贵州凝冻灾害危险性评估及在风资源评估中的应用.pdf

传源卤环境研究与探讨ISSN1672-9064CN35-1272/TK贵州凝冻灾害危险性评估及在风资源评估中的应用张波1.4严小冬2 李丽丽可1田鹏举3丁立国古书鸿1(1贵州省山地环境气候研究所贵州贵阳5500022贵州省气候中心贵州贵阳550 0 0 23贵州省生态气象和卫星遥感中心贵州贵阳5500024贵州省山地气候与资源重点实验室贵州贵阳550002)摘要开展凝冻灾害危险性评估及应用，可为气候资源开发利用防灾减灾提供科学依据。基于贵州省1991一2 0 2 0 年8 4个气象站凝冻观测数据，采用数理统计、信息炳权和空间分析等方法，构建凝冻灾害危险性指数，开展凝冻灾害危险性评估，并将结果应用于风资源评估中。研究结果表明：在时间变化上，凝冻平均日数随时间变化呈递增变化趋势，频次和最长持续天数随时间变化呈递减的变化趋势；空间分布上，凝冻灾害各统计量与海拔高度显著相关，凝冻灾害危险性空间分布整体上呈现自西向东逐渐递减的变化趋势，高风险区主要分布于六盘水市的钟山区局地、毕节市的威宁和赫章西部、铜仁市的梵净山局地、黔东南州雷公山局地等地；根据危险性评估结果，选取从江县某风电场作为研究对象，开展风电场凝冻灾害风险评估。结果显示：风电场中的风机位置均处于较高风险的山脊处，凝冻灾害风险等级为较高等级。关键词风电场凝冻风险区划贵州省中图分类号：X43;P694文献标识码：A文章编号：16 7 2-90 6 4(2 0 2 3)0 4-0 2 4-0 5过冷水滴下降至地面时，与低于0 物体接触并在其表面冻结形成覆冰层，这种在低温潮湿气象环境下空气中过冷雨滴、雾滴或湿雪在物体表面凝附冻结或混合冻结形成覆冰的现象称为凝冻。贵州因特殊的地理位置成为我国凝冻灾害最重、频次最高的省份，持续的区域性凝冻灾害严重影响了交通、电力、农业等行业，给社会经济发展造成了严重的损失。开展凝冻灾害危险性评估是落实风险管理的重要内容，也是贵州省全国第一次自然灾害综合风险普查主要内容之一。因此，在气候变化大背景下，开展贵州凝冻灾害致灾危险性区划及成果应用工作具有理论和实践的双重意义1-4。针对凝冻灾害的研究，国内外已有学者对其展开相关研究，并取得了一定的研究成果。陈百炼等5 利用2 0 0 8 年南方特大雨雪冰冻灾害期间主要受灾地区气象观测数据，分析了贵州凝冻灾害特征及其天气成因，发现了凝冻是由雨淞、雾淞、湿雪以及雨雾或雨雪混合冻结，其危害性比一般的冰冻灾害更为严重；李忠燕等6 利用雨淞、雾淞资料，订正了贵州省单站凝冻过程的指标和分级标准，并根据新的标准对其特征进行分析；严小冬等7 利用贵阳冬季雨淞观测资料和高度场、气温场及风场资料，对贵阳冬季凝冻日数的时空特征进行了探讨。对已有文献分析表明，这些研究内容多集中在凝冻天气过程、凝冻指标和气候态变化特征的分析，而关于贵州凝冻灾害风险区划的研究相对较少。针对凝冻灾害对电力行业的影响和收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 7资助项目：基于风险区划的春茶霜冻害气象指数保险费率厘定研究（黔科合基础-ZK2023一般2 30)；国家自然科学基金项目“贵州凝冻灾害事件特征和成因及其预报预测研究(418 6 50 0 5)”作者简介：张波(198 5一），男，副高级工程师，硕士，从事应用气象研究工作。通讯作者：古书鸿（198 2 一），男，正高级工程师，硕士，从事应用气象研究工作。24贵州风力发电项目近年来快速发展这一情况8-9,开展贵州省凝冻灾害危险性评估，并基于评估结果开展风电场凝冻灾害风险区划，对提高风电场的防灾减灾能力具有指导意义。在“碳中和、碳达峰”政策背景下，风电成为绿色低碳转型重要方向，关于风电场气象灾害风险的研究也逐渐成为热点。