覃 武，羅小莉，鄭鳳琴，鐘利華，周紹毅，蘇 志

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象局，廣西 南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)氣象服務(wù)中心，廣西 南寧 530022；3.廣西壯族自治區(qū)氣候中心，廣西 南寧530022）

輸電線路覆冰一直是威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，受大氣候和微地形、微氣象條件的影響，冰災(zāi)事故發(fā)生頻繁，我國是世界上輸電線路冰災(zāi)最為嚴(yán)重的國家之一[1-7]。在我國的西南地區(qū)電線覆冰對電網(wǎng)設(shè)施影響極大，是一種分布廣泛的自然現(xiàn)象，嚴(yán)重的覆冰常造成斷線、倒桿（塔）、閃絡(luò)事故，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅。

近年來，在形成電線覆冰的冰凍雨雪災(zāi)害天氣的研究方面已經(jīng)取得了不少成果，例如覆冰事故的類型、輸電線路導(dǎo)線覆冰的性質(zhì)與分類[3，6-9]、輸電線路覆冰與微氣象參數(shù)的關(guān)系、輸電線路覆冰風(fēng)險評估方法研究等[10-13]。以往關(guān)于電線覆冰的研究主要集中在貴州省，并以常規(guī)氣象觀測資料為基礎(chǔ)，但是像廣西北部這類低緯度地區(qū)，相對高度差大，地形復(fù)雜，也會出現(xiàn)覆冰天氣，例如，2008年初我國南方出現(xiàn)歷史罕見的大范圍雨雪冰凍天氣[14]，全國有13個省（區(qū)、市）電力系統(tǒng)運(yùn)行受到影響，170個縣（市）停電，造成國家電網(wǎng)公司直接財產(chǎn)損失達(dá)104.5億元。廣西電網(wǎng)公司也不能幸免，2008年1月12日—2月20日，持續(xù)性低溫雨雪冰凍災(zāi)害使廣西百色、河池、柳州、桂林、賀州5個網(wǎng)區(qū)的電力設(shè)施遭到嚴(yán)重的破壞，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)29.87億元，廣西電網(wǎng)累計17個縣大范圍停電[15]。

由于我國氣象部門有導(dǎo)線覆冰觀測的臺站不多，積累的覆冰資料很少，而且數(shù)據(jù)不完整。廣西20個導(dǎo)線覆冰觀測氣象站只有4個臺站觀測到有導(dǎo)線覆冰，且只有12條記錄，給分析工作帶來極大的困難。本文首先根據(jù)廣西電力科學(xué)研究院的輸電線路覆冰觀測資料與廣西氣象臺站的導(dǎo)線覆冰、雨淞、霧淞、雪等觀測資料綜合分析，建立覆冰厚度的計算模型，并利用雨凇覆冰厚度模型計算歷史覆冰厚度，通過對歷史序列的分析來研究廣西北部地區(qū)覆冰出現(xiàn)的氣候規(guī)律以及覆冰出現(xiàn)的大氣環(huán)流背景，并簡要分析覆冰發(fā)生時氣象要素變化特征及其與海溫異常的關(guān)系，以期為后期的覆冰厚度預(yù)報提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

廣西覆冰主要出現(xiàn)在北部，由于該地區(qū)有的測站建站比較晚，為了資料的完整，分析時段取1965—2016年，實況資料取自可能出現(xiàn)電線覆冰的廣西北部43個氣象觀測站。本文所用資料包括：

