覆冰氣象指數(shù)法在福建山區(qū)覆冰重現(xiàn)期確定中的應(yīng)用

翁子豪，王巍竹，鄭 越

(福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福建 福州 350108)

福建省境內(nèi)山區(qū)地域廣闊，海拔高度變化范圍大，覆冰嚴(yán)重程度大小不一，但在全省范圍內(nèi)僅有九仙山、壽寧、泰寧和浦城四個(gè)電線積冰長(zhǎng)期觀測(cè)氣象站。九仙山、壽寧、泰寧和浦城四站海拔高度分別為1653.5 m、815.9 m、342.9 m、276.9 m，最大電線積冰重量分別為4371 g/m、140 g/m、24 g/m、50 g/m，覆冰觀測(cè)點(diǎn)的海拔高度和覆冰嚴(yán)重程度跨度較大。永安市西部山區(qū)在部分年份出現(xiàn)了較嚴(yán)重的覆冰情況，但由于缺乏覆冰實(shí)測(cè)資料，其重現(xiàn)期難以準(zhǔn)確判定。本文以永安市罕見覆冰事件為例，利用相關(guān)氣象要素來分析個(gè)別覆冰事件的重現(xiàn)期，為山區(qū)輸電線路工程在電線積冰資料匱乏地區(qū)調(diào)查覆冰重現(xiàn)期的確定提供參考。

1 山區(qū)罕見覆冰現(xiàn)象初步調(diào)查

福建省永安市地理緯度較低，南方暖濕氣流相對(duì)活躍，當(dāng)冷暖氣流交匯時(shí)常伴有一次降水過程。如果北方冷空氣和南方暖濕氣流的勢(shì)力都比較強(qiáng)，那么影響范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的低溫與降水天氣，就有可能出現(xiàn)較嚴(yán)重的低溫冰凍災(zāi)害。隨著低溫陰雨天氣的持續(xù)，覆冰程度越來越重，就會(huì)出現(xiàn)罕見的覆冰災(zāi)害。因此，罕見的冰凍災(zāi)害通常是在持續(xù)性低溫陰雨的特定天氣背景下發(fā)生的。

據(jù)資料記載，建國(guó)以來，永安市西部山區(qū)輸電線路發(fā)生過九次相對(duì)較嚴(yán)重的雨凇災(zāi)害，分別出現(xiàn)在1955年初、1957年初、1964年初、1966年、1969年初、1975年末、1977年初、1996年初、2008年初。對(duì)永安市西部山區(qū)附近村莊百姓進(jìn)行實(shí)地調(diào)查后，受調(diào)查人員普遍認(rèn)為1996年覆冰災(zāi)害最為嚴(yán)重，山上拇指粗樹枝結(jié)冰后直徑都有五六厘米。其中在電力系統(tǒng)中有1996年的覆冰災(zāi)害記錄，即永安—漳平Ⅰ回220 kV線路永安段發(fā)生覆冰倒塔事故，在導(dǎo)線上形成直徑達(dá)150 mm的圓形結(jié)晶體，覆冰密度約0.85 g/cm3，形狀系數(shù)約0.9。

2 罕見覆冰現(xiàn)象的分析

2.1 覆冰氣象要素的選取和構(gòu)建

導(dǎo)線覆冰與多種氣象因素有關(guān)，例如溫度、濕度、降水、日照、風(fēng)速等，只有各氣象要素都具備形成覆冰的有利條件，電線才可能形成覆冰。本次分析的原始數(shù)據(jù)為永安氣象站及九仙山氣象站1956～2016年共60年的逐日平均氣溫、逐日最高氣溫、逐日最低氣溫、逐日降水量、逐日平均相對(duì)濕度、逐日最小相對(duì)濕度、逐日平均風(fēng)速、逐日日照時(shí)數(shù)等氣象參數(shù)，以及部分自動(dòng)站的逐日資料。永安氣象站數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，九仙山常規(guī)氣象數(shù)據(jù)來源于NOAA氣象共享網(wǎng)站(http://www7.ncdc.noaa.gov)，自動(dòng)站的逐日數(shù)據(jù)來源于福建水利信息網(wǎng)(http://www.fjwater.gov.cn/)。此外還搜集了九仙山部分實(shí)測(cè)覆冰觀測(cè)資料以及分析區(qū)域的縣志、年鑒等材料。氣象數(shù)據(jù)與材料可靠、準(zhǔn)確。

