孫秀博 張婉瑩 張建強 羅聰

(1.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166；2.東北冷渦研究重點開放實驗室，遼寧 沈陽 110166； 3.遼寧省氣象服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110166； 4.本溪市人工影響天氣辦公室，遼寧 本溪 117000; 5.遼寧省氣象學會，遼寧 沈陽 110166)

引言

電線覆冰是指雨凇、霧凇或者濕雪凍結(jié)在輸電線路上的一種現(xiàn)象。電線覆冰對公共交通安全和電力、通訊行業(yè)等公共基礎(chǔ)設(shè)施有著十分重要的影響，電線覆冰會引起電網(wǎng)倒塔和斷線等電力事故發(fā)生。如2008年1—2月持續(xù)近1個月的低溫雨雪冰凍天氣，使中國南方13個省市的電力設(shè)施受到不同程度的破壞[1]。我國電線覆冰存在明顯南北差異，南方地區(qū)以雨凇為主，北方地區(qū)主要以霧凇為主，且海拔越高，年覆冰日數(shù)越多[2-3]。近年來，國內(nèi)學者開展了很多電線覆冰方面的研究。劉赫男等[4]、周悅等[5]、龔強等[6]分別對黑龍江、湖北和遼寧電線覆冰的氣候特征、氣象條件和冰區(qū)劃分進行了研究；也有一些學者針對各自地區(qū)電線覆冰特征分析了有利于電線覆冰發(fā)生的海氣場特征及其與大尺度環(huán)流背景關(guān)系[7-9]；另外，還有學者在建立電線覆冰模型及厚度預(yù)報產(chǎn)品方面取得了一些研究進展[10-12]。

遼寧(118°53′—125°46′E，38°43′—43°26′N)位于中國東北地區(qū)南部，屬溫帶大陸性氣候，日照豐富，四季分明，境內(nèi)地勢復雜多變[13]。遼寧省電線覆冰現(xiàn)象以霧凇引起的覆冰為主，空間分布不均勻，電線覆冰日數(shù)的年際變化幅度較大。盡管遼寧省電線覆冰現(xiàn)象相對較少，但一旦發(fā)生就會危及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，給電力部門和相關(guān)行業(yè)帶來十分嚴重的影響。目前，遼寧省針對電線覆冰氣候特征與大氣環(huán)流異常關(guān)系的相關(guān)研究工作還較少，缺乏專業(yè)服務(wù)產(chǎn)品。本文利用1980—2019年遼寧省電線覆冰觀測資料開展輸電線覆冰時空特征分析，研究遼寧省電線覆冰異常年份前期氣候背景場對電線覆冰的影響，以期為遼寧電網(wǎng)覆冰災(zāi)害預(yù)報預(yù)警服務(wù)提供科學依據(jù)，同時對開發(fā)專業(yè)電線覆冰氣象服務(wù)產(chǎn)品，防止電線覆冰引發(fā)災(zāi)害事故、確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行有著重要意義。

1 資料與方法

本文采用的數(shù)據(jù)資料主要包括：遼寧省氣象信息中心提供的1980—2019年遼寧省11個有電線覆冰觀測項目的氣象觀測站(圖1)中電線覆冰逐日觀測資料；美國國家環(huán)境預(yù)測中心/國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)再分析資料[14]，如逐月氣壓場、風場和比濕場，水平空間分辨率均為2.5°×2.5°；Hadley中心月平均海表溫度場HadISST1資料[15]，分辨率為1°×1°。

圖1 1980—2019年遼寧11個覆冰氣象站信息Fig.1 Information of 11 wire icing meteorological stations in Liaoning province from 1980 to 2019

統(tǒng)計遼寧11站1980—2019年逐日電線覆冰資料可知，遼寧省電線覆冰事件發(fā)生在10月至翌年4月，因此將每年覆冰日數(shù)定義為當年10月至翌年4月上述11站各月累計覆冰日數(shù)之和。若某日導線上出現(xiàn)電線積冰現(xiàn)象，則定義該日為電線覆冰日。為更直接了解遼寧省電線覆冰日數(shù)年際變化特征，本文引入遼寧覆冰日數(shù)指數(shù)化定義。即：將全省11站電線覆冰期的年覆冰日數(shù)相加得到全省11站逐年電線覆冰日數(shù)，標準化后將其定義為遼寧省冬季電線覆冰指數(shù)[7]。采用9點平滑濾波、小波分析等方法系統(tǒng)分析1980—2019年遼寧省冬季電線覆冰指數(shù)的年際和年代際周期變化特征。