（1）NCEP/NCAR再分析月平均數(shù)據(jù)資料集，包括地面氣壓、位勢高度等資料，水平分辨率為2.5°×2.5°；

（2）美國國家海洋大氣局（NOAA）擴(kuò)展再分析海表溫度資料，分辨率 2°×2°；

（3）廣西區(qū)氣候中心整編的廣西北部43個臺站1965—2016年1—12月逐日雨淞、風(fēng)、降水、日照等資料；

（4）廣西區(qū)氣候中心整編的廣西北部20個臺站的導(dǎo)線覆冰觀測資料；

（4）廣西電力科學(xué)研究院提供的2008年以來的廣西輸電線路覆冰資料。

1.2 方法

1.2.1 電線覆冰厚度的計算

電線覆冰按其凍結(jié)形式主要分為雨凇、霧凇、混合凍結(jié)、濕雪、白霜5種[15]。根據(jù)廣西電力科學(xué)研究院、廣西電力勘察設(shè)計研究院實地調(diào)查的多年導(dǎo)線覆冰災(zāi)害資料及現(xiàn)場導(dǎo)線覆冰測量調(diào)查資料進(jìn)行綜合分析，表明廣西的電線覆冰主要表現(xiàn)以雨凇為主的混合冰凍，因此本文的電線覆冰厚度計算模型采用雨凇覆冰模型，以模型計算出覆冰資料序列對冬季的覆冰天氣展開分析。

目前國內(nèi)外用來計算雨凇覆冰的模型有Lenhard模型、Chaine模型、Kathleen F Jones模型等約20多種[15-18]，對比現(xiàn)有的這些雨凇覆冰模型與實測的覆冰觀測資料分析發(fā)現(xiàn)，用Kathleen F Jones模型計算廣西的導(dǎo)線覆冰效果較好[18]。因此，本文以Kathleen F Jones[17]模型為基礎(chǔ)，結(jié)合廣西43個氣象站溫度低于0℃最長連續(xù)日數(shù)的風(fēng)速、降水等氣象資料，構(gòu)建如公式（1）所示的覆冰模型：若考慮過冷卻雨滴完全落在均勻并平行于水平面的圓柱形電線上，而且落在線路上的水全部均勻地在電線上發(fā)生凍結(jié)而形成圓柱形的覆冰，通過由凍雨所致線路覆冰厚度的雨凇覆冰模型，即可計算得到廣西各氣象觀測臺站1965—2016年逐日覆冰厚度。公式如下：

其中，Req表示電線等徑覆冰的厚度，單位：cm，ρi為雨凇的密度，取0.9 g·cm-3，ρ0是液態(tài)水的密度，取1.0 g·cm-3；Pi為降水強(qiáng)度，單位：mm·hr-1；Wj=0.067Pi0.846，單位：g·cm-3，為飽和空氣中的液態(tài)水含量；Vj代表覆冰時的風(fēng)速，單位：m·s-1；下標(biāo) j表示第j小時的值，而N表示凍雨的持續(xù)時間，單位：h。

1.2.2 覆冰指數(shù)的定義

為了反映廣西覆冰的總體狀況以及便于與歷史狀況對比，本文定義以每年廣西北部地區(qū)包括的43個氣象臺站12月—次年2月的覆冰總站次的標(biāo)準(zhǔn)化距平作為廣西地區(qū)的覆冰指數(shù)，計算公式為：

式中Ri為冬季出現(xiàn)的覆冰站次數(shù)為冬季覆冰站次數(shù)的多年平均值，σi為冬季覆冰站次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。本文定義覆冰指數(shù)＞1的為典型覆冰年，不出現(xiàn)覆冰的年份為覆冰偏輕年。

1.2.3 覆冰指數(shù)突然變化的Mann-Kendall顯著性檢驗

對于氣候突變的檢驗，統(tǒng)計學(xué)上通常采用Mann-Kendall檢驗方法[20]，與其它方法相比，它具有檢測范圍較寬，人為的因素較少，定量化的程度較高等優(yōu)點。本文對覆冰指數(shù)的突變檢驗采用Mann-Kendall突變檢驗，顯著性水平取α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 廣西輸電線路覆冰的時空特征分析

