電線積冰及舞動高風(fēng)險區(qū)域的數(shù)值模擬

朱 華， 魏 璐， 陸正奇， 韓永翔

(1.河南省電力公司電力科學(xué)研究院， 鄭州 450000； 2.河南省氣象服務(wù)中心， 鄭州 450003； 3.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心， 中國氣象局氣溶膠-云-降水重點開放實驗室， 南京 210044)

近年來中外學(xué)者對導(dǎo)線覆冰舞動的天氣成因進(jìn)行了大量研究[7-9]，從大氣環(huán)流形勢、近地面氣象條件及大氣層結(jié)特征等方面分析了覆冰舞動產(chǎn)生的氣象條件。冬季強(qiáng)冷空氣南下與南支槽前的暖濕氣流匯合形成來回擺動的準(zhǔn)靜止鋒，是形成凍雨的主要?dú)庀蟊尘癧10]；降水云下深厚而穩(wěn)定的逆溫層和低空冷層的存在，為導(dǎo)線覆冰提供了過冷水[11]；覆冰天氣必須同時滿足逆溫層、空中高液態(tài)含水量和地溫低于0 ℃ 這3個氣象條件[12]；近地面伴隨冷空氣南下出現(xiàn)的陣性大風(fēng)，是引發(fā)覆冰導(dǎo)線產(chǎn)生舞動的直接原因[13]。此外，基于大量的積冰觀測實驗，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)展了一系列模型對導(dǎo)線覆冰厚度進(jìn)行數(shù)值預(yù)測，如Makkonen[14]考慮了過冷液滴與導(dǎo)線碰撞的熱平衡過程，建立了一套熱力學(xué)電線積冰增長模型，適用于電力系統(tǒng)評估凍雨及霧凇覆冰情況下的電線積冰厚度，被國際電線積冰標(biāo)準(zhǔn)推薦使用[15]；此外，Jones[16]基于覆冰增長期間導(dǎo)線附近的液水來源，提出一種凍雨覆冰增長模型，僅需降水量與風(fēng)速這兩個氣象參數(shù)即可準(zhǔn)確地估算導(dǎo)線的等效冰厚，由于其預(yù)測準(zhǔn)確度與Makkonen模型相差不大，且計算過程簡單，因此該模型也被應(yīng)用于歐洲的數(shù)值天氣模式(numerical weather prediction model, NWP)中，對凍雨天氣下的導(dǎo)線覆冰厚度進(jìn)行數(shù)值預(yù)報[17-21]，上述模型為準(zhǔn)確預(yù)測導(dǎo)線覆冰提供了理論基礎(chǔ)，如劉善峰等[22]利用天氣研究和預(yù)報(weather research and forecasting; WRF)模式耦合電線積冰預(yù)報系統(tǒng)(ice acceleration forecast system; IFAS) 對2008年貴州地區(qū)的電線積冰厚度進(jìn)行了數(shù)值模擬，基本重現(xiàn)2008年1—2月貴州省電線積冰厚度的時空變化特征。

盡管導(dǎo)線覆冰預(yù)報已取得了一定的進(jìn)展，但目前中國對于導(dǎo)線覆冰舞動的數(shù)值預(yù)報研究仍較為薄弱，大多數(shù)研究僅針對導(dǎo)線覆冰厚度的數(shù)值模擬[23-25]，忽略了瞬時風(fēng)速對于導(dǎo)線覆冰舞動的影響。如何將瞬時風(fēng)速預(yù)測模型、電線積冰模型與數(shù)值天氣模式相耦合，綜合考慮導(dǎo)線覆冰發(fā)生的氣象條件與導(dǎo)線舞動所需的瞬時風(fēng)速閾值，準(zhǔn)確預(yù)報導(dǎo)線覆冰厚度和舞動發(fā)生區(qū)域，以滿足電力部門對導(dǎo)線覆冰舞動的預(yù)報預(yù)警需求，值得進(jìn)一步的探索和研究。

2018年1月25—29日，受南下冷空氣與南支槽前暖濕氣流共同影響，中國長江中下游地區(qū)出現(xiàn)了大范圍導(dǎo)線覆冰舞動事故。通過分析本次覆冰舞動產(chǎn)生的大氣環(huán)流特征、大氣層結(jié)特征及云微物理特征，進(jìn)而利用耦合了IFAS電線積冰系統(tǒng)及美國空軍氣象局(Air Force Weather Agency, AFWA)的極大瞬時風(fēng)速診斷方案的中尺度WRF模式，對本次覆冰舞動事件發(fā)生的氣象條件，覆冰厚度及舞動范圍進(jìn)行模擬，探討了本次覆冰舞動發(fā)生的天氣成因及覆冰舞動高風(fēng)險區(qū)域范圍，以期為電力部門開展輸電線路覆冰舞動預(yù)警提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料介紹及試驗設(shè)計