選取1980—2019年遼寧省冬季電線覆冰指數(shù)中大于一個正標準差的年份作為電線覆冰日數(shù)偏多年，即1982年、1985年、1992年、1993年、1999年、2009年；選取小于一個負標準差的年份作為電線覆冰日數(shù)偏少年，即2008年、2012年、2013年、2014年、2017年、2018年、2019年。求出上述覆冰日數(shù)偏多年冬季(由于遼寧省電線覆冰主要發(fā)生于12月至翌年2月，因此以下環(huán)流場均采用當年12月至翌年2月資料進行分析)SST合成場、高度合成場、矢量風合成場，并與覆冰日數(shù)偏少年冬季SST合成場、高度合成場、矢量風合成場分別相減得到覆冰日數(shù)偏多年與偏少年SST、高度、矢量風的差值合成分布。

小波分析是一種信號時頻局部分析的方法，它是通過時頻變化來突出信號在某些方面的特征，具有時頻多分辨的功能[16-17]。而氣象要素因具有周期變換復雜、不固定、多時間尺度等特征，因此在研究氣象要素長期變化時，經(jīng)常會用小波分析方法對函數(shù)或信號序列進行多尺度細化分析，進而得出不同尺度周期隨時間演變的情況。依據(jù)Christopher和Gilbert的研究，定義小波系數(shù)的模部平方為小波變化功率譜；并根據(jù)IPCC第五次評估的定義，年代際時間尺度定義為10—30 a，10 a以下的周期性變化為年際變化[18-19]。

2 結(jié)果分析

2.1 遼寧電線覆冰氣候特征分析

利用1980—2019年遼寧地區(qū)11個無缺測氣象站的電線覆冰觀測資料分析遼寧電線覆冰空間分布特征。表1是遼寧11個氣象臺站近40 a年平均覆冰日數(shù)，可以得出，1980—2019年遼寧各站年平均覆冰日數(shù)處于0.3—2.7 d范圍內(nèi)，其中，年平均覆冰日數(shù)發(fā)生最多的站是營口，年平均覆冰日數(shù)達到2.7 d，丹東次之，年平均覆冰日數(shù)有2.6 d。遼寧省電線覆冰現(xiàn)象出現(xiàn)日數(shù)存在三個高值區(qū)，其年平均覆冰日數(shù)均達到1.4 d以上：一個是遼寧北部地區(qū)，主要包含沈陽和鐵嶺大部地區(qū)；一個是遼東山區(qū)，主要包括丹東、寬甸等市縣；另一個則是遼寧中西部沿海地區(qū)，主要包括營口、錦州大部地區(qū)；出現(xiàn)覆冰日數(shù)最少的地區(qū)是大連，本溪次之。

表1 1980—2019年遼寧11個覆冰氣象站年平均覆冰日數(shù)Table 1 The average annual icing days of 11 wire icing meteorological stations in Liaoning province from 1980 to 2019

通過對1980—2019年遼寧11個氣象站電線覆冰類型進行統(tǒng)計分析可知(圖2)，遼寧地區(qū)電線覆冰主要為霧凇類型，占電線覆冰總次數(shù)的三分之二以上。遼寧省電線覆冰現(xiàn)象出現(xiàn)最多的年份為1993年，最少的年份出現(xiàn)在2017年；其中，霧凇出現(xiàn)最多的年份同樣發(fā)生在1993年，所得結(jié)論與唐亞平等[20]分析結(jié)果基本一致。

圖2 1980—2019年遼寧電線覆冰發(fā)生次數(shù)年變化Fig.2 Variation of the number of occurrences of annual wire icing in Liaoning province from 1980 to 2019

從遼寧省冬季電線覆冰指數(shù)逐年變化分布可以看出(圖3)，1980—2019年遼寧電線覆冰日數(shù)呈顯著減少趨勢，2003年前后出現(xiàn)明顯變化，1980—2003年標準化距平值持續(xù)在0—1之間，2003—2019年則維持在0以下。

