电线积冰及舞动高风险区域的数值模拟

朱 华， 魏 璐， 陆正奇， 韩永翔

(1.河南省电力公司电力科学研究院， 郑州 450000； 2.河南省气象服务中心， 郑州 450003； 3.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心， 中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室， 南京 210044)

近年来中外学者对导线覆冰舞动的天气成因进行了大量研究[7-9]，从大气环流形势、近地面气象条件及大气层结特征等方面分析了覆冰舞动产生的气象条件。冬季强冷空气南下与南支槽前的暖湿气流汇合形成来回摆动的准静止锋，是形成冻雨的主要气象背景[10]；降水云下深厚而稳定的逆温层和低空冷层的存在，为导线覆冰提供了过冷水[11]；覆冰天气必须同时满足逆温层、空中高液态含水量和地温低于0 ℃ 这3个气象条件[12]；近地面伴随冷空气南下出现的阵性大风，是引发覆冰导线产生舞动的直接原因[13]。此外，基于大量的积冰观测实验，国内外学者发展了一系列模型对导线覆冰厚度进行数值预测，如Makkonen[14]考虑了过冷液滴与导线碰撞的热平衡过程，建立了一套热力学电线积冰增长模型，适用于电力系统评估冻雨及雾凇覆冰情况下的电线积冰厚度，被国际电线积冰标准推荐使用[15]；此外，Jones[16]基于覆冰增长期间导线附近的液水来源，提出一种冻雨覆冰增长模型，仅需降水量与风速这两个气象参数即可准确地估算导线的等效冰厚，由于其预测准确度与Makkonen模型相差不大，且计算过程简单，因此该模型也被应用于欧洲的数值天气模式(numerical weather prediction model, NWP)中，对冻雨天气下的导线覆冰厚度进行数值预报[17-21]，上述模型为准确预测导线覆冰提供了理论基础，如刘善峰等[22]利用天气研究和预报(weather research and forecasting; WRF)模式耦合电线积冰预报系统(ice acceleration forecast system; IFAS) 对2008年贵州地区的电线积冰厚度进行了数值模拟，基本重现2008年1—2月贵州省电线积冰厚度的时空变化特征。

尽管导线覆冰预报已取得了一定的进展，但目前中国对于导线覆冰舞动的数值预报研究仍较为薄弱，大多数研究仅针对导线覆冰厚度的数值模拟[23-25]，忽略了瞬时风速对于导线覆冰舞动的影响。如何将瞬时风速预测模型、电线积冰模型与数值天气模式相耦合，综合考虑导线覆冰发生的气象条件与导线舞动所需的瞬时风速阈值，准确预报导线覆冰厚度和舞动发生区域，以满足电力部门对导线覆冰舞动的预报预警需求，值得进一步的探索和研究。

2018年1月25—29日，受南下冷空气与南支槽前暖湿气流共同影响，中国长江中下游地区出现了大范围导线覆冰舞动事故。通过分析本次覆冰舞动产生的大气环流特征、大气层结特征及云微物理特征，进而利用耦合了IFAS电线积冰系统及美国空军气象局(Air Force Weather Agency, AFWA)的极大瞬时风速诊断方案的中尺度WRF模式，对本次覆冰舞动事件发生的气象条件，覆冰厚度及舞动范围进行模拟，探讨了本次覆冰舞动发生的天气成因及覆冰舞动高风险区域范围，以期为电力部门开展输电线路覆冰舞动预警提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料介绍及试验设计

地面气象观测资料及导线覆冰记录由河南省气象局服务中心提供，包括河南、湖北、湖南、安徽、江西省内的国家气象基准站每日逐小时的观测结果；探空资料来自中国气象局国家气象信息中心，包括2018年1月25—39日武汉及安庆探空站点每日08：00和20：00的探空观测结果。1°×1° 的再分析资料(final reanalysis data，FNL)来自美国环境预报中心和大气研究中心。

