辽宁电线覆冰日数气候特征与大气环流异常的关系

孙秀博 张婉莹 张建强 罗聪

(1.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166；2.东北冷涡研究重点开放实验室，辽宁 沈阳 110166； 3.辽宁省气象服务中心，辽宁 沈阳 110166； 4.本溪市人工影响天气办公室，辽宁 本溪 117000; 5.辽宁省气象学会，辽宁 沈阳 110166)

引言

电线覆冰是指雨凇、雾凇或者湿雪冻结在输电线路上的一种现象。电线覆冰对公共交通安全和电力、通讯行业等公共基础设施有着十分重要的影响，电线覆冰会引起电网倒塔和断线等电力事故发生。如2008年1—2月持续近1个月的低温雨雪冰冻天气，使中国南方13个省市的电力设施受到不同程度的破坏[1]。我国电线覆冰存在明显南北差异，南方地区以雨凇为主，北方地区主要以雾凇为主，且海拔越高，年覆冰日数越多[2-3]。近年来，国内学者开展了很多电线覆冰方面的研究。刘赫男等[4]、周悦等[5]、龚强等[6]分别对黑龙江、湖北和辽宁电线覆冰的气候特征、气象条件和冰区划分进行了研究；也有一些学者针对各自地区电线覆冰特征分析了有利于电线覆冰发生的海气场特征及其与大尺度环流背景关系[7-9]；另外，还有学者在建立电线覆冰模型及厚度预报产品方面取得了一些研究进展[10-12]。

辽宁(118°53′—125°46′E，38°43′—43°26′N)位于中国东北地区南部，属温带大陆性气候，日照丰富，四季分明，境内地势复杂多变[13]。辽宁省电线覆冰现象以雾凇引起的覆冰为主，空间分布不均匀，电线覆冰日数的年际变化幅度较大。尽管辽宁省电线覆冰现象相对较少，但一旦发生就会危及电网安全稳定运行，给电力部门和相关行业带来十分严重的影响。目前，辽宁省针对电线覆冰气候特征与大气环流异常关系的相关研究工作还较少，缺乏专业服务产品。本文利用1980—2019年辽宁省电线覆冰观测资料开展输电线覆冰时空特征分析，研究辽宁省电线覆冰异常年份前期气候背景场对电线覆冰的影响，以期为辽宁电网覆冰灾害预报预警服务提供科学依据，同时对开发专业电线覆冰气象服务产品，防止电线覆冰引发灾害事故、确保电网安全稳定运行有着重要意义。

1 资料与方法

本文采用的数据资料主要包括：辽宁省气象信息中心提供的1980—2019年辽宁省11个有电线覆冰观测项目的气象观测站(图1)中电线覆冰逐日观测资料；美国国家环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料[14]，如逐月气压场、风场和比湿场，水平空间分辨率均为2.5°×2.5°；Hadley中心月平均海表温度场HadISST1资料[15]，分辨率为1°×1°。

图1 1980—2019年辽宁11个覆冰气象站信息Fig.1 Information of 11 wire icing meteorological stations in Liaoning province from 1980 to 2019

统计辽宁11站1980—2019年逐日电线覆冰资料可知，辽宁省电线覆冰事件发生在10月至翌年4月，因此将每年覆冰日数定义为当年10月至翌年4月上述11站各月累计覆冰日数之和。若某日导线上出现电线积冰现象，则定义该日为电线覆冰日。为更直接了解辽宁省电线覆冰日数年际变化特征，本文引入辽宁覆冰日数指数化定义。即：将全省11站电线覆冰期的年覆冰日数相加得到全省11站逐年电线覆冰日数，标准化后将其定义为辽宁省冬季电线覆冰指数[7]。采用9点平滑滤波、小波分析等方法系统分析1980—2019年辽宁省冬季电线覆冰指数的年际和年代际周期变化特征。

选取1980—2019年辽宁省冬季电线覆冰指数中大于一个正标准差的年份作为电线覆冰日数偏多年，即1982年、1985年、1992年、1993年、1999年、2009年；选取小于一个负标准差的年份作为电线覆冰日数偏少年，即2008年、2012年、2013年、2014年、2017年、2018年、2019年。求出上述覆冰日数偏多年冬季(由于辽宁省电线覆冰主要发生于12月至翌年2月，因此以下环流场均采用当年12月至翌年2月资料进行分析)SST合成场、高度合成场、矢量风合成场，并与覆冰日数偏少年冬季SST合成场、高度合成场、矢量风合成场分别相减得到覆冰日数偏多年与偏少年SST、高度、矢量风的差值合成分布。

