上官帖，丁 煌，劉明軍，童軍心，周龍武，崔 方

（1.國網(wǎng)江西省電力科學研究院，南昌 330096；2.中國電力科學研究院，南京210009）

基于WRF的江西電網(wǎng)110～500 kV輸電線路雷電短期預警方法研究

上官帖1，丁 煌2，劉明軍1，童軍心1，周龍武1，崔 方2

（1.國網(wǎng)江西省電力科學研究院，南昌 330096；2.中國電力科學研究院，南京210009）

在江西省110 kV～500 kV輸電線路雷擊跳閘情況分析的基礎(chǔ)上，利用最新的中尺度模式WRF對發(fā)生在江西省內(nèi)的一次雷擊事件過程進行模擬預報，并對比分析對流有效位能、對流抑制能量的有效區(qū)域和雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)落雷區(qū)域，驗證該方法的可用性。結(jié)果表明：WRF模擬結(jié)果能夠成功預報所有監(jiān)測雷電落點圖密集區(qū)，即能很好反映雷電天氣過程的空間位置，在時間上亦能提前預報雷電天氣過程發(fā)生時間段，說明在模式72 h預報的基礎(chǔ)上能夠?qū)纂姺罏念A警提供支持。

WRF模式；輸電線路；雷電定位系統(tǒng)；對流有效位能；對流抑制能量；雷電預警

0 引言

雷電活動是大氣中的自然放電現(xiàn)象，嚴重威脅電網(wǎng)的安全運行。在我國輸電線路遭受雷擊的概率較高，雷擊跳閘故障常有發(fā)生。江西是我國雷電活動最活躍的省份之一，每年的雷電活動都給江西電網(wǎng)帶來了巨大的經(jīng)濟損失。

雷擊已成為影響架空輸電線路設(shè)備安全穩(wěn)定運行的重要因素[1-3]。因此，對雷電活動及可能遭受雷擊的輸電線路區(qū)域進行提前預警，對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有著重要作用。國內(nèi)外學者對雷電預警方面進行了大量研究，何金良等[4]分析和討論了先導發(fā)展過程中不同空間階段的統(tǒng)計結(jié)果。趙淳等[5]提出了包含電網(wǎng)面向輸電線路全層級對象的整體評估方法，并采用改進層次分析法建立了電網(wǎng)雷害風險評估模型。谷山強等[6]結(jié)合雷電監(jiān)測網(wǎng)和氣象衛(wèi)星云圖實時監(jiān)測，提出了基于大氣電場儀探測與輸電線路位置的輸電線路雷擊閃絡(luò)預警方法。童雪芳等[7]通過比較分析雷區(qū)等級及地閃密度值與雷擊故障分布之間的相關(guān)性，表明地閃密度分布與雷擊故障之間存在正相關(guān)性。龔嘉鏘等[8]通過WRF模式模擬了南京市區(qū)的兩次雷電活動過程，并建立雷電潛勢預報模型。沙躍龍[9]通過建立基于決策樹的雷電預報模型，實現(xiàn)了空間分辨率為1°X1°、時間分辨率為12 h的雷電潛勢預報。王強等[10]通過分析晴天與雷暴天氣大氣電場時序差分的基本特征，提出基于地面電場儀的電場時序差分閾值雷電預警方法。Brandom等[11]基于雷達等氣象觀測資料，在云地閃預報方面進行了研究。Smith[12]對比分析了同步衛(wèi)星紅外云圖和美國國家雷電監(jiān)測網(wǎng)的地閃定位結(jié)果，研究了基于云頂溫度冷卻速率監(jiān)測的雷電預警方法。

這些研究中利用數(shù)值預報模式WRF對雷電發(fā)生區(qū)域進行中短期預警較少。筆者在分析江西省110 kV～500 kV輸電線路雷擊跳閘情況分析的基礎(chǔ)上，利用最新的中尺度模式WRF對發(fā)生在江西省內(nèi)的一次雷擊事件過程進行模擬分析，通過分析模擬結(jié)果驗證可用性。