經(jīng)過電線覆冰厚度模型計算，廣西覆冰主要發(fā)生在冬季（12月、1月、2月）和3月，其中3月廣西只出現(xiàn)過3次覆冰（1967年、1968年、1986年），圖1給出了1965—2016年1—3月和12月覆冰站次數(shù)的分布情況，其中1月出現(xiàn)的覆冰站次數(shù)最多，共1016站次，平均每年19.5站次；其次為12月，共出現(xiàn)482站次，平均每年9.3站次；第三為2月，共出現(xiàn)460站次，平均每年8.9站次，3月共出現(xiàn)10站次。結(jié)合廣西輸電線路的覆冰監(jiān)測資料，發(fā)現(xiàn)用覆冰計算模型得出的資料序列與輸電線路的覆冰實況比較吻合，因此本文采用模型計算得出的覆冰資料序列對冬季（當(dāng)年12月—次年2月）的覆冰天氣展開分析。

圖1 1965—2016年廣西12月—次年3月覆冰出現(xiàn)站次數(shù)分布

圖2 1965/1966—2015/2016年冬季廣西覆冰指數(shù)的年際變化（a）、覆冰站次數(shù)的年際變化（b）及覆冰站次數(shù)的Mann-Kendall突變檢驗（c）

圖2給出了覆冰指數(shù)的逐年變化年際變化及Mann-kendall突變檢驗結(jié)果，由圖2a可以看出覆冰指數(shù)＞1的年份有 6 a，分別是 1967/1968、1968/1969、1973/1974、1975/1976、1976/1977、2007/2008 年，覆冰指數(shù)序列呈下降趨勢，并通過信度α=0.01的顯著性檢驗，說明廣西覆冰有逐年減輕的趨勢。從廣西冬季覆冰站次數(shù)（圖2b）統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，冬季不出現(xiàn)覆冰的有 9 a，占 17.7%，分別是 1986/1987、1990/1991、1994/1995、1998/1999、2000/2001、2005/2006、2006/2007、2009/2010、2014/2015 年；其中覆冰站次數(shù)＞100的有4 a，最多為1976/1977年冬季的214站次。

圖2c所示為1965/1966—2015/2016年冬季廣西覆冰站次數(shù)的Mann-Kendall突變檢驗圖，圖中水平線表示的是0.05的顯著性水平的檢驗線。由圖2c分析可知，51 a來廣西冬季覆冰站次數(shù)的變化趨勢顯著，存在著1個明顯的突變點，出現(xiàn)在1985年，1985年的突變主要表現(xiàn)為不斷減少的變化趨勢，由于1985年恰好是全球變暖的突變點[21]，造成這一趨勢的原因可能是全球氣候變暖，溫度上升，使得覆冰站次數(shù)減少。

從1965/1966—2015/2016年冬季廣西各地冬季覆冰日數(shù)（圖3）分布來看，由于廣西屬云貴高原向東南沿海丘陵過渡地帶，略呈四周高中間低的盆地，地學(xué)界稱為“廣西盆地”，盆地邊緣“缺口”甚多，最主要的是桂東北的湘桂走廊，它是冷空氣的侵入廣西的主要通道，桂林、賀州、柳州3市和河池、梧州、百色、來賓4市北部等地都是覆冰多發(fā)區(qū)，其中覆冰出現(xiàn)最多的是資源、全州、灌陽和興安4縣。另外，由于廣西山地多，平原少，就同一地區(qū)而言，在山脈的迎風(fēng)面覆冰比背風(fēng)面嚴(yán)重，但是在梧州—象州—都安—凌云一線以南的低緯度地區(qū)極少出現(xiàn)覆冰。

圖3 1965/1966—2015/2016年冬季廣西各地覆冰日數(shù)分布

2.2 典型覆冰天氣的環(huán)流背景分析

為了解覆冰天氣的大氣環(huán)流背景，將覆冰指數(shù) ＞1 的 年 份（1967/1968、1968/1969、1973/1974、1975/1976、1976/1977、2007/2008年）作為典型覆冰年份。