利用WRFV4.1.3对2018年1月24日 08：00—29日08：00长江中下游地区大范围的雨雪冰冻天气进行数值模拟。模拟中心位于武汉市(113°41′ E, 30°N)，模式采用3层嵌套，水平分辨率分别为32.4、10.8、3.6 km，垂直方向分为43层。为保证模式的稳定性，模拟过程分为两段，每段模拟72 h且均保留12 h的spin-up时间，每小时输出一次模拟结果。模式的初始及边界条件采用美国环境预测中心(NCEP)的FNL资料且每隔6 h更新模式的预报场。使用美国地质调查局(United States Geological Survey,USGS)提供的2 min和30 s高分辨率地形高程资料及MODIS卫星30 s分辨率的下垫面类型作为地形数据。模拟过程中微物理方案采用Thompson方案[26]，该方案相比于其他方案增加了对云中水成物混合相态的描述，能有效地预测冬季降水落区及降水量[27];边界层方案选取YSU(Yonsei University Scheme)[28]，该方案在预测近地面温度及降水量方面较优[29]。长波辐射选取RRTM(a rapid and accurate radiative transfer model)方案[30],短波辐射方案选取Dudhia方案[31],陆面过程为Noah方案[32]，仅在第一、二层嵌套中使用Kain-Fritsch积云对流方案[33]。

1.2 电线积冰预报系统介绍

电线积冰预报(ice accretion forecasting system,IFAS)是由Musilek等[18]在中尺度数值气象模式(NWP)基础上研发的电线积冰预报系统，该系统被广泛应用于欧洲电力部门的电线积冰风险评估工作中。该系统将NWP模式输出的气象要素输入到Ramer[34]降水类型诊断方法中，对是否发生冻雨进行在线诊断，再通过Jones模型计算冻雨发生时的导线等效冰厚。

1.3 AFWA瞬时极大风速诊断方法

常规WRF模式仅能输出指定时刻风速的平均值，美国空军气象局(AFWA)在WRF模式的基础上添加了10 m瞬时极大风速诊断模块[35]，通过对比模拟过程中各积分时间步长上的风速大小，得出指定输出时间段内的10 m瞬时极大风速值。

2 结果分析

2.1 天气过程及输电线路覆冰舞动概况

2018年1月25—28日，受南下冷空气与南支槽前暖湿气流共同影响，中国南方出现大范围的大风降温及雨雪冰冻天气。1月24日，700 hPa高空环流中在乌拉尔山南侧出现阻塞高压，并不断向西西伯利亚地区隆起，形成东北-西南向的高压脊，极涡中心则位于雅库茨克到鄂霍茨克海一带，随着极涡不断东移南压，位于蒙古国东部的横槽转竖，引导冷空气南下。1月25—28日中国长江中下游地区受高压底部偏北风影响，近地面层温度降低。同时700 hPa高空有风速达32 m/s的西南气流向东北方向输送,为该地区输送了大量暖湿空气。随着冷空气东移南下，冷高压底部偏东到东北气流与西南暖湿气流在江南地区交汇，在850 hPa形成来回摆动的高空切变线，为该区冻雨形成提供了有利的气象背景场。本次冻雨天气过程持续3～4 d(1月25—28日)，冻雨天气造成长江中下游各省(安徽南部、湖北南部、湖南及江西北部)的输电线路发生大面积导线覆冰及舞动事故，最大覆冰强度出现在安徽省宿松县(12 mm)，最长舞动时间达40 h以上，安徽及湖北省共计20多条220 kV 及以上的输电线路出现不同程度受损。

1.1 资料来源 选取南通市第三人民医院2013年1月-2014年10月收治并切除的乳腺癌及癌旁非肿瘤组织共100例患者，所有患者均为女性，年龄20～80岁，平均(48±8)岁。其中浸润性导管癌患者81例，浸润性小叶癌患者11例，其他病理类型患者8例。根据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。所有患者术前均未经放、化疗。手术切除后的标本立即置于液氮中，随后转入-80℃冰箱中保存。术后随访30个月。

2.2 冻雨的形成机制的确定

本次导线覆冰过程是由大范围冻雨天气造成的，而冻雨的形成机制有“融化机制”[36]和“过冷暖雨机制”[37]。必须首先确定该次冻雨的形成机制是那种。本次冻雨天气中，地面、850 hPa及700 hPa的0 ℃ 等温线全部位于冻雨区以南，冻雨区上空无融化层。另外，位于冻雨区范围内的武汉及安庆两站温度与相对湿度的时间-高度剖面图(图1)显示，1月25—28日，安庆及武汉站上空均不存在温度大于0 ℃的层结。25日08：00，武汉站[图1(a)]上空700 hPa处存在一处温度高于0 ℃的暖层，从上到下为冷-暖-冷的温度层结特征，但暖层厚度仅为 50 hPa 左右，随后暖层消失；25日20：00—28日08：00，武汉站上空虽然存在逆温层，但温度均低于 -2 ℃,云顶高度均位于600 hPa左右，且云内温度维持在-10～-2 ℃，云内水成物为过冷液态；与此类似，1月25—28日安庆市[图1(b)]上空700 hPa处虽然也存在较薄的逆温层，但最高温度均未超过0 ℃。由上述分析可见，本次的导线覆冰事故是由“过冷暖雨机制”形成的冻雨造成的，即从地面到高空的温度均低于0 ℃,高空中的过冷云滴碰并形成过冷雨滴，下落到近地面的输电线路上形成覆冰。