地面氣象觀測資料及導(dǎo)線覆冰記錄由河南省氣象局服務(wù)中心提供，包括河南、湖北、湖南、安徽、江西省內(nèi)的國家氣象基準(zhǔn)站每日逐小時的觀測結(jié)果；探空資料來自中國氣象局國家氣象信息中心，包括2018年1月25—39日武漢及安慶探空站點每日08：00和20：00的探空觀測結(jié)果。1°×1° 的再分析資料(final reanalysis data，F(xiàn)NL)來自美國環(huán)境預(yù)報中心和大氣研究中心。

利用WRFV4.1.3對2018年1月24日 08：00—29日08：00長江中下游地區(qū)大范圍的雨雪冰凍天氣進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬中心位于武漢市(113°41′ E, 30°N)，模式采用3層嵌套，水平分辨率分別為32.4、10.8、3.6 km，垂直方向分為43層。為保證模式的穩(wěn)定性，模擬過程分為兩段，每段模擬72 h且均保留12 h的spin-up時間，每小時輸出一次模擬結(jié)果。模式的初始及邊界條件采用美國環(huán)境預(yù)測中心(NCEP)的FNL資料且每隔6 h更新模式的預(yù)報場。使用美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey,USGS)提供的2 min和30 s高分辨率地形高程資料及MODIS衛(wèi)星30 s分辨率的下墊面類型作為地形數(shù)據(jù)。模擬過程中微物理方案采用Thompson方案[26]，該方案相比于其他方案增加了對云中水成物混合相態(tài)的描述，能有效地預(yù)測冬季降水落區(qū)及降水量[27];邊界層方案選取YSU(Yonsei University Scheme)[28]，該方案在預(yù)測近地面溫度及降水量方面較優(yōu)[29]。長波輻射選取RRTM(a rapid and accurate radiative transfer model)方案[30],短波輻射方案選取Dudhia方案[31],陸面過程為Noah方案[32]，僅在第一、二層嵌套中使用Kain-Fritsch積云對流方案[33]。

1.2 電線積冰預(yù)報系統(tǒng)介紹

電線積冰預(yù)報(ice accretion forecasting system,IFAS)是由Musilek等[18]在中尺度數(shù)值氣象模式(NWP)基礎(chǔ)上研發(fā)的電線積冰預(yù)報系統(tǒng)，該系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于歐洲電力部門的電線積冰風(fēng)險評估工作中。該系統(tǒng)將NWP模式輸出的氣象要素輸入到Ramer[34]降水類型診斷方法中，對是否發(fā)生凍雨進(jìn)行在線診斷，再通過Jones模型計算凍雨發(fā)生時的導(dǎo)線等效冰厚。

1.3 AFWA瞬時極大風(fēng)速診斷方法

常規(guī)WRF模式僅能輸出指定時刻風(fēng)速的平均值，美國空軍氣象局(AFWA)在WRF模式的基礎(chǔ)上添加了10 m瞬時極大風(fēng)速診斷模塊[35]，通過對比模擬過程中各積分時間步長上的風(fēng)速大小，得出指定輸出時間段內(nèi)的10 m瞬時極大風(fēng)速值。

2 結(jié)果分析

2.1 天氣過程及輸電線路覆冰舞動概況

2018年1月25—28日，受南下冷空氣與南支槽前暖濕氣流共同影響，中國南方出現(xiàn)大范圍的大風(fēng)降溫及雨雪冰凍天氣。1月24日，700 hPa高空環(huán)流中在烏拉爾山南側(cè)出現(xiàn)阻塞高壓，并不斷向西西伯利亞地區(qū)隆起，形成東北-西南向的高壓脊，極渦中心則位于雅庫茨克到鄂霍茨克海一帶，隨著極渦不斷東移南壓，位于蒙古國東部的橫槽轉(zhuǎn)豎，引導(dǎo)冷空氣南下。1月25—28日中國長江中下游地區(qū)受高壓底部偏北風(fēng)影響，近地面層溫度降低。同時700 hPa高空有風(fēng)速達(dá)32 m/s的西南氣流向東北方向輸送,為該地區(qū)輸送了大量暖濕空氣。隨著冷空氣東移南下，冷高壓底部偏東到東北氣流與西南暖濕氣流在江南地區(qū)交匯，在850 hPa形成來回擺動的高空切變線，為該區(qū)凍雨形成提供了有利的氣象背景場。本次凍雨天氣過程持續(xù)3～4 d(1月25—28日)，凍雨天氣造成長江中下游各省(安徽南部、湖北南部、湖南及江西北部)的輸電線路發(fā)生大面積導(dǎo)線覆冰及舞動事故，最大覆冰強(qiáng)度出現(xiàn)在安徽省宿松縣(12 mm)，最長舞動時間達(dá)40 h以上，安徽及湖北省共計20多條220 kV 及以上的輸電線路出現(xiàn)不同程度受損。

