廣西輸電線路覆冰典型年份的環(huán)流特征分析

覃 武，羅小莉，鄭鳳琴，鐘利華，周紹毅，蘇 志

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象局，廣西 南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)氣象服務中心，廣西 南寧 530022；3.廣西壯族自治區(qū)氣候中心，廣西 南寧530022）

輸電線路覆冰一直是威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要因素，受大氣候和微地形、微氣象條件的影響，冰災事故發(fā)生頻繁，我國是世界上輸電線路冰災最為嚴重的國家之一[1-7]。在我國的西南地區(qū)電線覆冰對電網(wǎng)設施影響極大，是一種分布廣泛的自然現(xiàn)象，嚴重的覆冰常造成斷線、倒桿（塔）、閃絡事故，給電網(wǎng)的安全運行帶來嚴重威脅。

近年來，在形成電線覆冰的冰凍雨雪災害天氣的研究方面已經取得了不少成果，例如覆冰事故的類型、輸電線路導線覆冰的性質與分類[3，6-9]、輸電線路覆冰與微氣象參數(shù)的關系、輸電線路覆冰風險評估方法研究等[10-13]。以往關于電線覆冰的研究主要集中在貴州省，并以常規(guī)氣象觀測資料為基礎，但是像廣西北部這類低緯度地區(qū)，相對高度差大，地形復雜，也會出現(xiàn)覆冰天氣，例如，2008年初我國南方出現(xiàn)歷史罕見的大范圍雨雪冰凍天氣[14]，全國有13個省（區(qū)、市）電力系統(tǒng)運行受到影響，170個縣（市）停電，造成國家電網(wǎng)公司直接財產損失達104.5億元。廣西電網(wǎng)公司也不能幸免，2008年1月12日—2月20日，持續(xù)性低溫雨雪冰凍災害使廣西百色、河池、柳州、桂林、賀州5個網(wǎng)區(qū)的電力設施遭到嚴重的破壞，直接經濟損失達29.87億元，廣西電網(wǎng)累計17個縣大范圍停電[15]。

由于我國氣象部門有導線覆冰觀測的臺站不多，積累的覆冰資料很少，而且數(shù)據(jù)不完整。廣西20個導線覆冰觀測氣象站只有4個臺站觀測到有導線覆冰，且只有12條記錄，給分析工作帶來極大的困難。本文首先根據(jù)廣西電力科學研究院的輸電線路覆冰觀測資料與廣西氣象臺站的導線覆冰、雨淞、霧淞、雪等觀測資料綜合分析，建立覆冰厚度的計算模型，并利用雨凇覆冰厚度模型計算歷史覆冰厚度，通過對歷史序列的分析來研究廣西北部地區(qū)覆冰出現(xiàn)的氣候規(guī)律以及覆冰出現(xiàn)的大氣環(huán)流背景，并簡要分析覆冰發(fā)生時氣象要素變化特征及其與海溫異常的關系，以期為后期的覆冰厚度預報提供科學的參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

廣西覆冰主要出現(xiàn)在北部，由于該地區(qū)有的測站建站比較晚，為了資料的完整，分析時段取1965—2016年，實況資料取自可能出現(xiàn)電線覆冰的廣西北部43個氣象觀測站。本文所用資料包括：

（1）NCEP/NCAR再分析月平均數(shù)據(jù)資料集，包括地面氣壓、位勢高度等資料，水平分辨率為2.5°×2.5°；

（2）美國國家海洋大氣局（NOAA）擴展再分析海表溫度資料，分辨率 2°×2°；

（3）廣西區(qū)氣候中心整編的廣西北部43個臺站1965—2016年1—12月逐日雨淞、風、降水、日照等資料；

（4）廣西區(qū)氣候中心整編的廣西北部20個臺站的導線覆冰觀測資料；

（4）廣西電力科學研究院提供的2008年以來的廣西輸電線路覆冰資料。

1.2 方法

1.2.1 電線覆冰厚度的計算

電線覆冰按其凍結形式主要分為雨凇、霧凇、混合凍結、濕雪、白霜5種[15]。根據(jù)廣西電力科學研究院、廣西電力勘察設計研究院實地調查的多年導線覆冰災害資料及現(xiàn)場導線覆冰測量調查資料進行綜合分析，表明廣西的電線覆冰主要表現(xiàn)以雨凇為主的混合冰凍，因此本文的電線覆冰厚度計算模型采用雨凇覆冰模型，以模型計算出覆冰資料序列對冬季的覆冰天氣展開分析。