宋丽莉等10 通过对我国历史台风资料和对登陆热带气旋的梯度塔观测数据的计算分析，探讨登陆热带气旋对我国风力发电的影响；RODRIGUES等1研究了雷电对风机的直接和间接影响；MAKKONEN等12 构建了一种风机覆冰模型；张健等13 张礼达等14分析了低温结冰对于风电机组的影响；郑有飞等15 对影响江苏省风电开发的主要气象灾害进行分析及评估；胡威等(4、曾琦等16 探讨了气象灾害对风电项目的影响及风险应对措施。本研究利用贵州省近30 a84个气象站凝冻观测数据，采用数理统计、信息权和空间分析等方法，开展贵州省凝冻灾害危险性评估，并基于评估结果开展风电场凝冻灾害风险区划，以期为提高风电场的防灾减灾能力提供科学依据，推动精细化气象灾害风险评估成果在气候资源开发领域的应用。1资料与方法选择1.1资料来源选取19 9 1一2 0 2 0 年贵州省8 4个地面观测站的天气现象数据，气象资料来自于贵州省气象大数据云平台；数字高程地图(DEM)来源于中国科学院科学数据库,分辨率为90 mx90m;2023.NO.4.传源卤环境研究与探讨遥感影像数据为高分二号(GF-2)数据,分辨率为1m,数据来性，需要对指标进行归一化处理。利用离差标准化方法进行归源于高分辨率对地观测系统贵州数据与应用中心。研究区域一化处理，计算公式为公式（4)。地形地貌及气象站点的分布如图1所示。Xmax-Xmin图例国家站High:2885Low:148N.O.8ZN.O.LZN.O.92N.OST1.2凝冻指标根据地面观测站天气现象观测记录：以当日观测到有雨淞或雾淞天气现象时统计为1个凝冻日，单站连续出现3d以上(含3d)凝冻(雨淞)日则为单站凝冻过程的起始条件，第一日定义为凝冻过程的开始日。当凝冻（雨淞）现象连续2 d中断标志着凝冻过程的结束，凝冻消失的前一日定义为凝冻结束日。1.3凝冻频次凝冻灾害频次计算方法见公式（1）。P=元2 mx100%nj=1式中：P表示凝冻灾害频次；m表示各个站点每年发生凝冻灾害的次数；n为资料总年数，19912 0 2 0 的年数为30；i表示不同站点；表示不同年份。1.4凝冻强度指数选取凝冻日数、凝冻过程平均最低气温和凝冻最长持续天数3个因子作为凝冻灾害致灾因子指标。通过权重系数构建凝冻灾害强度指数，如公式(2)所示。Fs;=aD,+bATmir+cLD;式中：Fs,为凝冻强度指数；D、A T mi m、LD 分别是凝冻日数、凝冻过程平均最低气温和凝冻最长持续天数归一化后的致灾因子指数；、b、c 为致灾因子权重系数，通过信息熵权法17 计算得出；i表示不同站点。1.5凝冻危险性指数致灾危险性指数一般由频次和灾害强度指数综合体现。灾害频次越高、强度越大所造成的损失就越严重，灾害风险也越高。根据灾害风险理论，用凝冻害发生频次和强度来确定致灾因子危险性评价指标，各站点的凝冻害致灾因子危险性指数计算方法见公式（3）。(3)式中：RI为凝冻致灾因子危险性指数；P表示凝冻灾害频次；Fs为凝冻强度指数；i表示不同站点。1.6指标归一化为了消除指标的量纲影响，使得评价具有统一性与可比1SSN1672-9064CN35-1272/TK式中：x;为指标的实际数值；xmax与xmim分别为指标x;的最大值、最小值，最终各要素综合指标数值介于0 1之间。1.7空间分析将凝冻发生频次和强度值与台站地理信息（经度、纬度和海拔高度）建立推算模型，用各站点的实测值与推算值作算术华节运算得到残差值。在ArcGIS软件中利用空间分析功能，采用反距离权重插值法对其残差部分进行空间内插，将残差结果与推算结果进行叠加，并用自然断点法进行分级，得到凝冻频次和强度值空间分布图。2结果分析1040E1050E图1研究区域高程图和站点分布RI=P,Fs;(4)1060E107-0E1080E2.1时间变化凝冻各统计量时间变化特征如图2 所示。