王奇，張厚榮，宗蓮，蘇浩輝，楊元建，高志球

(1. 中國南方電網(wǎng)超高壓檢修試驗中心，廣東廣州510663；2. 南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇南京210044)

1 引 言

南方冬季的主要氣象災(zāi)害(道路結(jié)冰、電線覆冰、作物凍害等)是由寒潮過程中的持續(xù)冰凍雨雪天氣造成的，給南方地區(qū)的交通運輸、電力保障、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、通訊設(shè)備等方面帶來了巨大損失。導(dǎo)線覆冰一直是南方電網(wǎng)超高壓輸電線路的最嚴重氣象災(zāi)害之一，直接威脅著輸電線路的運行維護。例如，2008 年1 月中旬—2 月初我國南方發(fā)生了大范圍冰凍雨雪災(zāi)害天氣，使得湖南、貴州、廣西、湖北20 個省(區(qū))遭受重大災(zāi)害，受災(zāi)群眾達1 億多人，直接經(jīng)濟損失達1 500 億元[1]。此次南方冰凍雨雪天氣過程，500 kV 輸電線路倒塔共506 基，各級電網(wǎng)的輸電線路的塔桿遭受嚴重損害[2]。可見，極端冰凍雨雪天氣帶來的嚴重危害，研究冬季電線覆冰的天氣成因顯得尤為重要。總之，對南方持續(xù)冰凍雨雪天氣的成因分析和準(zhǔn)確預(yù)報，提前應(yīng)對其可能造成的氣象災(zāi)害，減少經(jīng)濟損失和保護人民生產(chǎn)生活安全，具有十分重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。

目前大多數(shù)學(xué)者主要從大氣環(huán)流、局地氣象要素、熱動力結(jié)構(gòu)以及水汽輸送等方面開展了大量南方冰凍雨雪天氣研究工作。例如，已有研究[3-5]從大氣環(huán)流異常分析了2018年1月的低溫冰凍雨雪天氣成因，發(fā)現(xiàn)阻塞高壓長期維持，烏拉爾山高壓脊發(fā)展強烈，脊前的偏北引導(dǎo)氣流將冷空氣向南輸送，槽前西南氣流向北輸送水汽，925～700 hPa 之間逆溫層大范圍的穩(wěn)定存在，冷空氣和暖濕氣流交匯為冰凍雨雪天氣發(fā)生提供了條件；高洋等[6]從地面和大氣垂直熱力結(jié)構(gòu)配置和氣候異常角度出發(fā)，診斷認為2008 年1 月南方平均地面氣溫較往年偏低4～6 ℃，對流層中下層平均大氣偏暖，底層北風(fēng)強勁導(dǎo)致當(dāng)年出現(xiàn)了罕見的冰凍雨雪災(zāi)害；廖圳[7]針對1980年以來8次持續(xù)性低溫雨雪冰凍事件進行環(huán)流分型特征分析，認為這些事件主要與單阻型和雙阻型的大尺度環(huán)流特征有關(guān)；吳俊杰等[8]認為印度洋中部赤道地區(qū)對流加強而印度尼西亞對流抑制的熱帶季節(jié)內(nèi)慣性振蕩特征為2008年南方持續(xù)性降水提供了充足的水汽條件。此外，也有不少學(xué)者深入研究了低溫冰凍雨雪天氣下的電線積冰問題，李長順等[9]結(jié)合福建省歷史電線觀測資料，通過對福建省天氣、氣候條件的分析認為降水天氣(或充足水汽)和較低的氣溫是電線積冰形成的主要天氣條件；殷水清等[10]根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP 模型建立了全國電線結(jié)冰厚度分布及預(yù)報等級模型，但該模型僅從氣象要素預(yù)報積冰，使得該模型需要改進的空間仍然很大；更多的學(xué)者通過研究電線積冰的微物理機制過程進行積冰厚度的模擬研究[11-12]。