目前國內外用來計算雨凇覆冰的模型有Lenhard模型、Chaine模型、Kathleen F Jones模型等約20多種[15-18]，對比現(xiàn)有的這些雨凇覆冰模型與實測的覆冰觀測資料分析發(fā)現(xiàn)，用Kathleen F Jones模型計算廣西的導線覆冰效果較好[18]。因此，本文以Kathleen F Jones[17]模型為基礎，結合廣西43個氣象站溫度低于0℃最長連續(xù)日數(shù)的風速、降水等氣象資料，構建如公式（1）所示的覆冰模型：若考慮過冷卻雨滴完全落在均勻并平行于水平面的圓柱形電線上，而且落在線路上的水全部均勻地在電線上發(fā)生凍結而形成圓柱形的覆冰，通過由凍雨所致線路覆冰厚度的雨凇覆冰模型，即可計算得到廣西各氣象觀測臺站1965—2016年逐日覆冰厚度。公式如下：

其中，Req表示電線等徑覆冰的厚度，單位：cm，ρi為雨凇的密度，取0.9 g·cm-3，ρ0是液態(tài)水的密度，取1.0 g·cm-3；Pi為降水強度，單位：mm·hr-1；Wj=0.067Pi0.846，單位：g·cm-3，為飽和空氣中的液態(tài)水含量；Vj代表覆冰時的風速，單位：m·s-1；下標 j表示第j小時的值，而N表示凍雨的持續(xù)時間，單位：h。

1.2.2 覆冰指數(shù)的定義

為了反映廣西覆冰的總體狀況以及便于與歷史狀況對比，本文定義以每年廣西北部地區(qū)包括的43個氣象臺站12月—次年2月的覆冰總站次的標準化距平作為廣西地區(qū)的覆冰指數(shù)，計算公式為：

式中Ri為冬季出現(xiàn)的覆冰站次數(shù)為冬季覆冰站次數(shù)的多年平均值，σi為冬季覆冰站次數(shù)的標準差。本文定義覆冰指數(shù)＞1的為典型覆冰年，不出現(xiàn)覆冰的年份為覆冰偏輕年。

1.2.3 覆冰指數(shù)突然變化的Mann-Kendall顯著性檢驗

對于氣候突變的檢驗，統(tǒng)計學上通常采用Mann-Kendall檢驗方法[20]，與其它方法相比，它具有檢測范圍較寬，人為的因素較少，定量化的程度較高等優(yōu)點。本文對覆冰指數(shù)的突變檢驗采用Mann-Kendall突變檢驗，顯著性水平取α=0.05。

2 結果與分析

2.1 廣西輸電線路覆冰的時空特征分析

經過電線覆冰厚度模型計算，廣西覆冰主要發(fā)生在冬季（12月、1月、2月）和3月，其中3月廣西只出現(xiàn)過3次覆冰（1967年、1968年、1986年），圖1給出了1965—2016年1—3月和12月覆冰站次數(shù)的分布情況，其中1月出現(xiàn)的覆冰站次數(shù)最多，共1016站次，平均每年19.5站次；其次為12月，共出現(xiàn)482站次，平均每年9.3站次；第三為2月，共出現(xiàn)460站次，平均每年8.9站次，3月共出現(xiàn)10站次。結合廣西輸電線路的覆冰監(jiān)測資料，發(fā)現(xiàn)用覆冰計算模型得出的資料序列與輸電線路的覆冰實況比較吻合，因此本文采用模型計算得出的覆冰資料序列對冬季（當年12月—次年2月）的覆冰天氣展開分析。

圖1 1965—2016年廣西12月—次年3月覆冰出現(xiàn)站次數(shù)分布

圖2 1965/1966—2015/2016年冬季廣西覆冰指數(shù)的年際變化（a）、覆冰站次數(shù)的年際變化（b）及覆冰站次數(shù)的Mann-Kendall突變檢驗（c）

圖2給出了覆冰指數(shù)的逐年變化年際變化及Mann-kendall突變檢驗結果，由圖2a可以看出覆冰指數(shù)＞1的年份有 6 a，分別是 1967/1968、1968/1969、1973/1974、1975/1976、1976/1977、2007/2008 年，覆冰指數(shù)序列呈下降趨勢，并通過信度α=0.01的顯著性檢驗，說明廣西覆冰有逐年減輕的趨勢。從廣西冬季覆冰站次數(shù)（圖2b）統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，冬季不出現(xiàn)覆冰的有 9 a，占 17.7%，分別是 1986/1987、1990/1991、1994/1995、1998/1999、2000/2001、2005/2006、2006/2007、2009/2010、2014/2015 年；其中覆冰站次數(shù)＞100的有4 a，最多為1976/1977年冬季的214站次。