图1 2018年1月25—29日温度及相对湿度时间-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 覆冰期间气象要素及云微物理量的模拟及验证

导线覆冰过程与温度和降水密切相关，因此将WRF模式模拟的日平均温度、日降水量与观测资料进行对比，验证模拟结果的准确性。

本次冰冻天气过程中，强降水主要集中在1月25日及27日，对比25日及27日模拟与观测的24小时地面降水量(图2)可以看出，虽然降水高值区的强度与观测值略有差异，但模拟的降水带走向、降水落区及降水量级与观测结果较为接近。其中1月25日[图2(a)、图2(b)]主降水带位于湖北全省及安徽省南部，最大日降水量达15～20 mm，模拟值较观测结果略为偏高(25～30 mm)，但10 mm以上的降水落区分布与观测结果较为一致；1月27日[图2(c)、图2(d)]位于湖北省的降水带逐渐南移，最大日降水量达20～25 mm，与观测结果较为一致，但落区较观测结果偏南。此外，WRF模式模拟各时次地面0 ℃ 等温线的分布也与地面观测较为一致，湖北及安徽省的冻雨区都处于地面0 ℃ 线以北。总的来说，模拟结果能较好地再现冻雨天气形成的近地面气象条件。

图2 模拟与观测的日降水量及0 ℃等温线的空间分布Fig.2 Spatial distribution of daily precipitation and 0 ℃ isotherms observed and simulated by WRF model

除了近地面气象条件外，垂直方向上大气温度及水成物的分布也对导线覆冰的形成有较大的影响。1月25日08:00—29日08:00，WRF模式模拟武汉[图3(a)]和安庆[图3(b)]两站上空水成物和温度场的演变特征较为一致，25日08：00两站地面出现降水，两站上空700 hPa左右存在一个较厚的逆温层，但逆温层及逆温层以下的温度始终低于0 ℃；云顶高度位于600 hPa左右，云内温度-10～-5 ℃,云内水成物包含大量的冰晶、雪、霰及过冷水，并从600 hPa延伸到地面，说明此时的该时段内的降水类型以冻雨和雪的混合态降水为主；26日—27日08：00，两站上空的水成物含量逐渐降为0，冻雨过程暂时结束；27日08：00开始，地面开始出现固态降水，随着时间的推移，两站上空液态水成物含量逐渐增大，地面降水类型也逐渐由固态降水转变为冻雨及雪、霰共存的混合态降水；28日08：00后两站的降水类型在此转变固态降水，14：00后本次降水过程结束。

总的来说，冻雨天气的降水过程主要集中在1月25—26日08：00及27—28日08：00，降水发生时间与“固-液-固”的降水相态变化过程均与气象站的观测结果较为吻合，垂直方向的温度结构特征也与探空站观测结果(图1)较为一致。

2.4 导线覆冰厚度时空变化特征

利用耦合了IFAS积冰预报方案的WRF模式，对1月25—28日长江中下游地区电线积冰厚度的分布特征进行了模拟，结果显示：1月25日08：00，覆冰过程主要出现在安徽南部及湖北西南部，最大覆冰厚度不超过4 mm，湖北与江西交界处的山区也有零星的覆冰出现[图4(a)]；1月25—26日为覆冰增长期，在此期间覆冰范围扩展到湖北南部及湖南北部地区28°N～31°N的带状区域内，覆冰厚度也持续增长[图4(b)]；1月26—27日地面降水量较小，但近地面温度始终维持在0 ℃ 以下，覆冰处于维持阶段，覆冰厚度增长量较小[图4(c)]；1月28日，随着冻雨过程的加强，安徽及湖北的电线积冰厚度持续增大[图4(d)]，安徽、湖北及江西三省交界处的积冰厚度超过15 mm，其中宿松县(116.13°E，30.17°N)的积冰厚度为14 mm，与文献记载结果一致。