鑒于輸電線路積冰帶來的危害損失之大，找到輸電線路覆冰的天氣學(xué)成因，提高電線覆冰發(fā)生預(yù)報率，亟待解決。

2015 年 1 月 26 日—2 月 8 日，寒潮入侵，冷空氣南下與西南的暖濕氣流交匯，廣西桂林、貴州黔東南、云南昭通等多地多根超高壓輸電線形成覆冰，影響電力輸送和通信。此次降溫過程持續(xù)時間長，影響范圍廣，對線路造成的影響較大。廣西地區(qū)是我國南方電網(wǎng)西電東送輸電的重要通道，在此期間，廣西區(qū)超高壓輸電線的覆冰觀測記錄顯示，73%的塔桿出現(xiàn)不同程度覆冰，最大覆冰厚度為24.82 mm。桂林市北部地處桂北高寒山區(qū)，因此桂山線輸電線有著覆冰增長速度快、覆冰厚度大的特點，為南方電網(wǎng)防冰特殊區(qū)段，該區(qū)域現(xiàn)場溫度與天氣預(yù)報溫度往往存在6~8 ℃的差別。在這次寒潮過程中，桂山線的標(biāo)準(zhǔn)覆冰厚度為17.84 mm，覆冰比值為1.19(設(shè)計冰厚15 mm)，且在進行人工融冰后仍多次反復(fù)積冰，給電力部門工作增加了不少困難。故本文將以此次覆冰過程為例，系統(tǒng)研究了超高壓輸電線覆冰的天氣學(xué)成因。

2 資料與方法

本研究以廣西區(qū)北部桂林灌陽縣桂山地區(qū)的超高壓輸電線路塔桿A 和B(由于涉及電力安全信息保密，這里僅用A 和B 代稱塔桿的具體名稱)為典型，多年來A、B 塔桿多次覆冰嚴重，覆冰增長快，厚度大，其經(jīng)緯度范圍為：110.75~110.81 °E，25.26~25.27 °N。2015年1月28—31日，受南支槽和冷空氣共同影響，桂林出現(xiàn)較強的降溫過程，灌陽縣桂山區(qū)域的超高壓輸電線路出現(xiàn)一次連續(xù)覆冰事件，覆冰嚴重區(qū)域主要集中在桂山線，其最大覆冰厚度分布概率如圖1所示，嚴重影響人民生產(chǎn)生活，電網(wǎng)公司進行了兩次作業(yè)融冰。

圖1 2015年1月26日—2月8日連續(xù)覆冰過程中廣西區(qū)輸電線路最大覆冰厚度分布概率

本研究中用到的氣溫和覆冰厚度數(shù)據(jù)都來自超高壓輸電線路覆冰觀測系統(tǒng)，小時降水量數(shù)據(jù)來自距離觀測區(qū)域28 km 灌陽縣的常規(guī)氣象觀測站。為分析覆冰過程的天氣形勢和溫濕層結(jié)狀況，還使用了2015年1月27日—2月7日的歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，簡稱 ECMWF)的 ERA5再分析資料(范圍為70～ 160 °E，10～70 °N)，分辨率為0.25 ° × 0.25 °。

為了找出超高壓輸電線覆冰發(fā)生的大尺度環(huán)流前兆信號，本文還計算了西伯利亞高壓強度指數(shù)、東亞大槽強度指數(shù)、西太平洋副熱帶高壓指數(shù)等大氣環(huán)流指數(shù)。西伯利亞高壓強度指數(shù)為80～120 °E，40～65 °N 的平均海平面氣壓標(biāo)準(zhǔn)化后的值[13]；東亞大槽強度指數(shù)為110～145 °E，25～45 °N 的500 hPa 高度場標(biāo)準(zhǔn)化的值[14]；由于覆冰期間西太副高較偏西，故西太副高范圍選為10 °N 以北，90～160 °E，其面積指數(shù)為該范圍內(nèi)500 hPa位勢高度>588 gpm 的網(wǎng)格點數(shù)，強度指數(shù)為位勢高度>588 gpm 的網(wǎng)格與587 gpm 的差值累積，西脊點為588 等值線最西位置的經(jīng)度；850 hPa 西太副高指數(shù)為110～150 °E，10～30 °N 的850 hPa位勢高度的平均距平值[15-17]。

3 結(jié)果分析

3.1 覆冰過程概況

圖2 為 2015 年 1 月 29 日—2 月 7 日期 間三次覆冰的過程概況，表1 為A、B 兩根塔桿的覆冰第Ⅰ階段(初次覆冰和再次覆冰，1 月 29 日—2 月 2 日)、第Ⅱ階段(三次覆冰，2 月4—6 日)的最大覆冰厚度及其時間和氣溫。在1月29日12:00(北京時間，下同)左右開始結(jié)冰，其中A 塔桿在1 月31 日覆冰厚度達到24.82 mm，平均覆冰增長率為0.58 mm/h，其氣溫低至-4.1 ℃；B 塔桿最大覆冰厚度為14.71 mm，平均覆冰增長率為0.48 mm/h，因影響輸電線路的保障，電網(wǎng)公司進行了“直流融冰”。但由于強勁的冷空氣持續(xù)入侵，31 日輸電線再次積冰，B塔桿積冰厚度達16.40 mm，氣溫為-3.2 ℃；2 月4日凌晨，輸電線三次覆冰，在中午達到最大覆冰，但不超過5 mm，隨著冷空氣減弱，2 月5 日覆冰逐漸融化。由于微地形的影響，兩根塔桿的初始覆冰時間和達到最大覆冰時間不同，且覆冰達到一定厚度進行了人工消融，但第三次覆冰程度較輕，積冰自然融化。

