朱玲，柳艳香，龚强，黄凤新，兰海波，晁华，蔺娜，王刚，尚敏帅

（1.沈阳区域气候中心，沈阳 110016；2.中国气象局公共气象服务中心，北京 100081；3.辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 110016；4.辽宁电力勘测设计院，辽宁 110016）

全国极端最低气温时空分布特征研究*

朱玲1，柳艳香2，龚强1，黄凤新2，兰海波2，晁华1，蔺娜1，王刚3，尚敏帅4

（1.沈阳区域气候中心，沈阳 110016；2.中国气象局公共气象服务中心，北京 100081；3.辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 110016；4.辽宁电力勘测设计院，辽宁 110016）

根据1961-2009年冬半年（11月—翌年3月）的气温定时观测资料，本文分析了我国极端低温的时空分布以及不同低温时段的变化特征。我国极端最低气温由南至北呈现明显的带状分布，近49年我国北方大范围区域极端低温低于-30℃，局部地区低于-45℃，极端低温的累积时间逐渐较少。近10年来，东北、新疆北部和青藏高原西部地区极端低温低于不同温度段（-30℃、-35℃，-40℃和-45℃）的累积时间基本大于100小时、50小时、10小时和1小时，大部分地区持续时间基本在4—5小时之间，气温的回升时间因地而异，新疆北部地区从低于-40℃回升至-35℃需要最长时间约6小时，回升至-30℃需要约40小时，从-35℃回升至-30℃需要50小时左右。

极端低温；不同低温时段；累积时间；最大持续时间；温度回升时间

0 引言

根据国际电工委IEC 61400－1－2005 风电机组设计要求标准，规定风电机组的运行环境温度为－20℃，生存环境温度为－30℃[1]。我国北方风能资源丰富的地区，冬半年的极端最低气温（以下简称极端低温）均低于－20℃，大部分地区低于－30℃[2]。为了避免低温对风电机组的叶片、液压系统以及电子元器件等造成损害[3-5]，也为了能合理高效地开发利用风能资源，在我国风能资源丰富的北方地区采用低温型风电机组是必要的。如果根据我国北方地区极端低温的分布变化特征来选择风电机组，可以有效降低企业成本。

1 资料来源及说明

本文采用全国756个气象观测站49年（1961－2009年）冬半年（11月－翌年3月）气温定时观测资料（2005年以前为一日四次，之后为逐小时观测），对极端低温的变化特征进行分析。计算中将一日四次的定时观测插值到逐时整点，可以得到全国49年冬半年逐日逐时气温的资料序列。

按GB/T 4797.1—2005 规定的气候类型划分区域，将风电机组适用的低温环境划分为寒温环境和寒冷环境[6]。

表1 规定低温环境下风电机组机型适用的温度范围

为了更好地了解我国极端低温的变化特征，本文将极端低温分为－45℃、－40℃、－35℃、和－30℃四个阶段来进行分析。

2 极端低温变化

2.1 极端低温时空分布特征

图1显示了我国1961－2009年冬季极端低温的分布特征。我国极端低温呈现从南向北逐渐降低的纬向分布，最低温度主要分布在东北和新疆等地区，自有器测以来的极端最低气温－50.8℃出现在1969年的漠河地区。低于－45℃的区域主要集中分布在我国黑龙江和内蒙古的最北端，－40℃的范围向南扩展到内蒙古和黑龙江的北部地区，新疆北部地区也出现了极端低温低于－40℃的区域。－35℃的区域范围几乎包括了东北大部地区、内蒙古中东部以及北疆的北部地区。东北、内蒙古、新疆北部、甘肃和青藏高原部分地区的极端低温都可以达到－30℃。－20℃的极端低温范围覆盖了我国的北方地区。

采用世界气象组织（WMO）推荐的1971－2000年 30年平均态为参考，给出了1961－2009年全国冬季极端低温的年代际变化，如图2所示。以20世纪80年代为界，之前的极端低温基本在－45℃以下波动变化，最低值－50.8℃出现在1969年，之后全球开始增暖，极端低温也开始逐渐升高，其5年滑动平均值基本高于－45℃，20世纪90年代较高，1992年是极端低温最高的一年，达到－39.8℃。

2.2 各低温段的累积小时数变化趋势

在每个温度段内，将每年低于每个极端低温的小时数分别累加得到49年各低温段的累积小时数，见图3。各温度段累积小时数的年代际变化特征相似，在60年代年波动增大，60年代中期和70年代末期，极端低温累积小时数明显偏大，60年代末至70年代前期略有减少。80年代中期开始减小，到90年代最小，之后一直在平衡态下波动。其中，累积小时数最大值均出现在1969年，和极端低温最低值出现时间一致。

图1 1961-2009年全国极端最低气温分布

图2 1961-2009年逐年全国极端最低气温年代际变化特征

图3 全国低于各温度段的累积小时数

在全球气候变暖的影响下，我国低温的分布情况也有了很大的变化，为了更好地服务于风电行业，下面给出更为接近当前气候平均状况的低温分布特征，仅对近10年的极端低温特征进行分析。