圖3 1980—2019年遼寧電線覆冰指數(shù)的逐年變化Fig.3 Variation of annual wire icing index in Liaoning province from 1980 to 2019

從1980—2019年遼寧省電線覆冰日數(shù)逐月分布可知(圖4)，遼寧省電線覆冰發(fā)生在10月至翌年4月，其中1月電線覆冰出現(xiàn)次數(shù)最多，共184次；12月出現(xiàn)次數(shù)次之，共出現(xiàn)152次；10月電線覆冰出現(xiàn)次數(shù)最少。

圖4 1980—2019年遼寧電線覆冰日數(shù)逐月變化Fig.4 Variation of monthly wire icing days in Liaoning province from 1980 to 2019

2.2 遼寧電線覆冰小波變化特征

為了研究1980—2019年遼寧省電線覆冰日數(shù)的年際和年代際時間尺度變化及其對遼寧省電線覆冰日數(shù)變化的貢獻，本文對1980—2019年遼寧省電線覆冰指數(shù)時間序列進行了小波分解并分析其模部平方值以得到覆冰日數(shù)的年際和年代際振蕩能量譜，并用小波變換后的方差分析不同時間尺度振蕩對覆冰日數(shù)的貢獻[21]。

從圖5可以看出，1980—2019年遼寧省電線覆冰日數(shù)具有顯著的年際變化周期，年代際變化周期不明顯,主要的年際變化周期為5—8 a，其次為2—3 a。20世紀90年代年際變化最強，其次是21世紀10年代和20世紀80年代初。20世紀80年代中后期和21世紀00年代年際變化和年代際變化都較弱。

圖5 1980—2019年遼寧電線覆冰日數(shù)的小波變換功率譜及方差分布Fig.5 Wavelet transform power spectrum and variances of distribution of wire icing days in Liaoning province from 1980 to 2019

1980—2019年年際振蕩能量經(jīng)歷了3次增強—減弱的變化(圖6a)，分別在20世紀80年代初期、90年代初期和21世紀00年代末期達到峰值，其中1992—1994年最強；而20世紀80年代中后期、21世紀00年代中期和21世紀10年代初期達到谷值，目前處于增強階段。整體來看，21世紀前年際變化振蕩較強，21世紀后年際變化較弱；年代際振蕩能量在近40 a里先減弱后加強(圖6b)，表現(xiàn)出較強的周期性，在1999年左右達到谷值，2019年左右達到峰值。

圖6 1980—2019年遼寧電線覆冰日數(shù)小波分析的年際(a)和年代際(b)能量變化Fig.6 Interannual (a) and interdecadal (b) energy of the wavelet analysis of wire icing days in Liaoning province from 1980 to 2019

總的來看，1980—2019年遼寧省電線覆冰日數(shù)年際變化較強，年代際變化較弱，主要為5—8 a的年際變化。

2.3 影響遼寧覆冰日數(shù)的環(huán)流特征分析

丁一匯等[22]總結(jié)國內(nèi)外凍雨、積冰事件，認為其形成有3個最基本的原因：一是厄爾尼諾—南方濤動(ENSO)的影響；二是歐亞大氣環(huán)流形勢或阻塞形式的異常發(fā)展；三是來自孟加拉灣和南海的大量暖濕空氣的向北輸送。電線覆冰的發(fā)生原因不是單一的，而是多種因素綜合作用的結(jié)果，這些因素在同一時段、同一地區(qū)疊加，最后導致電線覆冰氣象災(zāi)害。對于遼寧省電線覆冰日數(shù)異常發(fā)生的原因，有研究表明[23-26]，中國各地區(qū)電線覆冰多發(fā)年與ENSO事件的暖區(qū)存在聯(lián)系。由于遼寧地區(qū)電線覆冰現(xiàn)象多集中于秋、冬季，而遼寧地區(qū)秋、冬季異常水汽來源主要有兩個，一是受冬季風影響，有來自西風帶緯向水汽的輸送；二是有來自日本海反氣旋性環(huán)流經(jīng)向異常水汽的輸送[27]。本文主要從強、弱覆冰年前期海溫場、同期高度場和風場3個方面進行對比，分析影響遼寧年覆冰日數(shù)的典型海溫和大氣環(huán)流特征。

