广西输电线路覆冰典型年份的环流特征分析

覃 武，罗小莉，郑凤琴，钟利华，周绍毅，苏 志

（1.广西壮族自治区气象局，广西 南宁 530022；2.广西壮族自治区气象服务中心，广西 南宁 530022；3.广西壮族自治区气候中心，广西 南宁530022）

输电线路覆冰一直是威胁电网安全稳定运行的重要因素，受大气候和微地形、微气象条件的影响，冰灾事故发生频繁，我国是世界上输电线路冰灾最为严重的国家之一[1-7]。在我国的西南地区电线覆冰对电网设施影响极大，是一种分布广泛的自然现象，严重的覆冰常造成断线、倒杆（塔）、闪络事故，给电网的安全运行带来严重威胁。

近年来，在形成电线覆冰的冰冻雨雪灾害天气的研究方面已经取得了不少成果，例如覆冰事故的类型、输电线路导线覆冰的性质与分类[3，6-9]、输电线路覆冰与微气象参数的关系、输电线路覆冰风险评估方法研究等[10-13]。以往关于电线覆冰的研究主要集中在贵州省，并以常规气象观测资料为基础，但是像广西北部这类低纬度地区，相对高度差大，地形复杂，也会出现覆冰天气，例如，2008年初我国南方出现历史罕见的大范围雨雪冰冻天气[14]，全国有13个省（区、市）电力系统运行受到影响，170个县（市）停电，造成国家电网公司直接财产损失达104.5亿元。广西电网公司也不能幸免，2008年1月12日—2月20日，持续性低温雨雪冰冻灾害使广西百色、河池、柳州、桂林、贺州5个网区的电力设施遭到严重的破坏，直接经济损失达29.87亿元，广西电网累计17个县大范围停电[15]。

由于我国气象部门有导线覆冰观测的台站不多，积累的覆冰资料很少，而且数据不完整。广西20个导线覆冰观测气象站只有4个台站观测到有导线覆冰，且只有12条记录，给分析工作带来极大的困难。本文首先根据广西电力科学研究院的输电线路覆冰观测资料与广西气象台站的导线覆冰、雨淞、雾淞、雪等观测资料综合分析，建立覆冰厚度的计算模型，并利用雨凇覆冰厚度模型计算历史覆冰厚度，通过对历史序列的分析来研究广西北部地区覆冰出现的气候规律以及覆冰出现的大气环流背景，并简要分析覆冰发生时气象要素变化特征及其与海温异常的关系，以期为后期的覆冰厚度预报提供科学的参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料

广西覆冰主要出现在北部，由于该地区有的测站建站比较晚，为了资料的完整，分析时段取1965—2016年，实况资料取自可能出现电线覆冰的广西北部43个气象观测站。本文所用资料包括：

（1）NCEP/NCAR再分析月平均数据资料集，包括地面气压、位势高度等资料，水平分辨率为2.5°×2.5°；

（2）美国国家海洋大气局（NOAA）扩展再分析海表温度资料，分辨率 2°×2°；

（3）广西区气候中心整编的广西北部43个台站1965—2016年1—12月逐日雨淞、风、降水、日照等资料；

（4）广西区气候中心整编的广西北部20个台站的导线覆冰观测资料；

（4）广西电力科学研究院提供的2008年以来的广西输电线路覆冰资料。

1.2 方法

1.2.1 电线覆冰厚度的计算

电线覆冰按其冻结形式主要分为雨凇、雾凇、混合冻结、湿雪、白霜5种[15]。根据广西电力科学研究院、广西电力勘察设计研究院实地调查的多年导线覆冰灾害资料及现场导线覆冰测量调查资料进行综合分析，表明广西的电线覆冰主要表现以雨凇为主的混合冰冻，因此本文的电线覆冰厚度计算模型采用雨凇覆冰模型，以模型计算出覆冰资料序列对冬季的覆冰天气展开分析。