小波分析是一种信号时频局部分析的方法，它是通过时频变化来突出信号在某些方面的特征，具有时频多分辨的功能[16-17]。而气象要素因具有周期变换复杂、不固定、多时间尺度等特征，因此在研究气象要素长期变化时，经常会用小波分析方法对函数或信号序列进行多尺度细化分析，进而得出不同尺度周期随时间演变的情况。依据Christopher和Gilbert的研究，定义小波系数的模部平方为小波变化功率谱；并根据IPCC第五次评估的定义，年代际时间尺度定义为10—30 a，10 a以下的周期性变化为年际变化[18-19]。

2 结果分析

2.1 辽宁电线覆冰气候特征分析

利用1980—2019年辽宁地区11个无缺测气象站的电线覆冰观测资料分析辽宁电线覆冰空间分布特征。表1是辽宁11个气象台站近40 a年平均覆冰日数，可以得出，1980—2019年辽宁各站年平均覆冰日数处于0.3—2.7 d范围内，其中，年平均覆冰日数发生最多的站是营口，年平均覆冰日数达到2.7 d，丹东次之，年平均覆冰日数有2.6 d。辽宁省电线覆冰现象出现日数存在三个高值区，其年平均覆冰日数均达到1.4 d以上：一个是辽宁北部地区，主要包含沈阳和铁岭大部地区；一个是辽东山区，主要包括丹东、宽甸等市县；另一个则是辽宁中西部沿海地区，主要包括营口、锦州大部地区；出现覆冰日数最少的地区是大连，本溪次之。

表1 1980—2019年辽宁11个覆冰气象站年平均覆冰日数Table 1 The average annual icing days of 11 wire icing meteorological stations in Liaoning province from 1980 to 2019

通过对1980—2019年辽宁11个气象站电线覆冰类型进行统计分析可知(图2)，辽宁地区电线覆冰主要为雾凇类型，占电线覆冰总次数的三分之二以上。辽宁省电线覆冰现象出现最多的年份为1993年，最少的年份出现在2017年；其中，雾凇出现最多的年份同样发生在1993年，所得结论与唐亚平等[20]分析结果基本一致。

图2 1980—2019年辽宁电线覆冰发生次数年变化Fig.2 Variation of the number of occurrences of annual wire icing in Liaoning province from 1980 to 2019

从辽宁省冬季电线覆冰指数逐年变化分布可以看出(图3)，1980—2019年辽宁电线覆冰日数呈显著减少趋势，2003年前后出现明显变化，1980—2003年标准化距平值持续在0—1之间，2003—2019年则维持在0以下。

图3 1980—2019年辽宁电线覆冰指数的逐年变化Fig.3 Variation of annual wire icing index in Liaoning province from 1980 to 2019

从1980—2019年辽宁省电线覆冰日数逐月分布可知(图4)，辽宁省电线覆冰发生在10月至翌年4月，其中1月电线覆冰出现次数最多，共184次；12月出现次数次之，共出现152次；10月电线覆冰出现次数最少。

图4 1980—2019年辽宁电线覆冰日数逐月变化Fig.4 Variation of monthly wire icing days in Liaoning province from 1980 to 2019

2.2 辽宁电线覆冰小波变化特征

为了研究1980—2019年辽宁省电线覆冰日数的年际和年代际时间尺度变化及其对辽宁省电线覆冰日数变化的贡献，本文对1980—2019年辽宁省电线覆冰指数时间序列进行了小波分解并分析其模部平方值以得到覆冰日数的年际和年代际振荡能量谱，并用小波变换后的方差分析不同时间尺度振荡对覆冰日数的贡献[21]。

从图5可以看出，1980—2019年辽宁省电线覆冰日数具有显著的年际变化周期，年代际变化周期不明显,主要的年际变化周期为5—8 a，其次为2—3 a。20世纪90年代年际变化最强，其次是21世纪10年代和20世纪80年代初。20世纪80年代中后期和21世纪00年代年际变化和年代际变化都较弱。

图5 1980—2019年辽宁电线覆冰日数的小波变换功率谱及方差分布Fig.5 Wavelet transform power spectrum and variances of distribution of wire icing days in Liaoning province from 1980 to 2019

