石家庄地区输电线路雷击事故发生的气象条件

张翠华，李元华，冯洋

摘要：为了研究石家庄地区输电线路雷击事故发生的气象条件，利用该地区1990—2018年输电线路雷击事故发生的详細资料和地面、探空气象资料，分析了输电线路雷击事故的时空变化，确定了容易发生输电线路雷击事故的天气系统配置和探空物理量阈值；通过输电线路雷击事故发生的气象条件，检验了2019—2020年输电线路雷击事故的预报准确性。结果表明：石家庄输电线路雷击事故主要发生在夏季傍晚前到前半夜，夏季发生概率明显高于春季、秋季；输电线路雷击事故发生日数自西向东逐渐减少，集中发生在西部山区的井陉，其次是市区，井陉发生概率远高于其他地区；对流天气影响系统主要为高空槽型和冷涡型，探空物理量同时满足首要条件和附加条件时，引发输电线路雷击事故概率较高；输电线路雷击事故发生的气象条件在2019—2020年中得到较好的预测检验，对防范雷击事故有一定指导意义。

关键词：输电线路；雷击事故；气象条件；预测检验

中图分类号：P49；X43      文献标志码：A       文章编号：2096-3599（2023）02-0001-00

DOI： 10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.02.010

Analysis of meteorological conditions for lightning strikes on transmission lines in Shijiazhuang

ZHANG Cuihua1，2，3， LI Yuanhua4， FENG Yang3

（1. China Meteorological Administration Xiongan Atmospheric Boundary Layer Key Laboratory， Hebei Xiongan New Area 071800， China; 2. Hebei Key Laboratory for Meteorology and Eco-environment， Shijiazhuang 050021， China; 3. Shijiazhuang Meteorological Bureau， Shijiazhuang 050081， China; 4. Hebei Meteorological Information Center， Shijiazhuang 050021， China）

Abstract：In order to study the meteorological conditions for lightning strikes on transmission lines in Shijiazhuang， based on the detailed information of such accidents and meteorological data of surface observation and radiosonde from 1990 to 2018 in the region， the spatial and temporal variations of lightning strikes on transmission lines are analyzed， and the configurations of weather systems and the threshold values of radiosonde physical quantities are determined. The forecast accuracy of lightning strikes on transmission lines from 2019 to 2020 is tested by analyzing the meteorological conditions for the accidents. The results show that the lightning strikes on transmission lines in Shijiazhuang mainly occur from early evening to early midnight in summer， and the probability in summer is significantly higher than that in spring and autumn. The days of such accidents decrease from west to east， mostly in Jingxing， a mountainous area in the west， followed by downtown areas， and the maximum probability is observed in Jingxing. When the convective weather systems are upper trough type and cold vortex type， and the radiosonde physical quantities satisfy both the necessary and additional conditions， the probability of lightning strikes on transmission lines is high. The meteorological conditions for lightning strikes on transmission lines from 2019 to 2020 have been well predicted and tested， which are instructive for preventing lightning strikes.

Keywords： transmission line; lightning strike; meteorological condition; prediction test

引言

石家庄地处河北省中南部，域跨太行山地和华北平原两大地貌单元，西部地处太行山中段东麓，山区部分约占全市总面积的50%，东部为滹沱河冲积平原，包括市区和16个县（区）。中国平均雷暴日数较多区域主要分布在新疆西北部、西藏中部、青海南部、四川西部及沿长江的以南地区，石家庄位于我国北方中雷区[1]，西部为太行山中段东麓，东部为中南部平原，雷电活动发生频繁[2]。通过大气电场仪组网数据、天气雷达及闪电定位资料等多源资料的综合分析可以更好地判断雷暴云的活动状况[3]，提高雷电预警准确率和时间提前量，但是雷暴事件小概率会引发雷击灾害，雷击地铁线路及高架站[4]、建筑物[5]、地上油气管道[6-7]、森林[8-9]等造成人员伤亡和经济损失，而架空输电线路是电力系统的重要组成部分，由于其所经之处大都为旷野且线路距离较长，杆塔高度较高，因此遭受雷击概率增大[10]。雷暴是导致电网事故发生频率较高的气象灾害[11]，当雷电贴近陆地表面与输配电杆塔或线路相遇，雷击电流在杆塔或线路上形成巨大电位差和能量释放，会在一定程度上损毁杆塔、线路及附近的电力设备[12]。