1.1 資料來源 選取南通市第三人民醫(yī)院2013年1月-2014年10月收治并切除的乳腺癌及癌旁非腫瘤組織共100例患者，所有患者均為女性，年齡20～80歲，平均(48±8)歲。其中浸潤性導(dǎo)管癌患者81例，浸潤性小葉癌患者11例，其他病理類型患者8例。根據(jù)AJCC分期，Ⅰ期患者23例，Ⅱ期患者52例，Ⅲ期患者15例，Ⅳ期患者10例。所有患者術(shù)前均未經(jīng)放、化療。手術(shù)切除后的標(biāo)本立即置于液氮中，隨后轉(zhuǎn)入-80℃冰箱中保存。術(shù)后隨訪30個月。

2.2 凍雨的形成機(jī)制的確定

本次導(dǎo)線覆冰過程是由大范圍凍雨天氣造成的，而凍雨的形成機(jī)制有“融化機(jī)制”[36]和“過冷暖雨機(jī)制”[37]。必須首先確定該次凍雨的形成機(jī)制是那種。本次凍雨天氣中，地面、850 hPa及700 hPa的0 ℃ 等溫線全部位于凍雨區(qū)以南，凍雨區(qū)上空無融化層。另外，位于凍雨區(qū)范圍內(nèi)的武漢及安慶兩站溫度與相對濕度的時間-高度剖面圖(圖1)顯示，1月25—28日，安慶及武漢站上空均不存在溫度大于0 ℃的層結(jié)。25日08：00，武漢站[圖1(a)]上空700 hPa處存在一處溫度高于0 ℃的暖層，從上到下為冷-暖-冷的溫度層結(jié)特征，但暖層厚度僅為 50 hPa 左右，隨后暖層消失；25日20：00—28日08：00，武漢站上空雖然存在逆溫層，但溫度均低于 -2 ℃,云頂高度均位于600 hPa左右，且云內(nèi)溫度維持在-10～-2 ℃，云內(nèi)水成物為過冷液態(tài)；與此類似，1月25—28日安慶市[圖1(b)]上空700 hPa處雖然也存在較薄的逆溫層，但最高溫度均未超過0 ℃。由上述分析可見，本次的導(dǎo)線覆冰事故是由“過冷暖雨機(jī)制”形成的凍雨造成的，即從地面到高空的溫度均低于0 ℃,高空中的過冷云滴碰并形成過冷雨滴，下落到近地面的輸電線路上形成覆冰。

圖1 2018年1月25—29日溫度及相對濕度時間-高度剖面Fig.1 Time-height cross section of the temperature and relative humidity field from 25th to 29th January 2018

2.3 覆冰期間氣象要素及云微物理量的模擬及驗證

導(dǎo)線覆冰過程與溫度和降水密切相關(guān)，因此將WRF模式模擬的日平均溫度、日降水量與觀測資料進(jìn)行對比，驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本次冰凍天氣過程中，強(qiáng)降水主要集中在1月25日及27日，對比25日及27日模擬與觀測的24小時地面降水量(圖2)可以看出，雖然降水高值區(qū)的強(qiáng)度與觀測值略有差異，但模擬的降水帶走向、降水落區(qū)及降水量級與觀測結(jié)果較為接近。其中1月25日[圖2(a)、圖2(b)]主降水帶位于湖北全省及安徽省南部，最大日降水量達(dá)15～20 mm，模擬值較觀測結(jié)果略為偏高(25～30 mm)，但10 mm以上的降水落區(qū)分布與觀測結(jié)果較為一致；1月27日[圖2(c)、圖2(d)]位于湖北省的降水帶逐漸南移，最大日降水量達(dá)20～25 mm，與觀測結(jié)果較為一致，但落區(qū)較觀測結(jié)果偏南。此外，WRF模式模擬各時次地面0 ℃ 等溫線的分布也與地面觀測較為一致，湖北及安徽省的凍雨區(qū)都處于地面0 ℃ 線以北?？偟膩碚f，模擬結(jié)果能較好地再現(xiàn)凍雨天氣形成的近地面氣象條件。