1980—2019年年际振荡能量经历了3次增强—减弱的变化(图6a)，分别在20世纪80年代初期、90年代初期和21世纪00年代末期达到峰值，其中1992—1994年最强；而20世纪80年代中后期、21世纪00年代中期和21世纪10年代初期达到谷值，目前处于增强阶段。整体来看，21世纪前年际变化振荡较强，21世纪后年际变化较弱；年代际振荡能量在近40 a里先减弱后加强(图6b)，表现出较强的周期性，在1999年左右达到谷值，2019年左右达到峰值。

图6 1980—2019年辽宁电线覆冰日数小波分析的年际(a)和年代际(b)能量变化Fig.6 Interannual (a) and interdecadal (b) energy of the wavelet analysis of wire icing days in Liaoning province from 1980 to 2019

总的来看，1980—2019年辽宁省电线覆冰日数年际变化较强，年代际变化较弱，主要为5—8 a的年际变化。

2.3 影响辽宁覆冰日数的环流特征分析

丁一汇等[22]总结国内外冻雨、积冰事件，认为其形成有3个最基本的原因：一是厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)的影响；二是欧亚大气环流形势或阻塞形式的异常发展；三是来自孟加拉湾和南海的大量暖湿空气的向北输送。电线覆冰的发生原因不是单一的，而是多种因素综合作用的结果，这些因素在同一时段、同一地区叠加，最后导致电线覆冰气象灾害。对于辽宁省电线覆冰日数异常发生的原因，有研究表明[23-26]，中国各地区电线覆冰多发年与ENSO事件的暖区存在联系。由于辽宁地区电线覆冰现象多集中于秋、冬季，而辽宁地区秋、冬季异常水汽来源主要有两个，一是受冬季风影响，有来自西风带纬向水汽的输送；二是有来自日本海反气旋性环流经向异常水汽的输送[27]。本文主要从强、弱覆冰年前期海温场、同期高度场和风场3个方面进行对比，分析影响辽宁年覆冰日数的典型海温和大气环流特征。

海温变化与区域气候变化关系密切，在海温(SST)变化上，本文主要关注ENSO区和对秋冬季辽宁地区有异常水汽输送的鄂霍茨克海、黑潮区、日本海、渤海等关键海区。从图7a可见，在覆冰日数偏多年，赤道太平洋地区SST距平表现为El Nino型，即太平洋中东部异常偏暖，西部异常偏冷，异常正、负值中心分布零散，SST距平正值中心值居于0.3 ℃以上；鄂霍茨克海、黑潮区、日本海、渤海海温异常偏冷。从图7b可见，覆冰日数偏少年9—11月SST异常合成分布与偏多年相反，在赤道东太平洋为负距平，赤道中西太平洋为正距平；其中，正值中心位于150°—170°E，负值中心位于90°—110°W附近，正负异常中心强度差异不大。北半球太平洋海温整体异常偏高，鄂霍茨克海、黑潮区、日本海、渤海海温异常偏高，日本海和黑潮区有明显高值中心。与高指数年海温相比，主要关注的关键海区海表温度基本呈反相。由图7c可以看出，辽宁省覆冰偏多年与偏少年秋季9—11月SST距平之差表现为El Nino型分布，即在赤道太平洋海表温度由西向东呈现“-+”模态分布，北半球太平洋海温整体偏低，日本海和黑潮区存在明显的海温负异常(其中日本海海区负异常通过90%显著性检验)，SST距平负中心较常年偏低0.6°C以上。

单位为℃；圆点区域为通过90%信度检验图7 辽宁覆冰日数偏多年(a)、偏少年(b)以及偏多年减偏少年(c)前期秋季(9—11月)SST 异常差值合成Fig.7 Composite of SST anomalies in previous autumn (September to November) for the more (a) and fewer (b) icing days years and their difference field (c) in Liaoning province

从辽宁覆冰日数偏多年和偏少年12月至翌年2月500 hPa高度场距平合成图可见(图8)，覆冰日数异常偏多年，北半球亚洲地区纬向为“北高南低”的形势，乌拉尔山高压脊偏强，辽宁以北的贝加尔湖上空存在异常反气旋中心，经向由西向东为“低—高—低”的趋势，太平洋中高纬度存在异常气旋性中心，冬季风偏强，经向环流加强，引导冷空气南下。冷空气南下和较冷的水汽供应是雾凇型电线覆冰的基本条件[1,24]，从辽宁覆冰日数偏多年和偏少年12月至翌年2月850 hPa风场距平合成分布可以看出(图9)，太平洋中低纬度存在异常气旋性风场，30°N纬向风较强，亚洲大陆贝加尔湖附近存在异常反气旋环流，北太平洋中部存在异常气旋环流。辽宁省经纬度范围约为38°—44°N、118°—126°E，受到贝加尔湖异常反气旋环流东南侧东北气流控制，东部鄂霍茨克海上空存在弱的反气旋环流，使得日本海有异常偏东风将水汽输送至辽宁上空，由于日本海海区海表温度异常偏低，因此输送的水汽温度较低。

