫度（GB/T 4797.1-2005）[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[7]柳艷香,袁春紅,朱玲,等.近12年來影響風(fēng)電場安全運行的氣象災(zāi)害因子分布特征[J].風(fēng)能，2013(5):70-74.

Study on the Temporal and Spatial Distribution of the Extreme Low Temperature

Zhu Ling1, Liu Yanxiang2, Gong Qiang1, Huang Fengxin2, Lan Haibo2, Chao Hua1, Lin Na1, Wang Gang3, Shang Minshuai4
(1. Shenyang Regional Climate Center, Shenyang 110016,China; 2. CMA Public Meteorological Service Center, Beijing 100081, China; 3. Liaoning Province Power Co., Ltd., Electric Power Research Institute, Liaoning 110016, China; 4. Liaoning Electric Power Survey and Design Institute, Liaoning 110016, China)

According to the winter year (November to next March) timing observations of temperature from 1961 to 2009, this paper

analyzed the temporal and spatial distribution of extreme low temperature （ELT） and variation characteristics of different low temperature periods. ELT showed obvious zonal distribution from south to north in China. In recent 49 years, ELT of a wide range of North region in China below -30 ℃, and the partial area is lower than -45 ℃. The accumulation time of ELT gradually diminished. In the past 10 years, the cumulative time of ELT which in Northeast China, the northern Xinjiang and the western region of Qinghai-Tibet Plateau below 100, 50，10 and 1 hours in different temperatures (-30 ℃, -35 ℃, -40 ℃ and -45 ℃).The duration in most areas is between 4 to 5 hours. The rise time of temperature is different, the northern Xinjiang from below -40℃ to -35 ℃ needs the longest time about 6 hours, back up to -30 ℃ about 40 hours, from -35 ℃ to -30 ℃ needs about 50 hours.

extreme low temperature (ELT); low temperature period; cumulative time; the maximum duration time; rise time of temperature

TM614

A

1674-9219(2013)09-0074-05

公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201206054）和分散式風(fēng)電接入技術(shù)及工程示范項目共同資助。

2013-07-25。

朱玲（1985-），女，碩士，助理工程師，主要從事應(yīng)用氣象研究工作。柳艷香（1966-），女，博士，研究員，主要從事氣候資源變化及預(yù)測研究。