根據(jù)部分氣象要素間的相關(guān)關(guān)系，將永安氣象站及九仙山氣象站原始資料補(bǔ)充完整。再由永安氣象站及九仙山氣象站的海拔高度，同時(shí)參考永安山區(qū)嚴(yán)重覆冰災(zāi)害發(fā)生位置的海拔，由永安氣象站與九仙山氣象站的氣象數(shù)據(jù)，依據(jù)海拔關(guān)系，同時(shí)參考永安部分自動(dòng)站的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用線性內(nèi)插的方法構(gòu)建并修正了300 m、600 m、900 m、1200 m、1600 m五個(gè)海拔點(diǎn)逐年10月至次年3月間逐日的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、最小相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、降水量等氣象資料。同時(shí)結(jié)合有關(guān)材料，對(duì)構(gòu)建的不同海拔氣象數(shù)據(jù)系列進(jìn)行修正。

2.2 工程區(qū)域的選擇與氣象概況

因永安1996年的嚴(yán)重覆冰發(fā)生在海拔800 m以上的位置，同時(shí)永安境內(nèi)海拔近900 m的線路塔位較多，故本文以永安900 m海拔處山區(qū)作為分析區(qū)域，利用分析區(qū)域修正后的氣象數(shù)據(jù)系列對(duì)該海拔的覆冰嚴(yán)重程度進(jìn)行重現(xiàn)期的分析。由于分析區(qū)域日平均氣溫低于0℃的時(shí)間段主要集中在冬季，為此選取每年12月初至次年2月底作為分析時(shí)段，得到由60個(gè)時(shí)段的氣象數(shù)據(jù)構(gòu)成的系列。

根據(jù)《架空輸電線路覆冰勘測(cè)規(guī)程》(DL/T 5509－2015)(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)程”)的說明，易覆冰區(qū)域是指最大覆冰厚度大于10 mm且每年均有不同程度覆冰的地區(qū)。假設(shè)日最低溫度低于0℃同時(shí)日平均濕度高于80%為一個(gè)可能的覆冰日，分析區(qū)域在這60年中平均每年有2.6個(gè)可能的覆冰日，其中有14年可能的覆冰日數(shù)為0，15年可能的覆冰日數(shù)為1。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果可初步得出結(jié)論，在900 m海拔處，滿足覆冰的氣象并不常見，分析區(qū)域?qū)儆诓灰赘脖鶇^(qū)域。因而對(duì)1996年的罕見覆冰災(zāi)害進(jìn)行研究、分析計(jì)算其重現(xiàn)期顯得尤為重要。

2.3 規(guī)程中的覆冰氣象指數(shù)分析方法簡(jiǎn)介

根據(jù)規(guī)程中介紹的覆冰氣象指數(shù)頻率分析方法，由日平均氣溫、日平均相對(duì)濕度、日平均風(fēng)速的值確定覆冰貢獻(xiàn)量，計(jì)算出一個(gè)時(shí)段的覆冰氣象指數(shù)系列，取其中的最大值作為該時(shí)段的年最大覆冰氣象指數(shù)，再對(duì)由60個(gè)時(shí)段構(gòu)成的年最大覆冰氣象指數(shù)進(jìn)行頻率分析推算覆冰重現(xiàn)期。該規(guī)程提出的覆冰氣象要素對(duì)覆冰貢獻(xiàn)量標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 覆冰主要?dú)庀笠貙?duì)覆冰貢獻(xiàn)量標(biāo)準(zhǔn)

采用該方法，對(duì)氣象數(shù)據(jù)系列進(jìn)行計(jì)算得出歷年最大覆冰氣象指數(shù)系列。系列最大值10出現(xiàn)在1968年，而1996年的最大覆冰氣象指數(shù)為8.5(2月19日覆冰氣象指數(shù)7，2月20日覆冰氣象指數(shù)10，均值為8.5)，在歷年最大覆冰氣象指數(shù)系列中僅排在第6。該系列的60個(gè)數(shù)據(jù)中有26個(gè)年份的值為0，采用水文常用的頻率曲線(P－Ⅲ型曲線、耿貝爾曲線)適線結(jié)果較差(見圖1)，無法通過擬合優(yōu)度檢驗(yàn)。

圖1 規(guī)程中算法的適線結(jié)果(左：P－Ⅲ；右：Gumbel)