目前国内外用来计算雨凇覆冰的模型有Lenhard模型、Chaine模型、Kathleen F Jones模型等约20多种[15-18]，对比现有的这些雨凇覆冰模型与实测的覆冰观测资料分析发现，用Kathleen F Jones模型计算广西的导线覆冰效果较好[18]。因此，本文以Kathleen F Jones[17]模型为基础，结合广西43个气象站温度低于0℃最长连续日数的风速、降水等气象资料，构建如公式（1）所示的覆冰模型：若考虑过冷却雨滴完全落在均匀并平行于水平面的圆柱形电线上，而且落在线路上的水全部均匀地在电线上发生冻结而形成圆柱形的覆冰，通过由冻雨所致线路覆冰厚度的雨凇覆冰模型，即可计算得到广西各气象观测台站1965—2016年逐日覆冰厚度。公式如下：

其中，Req表示电线等径覆冰的厚度，单位：cm，ρi为雨凇的密度，取0.9 g·cm-3，ρ0是液态水的密度，取1.0 g·cm-3；Pi为降水强度，单位：mm·hr-1；Wj=0.067Pi0.846，单位：g·cm-3，为饱和空气中的液态水含量；Vj代表覆冰时的风速，单位：m·s-1；下标 j表示第j小时的值，而N表示冻雨的持续时间，单位：h。

1.2.2 覆冰指数的定义

为了反映广西覆冰的总体状况以及便于与历史状况对比，本文定义以每年广西北部地区包括的43个气象台站12月—次年2月的覆冰总站次的标准化距平作为广西地区的覆冰指数，计算公式为：

式中Ri为冬季出现的覆冰站次数为冬季覆冰站次数的多年平均值，σi为冬季覆冰站次数的标准差。本文定义覆冰指数＞1的为典型覆冰年，不出现覆冰的年份为覆冰偏轻年。

1.2.3 覆冰指数突然变化的Mann-Kendall显著性检验

对于气候突变的检验，统计学上通常采用Mann-Kendall检验方法[20]，与其它方法相比，它具有检测范围较宽，人为的因素较少，定量化的程度较高等优点。本文对覆冰指数的突变检验采用Mann-Kendall突变检验，显著性水平取α=0.05。

2 结果与分析

2.1 广西输电线路覆冰的时空特征分析

经过电线覆冰厚度模型计算，广西覆冰主要发生在冬季（12月、1月、2月）和3月，其中3月广西只出现过3次覆冰（1967年、1968年、1986年），图1给出了1965—2016年1—3月和12月覆冰站次数的分布情况，其中1月出现的覆冰站次数最多，共1016站次，平均每年19.5站次；其次为12月，共出现482站次，平均每年9.3站次；第三为2月，共出现460站次，平均每年8.9站次，3月共出现10站次。结合广西输电线路的覆冰监测资料，发现用覆冰计算模型得出的资料序列与输电线路的覆冰实况比较吻合，因此本文采用模型计算得出的覆冰资料序列对冬季（当年12月—次年2月）的覆冰天气展开分析。

图1 1965—2016年广西12月—次年3月覆冰出现站次数分布

图2 1965/1966—2015/2016年冬季广西覆冰指数的年际变化（a）、覆冰站次数的年际变化（b）及覆冰站次数的Mann-Kendall突变检验（c）

图2给出了覆冰指数的逐年变化年际变化及Mann-kendall突变检验结果，由图2a可以看出覆冰指数＞1的年份有 6 a，分别是 1967/1968、1968/1969、1973/1974、1975/1976、1976/1977、2007/2008 年，覆冰指数序列呈下降趋势，并通过信度α=0.01的显著性检验，说明广西覆冰有逐年减轻的趋势。从广西冬季覆冰站次数（图2b）统计分析发现，冬季不出现覆冰的有 9 a，占 17.7%，分别是 1986/1987、1990/1991、1994/1995、1998/1999、2000/2001、2005/2006、2006/2007、2009/2010、2014/2015 年；其中覆冰站次数＞100的有4 a，最多为1976/1977年冬季的214站次。