海溫變化與區(qū)域氣候變化關(guān)系密切，在海溫(SST)變化上，本文主要關(guān)注ENSO區(qū)和對秋冬季遼寧地區(qū)有異常水汽輸送的鄂霍茨克海、黑潮區(qū)、日本海、渤海等關(guān)鍵海區(qū)。從圖7a可見，在覆冰日數(shù)偏多年，赤道太平洋地區(qū)SST距平表現(xiàn)為El Nino型，即太平洋中東部異常偏暖，西部異常偏冷，異常正、負值中心分布零散，SST距平正值中心值居于0.3 ℃以上；鄂霍茨克海、黑潮區(qū)、日本海、渤海海溫異常偏冷。從圖7b可見，覆冰日數(shù)偏少年9—11月SST異常合成分布與偏多年相反，在赤道東太平洋為負距平，赤道中西太平洋為正距平；其中，正值中心位于150°—170°E，負值中心位于90°—110°W附近，正負異常中心強度差異不大。北半球太平洋海溫整體異常偏高，鄂霍茨克海、黑潮區(qū)、日本海、渤海海溫異常偏高，日本海和黑潮區(qū)有明顯高值中心。與高指數(shù)年海溫相比，主要關(guān)注的關(guān)鍵海區(qū)海表溫度基本呈反相。由圖7c可以看出，遼寧省覆冰偏多年與偏少年秋季9—11月SST距平之差表現(xiàn)為El Nino型分布，即在赤道太平洋海表溫度由西向東呈現(xiàn)“-+”模態(tài)分布，北半球太平洋海溫整體偏低，日本海和黑潮區(qū)存在明顯的海溫負異常(其中日本海海區(qū)負異常通過90%顯著性檢驗)，SST距平負中心較常年偏低0.6°C以上。

單位為℃；圓點區(qū)域為通過90%信度檢驗圖7 遼寧覆冰日數(shù)偏多年(a)、偏少年(b)以及偏多年減偏少年(c)前期秋季(9—11月)SST 異常差值合成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

從遼寧覆冰日數(shù)偏多年和偏少年12月至翌年2月500 hPa高度場距平合成圖可見(圖8)，覆冰日數(shù)異常偏多年，北半球亞洲地區(qū)緯向為“北高南低”的形勢，烏拉爾山高壓脊偏強，遼寧以北的貝加爾湖上空存在異常反氣旋中心，經(jīng)向由西向東為“低—高—低”的趨勢，太平洋中高緯度存在異常氣旋性中心，冬季風偏強，經(jīng)向環(huán)流加強，引導冷空氣南下。冷空氣南下和較冷的水汽供應(yīng)是霧凇型電線覆冰的基本條件[1,24]，從遼寧覆冰日數(shù)偏多年和偏少年12月至翌年2月850 hPa風場距平合成分布可以看出(圖9)，太平洋中低緯度存在異常氣旋性風場，30°N緯向風較強，亞洲大陸貝加爾湖附近存在異常反氣旋環(huán)流，北太平洋中部存在異常氣旋環(huán)流。遼寧省經(jīng)緯度范圍約為38°—44°N、118°—126°E，受到貝加爾湖異常反氣旋環(huán)流東南側(cè)東北氣流控制，東部鄂霍茨克海上空存在弱的反氣旋環(huán)流，使得日本海有異常偏東風將水汽輸送至遼寧上空，由于日本海海區(qū)海表溫度異常偏低，因此輸送的水汽溫度較低。

單位為gpm；圓點區(qū)域為通過90%信度檢驗圖8 遼寧覆冰日數(shù)偏多年和偏少年12月至翌年2月500 hPa位勢高度距平場差值合成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

圖9 遼寧覆冰日數(shù)偏多年和偏少年12月至翌年2月850 hPa風場距平差值合成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