目前输电线路事故的相关气象条件研究中，卢振礼等[13]采用事件概率回归和逻辑回归对比分析建立了灾害性天气（雷雨、大风）、气温与电力事故发生概率的回归预警模型。王洁等[14]分析了冀北电网灾害事故的时空分布特征，指出影响输电线路的气象灾害主要有雷害、冰害、风偏和污闪，其中雷害最多。张翠华[15]分析了石家庄地区电力污闪事故发生资料，给出判定电力污闪发生的气象要素指数条件。王洁等[16]分析了冀北地区输电线路舞动的时空分布和气象要素特征，得出输电线路舞动发生的气象要素指标。王馨、武辉芹等通过分析河北省输电线路覆冰、冰害事故资料，分别采用层次法、逐步回归分析构建输电线路覆冰风险预报模型[17]和电线积冰的逐步回归预报模型[18]。杨琳晗等[19]采用层次分析法确定雷击灾害频度、雷暴日数、生命易损模数和经济易损模数4个评估指标权重分布从而建立输电线路雷击风险评估模型，形成冀北地区输电线雷击灾害风险区划图。张翠华等[20-21]分析了输电线路雷击前地面气象要素变化特征并建立输电线路雷击事故发生气象指标。目前关于影响输电线路的气象灾害事故研究中，输电线路雷击研究是从雷击发生前的地面气象要素、评估指标确定权重建立雷击风险模型来入手分析，而本文以石家庄地区1990—2018年99次输电线路雷击事故为研究样本，由高空大气环流形势和物理量的角度分析雷击输电线路前的环流背景和探空物理量变化，找出其发生的气象条件，以期为做好输电线路雷击事故预报预警[22]，进一步防范输电线路雷击事故的发生提供科技支撑。

1  资料及方法

利用石家庄地区1990—2018年99次输电线路雷击事故的发生时间、故障地点、故障现象描述等详细资料，分析输电线路雷击事故发生的时空变化和发生概率。通常发生雷暴的当日为一个雷暴日，在雷暴日发生输电线路雷击事故的当日为一个输电线路雷击日，发生概率是指输电线路雷击日数占雷暴日数的百分比，利用Surfer软件绘制输电线路雷击点的空间分布。根据2001—2018年50次输电线路雷击事故详细资料，利用全国国家站的高空（时间间隔12 h）、地面观测（时间间隔3 h）资料进行环流形势分析；石家庄地区一般选取邢台站探空资料（时间间隔12 h）用于探空物理量分析，利用天气学原理分析其发生的气象条件，对强对流雷电活动引发输电线路雷击事故的天气影响系统归类并统计分析发生的探空物理量，确定容易发生输电线路事故的天气系统配置和探空物理量阈值，找出其发生的气象条件；基于2001—2018年输电线路雷击事故发生的气象条件，用来检验2019—2020年输电线路雷击事故的预报准确性。

2  结果分析

2.1  输电线路雷击事故发生的时空变化

由季节变化来看，石家庄输电线路雷击事故在春季、夏季和秋季均有发生，主要发生在夏季，其占春夏秋3季的86.9%；夏季输电线路雷击事故发生概率（9.5‰）明显高于春季（4.1‰）和秋季（4.5‰）。由日变化看，春季輸电线路雷击事故主要发生在前半夜（20—22时），发生概率为62.5%；夏季输电线路雷击事故主要发生在傍晚前到前半夜（16—22时），发生概率为68.5%；秋季输电线路雷击事故主要发生在午夜后（00—02时），发生概率为60%。由石家庄输电线路雷击事故发生的空间分布（表1）可见，输电线路雷击事故发生日数自西向东逐渐减少，集中发生在西部山区的井陉，其次是市区、平山发生较多，赞皇和栾城没有发生；西部山区雷电活动发生频繁，引发输电线路雷击事故发生概率增大，井陉和市区发生概率最大（分别为31.8‰和31.4‰），其次是平山（为13.1‰），远高出全区发生概率（8.5‰）。

2.2  输电线路雷击事故发生的天气影响系统分析

高空的槽、冷涡，低层的切变线、低涡和地面气旋、冷锋、倒槽等影响系统为雷电、大风、冰雹等对流性天气提供了天气尺度的动力、水汽条件和触发机制，在发生对流性天气时积雨云中雷电交作的激烈放电为引发输电线路雷击事故提供了充分条件。

石家庄2001—2018年输电线路雷击事故50个样本中，对逐次输电线路雷击事故发生时（最近一个时次08时或20时）对流天气过程的影响系统做了细致分析并分类，确定容易发生输电线路事故的天气系统配置，如表2所示，引发输电线路雷击事故的对流天气影响系统分为高空槽型、冷涡型、西北气流型和横槽型4个类别。其中高空槽型最多，为33例，占66%；其次冷涡型10例，占20%；西北气流型与横槽型较少，分别为5例、2例。