圖2 模擬與觀測的日降水量及0 ℃等溫線的空間分布Fig.2 Spatial distribution of daily precipitation and 0 ℃ isotherms observed and simulated by WRF model

除了近地面氣象條件外，垂直方向上大氣溫度及水成物的分布也對導(dǎo)線覆冰的形成有較大的影響。1月25日08:00—29日08:00，WRF模式模擬武漢[圖3(a)]和安慶[圖3(b)]兩站上空水成物和溫度場的演變特征較為一致，25日08：00兩站地面出現(xiàn)降水，兩站上空700 hPa左右存在一個較厚的逆溫層，但逆溫層及逆溫層以下的溫度始終低于0 ℃；云頂高度位于600 hPa左右，云內(nèi)溫度-10～-5 ℃,云內(nèi)水成物包含大量的冰晶、雪、霰及過冷水，并從600 hPa延伸到地面，說明此時的該時段內(nèi)的降水類型以凍雨和雪的混合態(tài)降水為主；26日—27日08：00，兩站上空的水成物含量逐漸降為0，凍雨過程暫時結(jié)束；27日08：00開始，地面開始出現(xiàn)固態(tài)降水，隨著時間的推移，兩站上空液態(tài)水成物含量逐漸增大，地面降水類型也逐漸由固態(tài)降水轉(zhuǎn)變?yōu)閮鲇昙把?、霰共存的混合態(tài)降水；28日08：00后兩站的降水類型在此轉(zhuǎn)變固態(tài)降水，14：00后本次降水過程結(jié)束。

總的來說，凍雨天氣的降水過程主要集中在1月25—26日08：00及27—28日08：00，降水發(fā)生時間與“固-液-固”的降水相態(tài)變化過程均與氣象站的觀測結(jié)果較為吻合，垂直方向的溫度結(jié)構(gòu)特征也與探空站觀測結(jié)果(圖1)較為一致。

2.4 導(dǎo)線覆冰厚度時空變化特征

利用耦合了IFAS積冰預(yù)報方案的WRF模式，對1月25—28日長江中下游地區(qū)電線積冰厚度的分布特征進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示：1月25日08：00，覆冰過程主要出現(xiàn)在安徽南部及湖北西南部，最大覆冰厚度不超過4 mm，湖北與江西交界處的山區(qū)也有零星的覆冰出現(xiàn)[圖4(a)]；1月25—26日為覆冰增長期，在此期間覆冰范圍擴(kuò)展到湖北南部及湖南北部地區(qū)28°N～31°N的帶狀區(qū)域內(nèi)，覆冰厚度也持續(xù)增長[圖4(b)]；1月26—27日地面降水量較小，但近地面溫度始終維持在0 ℃ 以下，覆冰處于維持階段，覆冰厚度增長量較小[圖4(c)]；1月28日，隨著凍雨過程的加強(qiáng)，安徽及湖北的電線積冰厚度持續(xù)增大[圖4(d)]，安徽、湖北及江西三省交界處的積冰厚度超過15 mm，其中宿松縣(116.13°E，30.17°N)的積冰厚度為14 mm，與文獻(xiàn)記載結(jié)果一致。

圖4 WRF模式模擬長江中下游地區(qū)2018年1月25—28日導(dǎo)線覆冰厚度的空間分布Fig.4 Spatial distribution of wire icing thickness in the middle and lower reaches of the Yangtze River simulated by WRF model from 25th to 28th January 2018

由于缺少高精度的導(dǎo)線覆冰厚度觀測記錄，因此使用地面氣象站觀測到的凍雨發(fā)生范圍與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，雖然模擬結(jié)果漏報了部分氣象站的電線積冰事件，但模擬的各階段積冰厚度的空間分布特征與氣象站點觀測到發(fā)生凍雨的分布特征較為一致，模擬的宿松縣覆冰厚度極值(14 mm)也與觀測結(jié)果(12.6 mm)極為接近，總的來說，模擬的覆冰厚度能在一定程度上反映本次凍雨過程中電線積冰厚度的變化特征。

2.5 模擬導(dǎo)線覆冰舞動高風(fēng)險區(qū)域分布

研究表明：當(dāng)輸電線路上存在一定的覆冰厚度(1～10 mm)，且風(fēng)速在12～18 m/s時，發(fā)生導(dǎo)線舞動的概率較高[38]。以上述條件作為導(dǎo)線覆冰舞動的判定依據(jù)，根據(jù)凍雨的厚度與風(fēng)速的大小，利用配料法，進(jìn)而模擬導(dǎo)線覆冰舞動高風(fēng)險區(qū)域分布。