由上文可見，遼寧地區(qū)電線覆冰異常偏多年的產(chǎn)生是日本海區(qū)異常偏低的海溫場和北半球大氣環(huán)流共同作用的結(jié)果，當北太平洋中部海溫分布呈現(xiàn)El Nino型時，西北太平洋海表溫度整體偏冷，日本海區(qū)存在明顯負異常；同時大陸上貝加爾湖上空存在高壓中心，北半球亞洲地區(qū)緯向為“北高南低”的形式，冬季風偏強，冷空氣南下頻繁。遼寧受到貝加爾湖異常反氣旋環(huán)流東南側(cè)東北氣流控制，鄂霍茨克海上空存在弱反氣旋環(huán)流，導致日本海上空有異常東風，當南下冷空氣與東側(cè)日本海輸送的偏冷水汽交匯，容易產(chǎn)生溫度較冷的大霧，引發(fā)霧凇現(xiàn)象，過冷水汽在電線上凝結(jié)，導致電線覆冰現(xiàn)象的發(fā)生。專業(yè)氣象預(yù)報人員在進行電線覆冰預(yù)報時，需要時刻關(guān)注前期海溫和同期大氣環(huán)流場，有利于提升專業(yè)氣象預(yù)報準確率。

3 結(jié)論與討論

(1) 1980—2019年遼寧電線覆冰次數(shù)發(fā)生最多的是丹東地區(qū)，累計覆冰次數(shù)達到105次。遼寧省電線覆冰現(xiàn)象出現(xiàn)次數(shù)存在三個高值區(qū)，累計覆冰次數(shù)達55次以上，一個是遼寧北部地區(qū)，一個是遼東山區(qū)，另一個則是遼寧中西部沿海地區(qū)。覆冰次數(shù)最少的地區(qū)則出現(xiàn)在大連，本溪次之。遼寧地區(qū)電線覆冰以霧凇類型為主，覆冰現(xiàn)象出現(xiàn)最多的年份為1993年，霧凇出現(xiàn)最多的年份同樣發(fā)生在1993年，雨凇出現(xiàn)最多的年份為1992年和1993年，最少的年份出現(xiàn)在2017年。1980—2019年遼寧電線覆冰日數(shù)呈顯著減少趨勢，覆冰事件發(fā)生在10月至翌年4月，其中1月出現(xiàn)覆冰日數(shù)最多，12月次之，10月最少。

(2) 1980—2019年遼寧省電線覆冰日數(shù)具有顯著的年際變化周期，年代際變化周期不明顯，主要的年際變化周期為5—7 a，其次為2—3 a，總體表現(xiàn)為始終存在一個振蕩周期穩(wěn)定的5—7 a的年際振蕩。1980—2019年年際振蕩能量經(jīng)歷了3次增強—減弱的變化，分別在20世紀80年代初期、90年代初期和21世紀00年代末期達到峰值，其中1992—1994年最強；而20世紀80年代中后期、21世紀00年代中期和21世紀10年代初期達到谷值，目前處于增強階段；年代際振蕩能量在近40 a 里先減弱后加強，在1999年左右達到谷值，2019年左右達到峰值，目前處于增強階段。

(3) 遼寧省覆冰偏多年與偏少年秋季9—11月SST距平之差表現(xiàn)為El Nino型分布。覆冰日數(shù)異常偏多年，太平洋海溫呈現(xiàn)El Nino型，西北太平洋海表溫度整體偏冷，日本海區(qū)海表溫度存在明顯負異常；同時大陸上貝加爾湖上空存在高壓中心，北半球亞洲地區(qū)緯向為“北高南低”的形式，冬季風偏強，冷空氣南下頻繁。遼寧受到貝加爾湖異常反氣旋環(huán)流東南側(cè)東北氣流控制，鄂霍茨克海上空存在弱反氣旋環(huán)流，導致日本海上空有異常東風，當南下冷空氣與東側(cè)日本海輸送的偏冷水汽交匯，容易導致溫度較冷的大霧，引發(fā)霧凇現(xiàn)象，過冷水汽在電線上凝結(jié)，導致電線覆冰現(xiàn)象的發(fā)生。專業(yè)氣象預(yù)報人員在進行電線覆冰預(yù)報時，在關(guān)注當?shù)卮髿鈱有眽航Y(jié)構(gòu)和氣溫的同時，還需關(guān)注前期海溫背景場和同期大氣環(huán)流形勢，才能取得較好的預(yù)報效果。

doi:10.1029/2002JD002670.