图2c所示为1965/1966—2015/2016年冬季广西覆冰站次数的Mann-Kendall突变检验图，图中水平线表示的是0.05的显著性水平的检验线。由图2c分析可知，51 a来广西冬季覆冰站次数的变化趋势显著，存在着1个明显的突变点，出现在1985年，1985年的突变主要表现为不断减少的变化趋势，由于1985年恰好是全球变暖的突变点[21]，造成这一趋势的原因可能是全球气候变暖，温度上升，使得覆冰站次数减少。

从1965/1966—2015/2016年冬季广西各地冬季覆冰日数（图3）分布来看，由于广西属云贵高原向东南沿海丘陵过渡地带，略呈四周高中间低的盆地，地学界称为“广西盆地”，盆地边缘“缺口”甚多，最主要的是桂东北的湘桂走廊，它是冷空气的侵入广西的主要通道，桂林、贺州、柳州3市和河池、梧州、百色、来宾4市北部等地都是覆冰多发区，其中覆冰出现最多的是资源、全州、灌阳和兴安4县。另外，由于广西山地多，平原少，就同一地区而言，在山脉的迎风面覆冰比背风面严重，但是在梧州—象州—都安—凌云一线以南的低纬度地区极少出现覆冰。

图3 1965/1966—2015/2016年冬季广西各地覆冰日数分布

2.2 典型覆冰天气的环流背景分析

为了解覆冰天气的大气环流背景，将覆冰指数 ＞1 的 年 份（1967/1968、1968/1969、1973/1974、1975/1976、1976/1977、2007/2008年）作为典型覆冰年份。

2.2.1 500 hPa形势场特征

从多年平均的500 hPa位势高度场合成图（图4a）可以看出，整个欧亚大陆中高纬地区环流经向度比较大，呈明显的“两槽一脊”型，我国的中东部均处于脊的控制之下，而广西处于弱的南支槽前。从广西典型覆冰年500 hPa位势高度距平场的合成分析图（图4b）可见，乌拉尔山一带有一个大的正距平中心，在贝加尔湖附近有一个大的负距平中心，整个中国都处在负距平区，距平场上“北正南负”，有利于南部南支槽的发展，为广西提供水汽。欧亚大陆中高纬乌拉尔山地区有一高压脊，中纬度里海东部地区有一低压槽。距平场上对应“北正南负”的形势，这种形势使环流经向型加强并稳定维持，有利于欧亚中高纬高压脊的加强和中低纬西风槽的发展。

2.2.2 地面形势场特征

图5给出了典型覆冰年份海平面气压及其距平场的合成分析图，从图上可以看出，典型覆冰年我国中东部及广西大部分地区受地面冷高压脊控制，新疆北部的冷高压中心大于1035 hPa，1020 hPa等值线进入广西境内，说明冷空气很强，从典型覆冰年海平面气压距平场合成分析图5b可看出，欧亚地区35°N以北均为气压正距平区，中心达到4 hPa以上，位于乌拉尔山附近；在25°～35°N的东亚地区，气压距平为“正、负、正”的分布型态。我国中东部和广西地区均是正距平区域，说明这些地区的冷空气活动均比常年平均强或者频繁[18]。

图4 典型覆冰年份500 hPa位势高度场合成（a）及其距平场合成（b）（单位：位势米）

图5 典型覆冰年份海平面气压场合成（a）及其距平场合成（b）（单位：hPa）

2.3 覆冰与气象要素之间的关系

2008、2010年广西电网受灾最严重的是“110 kV金中旺线”，本文收集了距离金中旺线最近的资源气象站的导线覆冰观测资料及气象要素进行统计分析（表1），资源气象站海拔408.4 m，能大致代表架空输电线路的气象要素实况，从表1可以看出，2011—2018年共出现7次覆冰天气过程，覆冰天气出现前两天低温寡照，覆冰前一天日平均气温一般＜3℃，日最低气温一般在2℃以下，日照时数大部为0，一般2 d内至少有1 d伴有降水，为覆冰提供水汽条件；覆冰出现当日，日最低气温一般在0.2℃以下，风速＜5 m/s，以北风为主，有雨凇出现，一般伴有弱降水，水滴过大不利于其在电线上冻结，毛毛雨最为有利。