凝冻频次时间变化特征如图2(a)所示,可以看出,近30 a贵州省凝冻频次的变化范围为1 2.8 次，多年平均值1.7 次，最高值发生在2011年，最低值发生在2 0 19 年，随时间变化呈递减的变化趋势；凝冻日数时间变化特征如图2(b)所示，凝冻平均日数变化范围为0.1 17.2 d，多年平均值3.9d，最高值发生在2 0 0 7 年，最低值发生在2 0 19年，线性趋势表明凝冻日数随时间变化呈递增的变化趋势；凝冻过程平均最低气温时间变化特征如图2(c)所示，凝冻过程最低气温变化范围为-3.1-0.8 5之间，多年平均值-1.9，最高值发生在2 0 0 6 年，最低值发生在2 0 0 2(1)年，线性趋势变化表明凝冻过程最低气温变化呈递减变化的趋势；凝冻过程最长持续天数时间变化特征如图2(d)所示，凝冻过程最长持续天数的变化范围为3.7 17.2 d，多年平均值6.3d最高值发生在2 0 0 7 年，最低值发生在2 0 0 8 年，线性趋势表明凝冻最长持续天数随时间变化呈递减变化的趋势。2.2频次空间分布凝冻频次空间变化特征如图3所示，从图可以看出，凝冻多年平均发生频次在0 8.5之间，高值区域主要分布在六盘水市、毕节市、贵阳市中部、遵义市大部、铜仁市中部、黔东南州(2)中部和黔南州北部等地，发生频次在1.4 8.5之间；发生频次较高的区域主要分布在六盘水市南部、毕节市东部局地、贵阳市南部和北部、遵义市南部、铜仁市东西部、黔东南州北部和东部局地、黔南州中部、安顺市北部大部等地，发生频次在0.51.3之间其余地区凝冻发生频次在0.4以下。2.3凝冻强度值致灾因子空间分布凝冻强度值致灾因子空间分布如图4所示。从图4(a)可以看出，凝冻日数在0 7 8 d之间：凝冻日数高值区域主要分布在六盘水市北部、毕节市中西部大部、贵阳市北部、遵义市北部局地、铜仁市中部、黔东南州中部局地和黔南州北部等地，在13d以上，凝冻日数较高的区域主要分布在六盘水市南部、毕节市东部、贵阳市南部、遵义市中部和东部、铜仁市南部和东部局地、黔东南州大部、黔南州中部等地，在4 12 d之间；其余地区在4d以下。从图4(b)可以看出，凝冻过程最低气温变化范围在-5.7 2023.NO.4.25传源卤环境研究与探讨ISSN1672-9064CN35-1272/TK3120y=-0.0057x+1.8294R2=0.0151y=0.0037x+3.853R3=9E-0516128年份（a）凝冻频次-4y=-0.0021x-1.8739R2=0.0011-3-1年份(b）凝冻日数20y=-0.007x+6.443918R2=0.00061614121086420年份（c）过程最低气温0.1之间，低值的区域主要分布在六盘水市北部、毕节市中西部、贵阳市北部、黔南州北部、遵义市北部局地、铜仁市中部局地、黔东南州中东部局地等地，最低气温在-2.2 以下。图例N.O.60.10.40.5-1.31.4-2.3N.008Z2.4-8.5N.O0LZN.O92NO.SZ间，持续天数最高的区域主要分布在毕节市西部威宁等地，在26d以上；持续天数较高的区域主要分布在六盘水市北部、毕节市中部、遵义市北部局地、铜仁市中部局地、黔东南州中部局地等地，在16 2 5d之间，其余地区在16 d以下。利用信息摘权法计算得出凝冻日数、过程最低气温和最长持续天数权重分别为0.30、0.2 3和0.47，通过叠加计算得到年份（d）最长持续天数图2 凝冻致灾因子时间分布凝冻灾害强度值空间分布，如图4(d)所示。可以看出，凝冻灾害强度值在0 0.7 7 之间，强度值最高的区域主要分布在毕节市西部威宁等地，强度值在0.47 以上；强度值较高的区域主要分布在六盘水市北部、毕节市中部、遵义市北部局地、铜仁市中部局地、黔东南州中部局地等地，强度值在0.43 0.46 之间；六盘水市南部、毕节市东部、贵阳市中部、遵义市北部、铜仁市大部、黔东南州大部、黔南州大部、安顺市北部局地和黔西南中部局地等地重霜冻强度值在0.1 0.42 之间；其余低热河谷地区强度值为0。2.4凝冻危险性区划根据凝冻发生频次和灾害强度值，计算凝冻致灾因子危险性指数值。采用自然断点法进行等级划分，划分标准如表1所示，得出凝冻灾害危险性区划，如图5所示。