2.2.1 500 hPa形勢場特征

從多年平均的500 hPa位勢高度場合成圖（圖4a）可以看出，整個歐亞大陸中高緯地區(qū)環(huán)流經(jīng)向度比較大，呈明顯的“兩槽一脊”型，我國的中東部均處于脊的控制之下，而廣西處于弱的南支槽前。從廣西典型覆冰年500 hPa位勢高度距平場的合成分析圖（圖4b）可見，烏拉爾山一帶有一個大的正距平中心，在貝加爾湖附近有一個大的負(fù)距平中心，整個中國都處在負(fù)距平區(qū)，距平場上“北正南負(fù)”，有利于南部南支槽的發(fā)展，為廣西提供水汽。歐亞大陸中高緯烏拉爾山地區(qū)有一高壓脊，中緯度里海東部地區(qū)有一低壓槽。距平場上對應(yīng)“北正南負(fù)”的形勢，這種形勢使環(huán)流經(jīng)向型加強(qiáng)并穩(wěn)定維持，有利于歐亞中高緯高壓脊的加強(qiáng)和中低緯西風(fēng)槽的發(fā)展。

2.2.2 地面形勢場特征

圖5給出了典型覆冰年份海平面氣壓及其距平場的合成分析圖，從圖上可以看出，典型覆冰年我國中東部及廣西大部分地區(qū)受地面冷高壓脊控制，新疆北部的冷高壓中心大于1035 hPa，1020 hPa等值線進(jìn)入廣西境內(nèi)，說明冷空氣很強(qiáng)，從典型覆冰年海平面氣壓距平場合成分析圖5b可看出，歐亞地區(qū)35°N以北均為氣壓正距平區(qū)，中心達(dá)到4 hPa以上，位于烏拉爾山附近；在25°～35°N的東亞地區(qū)，氣壓距平為“正、負(fù)、正”的分布型態(tài)。我國中東部和廣西地區(qū)均是正距平區(qū)域，說明這些地區(qū)的冷空氣活動均比常年平均強(qiáng)或者頻繁[18]。

圖4 典型覆冰年份500 hPa位勢高度場合成（a）及其距平場合成（b）（單位：位勢米）

圖5 典型覆冰年份海平面氣壓場合成（a）及其距平場合成（b）（單位：hPa）

2.3 覆冰與氣象要素之間的關(guān)系

2008、2010年廣西電網(wǎng)受災(zāi)最嚴(yán)重的是“110 kV金中旺線”，本文收集了距離金中旺線最近的資源氣象站的導(dǎo)線覆冰觀測資料及氣象要素進(jìn)行統(tǒng)計分析（表1），資源氣象站海拔408.4 m，能大致代表架空輸電線路的氣象要素實況，從表1可以看出，2011—2018年共出現(xiàn)7次覆冰天氣過程，覆冰天氣出現(xiàn)前兩天低溫寡照，覆冰前一天日平均氣溫一般＜3℃，日最低氣溫一般在2℃以下，日照時數(shù)大部為0，一般2 d內(nèi)至少有1 d伴有降水，為覆冰提供水汽條件；覆冰出現(xiàn)當(dāng)日，日最低氣溫一般在0.2℃以下，風(fēng)速＜5 m/s，以北風(fēng)為主，有雨凇出現(xiàn)，一般伴有弱降水，水滴過大不利于其在電線上凍結(jié)，毛毛雨最為有利。

表1 資源站2011—2018年觀測有導(dǎo)線覆冰天氣當(dāng)日及前2 d氣象要素實況

2.4 典型覆冰年份的海溫異常情況

圖6給出了廣西冬季典型覆冰年份太平洋、印度洋、大西洋的冬季海溫距平SSTA合成分析圖，從圖中可以看出典型覆冰年冬季，在太平洋灣流區(qū)是一個寬廣的正海溫距平（SSTA）海域，并存有兩個大的正距平中心，最大中心值均大于1.4℃，赤道中東太平洋冬季SSTA為負(fù)距平，出現(xiàn)LA NINA事件；而熱帶印度洋為全區(qū)一致的冷海溫異常，最大中心值小于-1.2℃，這一模態(tài)不僅是熱帶印度洋的SSTA的主要模態(tài)，也可能是對LA NINA現(xiàn)象的響應(yīng)；而在大西洋，典型覆冰年冬季SSTA呈現(xiàn)北正南負(fù)的分布，西北大西洋有一個正的SSTA大值區(qū)，而在非洲東南部沿海45°S附近的海域出現(xiàn)中心值小于-1.2℃的大負(fù)值中心。