圖2c所示為1965/1966—2015/2016年冬季廣西覆冰站次數(shù)的Mann-Kendall突變檢驗圖，圖中水平線表示的是0.05的顯著性水平的檢驗線。由圖2c分析可知，51 a來廣西冬季覆冰站次數(shù)的變化趨勢顯著，存在著1個明顯的突變點，出現(xiàn)在1985年，1985年的突變主要表現(xiàn)為不斷減少的變化趨勢，由于1985年恰好是全球變暖的突變點[21]，造成這一趨勢的原因可能是全球氣候變暖，溫度上升，使得覆冰站次數(shù)減少。

從1965/1966—2015/2016年冬季廣西各地冬季覆冰日數(shù)（圖3）分布來看，由于廣西屬云貴高原向東南沿海丘陵過渡地帶，略呈四周高中間低的盆地，地學界稱為“廣西盆地”，盆地邊緣“缺口”甚多，最主要的是桂東北的湘桂走廊，它是冷空氣的侵入廣西的主要通道，桂林、賀州、柳州3市和河池、梧州、百色、來賓4市北部等地都是覆冰多發(fā)區(qū)，其中覆冰出現(xiàn)最多的是資源、全州、灌陽和興安4縣。另外，由于廣西山地多，平原少，就同一地區(qū)而言，在山脈的迎風面覆冰比背風面嚴重，但是在梧州—象州—都安—凌云一線以南的低緯度地區(qū)極少出現(xiàn)覆冰。

圖3 1965/1966—2015/2016年冬季廣西各地覆冰日數(shù)分布

2.2 典型覆冰天氣的環(huán)流背景分析

為了解覆冰天氣的大氣環(huán)流背景，將覆冰指數(shù) ＞1 的 年 份（1967/1968、1968/1969、1973/1974、1975/1976、1976/1977、2007/2008年）作為典型覆冰年份。

2.2.1 500 hPa形勢場特征

從多年平均的500 hPa位勢高度場合成圖（圖4a）可以看出，整個歐亞大陸中高緯地區(qū)環(huán)流經向度比較大，呈明顯的“兩槽一脊”型，我國的中東部均處于脊的控制之下，而廣西處于弱的南支槽前。從廣西典型覆冰年500 hPa位勢高度距平場的合成分析圖（圖4b）可見，烏拉爾山一帶有一個大的正距平中心，在貝加爾湖附近有一個大的負距平中心，整個中國都處在負距平區(qū)，距平場上“北正南負”，有利于南部南支槽的發(fā)展，為廣西提供水汽。歐亞大陸中高緯烏拉爾山地區(qū)有一高壓脊，中緯度里海東部地區(qū)有一低壓槽。距平場上對應“北正南負”的形勢，這種形勢使環(huán)流經向型加強并穩(wěn)定維持，有利于歐亞中高緯高壓脊的加強和中低緯西風槽的發(fā)展。

2.2.2 地面形勢場特征

圖5給出了典型覆冰年份海平面氣壓及其距平場的合成分析圖，從圖上可以看出，典型覆冰年我國中東部及廣西大部分地區(qū)受地面冷高壓脊控制，新疆北部的冷高壓中心大于1035 hPa，1020 hPa等值線進入廣西境內，說明冷空氣很強，從典型覆冰年海平面氣壓距平場合成分析圖5b可看出，歐亞地區(qū)35°N以北均為氣壓正距平區(qū)，中心達到4 hPa以上，位于烏拉爾山附近；在25°～35°N的東亞地區(qū)，氣壓距平為“正、負、正”的分布型態(tài)。我國中東部和廣西地區(qū)均是正距平區(qū)域，說明這些地區(qū)的冷空氣活動均比常年平均強或者頻繁[18]。

圖4 典型覆冰年份500 hPa位勢高度場合成（a）及其距平場合成（b）（單位：位勢米）

圖5 典型覆冰年份海平面氣壓場合成（a）及其距平場合成（b）（單位：hPa）

2.3 覆冰與氣象要素之間的關系

2008、2010年廣西電網(wǎng)受災最嚴重的是“110 kV金中旺線”，本文收集了距離金中旺線最近的資源氣象站的導線覆冰觀測資料及氣象要素進行統(tǒng)計分析（表1），資源氣象站海拔408.4 m，能大致代表架空輸電線路的氣象要素實況，從表1可以看出，2011—2018年共出現(xiàn)7次覆冰天氣過程，覆冰天氣出現(xiàn)前兩天低溫寡照，覆冰前一天日平均氣溫一般＜3℃，日最低氣溫一般在2℃以下，日照時數(shù)大部為0，一般2 d內至少有1 d伴有降水，為覆冰提供水汽條件；覆冰出現(xiàn)當日，日最低氣溫一般在0.2℃以下，風速＜5 m/s，以北風為主，有雨凇出現(xiàn)，一般伴有弱降水，水滴過大不利于其在電線上凍結，毛毛雨最為有利。