1 110 kV～500 kV輸電線路跳閘情況

2014年江西省范圍內(nèi)110～500 kV輸電線路雷擊故障占輸電線路總故障的61.1%，110 kV輸電線路雷擊故障占110 kV輸電線路故障的65.9%、220 kV輸電線路雷擊故障占220 kV輸電線路故障的47.9%、500 kV輸電線路雷擊故障占500 kV輸電線路故障的23.0%；2013年江西省范圍內(nèi)110～500 kV輸電線雷擊故障占輸電線路總故障的38.3%，110 kV輸電線路雷擊故障占110 kV輸電線路故障的40.3%、220 kV輸電線路雷擊故障占220 kV輸電線路故障的33.3%、500 kV輸電線路雷擊故障占500 kV輸電線路故障的20.0%。

從表1可以看出雷擊跳閘次數(shù)多發(fā)月份集中在3、4、6、7、8 月份，占總累計跳閘次數(shù)近 90%，其中以7、8月份跳閘總次數(shù)最多。從歷史數(shù)據(jù)方面來說，2014年的雷擊跳閘次數(shù)較2013年有所增加，說明2014年輸電線路上雷電災害較2013年嚴重。

表1 各月份雷擊跳閘次數(shù)情況Table 1 The number of lightning trip by each month

2 雷電過程實況

筆者采用了江西省雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包含雷擊的發(fā)生時間、位置、雷電流、回擊次數(shù)等信息。

在上文中提到輸電線路受雷擊跳閘故障多發(fā)于7、8月份，故選取江西省境內(nèi)8月份雷擊跳閘故障較高的一天進行雷電天氣過程案例分析。2014年8月28日江西省境內(nèi)發(fā)生了一次雷電過程，在此過程中由于雷擊導致故障的線路有1條220 kV線路和9條110 kV線路，分布在南昌、撫州、九江區(qū)域（與圖1中地閃密集落區(qū)位置相同），雷擊故障時間大部分在21時-23時之間。圖1為2014年8月28日20時-22時30分（雷電數(shù)據(jù)僅到22時30分）江西省雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測雷擊落點圖，從圖1可以看出，本次雷電過程在南昌、撫州區(qū)域，九江區(qū)域以及江西省外東部地區(qū)。

圖1 2014年8月28日20時-23時江西省雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測雷擊落點圖Fig.1 Jiangxi Province LLS measurement lightning area from 20:00 to 23:00 28thAugust 2014

圖 2（a）、（b）、（c）的雷擊落點密度可以看出雷電天氣過程的分時過程：自圖 2（a）至圖 2（b）區(qū)域Ⅰ（見圖1）雷擊落點密度變化不大，區(qū)域Ⅱ（見圖1）雷擊落點密度減小，區(qū)域Ⅲ（見圖1）雷擊落點密度增大；自圖2（b）至圖2（c）區(qū)域Ⅰ雷擊落點密度變化減小，區(qū)域Ⅱ雷擊落點密度減小，區(qū)域Ⅲ雷擊落點密度亦減小，可以看出雷電過程逐漸減弱。

3 雷電過程模擬及分析

3.1 數(shù)值模式及模擬方案

雷電活動屬于中小尺度系統(tǒng)天氣系統(tǒng)的一種，可以使用中尺度數(shù)值預報模式來進行模擬和預報。本文采用中尺度模式WRF（Weather Research Fore cast）[13-14]的最新版本 V3.6.1 及 1°X1°的 NCEP/NCAR GFS資料對發(fā)生在江西省境內(nèi)發(fā)生的雷電過程進行模擬。模擬采用兩重嵌套方案，第一重網(wǎng)格空間分辨率為12 km，第二重網(wǎng)格空間分辨率為4 km，時間分辨率均為15 min。為了體現(xiàn)業(yè)務化運行效果及本次雷電過程的發(fā)生發(fā)展，模擬時間從2014年8月26日20時～2014年8月29日20時共72 h。模式的參數(shù)化方案選擇如下：長波輻射參數(shù)化方案選用RRTM方案，短波輻射參數(shù)化方案選用Dudian方案，近地面層參數(shù)化方案選用Monin-Obukhov方案，邊界層參數(shù)化方案選用YSU方案，積云對流參數(shù)化方案選用Grell-Devenyi集合方案，微物理過程參數(shù)化方案選用LIN方案。

