我国近海风区雷暴活动分析
庄 严
前言
我国的海上风电发展是在全球能源结构调整和气候变化框架协议的框架上和世界各国大力发展可再生能源的大环境下，近年来开始进入高速发展期的。按照中国风能协会最新公布的数据表明，我国在2010 年新增风电装机容量18927.99 兆瓦，累计风电装机容量44733.29 兆瓦，双居全球第一位。相比较海上风电的发展才刚刚起步，由于我国海岸线较长，南北海域气候特点差异性较大，雷暴活动频繁，所以海上风电机组的防雷设计应满足海上雷暴的活动特点，本文仅对我国近海的雷暴活动特点进行初步分析，主要介绍海上、近海的雷暴活动时段和雷暴类别，以及雷暴活动与海岸线的关系等。
1. 我国海上风场的划分
一般情况海上风场分为近海风场和海上风场，细化分为：潮间带和朝下带滩涂风场：主要的参考标准为多年平均大潮高潮线以内至理论最低潮位一下5m 的海域;近海风场为理论最低潮位5m-50m 水深的海域，包括无人岛及海礁;海上风场主要指理论最低潮位一下50m 水深的海域，包括无人岛和海礁，如图1 。
2. 海上风场主要的气象灾害
近海和还海上风场随着纬度的不同所受到的气象灾害影响也不一样，但总体来讲主要集中在以下几个方面：
积冰：主要体现在北方部分沿海风场和内陆高远风场，由于叶片与周围空气的温度变化引起叶片迎风面形成结冰，主要影响叶片的气动性能;
雷暴：雷暴对于机组的影响范围分布在我国绝大部分地区，由于我国的雷暴分布呈：南多北少，东多西少的总体特点，所以在分区范围内对于机组的影响比较明显;主要体现在对机组的电控、叶片等方面;
热带气旋：台风对于沿海地区的风力发电组的影响不言而喻，近年随着全球厄尔尼诺系统的增强，仅2010 年在太平洋生成的热带气旋和低气压总数就多达28 个。2007 年以前我国至少发生过两起机组因台风倒塌的事故。
3. 近海雷暴的活动特点
近海雷暴与内陆的雷暴特点有所不同，一般情况内陆多以单胞体雷暴为主，少数高原地区和沿海地区主要以锋面雷暴为主局部地区产生多胞体雷暴或超级单体雷暴，原因是由海洋暖湿气流遇到陆地的冷空气形成的强对流产生的。相对于全国的雷暴分布情况而言，总体呈海上雷暴少于陆地雷暴。从雷暴活动的频次上而言，微观上近海地区雷暴频次高于陆地雷暴频次，午后雷暴活动频率高于上午雷暴活动频率。
3.1 我国近海雷击密度分布
通过气象资料可以得到我国渤海、黄海、东海、和南海四个海区和近海的雷击密度分布图(见图2-5)从中不难发现，我国近海海区的雷击密度分布在0.1-7fl/ •km-2•a-1 之间，离岸关系为正比例关系，离岸距离越远雷击密度有所减小;离岸距离越近，雷击密度越高;这与近海气流的分布特点一致，海风自愿最丰富的地区也是近海50km左右的区域。 雷击密度高值区主要分布在4-7fl/ •km-2•a-1 之间，体现在海洋与陆地的交界处，半岛或个别海中岛屿的雷击密度最高可达15fl/ •km-2•a-1.这一点通过图6 可以看出，雷击密度与离岸距离之间的关系，雷暴活动在距离海岸线500-900 公里内出现了阶跃的高密度区，是一般地区去的1-2 倍。
我国近海雷击密度平均值为3.39fl/ •km-2•a-1，是全球海洋平均雷击密度0.68fl/ •km-2•a-1的5 倍，以目前已经建立风场的黄海、东海为例，黄海和东海的立即密度分别为2.52fl/ •km-2•a-1和2.28fl/•km-2•a-1，比较与渤海4.21fl/ •km-2•a-1 和南海4.22fl/ •km-2•a-1 而言是雷暴活动较弱的地区。通过对黄海的雷击密度分布图与浙江省04-07 年四年平均雷击密度分布图(图7)对比不难发现，浙江东部沿海有一条斜向的宽60-90km 的高雷击带，从温州至宁波一直延伸至杭州湾达上海东部海域，该地区平均雷击密度大于7.5fl/ •km-2•a-1，从地方具体的气象资料中也不难看出，近海雷暴活动近年不仅呈现增加的趋势，而且雷击密度也在不断增加。
3.2 近海雷暴活动的时域特点
我国近海海域的闪电活动在7月达到最大，低值分布在11，12，1，2月。对近海的闪电年变化特征来说，由于渤海、黄海、东海、南海都是近海，从近海海域闪电分布图也可以看出海岸线附近的海域中闪电密度较大，因此其年变化特征与其同纬度附近的陆地很相似，渤海和东海是与较高纬度陆地相似的单峰形式变化，闪电活动在6月和8月达到最大;而南海和黄海则是与副热带陆地相似的双峰变化形式，主峰分别出现在5 月和7月。在闪电密度日变化上，近海海域的闪电活动日变化相对比较平缓，峰值(17：00，北京时，下同)和谷值(09：00)比只有2.24，闪电活动在下午和凌晨相对较多。渤海的闪电峰值在17：00，谷值出现在03：00，表现出类似陆地的闪电活动日分布特征;南海的闪电主要与热带气旋有关，峰值出现在15：00，谷值出现在09：00;而黄海和东海闪电峰值出现在01：00和03：00，谷值出现在12：00 和11：00，对这两个海域而言，海洋上大气层白天相对比较稳定，在正午出现闪电密度最小值，到了夜间，大气中水汽和云层辐射冷却，但海水热容量大，其温度降低很小，因此夜间大气层上冷下暖，对流比较易于发展，从而在凌晨形成闪电活动峰值。
3.3 影响近海的雷暴类型
由于近海主要以锋面雷暴为主，锋面雷暴是在两个大的气团移动时，在界面上，也就是在冷气团和暖气团相遇的锋面上发展起来的。这时冷空气总在暖空气下面，排挤暖而湿的空气，并把它抬升起来，于是那个地方的天气就急剧地变化产生的雷暴活动和降水，南方地区主要受到暖锋雷暴的影响，而北方地区则主要受到冷锋雷暴的影响。锋面雷暴的电流强度相对于一般单体雷暴不同，类似于干雷暴的特点，即单次电流强度大，单位时间雷暴频度低。
4 结束语
本文仅通过近海雷击密度的特点介绍了沿海地区的雷暴活动情况，由于资料有限，无法对现有风场的雷击密度数据进行整理;对于我国海上机组的防雷与欧洲有着本质的不同，不仅由于地理位置的差异较大，而且中国沿海雷暴活动平均水平远高于欧洲最高水平，所以不推荐采用欧洲海上机组的雷击数据作为参考，笔者水平有限，欢迎批评指正。
参考资料：
1. 葛珊珊 张韧 全球气候变化背景下灾害性天气变化及对海上风电的影响 《中国工程科学》2010年11月 第12卷11期
2. 王艳等 卫星观测的我国近海海域闪电分布特征 《应用气象学报》 2010年4月 第21卷第2期
3. 童杭伟等 浙江省雷电活动的特点及其与地形和气候的关系 《电网技术》2008年第32卷第11期
4. 袁铁 郄秀书 中国东部及邻近海域暖季降水系统的闪电、雷达反射率和微波特征 《气象学报》2010年
5. 2011年中国风电装机统计 中国风能协会
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