3 近10年极端低温变化特征

3.1 各低温段累计时间

近年来，我国极端低温分布特征见文献[6]。2000-2009年以来，我国极端低温累积时数分布见图4。北方大部分地区极端低温低于－30℃的累计小时数在100小时以下，新疆北部和青藏高原西部介于100－1000小时之间，东北地区基本大于100小时，其中漠河地区的最长累积时间可超过7000小时。低于－35℃的累计时长范围向北收缩，东北、内蒙古中东部、新疆北部以及青藏高原中西部地区小于50小时，黑龙江和内蒙古北部大于100小时，漠河地区的最大累积时长可以达到1800小时。低于－40℃的区域只出现在黑龙江和内蒙古北部、新疆北部及西藏西南部地区，累积时长小于10小时，最大时长依然出现在黑龙江和内蒙古北部可超过400小时。极端低温低于－45℃的出现概率较小，仅出现在图里河及漠河地区且最大累积时长只有30小时左右。

3.2 各低温段持续最长时间

在风电场运营中，极端低温持续时间的长短更为重要。图5给出了近10年低于－30、－35、－40和－45℃的最大持续时间的分布。北方大范围地区极端低温低于－30℃的最大持续时间达到5小时，东北和北疆大部地区超过10小时，东北中北部、内蒙古中东部以及北疆北部和西南部地区可持续20－40小时，内蒙古新巴尔虎左旗地区最长持续时间可达166小时。持续时间至少5小时的低于－35℃范围明显减小，只出现在东北、内蒙古中东部、新疆北部和西藏西南部，其中黑龙江中北部和内蒙古东部以及新疆北部地区的最大持续时间介于10－15小时，最长的持续时间46小时出现在内蒙古额尔古纳右旗地区。极端低温低于－40℃的最大持续时间较短，出现区域较小，只有黑龙江北部和内蒙古东部地区最大持续时间大于4小时，而最长持续时间16小时出现在漠河地区。另外，新疆北部和东北部分地区的持续时间小于4小时。低于－45℃的极端低温持续时间出现概率较小，仅出现在黑龙江和内蒙古北部地区，其中图里河地区的最长持续时间可以达到9小时。

图4 2000-2009年气温低于极端低温的累计小时数

图5 不同极端低温时段的最大持续时间（单位：小时）

3.3 温度回升时间

当气温低于风电机组生存环境温度时，风电机组就会强制停机，等待环境气温回升至安全温度后重新开机，而气温回升时间的长短会直接影响到风电场的发电效率。

内蒙古和黑龙江北部地区的极端低温最显著。内蒙古北部图里河地区气温从低于－45℃回升至－40℃需要的最长时间为13小时，回升至-35℃需要14小时，而回升至－30℃需要102小时。黑龙江北部漠河地区从低于－45℃回升至－40℃需要7小时，回升至－35℃需要8小时，回升至－30℃需要9小时。额尔古纳右旗地区从低于－40℃回升至－35℃需要36小时，而额尔古纳右旗、图里河、新巴尔虎左旗和阿尔山地区从低于－40℃回升至－30℃需要100小时以上。内蒙古和黑龙江北部部分地区从低于－35℃回升至－30℃的时间均可达到50小时以上。

新疆北部地区，从低于－40℃回升至－35℃需要最长时间约6小时，回升至－30℃需要约40小时，而从－35℃回升至－30℃最长需要50小时左右。

青藏高原西部地区，从低于－40℃回升至－35℃，最长需要6小时左右，从－40℃回升至-30℃，最长需要10小时，而从－35℃回升至－30℃最长同样也需要10小时左右。

4 结语

我国地域广阔气候复杂，冬季的北方地区处于西风急流控制之下，强劲的冷空气会造成气温剧降，极端最低气温会对风电场的安全运行带来潜在的威胁。本文给出了我国出现的极端低温的分布和变化特征、不同低温阶段的出现地域、累积时间、持续时间以及温度回升所需要的时间，旨在为风电场开发选择适合的风电机组类型，降低成本以及降低极端低温对风电机组造成的风险提供科学依据[7]。

另外，随着温度的降低，单位体积的空气质量相应增大，空气密度随之增大，当极端最低温度低于－30℃时，大于1.225 kg/m3的区域主要分布在我国东北和内蒙古中东部以及新疆的北部地区，空气密度最大可以达到1.4 kg/m3。如果有较好的风况，则会极大提高风电机组的出力水平。所以，选择合适的风电机组、合理利用气候资源既可以降低成本又能获取更大的经济效益。

[1]国际电工委员会.风力发电机组设计要求IEC 61400-1-2005 [S],2005.

[2]张宁,孙照渤,曾刚.1955-2005年中国极端气温的变化[J].南京气象学院学报，2008，31（1）:123-128.

[3]孙鹏,王峰,康智俊.低温对风力发电机组运行影响分析[J].内蒙古电力技术，2008，26（5）：8-17.

[4]王凤玲,李亚滨,刘春生.黑龙江省极端最低气温对风电工程的影响[J].黑龙江气象，2012，29（2）： 23-26.

[5]王相明.低温环境对风力发电机组的影响初探.[2006-05-22].http://www. newenergy.org.cn/html/0065/2006522_10095_1.html.

[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.电工电子产品自然环境条件 湿度和温度（GB/T 4797.1-2005）[S].北京:中国标准出版社,2005.

[7]柳艳香,袁春红,朱玲,等.近12年来影响风电场安全运行的气象灾害因子分布特征[J].风能，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

公益性行业（气象）科研专项（GYHY201206054）和分散式风电接入技术及工程示范项目共同资助。

2013-07-25。

朱玲（1985-），女，硕士，助理工程师，主要从事应用气象研究工作。柳艳香（1966-），女，博士，研究员，主要从事气候资源变化及预测研究。