3.2 雷電天氣物理量

（a）對流有效位能[15-16]

對流有效位能 （Convective Available Potential Energy，CAPE）表示了在指定環(huán)境中氣塊絕熱上升受到的正浮力能量的垂直積分，其表達式為

式（1）中，Zf為自由對流高度，Ze為平衡高度，Tve為環(huán)境虛溫，Tva為氣塊虛溫為自由對流高度和平衡高度之間環(huán)境的平均虛溫。CAPE比傳統(tǒng)意義上的對流不穩(wěn)定能量更能恰當?shù)乇硎境鰧α靼l(fā)展的強度[15-18]，是雷電活動潛在強度的一個重要指標。

（b）對流抑制能量

對流抑制能量（Convective Inhibition Energy，CIN）表示了通過穩(wěn)定層到達自由對流高度的平均大氣邊界層氣塊所做的負功[19-20]，其表達式為

式中：g是重力加速度，TB是該層的平均溫度，Te、Tp分別表示環(huán)境與氣塊的溫度。CIN能夠反映對流天氣發(fā)生前的能量累積情況[19-20]，是雷電活動發(fā)展的一個重要指標。

筆者利用WRF模式生成數(shù)據(jù)，提取以上公式所需參數(shù)計算對應的CAPE和CIN值，分析這些物理量在雷電天氣預報中的模擬性能，并在此基礎(chǔ)上驗證預報可用性。

3.3 模擬結(jié)果分析

在雷電天氣發(fā)生前CAPE較大，并有逐漸積累的過程，可作為雷電天氣預報的參考。一般在雷電天氣開始的階段，CAPE有急劇升高的現(xiàn)象。在雷電天氣結(jié)束階段CAPE有急劇下降的過程。雷電天氣越強，CAPE急劇升高和下降就越明顯。

選取區(qū)域Ⅰ作為代表，考察CAPE隨時間演變特征。從圖3可見，28日10時代表區(qū)域ⅠCAPE在1 500～2 500 J/kg之間，已經(jīng)具備雷電發(fā)生的條件，到14時迅速增大，至18時已到達鋒值，CAPE已達到3 000～4 000 J/kg，即將發(fā)生強雷電天氣。這一段時間說明代表區(qū)域內(nèi)CAPE在10時～18時之間逐漸增加，是對流能量逐漸積累且迅速增大的過程，在此過程中會伴隨雷電天氣發(fā)生，且CAPE積累較大，即將發(fā)生強雷電天氣。到20時CAPE迅速減小，說明對流有效位能開始釋放，雷電天氣變強，至22時CAPE繼續(xù)迅速減小，繼續(xù)釋放能量使雷電天氣過程持續(xù)，至24時CAPE減小幅度變小，雷電天氣過程強度逐漸減弱。同理可得，區(qū)域Ⅲ的雷電天氣過程：從10時至18時是能量積累過程，期間伴隨雷電天氣，至18時達到CAPE峰值，從18時-22時是能量釋放過程，期間雷電天氣過程變強，22時至24時對流能量釋放較小，雷電天氣過程逐漸減弱。區(qū)域Ⅱ雷電天氣過程不同于以上兩者，10時至18時CAPE逐漸積累，且在18時達到峰值，在18時-20時能量釋放較大，雷電天氣過程增強，在20時-22時能量釋放較小，雷電天氣過程減弱。

