江西与湖南同类型地区覆冰形成条件对比分析

曹小群，王 熹

（中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西南昌330096）

0 前言

江西省与湖南省毗邻，处于相同的纬度带，气象环境条件类似，历史经历冰灾情况也相似。但是根据国网编制的冰区图可知，两个地区覆冰取值存在较大差异，以2016版30年一遇冰区图为例，湖南省地区最小的冰区为10～15mm冰区，最大的超过了50mm，大部分处于15～20mm冰区范围内，而江西省地区最小的冰区为5～0mm，最大仅20～30mm冰区，大部分处于5～10mm冰区范围内。这种差异性导致两省线路设计覆冰在选取上存在较大分歧，但这种差异性是否真实存在值得商榷。同时江西省区域内覆冰资料较少，无法支撑区域线路设计覆冰的准确选取，因此通过与临近地区影响覆冰要素的对比分析可以为本地区的设计覆冰的选取提供有利的参考。

覆冰的影响因素较多，其中刘春城等指出了导线覆冰是热力学、流体力学和电流电场耦合作用的结果[1]。在导线自身因素保持一致的前提下，影响覆冰的主要因素则为外部环境因素，这些因素主要为温度、湿度、风速及风向、冷暖空气对流、环流、海拔高程等[2]。本文通过对比两个地区覆冰形成的外部条件，来分析两个区域覆冰的差异性的大小，从而弥补资料不足给区域设计覆冰确定带来的影响。为后续缺乏资料地区电力线路设计覆冰的选取提供了思路。

1 区域气象特性对比

湖南省与江西省均属于亚热带，因其处于东亚季风气候区的西侧，加之全省东、南、西三面环山，北面低，离海洋较远，导致两省气候具有大陆性特点的亚热带季风湿润气候。总的气候特点是：气温的年变化大，气候温暖，四季分明，热量充足，雨水集中，严寒期短，暑热期长。冬季，当北方的强冷气团南下时，受三面高山的阻挡，气流移速减慢，在其间与南海副热带暖湿气团交汇，形成“华南静止锋”，如图1所示。在冷暖空气交锋时，暖空气沿锋面滑升形成雨层云，高层云等峰面云系。雨层云等锋面云系由水滴，过冷却水和冰晶组成，在乱流扰动、湍流交换影响下，常产生较长时间的持续雨、雪、雾日天气，此时，大气中形成的过冷却水，遇电线而改变其应力和形状依附于电线表面，并迅速凝结成固态状，造成电线覆冰。主要特征有：覆冰现象频繁，以冻雨局多；持续时间长；严寒期短。其中本工程线路所处江西省鄱阳湖区域以及湖南洞庭湖均为向北开口的盆地，冷空气长驱直入，使北部平原气温显著下降，覆冰现象频繁。

综上所述，两省北部湖盆平原区域气候条件一致，冬季覆冰形成的主要原因均是受“华南静止峰”影响，在乱流扰动、湍流交换的综合影响下，形成覆冰。

图1 华南静止锋示意图

2 气象站概述

江西省与湖南省相邻，且地势均为南高北低，江西省北部地区有鄱阳湖及长江水系，湖南省北部有洞庭湖及长江水系，两省北部均是开阔平原，冬季主导风向均为北风，如图2所示。而影响覆冰的因素较多，其中海拔和纬度覆冰的影响较为显著[3]，其中长沙市与南昌市均为省级行政区，城市化水平相似，且纬度海拔相近，区域内均有大型水系贯通南北。因此两地在覆冰形成条件上具有可比性，如表1如示，同时结合本工程，进一步选取了樟树气象站与湖南湘潭气象站进行对比，这两个气象站与长沙和南昌一样，从地形地势和水系发育程度上均具有可比性。

图2 江西与湖南北部地形对比图

表1 气象站基本信息

本文通过上述四个气象站对比分析，探究两省相同类型区域覆冰形成条件是否一致。

3 覆冰形成要素对比分析

输电线路的覆冰受诸多因素的影响，比如:温度、湿度、风速及风向、冷暖空气对流、环流、海拔高程、线路直径、电场及负荷电流等气象因素、地形因素以及导地线自身因素，而作为气象站观冰点均是按照统一标准进行覆冰观测，因此可以忽略导线自身因素的影响，而四个气象站均位于城区，观测场海拔均在30～47m之间，因此可以忽略地形以及高程因素对覆冰的影响，本次分析选取对覆冰形成关键的五个因素进行对比分析，即最低气温、最高气温、平均气温、风速、水气压，对比各气象站这些因素日值的差异性来分析两个区域覆冰形成规律的差异性。