高空槽型中，强对流发生在500 hPa槽前西南气流中，700 hPa或850 hPa常存在低空切变线，地面多存在冷锋、低压或低压带。高空锋区与地面锋区接近重合时，大尺度的上升运动强烈。冷涡型中，500 hPa的冷涡为蒙古冷涡、东北冷涡和华北冷涡，一般有明显冷中心或冷温槽配合，700 hPa或850 hPa有低涡或切变线对应，3层系统近于垂直或前倾，地面系统为低压、锋面气旋（底部或前部）。发现强对流天气多出现在冷涡的东南或西南象限。中高纬阻塞形势建立时，冷涡移动缓慢或少动，会造成连续数日的强对流天气。西北气流型中，500 hPa上位于高空槽或冷涡后部的西北气流中，有明显冷平流，低层有切变产生或加强，有暖（湿）平流，地面位于低压带中或气旋底前部、高压后部。横槽型中，500 hPa蒙古东部横槽南压过程中有新冷空气补充，逐渐南摆转竖，横槽后风速可达急流标准（风速为20 m·s?1），高低层结构垂直或前倾，低层（700 hPa或850 hPa）有横槽或切变线，海平面气压场多呈“北高南低”形势，北部有较强冷高压。4类强对流天气形势中，500 hPa有时出现v＞20 m·s?1大风速带，表明冷平流强，850 hPa有时存在暖脊，对应暖平流强，使得高低层温差增大，加强层结不稳定，更利于强对流产生。

2.3  输电线路雷击事故发生的探空物理量分析

高空（干）冷空气和低层暖湿空气共同作用利于建立不稳定层结，加之天气尺度系统、地面辐合线、重力波、地形等触发机制的共同作用产生对流性天气。在探空物理量条件中，一般当对流有效位能（convective available potential energy，CAPE）达几百J·kg?1，高低空气温差值t850?t500超过26 ℃，沙式指数（Showalter index，SI）小于0 ℃，K指数大于28 ℃，低层有一定的水汽（相对湿度R＞60%）时即可产生对流性天气，而较弱、中等和强的0～6 km垂直风切变均可产生对流性天气。

石家庄2001—2018年输电线路雷击事故50个样本中，对输电线路雷击对流发生时（最近1个时次08时或20时）表征动力、热力（不稳定能量）和水汽的探空物理量（邢台探空）做细致分析，确定容易发生输电线路事故的探空物理量阈值，如表3所示。

CAPE值（或订正）均值为2 100 J·kg?1，其中达到中等强度（1 000～2 500 J·kg?1）的个例26个，达到高值（大于2 500 J·kg?1）的个例20个，分别占52%和40%，最大值达到5 000 J·kg?1。高低空气温差值t850?t500的均值为32 ℃，超出发生对流性天气的经验阈值26 ℃，其中t850?t500＞26 ℃的个例45个，占90%，t850?t500＞30 ℃的个例40个，占80%，最大值达到35 ℃。SI指数均值为?4 ℃，IS＜0 ℃的个例46个，占92%，IS＜?2 ℃的个例42个，占84%，IS＜?5 ℃的有15个，占30%，最小值为?10 ℃，表明强雷暴或严重对流天气发生可能性很大。K指数均值36 ℃，IK＞28 ℃的个例45个，占90%，IK＞32 ℃的个例43个，占86%，最大值42 ℃，不稳定层结明显。0～6 km垂直风切变均值为16 m/s，中等强度（12～20 m/s）的个例41个，强垂直风切变（20 m/s）的个例4个，最大值为24 m/s，中等强度及以上的垂直风切变个例占90%，在9个出现大风的个例中，有6个出现中等強度及以上的0～6 km风矢差，利于风暴组织维持加强和雷暴大风的出现；近地层包括低层（850 hPa）或边界层有湿层（相对湿度VRH＞60%）的个例有46个，占92%，有明显湿层（相对湿度VRH＞80%）的个例有40个，占80%，近地湿层不论深厚还是浅薄，均利于产生对流天气。由以上统计分析可知，大气层结呈明显对流不稳定，多会产生剧烈的强对流天气，当VCAPE＞1 000 J·kg?1（个例占92%）、t850?t500＞26 ℃（个例占90%）、IS＜0 ℃（个例占92%）、IK＞28 ℃（个例占90%）、0～6 km风矢差＞12 m/s（个例占90%）、近地湿层空气相对湿度VRH＞60%（个例占92%）时作为首要条件，并进一步满足t850?t500＞30 ℃（个例占80%）、IS＜?2 ℃（个例占84%）、IK＞32 ℃（个例占86%）其中的两个指标以上时作为附加条件，经统计2001—2018年期间满足首要条件和附加条件的个例数为60个雷暴日，其中包含45个雷击日，即输电线路雷击事故发生概率为75%，表明同时满足首要条件和附加条件可以考虑作为输电线路雷击事故发生的阈值指标。