02040801040E105OE图3凝冻频次空间分布从图4(c)可以看出，凝冻过程最长持续天数在0 8 9d之120160TKM106*OE107-0E表1危险性指数等级划分标准1080E1090E危险性指数0 0.100.11 0.160.17 0.210.220.580.59 1.00从图5可以看出，凝冻灾害风险分布整体上呈现自西向东逐渐递减的变化趋势：高风险区主要分布于六盘水市的钟山区局地、毕节市的威宁和赫章西部、铜仁市的梵净山局2023.NO.4.26风险等级低风险区次低风险区中风险区次高风险区高风险区传源卤环境研究与探讨1SSN1672-9064CN35-1272/TK10060N.O.8Z图例1-44-1213-2223-78图例S-5.7-2.7-2.62.2-2.11.71-1.60.0N.0.80.10.3NO.LZN.O.9zN.0.92N.O.S2N.OS2040104OE105OENOe60图例口0口1-1516-2526-3536-8980106OE10790VE（a）凝冻日数120108*0E160KM1090E020.401040E105*0VENO图例60口.10-.421.43-.461.47-.51N.O.82801060E107-OE（b）凝冻过程最低气温.52.77120108OE1090ENO0LZLOLN.O.920.20.401040E10590E（c）凝冻过程最长持续80106VE1070E120108*0E020401090E1040E图4凝冻致灾因子空间分布801050VE10690E(d)强度指数1201070E1080E1090E2.5结果在风资源评估中应用SN.082N.00LzN.O.SZ地、黔东南州雷公山局地等地，该区域属于贵州省的高海拔区，凝冻发生频次高、强度值大，风险高；次高风险区主要分布于六盘水市的钟山区大部；毕节市的赫章、七星关和大方大部、威宁西部局地和纳雍南部局地；贵阳市的开阳南部；遵义市的桐梓、正安、道真和务川局地；铜仁市的印江东南部、松桃西部和江口北部；黔东南州的雷山东部和台江西部局地；黔南州的瓮安南部和福泉局地等地；中风险区主要分布于六盘水市的盘州大部；毕节市的赫章东部、七星关东部、大方南部、纳雍大部、织金西部和黔西北部；贵阳市的修文大部、息烽南部、开阳北部；遵义市的赤水西部、习水中部、桐梓东部、绥阳西部、正安西部和东南部、道真北部和南部局地、务川北部、湄图例口低风险较低风险中风险较高风险一高风险1040E潭南部局地、凤冈南部局地和余庆南部局地；铜仁市的沿河北部、德江北部、印江南部和东部、松桃西部和东部局地、万山大部、江口西部、石阡东部和西部局地；黔南州的施秉北部、镇远北部、岑巩中部、三穗大部、天柱西部、黎平西部和东部局地、台江南部、雷山西部、黄平南部局地、凯里西部局地、麻江北部、丹寨中部、榕江北部局地和从江西部局地；黔南州的龙里大部、贵定东部和都匀西部和惠水东部局地；安顺市的紫云南部；黔西南州的望谟北部、兴义中部局地和普安西部局地等地；其余地区为中低风险等级以下。0.20.40801050E1060E图5凝冻致灾危险性区划1201070E108E160KM109POE为科学评估贵州山地风电场凝冻灾害风险，以贵州从江县某风电场为研究对象，基于凝冻灾害危险性评估成果，开展风电场精细化凝冻灾害危险性评估。根据灾害风险理论，将风电场区凝冻致灾危险性和风机点暴露度进行加权求积，利用自然断点法进行分级，得到凝冻灾害风险评估结果，如图6 所示。从图6 中可以看出，风电场凝冻灾害风险等级与海拔情况紧密相关，场区西南部及东北部等山脊地区为较高危险性等级,其余海拔相对较低的地区为低风险到较低风险等级。风电场所在位置为从江县海拔较高的区域，凝冻灾害较为严重，尤其风电场的风机位置均处于凝冻灾害较高危险性的山脊处，对于凝冻灾害的防范不容忽视。2023.NO.4.27参考文献1任曼琳，李忠燕，谭娅姬，等.贵州省区域性凝冻过程的时空特征分析J.高原山地气象研究，2 0 2 2,42(0 2):90-95.2李忠燕，任曼琳，谭娅姬，等.