本文选取区域累年覆冰影响因素的日值来进行分析，累年的日值资料对区域的气象总体情况具有较好的代表性，较之选取某一年的值要更能代表区域的气象规律。四个气象站各因素冬季日值变化情况如图3：

图3 覆冰各要素对比分析图

通过上图可知直观的看出，四个气象站的气象要素从变化规律和数值大小上均具有较高的相似性，同时通过相关性分析通过上述相关性分析可知，四个气象站覆冰影响要素在0.01置信水平下具有显著的相关性。且结合各气象要素的均值对比分析，可知，四个气象站因此可以认为湖南和江西这两个区域覆冰规律具有高度的相似性。各参数均值表见表2：

表2 各参数冬季平均值

4 雨淞持续时间及覆冰估算结果对比

进一步对比区域内雨淞持续时间，南昌站和长沙站历年雨淞持时间如图4所示：

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图4 长沙站与南昌站雨淞持续时间对比

同样将两站数据进行相关性分析，得出两站雨凇持续时间在0.01置信水平下显著相关，两站雨淞持续时间平均值分别为：南昌站32h和长沙站46h。将序列值进行频率分析，分别利用P-Ⅲ型分布或Ⅰ型极值分布对序列数据进行拟合，频率曲线如图5所示：

图5 气象站雨淞持续时间频率曲线拟合图

得出两种百年一遇雨淞持续时间分别为293.92 h和278.56h。通过对比均值和频率计算值，可知，两站雨淞持续时间具有较高的相似性。

当缺乏气象站覆冰重量观测数据时，可以根据气象站的雨凇日数或雾凇日数，采用库娃（C.Kuoiwa）实验理论，对于园柱体覆冰单位长度雨凇增长率的计算公式如式（1）[4]。

式中：

W—单位长度雨凇重量（g/m）；

τ—雨凇日数或雾凇日数时间（s）；

V—覆冰同期平均风速（m/s）；

R—雨凇架芯线半径（cm）；

b0—密度为0.9g/cm3标准冰厚（mm）。

由于雨凇架芯线半径R通常为2mm远小于覆冰厚度b0，因此R可以忽略不计，令b0+R≈b0，式（2）可以简化如下。

有式（3）：

式中：

b0—密度为0.9g/cm3标准冰厚（mm）；

τ—雨凇日数或雾凇日数（天）；

V—覆冰同期平均风速（m/s），通常取0.1～8m/s；

T—雨覆冰同期平均气温（℃），通常取-0.1～-5℃的绝对值。

根据气象站观测记录和实验证明，发生雨凇覆冰时，最常见的气温为-1℃，覆冰增长最快的风速为3m/s，如果将这些气象参数代入上式，则估算覆冰厚度可以简化为式（4）：

通过上述公式计算两地百年一遇雨淞持续时间所对应的标准覆冰厚度，其中南昌站为34.5mm，长沙站为33.3mm，两地相同重现期的标准冰厚差异不到2mm，因此可以认为两区域历史覆冰情况类似。

5 结语

本文对江西省和湖南省同类型地区的覆冰形成条件进行分析，主要结论和展望如下：

1）通过影响覆冰的主要因素-海拔及纬度选取了两个区域内四个气象站（长沙市与南昌市、樟树气象站与湖南湘潭气象站）数据进行对比分析。

2）通过覆冰影响因素分析可知，四个气象站的气象要素从变化规律和数值大小上均具有较高的相似性，且四个气象站覆冰影响要素在0.01置信水平下具有显著的相关性。各气象要素的均值也具有相似性。

3）结合雨淞持续时间估算覆冰的计算公式计算两地百年一遇标准覆冰厚度，可知两地相同重现期的标准冰厚差异不到2mm，因此可以认为两区域历史覆冰情况类似。

4）本文提出的对比分析方法，为缺乏覆冰资料的地区进行覆冰覆冰估算提供了新的方法。

5）本文引用利用雨淞持续时间进行覆冰估算的公式还有待改进，在后续的研究中，因结合覆冰及其要素观测，来对覆冰估算公式进行优化，从而进一步提高无资料地区设计覆冰估算的精度。