表1 資源站2011—2018年觀測有導線覆冰天氣當日及前2 d氣象要素實況

2.4 典型覆冰年份的海溫異常情況

圖6給出了廣西冬季典型覆冰年份太平洋、印度洋、大西洋的冬季海溫距平SSTA合成分析圖，從圖中可以看出典型覆冰年冬季，在太平洋灣流區(qū)是一個寬廣的正海溫距平（SSTA）海域，并存有兩個大的正距平中心，最大中心值均大于1.4℃，赤道中東太平洋冬季SSTA為負距平，出現(xiàn)LA NINA事件；而熱帶印度洋為全區(qū)一致的冷海溫異常，最大中心值小于-1.2℃，這一模態(tài)不僅是熱帶印度洋的SSTA的主要模態(tài)，也可能是對LA NINA現(xiàn)象的響應；而在大西洋，典型覆冰年冬季SSTA呈現(xiàn)北正南負的分布，西北大西洋有一個正的SSTA大值區(qū)，而在非洲東南部沿海45°S附近的海域出現(xiàn)中心值小于-1.2℃的大負值中心。

圖6 典型覆冰年份太平洋（a）、印度洋（b）和大西洋（c）的海溫距平場合成（單位：℃）

從3個海域典型覆冰年份海溫距平SSTA合成場的前期季節(jié)演變特征來看，赤道中東太平洋，從夏季到秋季，海溫由偏高轉為偏低，大多由于EL NINO事件減弱，LA NINA事件發(fā)展的緣故，遠離赤道太平洋的海域，從夏季到秋季，海溫由偏低轉為偏高，在北太平洋最為明顯；而在大西洋，從夏季到秋季，以赤道為界，北大西洋海溫距平由負轉為正，而南大西洋，自西向東海溫距平由夏季的“正、負、正”轉為秋季的一致為負的分布；印度洋的海溫距平從夏季的類似鞍形場分布，轉為秋季的大范圍的海域為海溫負距平，只有北印度洋的靠大陸附近的很小的一部分海域為正海溫距平。從3個海域典型覆冰年份的海溫距平SSTA分析發(fā)現(xiàn)，典型覆冰年份與LA NINA事件關系較為密切。

3 結果與討論

通過上述分析，得出以下結論：

（1）廣西覆冰主要出現(xiàn)在12月、1月和2月，其中1月最多，12月次之；廣西各地冬季覆冰主要分布在桂北，其中覆冰出現(xiàn)最多的是資源、全州、興安、灌陽四縣。

（2）廣西覆冰有較明顯的年際變化特征，表現(xiàn)為逐年減輕的趨勢。用Mann-Kendall突變檢驗方法對覆冰站次數(shù)序列進行檢驗，得出20世紀廣西覆冰有一次較顯著的減少過程，突變發(fā)生在20世紀80年代中期。

（3）在廣西典型覆冰年份，500 hPa歐亞大陸中高緯地區(qū)環(huán)流經向度比較大，呈明顯的“兩槽一脊”型，低緯度南支槽活躍，廣西處于南支槽前，500 hPa距平場上對應“北正南負”的形勢；海平面氣壓場上，我國中東部及廣西大部分地區(qū)受地面冷高壓脊控制，并且這一帶冷空氣活動比常年平均強或者頻繁。

（4）廣西導線覆冰的氣象條件是：覆冰天氣出現(xiàn)前兩天低溫寡照，一般2 d內至少有1 d伴有降水；覆冰出現(xiàn)當日，日最低氣溫在0.2℃以下，風速＜5 m/s，以北風為主，有雨凇出現(xiàn)，一般伴有弱降水，毛毛雨最為有利。

（5）廣西典型覆冰年份，赤道中東太平洋，從夏季到秋季，海溫由偏高轉為偏低，大多由于EL NINO事件減弱、LA NINA事件發(fā)展的緣故，到冬季SSTA維持為負距平，說明廣西覆冰與LA NINA事件有較密切的關系。

廣西覆冰在20世紀80年代出現(xiàn)突然的減輕，這和全球變暖、大氣、海洋環(huán)境的變化可能有一定的聯(lián)系，由于篇幅有限，本人的另一塊的工作就是從大氣、海洋以及全球變暖等與廣西輸電線路覆冰的關系入手，研究全球氣候變化、大氣、海洋環(huán)境等的變化是否影響了覆冰的輕重程度，并進一步研究它們的影響機理。