图4 WRF模式模拟长江中下游地区2018年1月25—28日导线覆冰厚度的空间分布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

由于缺少高精度的导线覆冰厚度观测记录，因此使用地面气象站观测到的冻雨发生范围与模拟结果进行对比，虽然模拟结果漏报了部分气象站的电线积冰事件，但模拟的各阶段积冰厚度的空间分布特征与气象站点观测到发生冻雨的分布特征较为一致，模拟的宿松县覆冰厚度极值(14 mm)也与观测结果(12.6 mm)极为接近，总的来说，模拟的覆冰厚度能在一定程度上反映本次冻雨过程中电线积冰厚度的变化特征。

2.5 模拟导线覆冰舞动高风险区域分布

研究表明：当输电线路上存在一定的覆冰厚度(1～10 mm)，且风速在12～18 m/s时，发生导线舞动的概率较高[38]。以上述条件作为导线覆冰舞动的判定依据，根据冻雨的厚度与风速的大小，利用配料法，进而模拟导线覆冰舞动高风险区域分布。

由1°×1° 的FNL再分析资料驱动的WRF模式，模拟出的风场是一个平均值，它小于实际瞬时的最大风速，这将导致模拟出的导线覆冰舞动高风险区域分布偏小，为了弥补这一缺陷，本文利用WRF模式并结合美国空军气象局(AFWA)的诊断方法，获得了覆冰期间(1月25—28日)瞬时极大风速的空间分布(图5)。从图5中可以看出，1月25—28日，位于安徽、湖北、江西三省交界处的宿松县附近瞬时风速极大值始终大于12.5 m/s，风向为东北风；此外，1月25—26日，安徽黄山、湖北荆州及湖南常德地区的瞬时风速均高于12.5 m/s。

图5 WRF模式模拟瞬时极大风速及风向的空间分布Fig.5 Spatial distribution of the instantaneous maximum wind speed and wind direction simulated by WRF model

根据积冰的厚度与模拟的瞬时极大风速，利用配料法，获得了导线覆冰舞动高风险区域分布(图6)，1月25—28日，位于安徽、湖北及江西三省交界处的宿松县发生导线覆冰舞动的概率较高；此外，1月25—26日，安徽黄山、湖北荆州及湖南常德地区的输电线路也存在一定的舞动风险。预测的舞动风险区域空间分布特征均与电网的观测记录较为吻合。总的来说，该方法能在一定程度上估测易发生覆冰舞动的风险区域。

图6 WRF模式模拟导线覆冰舞动区域空间分布Fig.6 Spatial distribution of high risk areas of conductor galloping simulated by WRF model

3 结论

通过对2018年1月25—28日长江中下游地区输电线路覆冰舞动过程中的天气形势、大气层结特征及云微物理参量的变化分析，进而利用耦合了Ramer冻雨预报方案、Jones电线积冰厚度预报方案的WRF模式对电线积冰厚度及覆冰舞动区域进行了模拟，其具体结论如下。

(1)本次导线覆冰过程是由“过冷暖雨”机制形成的冻雨天气造成的，冷高压底部偏东到东北气流与西南暖湿气流在长江中下游地区交汇，为该地区带来了充沛的降水；从地面到700 hPa的温度均低于0 ℃,使得降水在下落过程中维持在过冷液态，为长江中下游地区导线覆冰舞动事故提供了良好的气象条件。

(2)WRF模式的模拟结果能较好地再现冻雨天气形成的近地面气象条件及高空云微物理参量的变化特征。冻雨天气的降水过程主要集中在1月25—26日08：00及27—28日08：00，在此期间地面降水经历了“固态-混合态-固态”的相态转化过程，大部分时间地面降水以冻雨和雪的混合态降水为主，模拟降水发生时间点与地面降水相态变化过程均与气象站的观测结果较为吻合。

(3)利用耦合了IFAS电线积冰预报系统的WRF模式，对长江中下游地区1月25—28日电线积冰厚度分布特征进行了模拟，并结合瞬时极大风速模拟结果利用“配料法”对易发生覆冰舞动的区域进行了判断。模拟的积冰厚度与观测到积冰的气象站点较为吻合，最大覆冰厚度为也与观测值较为接近；安徽宿松、黄山及湖北荆州、湖南常德地区瞬时风速较大且覆冰厚度较高，存在一定的舞动风险，这些均与电网的观测记录较为吻合。总的来说，该方法能在一定程度上估测易发生覆冰舞动的风险区域。