2.4  输电线路雷击事故发生气象条件的预测检验

通过基于2001—2018年输电线路雷击事故发生的详细资料和全国国家站高空地面观测资料、探空资料的气象条件分析得出输电线路雷击事故发生的气象条件，来预测检验2019—2020年输电线路雷击事故，2019年雷电活动较弱未发生输电线路雷击事故，2020年发生了2次输电线路雷击事故，分别为2020年5月17日17：59石家庄东部晋州的里丰站110 kV丰光线和6月24日19：46石家庄西部元氏的万花站110 kV万佐Ⅱ线，石家庄东部的晋州和西部的元氏在这两个时段均发生了雷暴等强对流天气，利用环流形势、探空物理量和雷达回波资料，分析检验6月24日天气过程发生输电线路雷击事故的气象条件。

2020年6月24日19：46位于元氏（石家庄西部）的110 kV万佐Ⅱ线泉村T接线发生雷击跳闸事故，对流天气影响系统为高空槽型，高空槽、地面低压倒槽发展触发对流（图1）。

由环流形势看，500 hPa贝加尔湖以南有一冷涡，华北地区受涡底部东移的短波槽影响（图1a）。08时短波槽位于河套地区并东移发展，20时短波槽、700 hPa冷切变移至石家庄西部（图1b），850 hPa在石家庄中部存在暖切变（图1c），地面内蒙古中部有低压倒槽发展，石家庄处于倒槽底前部的弱气压场中（图1d）。

由探空物理量（08时邢台探空）看，呈“上干下湿”不稳定层结，850 hPa以下有湿层（相对湿度80%以上），具备一定水汽条件（图1e）。14时订正CAPE值达1 600 J·kg?1，t850?t500为32 ℃，具备一定不稳定能量，SI指数为?4 ℃，强雷暴或严重对流天气发生可能性较大。K指数为30 ℃，不稳定层结明显。0～6 km垂直风切变为13 m·s?1，白天受辐射升温影响，最高气温达34～35 ℃，露点温度为18～19 ℃，热力能量条件利于午后触发强对流天气。强对流天气在石家庄西部山区触发向下游的不稳定区移动中，产生了雷电活动引发输电线路雷击事故。由雷达（位于石家庄新乐）17—20时石家庄1.5°基本反射率因子回波演变（图2）看，16—17时石家庄西部山区回波东移，17—19时多单体风暴继续东移加强（图2a—c），侧向排列组织化逐渐形成飑线，最大反射率因子超过60 dBZ，19—20时强回波（45 dBZ以上）影响石家庄西部的元氏，最大反射率因子达64 dBZ（图2d—f），元氏出现雷电、8级雷暴大风、短时强降水等强对流天气。

输电线路雷击事故发生（19：46）前，石家庄西部的元氏受强多单体风暴影响，0.5°～3.3°反射率因子（图3）均很强，达到50～55 dBZ，最大超过60 dBZ，其中风暴单体G2质心高度（图4）为3～5 km，最大反射率因子高度达5～6 km，风暴发展旺盛。由0.5°、1.5°速度图（图5）看出，飑线过境，北侧有20 m/s以上的大风速核，产生较大范围8级以上雷暴大风等强对流天气引发输电线路雷击事故。

3  小结

（1）石家庄输电线路雷击事故主要发生在夏季傍晚前到前半夜，夏季发生概率明显高于春季、秋季；石家庄地区输电线路雷击事故发生日数自西向东逐渐减少，集中发生在西部山区的井陉，其次是市区，井陉发生概率远高于其他地区。

（2）石家庄输电线路雷击事故发生时对流天气过程的影响系统分为高空槽型、冷涡型、西北气流型和横槽型4个类别，其中高空槽型和冷涡型最多（占86%）。

（3）石家庄输电线路雷击事故发生时表征动力、热力（不稳定能量）和水汽的探空物理量中，满足VCAPE＞1 000 J·kg?1、t850?t500＞26 ℃、IS＜0 ℃、IK＞28 ℃、0～6 km风矢差＞12 m·s?1、近地湿层空气相对湿度VRH＞60%时，为输电线路雷击事故发生的首要条件，满足t850?t500＞30 ℃、IS＜?2 ℃、IK＞32 ℃其中的两个指标以上时，为输电线路雷击事故发生的附加条件，同时满足首要条件和附加条件时，引发输电线路雷击事故概率较高。

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