整體上看，CAPE分布圖高值區(qū)包含所有監(jiān)測雷電落點圖密集區(qū)，能夠很好反映雷電天氣過程的空間位置，在時間上亦能提前預報雷電天氣過程發(fā)生時間段，說明在模式72 h預報的基礎(chǔ)上，能夠?qū)纂姺罏念A警給予幫助。但模式仍有誤差，比如在江西省中偏東部出現(xiàn)一個虛假CAPE高值區(qū)，該地區(qū)監(jiān)測雷電落點較少。

在CIN分布圖方面（圖4），區(qū)域Ⅰ從27日22時至28日6時CIN一直比較高，即對流抑制能量比較高，說明這段時間在進行能量積累。28日6時至28日14時CIN逐漸減小，同時參照圖2發(fā)現(xiàn)區(qū)域ⅠCAPE開始增大，即說明在對流抑制能量的減少同時有一個明顯的對流有效位能釋放，從而產(chǎn)生雷電天氣。28日14時至28日20時，CIN繼續(xù)減小，與此同時CAPE在不斷增大，繼續(xù)釋放能量，雷電天氣過程變強。至28日22時CIN指數(shù)逐漸增大，CAPE逐漸減小，雷電天氣開始減弱，由于CAPE仍處于雷電發(fā)生可發(fā)生區(qū)域段，因此仍有雷電產(chǎn)生。

圖3 2014年8月28日10 時（a）、14 時（b）、18 時（c）、20 時（d）22 時（e）、24 時（f）WRF 模擬 CAPE 分布圖Fig.3 WRF simulation CAPE distribution at 10:00 （a），14:00（b），18:00（c），20:00（d），22:00（e），24:00（f） on 28th August 2014

4 結(jié)語

利用WRF模式對江西省境內(nèi)2014年8月28日的一次雷電過程進行了模擬，并將利用CAPE和CIN模擬結(jié)果與雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，驗證結(jié)果的可用性，結(jié)果表明：CAPE和CIN結(jié)合能夠很好定位雷電天氣發(fā)生區(qū)域，WRF模擬結(jié)果能夠成功預報所有監(jiān)測雷電落點圖密集區(qū)，即能很好反映雷電天氣過程的空間位置，在時間上亦能提前預報雷電天氣過程發(fā)生時間段，說明在模式72 h預報的基礎(chǔ)上，能夠?qū)纂姺罏念A警提供支持。但模式有一定誤差，會出現(xiàn)虛假CAPE高值區(qū)。

圖4 2014年8月27日22時（a）、28日 6時（b）、28日 14時（c）、28日18 時（d），28日20 時（e）、28 日時 22 時（f）WRF模擬CIN分布圖Fig.4 WRF simulation CIN distribution at 10:00 （a），14:00（b），18:00（c），20:00（d），22:00（e），24:00（f） on 28th August 2014

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Study on Lightning Short-Term Warning Methods of 110～500 kV Transmission Lines in Jiangxi Grid Based on the WRF Model

SHANGGUAN Tie1，DING Huang2，LIU Mingjun1，TONG Junxin1，ZHOU Longwu1，CUI fang2
（1.Jiangxi Electric Power Research Institute，Nanchang 330096，China；2.China Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China）

Based on the analysis of 110 kV～500 kV transmission line lightning trip in Jiangxi province，a lightning process which occurred in Jiangxi province is simulated and forecasted with the latest meso scale WRF model.The effective area of convective available potential energy （CAPE） and convective inhibition energy （CIN）with the area of actual lightning of the Lightning Location System（LSS） are compared and analyzed to verify the availability of the method.The results show that WRF not only can able to successfully predict the actual lightning occurs zone which can well reflect the spatial location of lightning weather process，but also can early forecasting the periods of lightning process.So it can offer support to the lightning early 72 h warning.

WRF model；transmission line；LSS；CAPE；CIN；lightning warning

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.004

2015-11-09

上官帖 （1958—），男，教授級高級工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。

江西電網(wǎng)氣象信息監(jiān)測系統(tǒng)研究與應用 （編號：5218201350DT）。