圖6 典型覆冰年份太平洋（a）、印度洋（b）和大西洋（c）的海溫距平場合成（單位：℃）

從3個海域典型覆冰年份海溫距平SSTA合成場的前期季節(jié)演變特征來看，赤道中東太平洋，從夏季到秋季，海溫由偏高轉(zhuǎn)為偏低，大多由于EL NINO事件減弱，LA NINA事件發(fā)展的緣故，遠(yuǎn)離赤道太平洋的海域，從夏季到秋季，海溫由偏低轉(zhuǎn)為偏高，在北太平洋最為明顯；而在大西洋，從夏季到秋季，以赤道為界，北大西洋海溫距平由負(fù)轉(zhuǎn)為正，而南大西洋，自西向東海溫距平由夏季的“正、負(fù)、正”轉(zhuǎn)為秋季的一致為負(fù)的分布；印度洋的海溫距平從夏季的類似鞍形場分布，轉(zhuǎn)為秋季的大范圍的海域為海溫負(fù)距平，只有北印度洋的靠大陸附近的很小的一部分海域為正海溫距平。從3個海域典型覆冰年份的海溫距平SSTA分析發(fā)現(xiàn)，典型覆冰年份與LA NINA事件關(guān)系較為密切。

3 結(jié)果與討論

通過上述分析，得出以下結(jié)論：

（1）廣西覆冰主要出現(xiàn)在12月、1月和2月，其中1月最多，12月次之；廣西各地冬季覆冰主要分布在桂北，其中覆冰出現(xiàn)最多的是資源、全州、興安、灌陽四縣。

（2）廣西覆冰有較明顯的年際變化特征，表現(xiàn)為逐年減輕的趨勢。用Mann-Kendall突變檢驗方法對覆冰站次數(shù)序列進(jìn)行檢驗，得出20世紀(jì)廣西覆冰有一次較顯著的減少過程，突變發(fā)生在20世紀(jì)80年代中期。

（3）在廣西典型覆冰年份，500 hPa歐亞大陸中高緯地區(qū)環(huán)流經(jīng)向度比較大，呈明顯的“兩槽一脊”型，低緯度南支槽活躍，廣西處于南支槽前，500 hPa距平場上對應(yīng)“北正南負(fù)”的形勢；海平面氣壓場上，我國中東部及廣西大部分地區(qū)受地面冷高壓脊控制，并且這一帶冷空氣活動比常年平均強(qiáng)或者頻繁。

（4）廣西導(dǎo)線覆冰的氣象條件是：覆冰天氣出現(xiàn)前兩天低溫寡照，一般2 d內(nèi)至少有1 d伴有降水；覆冰出現(xiàn)當(dāng)日，日最低氣溫在0.2℃以下，風(fēng)速＜5 m/s，以北風(fēng)為主，有雨凇出現(xiàn)，一般伴有弱降水，毛毛雨最為有利。

（5）廣西典型覆冰年份，赤道中東太平洋，從夏季到秋季，海溫由偏高轉(zhuǎn)為偏低，大多由于EL NINO事件減弱、LA NINA事件發(fā)展的緣故，到冬季SSTA維持為負(fù)距平，說明廣西覆冰與LA NINA事件有較密切的關(guān)系。

廣西覆冰在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)突然的減輕，這和全球變暖、大氣、海洋環(huán)境的變化可能有一定的聯(lián)系，由于篇幅有限，本人的另一塊的工作就是從大氣、海洋以及全球變暖等與廣西輸電線路覆冰的關(guān)系入手，研究全球氣候變化、大氣、海洋環(huán)境等的變化是否影響了覆冰的輕重程度，并進(jìn)一步研究它們的影響機(jī)理。