贵州省两次超强凝冻过程的天气成因传源卤环境研究与探讨1SSN1672-9064CN35-1272/TKN.O.0N.0.03结论研究基于贵州省近30 a84个气象站凝冻观测数据，构建凝冻灾害危险性评估模型，采用数理统计、信息权和空间分析等方法，开展贵州省凝冻灾害危险性评估，并对评估结果开展风电场凝冻灾害风险区划，得到3个结论。(1)凝冻灾害空间分布和海拔高度相关性显著，凝冻频次、平均凝冻日数、凝冻过程最低气温和凝冻过程最长持续天数的高值区域主要分布在六盘水市、毕节市、贵阳市中部、遵义市大部、铜仁市中部、黔东南州中部和黔南州北部等海拔相对较高的区域。(2)凝冻灾害危险性空间分布整体上呈现自西向东逐渐递减的变化趋势，高风险区主要分布在高海拔区域，凝冻发生频次高、强度值大，风险值高。(3)基于区划成果开展风电场精细化凝冻灾害风险评估，研究结果显示风电场位于从江县海拔较高的区域，凝冻灾害较为严重，尤其风电场的风机位置均处于凝冻灾害较高危险性的山脊处。根据评估结果建议在冬季凝冻发生时期，要密切关注风电场区的凝冻情况。当发电机组等设备出现凝冻状况对发电产生影响时，应采取一定的保温或除冰的措施，凝冻较严重时可以暂时关闭风机，以免对风机产生损害。对比分析J.气象科技，2 0 2 2,50(0 5)：6 8 6-6 93.3方荻，白慧，李浪，等.贵州冬季冻雨研究综述J.中低纬山地气象，2020,44(04):19-26.4胡威，崔冬林，张双益,气象灾害对风电项目的影响及风险应对J.能源与环境,2 0 2 0(0 5)：114-116.图例5陈百炼，杨富燕，彭芳,凝冻灾害特征及其天气成因分析J.自然灾风机点口低风险较低风险较高风险100-OE110-0E图6 从江某风电场凝冻灾害风险区划害学报,2 0 2 0,2 9(0 1):17 5-18 2.6李忠燕，张东海，严小冬，等.贵州省单站凝冻过程的指标订正及特1200E征分析J.高原山地气象研究，2 0 2 0,40(0 4)：6 0-6 4.7严小冬，张皓，杨涛，等.196 1一2 0 19年贵阳冬季凝冻时空特征与异常成因J.高原山地气象研究，2 0 2 1,41(0 2)：94-10 1.8王强，张雪辉，王星，等.贵州山地地区风力发电技术发展探讨及展望J.科技与产业,2 0 2 1,2 1(7)：2 53-2 59.9李小军，潘华，韩爽，等.贵州地区风电机组覆冰原因及甩冰风险分析J.风能,2 0 14,55(9):96-99.10宋丽莉，毛慧琴，钱光明，等.热带气旋对风力发电的影响分析J.太阳能学报,2 0 0 6(0 9)：96 1-96 5.11RODRIGUES R B,MENDES V M F,CATALAO JP S.Protection ofinterconnected wind turbines against lightning effects:overvoltagesand electromagnetic transients study JJ.Renewable Energy,2012(46):232-240.12MAKKONEN L,LAAKSO T,MARJANIEMI M.Modeling and pre-vention of ice accretion on wind turbines JJ.Wind Engineering,2001,25(1):3-21.13张健，刘志璋，岳建军.大湿度低温环境对风力发电场的影响J.能源工程,2 0 0 8(0 6):37-39.14张礼达，张彦南.气象灾害对风电场的影响分析J.电力科学与工程,2 0 0 9,2 5(11):2 8-30.15郑有飞，林子涵，吴荣军，等.江苏省风电场的气象灾害风险评估J.自然灾害学报,2 0 12,2 1(4):145-151.16曾琦，陈正洪.近年来气象灾害对风电场影响的研究进展J.气象科技进展,2 0 19,9(0 2):49-55.17陈路.摘权法在信息安全风险评估中的应用J.信息系统工程，2021(09):62-64.2023.NO.4.28