表1 资源站2011—2018年观测有导线覆冰天气当日及前2 d气象要素实况

2.4 典型覆冰年份的海温异常情况

图6给出了广西冬季典型覆冰年份太平洋、印度洋、大西洋的冬季海温距平SSTA合成分析图，从图中可以看出典型覆冰年冬季，在太平洋湾流区是一个宽广的正海温距平（SSTA）海域，并存有两个大的正距平中心，最大中心值均大于1.4℃，赤道中东太平洋冬季SSTA为负距平，出现LA NINA事件；而热带印度洋为全区一致的冷海温异常，最大中心值小于-1.2℃，这一模态不仅是热带印度洋的SSTA的主要模态，也可能是对LA NINA现象的响应；而在大西洋，典型覆冰年冬季SSTA呈现北正南负的分布，西北大西洋有一个正的SSTA大值区，而在非洲东南部沿海45°S附近的海域出现中心值小于-1.2℃的大负值中心。

图6 典型覆冰年份太平洋（a）、印度洋（b）和大西洋（c）的海温距平场合成（单位：℃）

从3个海域典型覆冰年份海温距平SSTA合成场的前期季节演变特征来看，赤道中东太平洋，从夏季到秋季，海温由偏高转为偏低，大多由于EL NINO事件减弱，LA NINA事件发展的缘故，远离赤道太平洋的海域，从夏季到秋季，海温由偏低转为偏高，在北太平洋最为明显；而在大西洋，从夏季到秋季，以赤道为界，北大西洋海温距平由负转为正，而南大西洋，自西向东海温距平由夏季的“正、负、正”转为秋季的一致为负的分布；印度洋的海温距平从夏季的类似鞍形场分布，转为秋季的大范围的海域为海温负距平，只有北印度洋的靠大陆附近的很小的一部分海域为正海温距平。从3个海域典型覆冰年份的海温距平SSTA分析发现，典型覆冰年份与LA NINA事件关系较为密切。

3 结果与讨论

通过上述分析，得出以下结论：

（1）广西覆冰主要出现在12月、1月和2月，其中1月最多，12月次之；广西各地冬季覆冰主要分布在桂北，其中覆冰出现最多的是资源、全州、兴安、灌阳四县。

（2）广西覆冰有较明显的年际变化特征，表现为逐年减轻的趋势。用Mann-Kendall突变检验方法对覆冰站次数序列进行检验，得出20世纪广西覆冰有一次较显著的减少过程，突变发生在20世纪80年代中期。

（3）在广西典型覆冰年份，500 hPa欧亚大陆中高纬地区环流经向度比较大，呈明显的“两槽一脊”型，低纬度南支槽活跃，广西处于南支槽前，500 hPa距平场上对应“北正南负”的形势；海平面气压场上，我国中东部及广西大部分地区受地面冷高压脊控制，并且这一带冷空气活动比常年平均强或者频繁。

（4）广西导线覆冰的气象条件是：覆冰天气出现前两天低温寡照，一般2 d内至少有1 d伴有降水；覆冰出现当日，日最低气温在0.2℃以下，风速＜5 m/s，以北风为主，有雨凇出现，一般伴有弱降水，毛毛雨最为有利。

（5）广西典型覆冰年份，赤道中东太平洋，从夏季到秋季，海温由偏高转为偏低，大多由于EL NINO事件减弱、LA NINA事件发展的缘故，到冬季SSTA维持为负距平，说明广西覆冰与LA NINA事件有较密切的关系。

广西覆冰在20世纪80年代出现突然的减轻，这和全球变暖、大气、海洋环境的变化可能有一定的联系，由于篇幅有限，本人的另一块的工作就是从大气、海洋以及全球变暖等与广西输电线路覆冰的关系入手，研究全球气候变化、大气、海洋环境等的变化是否影响了覆冰的轻重程度，并进一步研究它们的影响机理。