規(guī)程第6.4.5條中規(guī)定：“一個(gè)覆冰過程的覆冰氣象指數(shù)等于覆冰過程逐日覆冰氣象指數(shù)之和除以覆冰過程總?cè)諗?shù)。在一個(gè)冬半年中可以計(jì)算出M個(gè)覆冰氣象指數(shù)。從一個(gè)冬半年的M個(gè)覆冰氣象指數(shù)中選擇最大者為該年最大覆冰過程相應(yīng)的年最大覆冰氣象指數(shù)?！笨紤]到分析區(qū)域覆冰發(fā)生時(shí)的實(shí)際情況，對(duì)上述方法進(jìn)行調(diào)整，用最大單日覆冰氣象指數(shù)作為相應(yīng)的年最大覆冰氣象指數(shù)。由此得到的歷年最大覆冰氣象指數(shù)系列中出現(xiàn)了12個(gè)10和26個(gè)0，采用P－Ⅲ型曲線、耿貝爾曲線適線結(jié)果同樣無法通過擬合優(yōu)度檢驗(yàn)。由以上分析結(jié)果可知，規(guī)范中的方法不適用于永安山區(qū)的罕見覆冰現(xiàn)象重新期的分析，應(yīng)建立新的方法來進(jìn)行分析。

2.4 新建覆冰氣象指數(shù)賦值原則

在規(guī)程介紹的方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)分析區(qū)域覆冰氣象情況，選用日平均氣溫、日最低氣溫、日最高氣溫、日平均相對(duì)濕度、日最小相對(duì)濕度、日平均風(fēng)速、日降水量、日照時(shí)數(shù)這八項(xiàng)參數(shù)來建立適用于研究區(qū)域的覆冰氣象指數(shù)賦值原則。

在本次建立的適用于分析區(qū)域的覆冰氣象指數(shù)賦值原則中，除了考慮良好氣象條件的正貢獻(xiàn)，還引入了日最高氣溫和日照時(shí)數(shù)的負(fù)貢獻(xiàn)，結(jié)合九仙山覆冰資料，調(diào)整各項(xiàng)氣象參數(shù)的指數(shù)，最后得出較為合適的賦值原則。覆冰氣象指數(shù)的計(jì)算流程見圖2。

圖2中，先決條件為日平均相對(duì)濕度≥80%或有降水的同時(shí)日最低氣溫＜0℃；S(i)為前第i日的覆冰氣象指數(shù)；T(i)為前第i日的溫度項(xiàng)總權(quán)重值，Tmax為日最高氣溫；S為當(dāng)日總的覆冰氣象指數(shù)。

如圖1中所示，當(dāng)氣象參數(shù)滿足先決條件后，再根據(jù)表2中對(duì)應(yīng)的權(quán)重值標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算當(dāng)日的覆冰氣象指數(shù)。其中，三個(gè)溫度項(xiàng)的權(quán)重值以加法計(jì)算，若日最高溫度大于等于2℃且小于等于6℃則要將溫度項(xiàng)的和乘上相應(yīng)的核減系數(shù)；兩個(gè)濕度項(xiàng)采用乘法計(jì)算；將溫度項(xiàng)、濕度項(xiàng)、風(fēng)速項(xiàng)和降雨量項(xiàng)的權(quán)重值相加后，乘以日照時(shí)數(shù)對(duì)應(yīng)的系數(shù)(若日最高溫度大于等于6℃還需乘以其對(duì)應(yīng)的系數(shù))即得到當(dāng)日的初步覆冰氣象指數(shù)S(0)。

在規(guī)程中規(guī)定分析資料宜包括覆冰過程及前后三天時(shí)段相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)，因此，在新建的覆冰氣象指數(shù)賦值原則中，對(duì)一日總的覆冰氣象指數(shù)考慮了前三日的影響(前i日的算法相同，權(quán)重值適當(dāng)減小)，即某一日的總覆冰氣象指數(shù)為當(dāng)日與前i日(若滿足先決條件)覆冰氣象指數(shù)的和。

表2為部分氣象要素閥值在不同時(shí)段對(duì)應(yīng)的權(quán)重值標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 適用于分析區(qū)域的覆冰氣象指數(shù)計(jì)算流程

表2 新建的覆冰氣象指數(shù)權(quán)重值標(biāo)準(zhǔn)(部分)

2.5 罕見覆冰現(xiàn)象重現(xiàn)期的分析判定

根據(jù)新建的賦值原則，計(jì)算得出逐年的逐日覆冰氣象指數(shù)，取逐年最大值構(gòu)成覆冰氣象指數(shù)系列。其中，1996年2月20日的覆冰氣象指數(shù)134，為系列中的最大值，除去6個(gè)0值外，最小值為5。