由1°×1° 的FNL再分析資料驅(qū)動的WRF模式，模擬出的風(fēng)場是一個平均值，它小于實際瞬時的最大風(fēng)速，這將導(dǎo)致模擬出的導(dǎo)線覆冰舞動高風(fēng)險區(qū)域分布偏小，為了彌補(bǔ)這一缺陷，本文利用WRF模式并結(jié)合美國空軍氣象局(AFWA)的診斷方法，獲得了覆冰期間(1月25—28日)瞬時極大風(fēng)速的空間分布(圖5)。從圖5中可以看出，1月25—28日，位于安徽、湖北、江西三省交界處的宿松縣附近瞬時風(fēng)速極大值始終大于12.5 m/s，風(fēng)向為東北風(fēng)；此外，1月25—26日，安徽黃山、湖北荊州及湖南常德地區(qū)的瞬時風(fēng)速均高于12.5 m/s。

圖5 WRF模式模擬瞬時極大風(fēng)速及風(fēng)向的空間分布Fig.5 Spatial distribution of the instantaneous maximum wind speed and wind direction simulated by WRF model

根據(jù)積冰的厚度與模擬的瞬時極大風(fēng)速，利用配料法，獲得了導(dǎo)線覆冰舞動高風(fēng)險區(qū)域分布(圖6)，1月25—28日，位于安徽、湖北及江西三省交界處的宿松縣發(fā)生導(dǎo)線覆冰舞動的概率較高；此外，1月25—26日，安徽黃山、湖北荊州及湖南常德地區(qū)的輸電線路也存在一定的舞動風(fēng)險。預(yù)測的舞動風(fēng)險區(qū)域空間分布特征均與電網(wǎng)的觀測記錄較為吻合?？偟膩碚f，該方法能在一定程度上估測易發(fā)生覆冰舞動的風(fēng)險區(qū)域。

圖6 WRF模式模擬導(dǎo)線覆冰舞動區(qū)域空間分布Fig.6 Spatial distribution of high risk areas of conductor galloping simulated by WRF model

3 結(jié)論

通過對2018年1月25—28日長江中下游地區(qū)輸電線路覆冰舞動過程中的天氣形勢、大氣層結(jié)特征及云微物理參量的變化分析，進(jìn)而利用耦合了Ramer凍雨預(yù)報方案、Jones電線積冰厚度預(yù)報方案的WRF模式對電線積冰厚度及覆冰舞動區(qū)域進(jìn)行了模擬，其具體結(jié)論如下。

(1)本次導(dǎo)線覆冰過程是由“過冷暖雨”機(jī)制形成的凍雨天氣造成的，冷高壓底部偏東到東北氣流與西南暖濕氣流在長江中下游地區(qū)交匯，為該地區(qū)帶來了充沛的降水；從地面到700 hPa的溫度均低于0 ℃,使得降水在下落過程中維持在過冷液態(tài)，為長江中下游地區(qū)導(dǎo)線覆冰舞動事故提供了良好的氣象條件。

(2)WRF模式的模擬結(jié)果能較好地再現(xiàn)凍雨天氣形成的近地面氣象條件及高空云微物理參量的變化特征。凍雨天氣的降水過程主要集中在1月25—26日08：00及27—28日08：00，在此期間地面降水經(jīng)歷了“固態(tài)-混合態(tài)-固態(tài)”的相態(tài)轉(zhuǎn)化過程，大部分時間地面降水以凍雨和雪的混合態(tài)降水為主，模擬降水發(fā)生時間點與地面降水相態(tài)變化過程均與氣象站的觀測結(jié)果較為吻合。

(3)利用耦合了IFAS電線積冰預(yù)報系統(tǒng)的WRF模式，對長江中下游地區(qū)1月25—28日電線積冰厚度分布特征進(jìn)行了模擬，并結(jié)合瞬時極大風(fēng)速模擬結(jié)果利用“配料法”對易發(fā)生覆冰舞動的區(qū)域進(jìn)行了判斷。模擬的積冰厚度與觀測到積冰的氣象站點較為吻合，最大覆冰厚度為也與觀測值較為接近；安徽宿松、黃山及湖北荊州、湖南常德地區(qū)瞬時風(fēng)速較大且覆冰厚度較高，存在一定的舞動風(fēng)險，這些均與電網(wǎng)的觀測記錄較為吻合?？偟膩碚f，該方法能在一定程度上估測易發(fā)生覆冰舞動的風(fēng)險區(qū)域。