单位为gpm；圆点区域为通过90%信度检验图8 辽宁覆冰日数偏多年和偏少年12月至翌年2月500 hPa位势高度距平场差值合成Fig.8 Composite of potential height anomalies at 500 hPa for the difference between the more wire icing year and fewer icing years from December to the next February in Liaoning province

图9 辽宁覆冰日数偏多年和偏少年12月至翌年2月850 hPa风场距平差值合成Fig.9 Composite of wind anomalies at 850 hPa for difference between the more and fewer wire icing years from December to the next February in Liaoning province

由上文可见，辽宁地区电线覆冰异常偏多年的产生是日本海区异常偏低的海温场和北半球大气环流共同作用的结果，当北太平洋中部海温分布呈现El Nino型时，西北太平洋海表温度整体偏冷，日本海区存在明显负异常；同时大陆上贝加尔湖上空存在高压中心，北半球亚洲地区纬向为“北高南低”的形式，冬季风偏强，冷空气南下频繁。辽宁受到贝加尔湖异常反气旋环流东南侧东北气流控制，鄂霍茨克海上空存在弱反气旋环流，导致日本海上空有异常东风，当南下冷空气与东侧日本海输送的偏冷水汽交汇，容易产生温度较冷的大雾，引发雾凇现象，过冷水汽在电线上凝结，导致电线覆冰现象的发生。专业气象预报人员在进行电线覆冰预报时，需要时刻关注前期海温和同期大气环流场，有利于提升专业气象预报准确率。

3 结论与讨论

(1) 1980—2019年辽宁电线覆冰次数发生最多的是丹东地区，累计覆冰次数达到105次。辽宁省电线覆冰现象出现次数存在三个高值区，累计覆冰次数达55次以上，一个是辽宁北部地区，一个是辽东山区，另一个则是辽宁中西部沿海地区。覆冰次数最少的地区则出现在大连，本溪次之。辽宁地区电线覆冰以雾凇类型为主，覆冰现象出现最多的年份为1993年，雾凇出现最多的年份同样发生在1993年，雨凇出现最多的年份为1992年和1993年，最少的年份出现在2017年。1980—2019年辽宁电线覆冰日数呈显著减少趋势，覆冰事件发生在10月至翌年4月，其中1月出现覆冰日数最多，12月次之，10月最少。

(2) 1980—2019年辽宁省电线覆冰日数具有显著的年际变化周期，年代际变化周期不明显，主要的年际变化周期为5—7 a，其次为2—3 a，总体表现为始终存在一个振荡周期稳定的5—7 a的年际振荡。1980—2019年年际振荡能量经历了3次增强—减弱的变化，分别在20世纪80年代初期、90年代初期和21世纪00年代末期达到峰值，其中1992—1994年最强；而20世纪80年代中后期、21世纪00年代中期和21世纪10年代初期达到谷值，目前处于增强阶段；年代际振荡能量在近40 a 里先减弱后加强，在1999年左右达到谷值，2019年左右达到峰值，目前处于增强阶段。

(3) 辽宁省覆冰偏多年与偏少年秋季9—11月SST距平之差表现为El Nino型分布。覆冰日数异常偏多年，太平洋海温呈现El Nino型，西北太平洋海表温度整体偏冷，日本海区海表温度存在明显负异常；同时大陆上贝加尔湖上空存在高压中心，北半球亚洲地区纬向为“北高南低”的形式，冬季风偏强，冷空气南下频繁。辽宁受到贝加尔湖异常反气旋环流东南侧东北气流控制，鄂霍茨克海上空存在弱反气旋环流，导致日本海上空有异常东风，当南下冷空气与东侧日本海输送的偏冷水汽交汇，容易导致温度较冷的大雾，引发雾凇现象，过冷水汽在电线上凝结，导致电线覆冰现象的发生。专业气象预报人员在进行电线覆冰预报时，在关注当地大气层斜压结构和气温的同时，还需关注前期海温背景场和同期大气环流形势，才能取得较好的预报效果。

doi:10.1029/2002JD002670.