對(duì)完整系列和去除1996年數(shù)據(jù)的系列采用耿貝爾和P－Ⅲ適線法的適線結(jié)果如圖3、圖4所示，頻率計(jì)算結(jié)果列于表3。擬合曲線均通過了擬合優(yōu)度檢驗(yàn)。

圖3 新建覆冰氣象指數(shù)適線結(jié)果(含1996年數(shù)據(jù)，左：P－Ⅲ；右：Gumbel)

圖4 新建覆冰氣象指數(shù)適線結(jié)果(不含1996年數(shù)據(jù)，左：P－Ⅲ；右：Gumbel)

表3 分析區(qū)域覆冰氣象指數(shù)推算結(jié)論

規(guī)程中規(guī)定30年一遇、50年一遇換算為百年一遇的換算系數(shù)分別為1.16、1.10；耿貝爾適線法計(jì)算得到的30年一遇和50年一遇的換算系數(shù)為1.27、1.14；P－Ⅲ適線法得到的30年一遇和50年一遇的換算系數(shù)為1.20、1.11。P－Ⅲ適線法得出的換算系數(shù)和規(guī)程中的換算系數(shù)更為接近。

對(duì)于1996年的覆冰情況，運(yùn)用耿貝爾適線法推算的重現(xiàn)期為48年一遇，運(yùn)用P－Ⅲ適線法推算的重現(xiàn)期為61年一遇，差異較大。兩種推算方法得出的重現(xiàn)期均值為55年一遇。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，再考慮到P－Ⅲ型曲線擬合較好，可將分析區(qū)域1996年罕見覆冰的重現(xiàn)期定為60年一遇。

3 新建覆冰氣象指數(shù)原則的優(yōu)劣探討

3.1 創(chuàng)新點(diǎn)

相比于規(guī)程中的覆冰貢獻(xiàn)量計(jì)算，本文提出的覆冰氣象指數(shù)有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

(1)增加了核減項(xiàng)。例如日最高氣溫過高或日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)時(shí)，其余條件若滿足要求也難以形成覆冰或覆冰持續(xù)時(shí)間及嚴(yán)重程度都會(huì)被削弱，增加核減項(xiàng)更符合實(shí)際。

(2)針對(duì)實(shí)際環(huán)境、工程現(xiàn)場(chǎng)的條件對(duì)各個(gè)氣象要素的取值進(jìn)行討論，賦值原則與研究區(qū)域更加匹配。

(3)計(jì)算得出的指數(shù)梯度合理，得出的年最大值系列適合頻率計(jì)算。

3.2 不足

由于缺乏充分覆冰資料驗(yàn)證等原因，本次針對(duì)分析區(qū)域構(gòu)建的覆冰氣象指數(shù)的賦值原則難免存在不合理的地方，賦值結(jié)果的準(zhǔn)確性受到很多因素的影響，主要?dú)w結(jié)為以下幾點(diǎn)。

(1)資料不足。缺乏足夠的實(shí)測(cè)覆冰資料來佐證覆冰氣象指數(shù)賦值原則的合理性。

(2)覆冰現(xiàn)象產(chǎn)生的復(fù)雜性。導(dǎo)線覆冰是和氣象學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)有關(guān)的復(fù)雜物理過程，而在本次的分析探討中，僅考慮了部分氣象學(xué)因素，不夠全面。

(3)日均值或極值數(shù)據(jù)無法完整反映日間氣象要素的具體變化過程，采用日值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算可能帶來一定的誤差。

(4)賦值原則對(duì)不同區(qū)域、不同海拔的通用性不強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文以永安山區(qū)900 m海拔處作為分析區(qū)域，根據(jù)其覆冰天氣的特點(diǎn)，在規(guī)程介紹的覆冰氣象指數(shù)頻率分析方法的基礎(chǔ)上，考慮了更多氣象要素的影響，引入不利覆冰產(chǎn)生的氣象條件的核減項(xiàng)，建立了新的適用于分析區(qū)域的覆冰氣象指數(shù)賦值原則。新建的原則通過了部分覆冰觀測(cè)資料的驗(yàn)證。采用新建覆冰氣象指數(shù)賦值原則對(duì)分析區(qū)域進(jìn)行計(jì)算分析，可認(rèn)為分析區(qū)域1996年嚴(yán)重覆冰現(xiàn)象的重現(xiàn)期為60年。

本文提出的覆冰氣象指數(shù)賦值原則針對(duì)福建山區(qū)的覆冰氣象特點(diǎn)建立，對(duì)輸電線路工程在覆冰資料匱乏地區(qū)確定調(diào)查覆冰的重現(xiàn)期有一定的參考意義。

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