圖2 2015年1月29日—2月7日塔桿A(實線)和B(虛線)的覆冰厚度時間序列圖

表1 該覆冰過程塔桿A和B的三次最大覆冰概況

3.2 覆冰過程大氣環(huán)流形勢分析

圖3 為 1 月 28 日—2 月 6 日期間每日 08 時的500 hPa 大尺度位勢高度場，1 月 28 日，貝加爾湖地區(qū)有一小槽，我國東北地區(qū)為一弱脊控制，西太副高偏西，東亞大槽已到達日本地區(qū)；29日東移發(fā)展的小槽越過貝加爾湖地區(qū)到達我國東北地區(qū)，等壓線密集，南支槽逐漸緩慢東移，副高加強東退至105 °N；30 日小槽發(fā)展為大槽，受低壓槽影響，冷空氣南下，迅速降溫，強盛的西太副高將海洋上的水汽輸送至南方；31日阻塞高壓逐漸減弱東移，脊前小槽迅速發(fā)展經(jīng)新疆、青藏高原南下，南支槽強盛逐漸東移；槽后脊前的偏北氣流引導(dǎo)源源不斷的冷空氣南下，但西太副高的異常強盛對冷空氣有所削弱，到2 月4 日，槽緯向加深對廣西地區(qū)的影響加大，阻塞高壓東移南下；2 月5—6 日，低槽東移入海，雖然冷渦逐漸南下，但是在強勁的阻塞高壓阻擋下，對南方地區(qū)的影響逐漸削弱。

圖3 500 hPa大尺度環(huán)流形勢場

圖4 為850 hPa 位勢高度場和溫度場，其中等值線為位勢高度場，填色為溫度場，矢量場為水汽通量，1 月28—29 日東北冷渦東移入海，第一輪冷空氣自北向南入侵南方，廣西桂林地區(qū)位于鋒區(qū)附近，鋒區(qū)北側(cè)為干冷空氣，鋒區(qū)南側(cè)則為暖濕氣流，兩股屬性相反的空氣于桂林上空交匯，當(dāng)冷空氣強于暖空氣時則迅速降溫，過冷液滴凍結(jié)或過冷霧滴凝華導(dǎo)致電線積冰；當(dāng)暖空氣強于冷空氣時，則氣溫回升導(dǎo)致積冰融化。貝加爾湖東側(cè)小脊發(fā)展，脊前小槽引導(dǎo)新一輪冷空氣沿新疆、青海、青藏高原東南側(cè)南下，影響西南地區(qū)，故31 日和2 月1 日時，兩股冷空氣匯合，降溫持續(xù)，高壓東移南下，弱暖平流北上，但是很快蒙古高壓再次生成，弱冷平流南下，冷暖平流交替影響西南山區(qū)。

圖4 850 hPa大尺度環(huán)流形勢場

2015 年 1 月 28 日—2 月 6 日的冷空氣過程前期應(yīng)該是橫槽轉(zhuǎn)豎并向南加深，引導(dǎo)冷空氣大舉南下導(dǎo)致寒潮天氣爆發(fā)，隨著阻塞高壓崩潰再建，新一股冷空氣自新疆-青藏高原東南側(cè)南下，兩股冷空氣匯合加強降溫，隨著西伯利亞高壓不斷東移南下，帶來的弱冷空氣影響桂林地區(qū)，高壓后部的偏南氣流將海上的暖濕氣流向北輸送水汽。在第Ⅰ階段，冷空氣強盛，較多水汽由南向北輸送，而第Ⅱ階段冷空氣較弱，水汽輸送小甚至在高壓后部的偏北氣流影響下由北向南輸送，故第Ⅰ階段電線覆冰速度快，覆冰厚度大，第Ⅱ階段則相反。

3.3 覆冰過程溫濕條件分析

圖5 和圖6 為整個覆冰事件的溫度和相對濕度的垂直剖面，在第Ⅰ和第Ⅱ階段的覆冰初生階段邊界層上部都出現(xiàn)了強的暖濕氣流抬升北上，而近地層冷空氣南下下沉入侵，對流層低層有強逆溫層存在，逆溫層阻礙了空氣的垂直運動，使得大量水汽聚集在逆溫層下面，在與逆溫層下低于0 ℃的冷空氣層配合下，常常出現(xiàn)冰凍雨雪天氣，有利于特高壓輸電線的覆冰。

圖5 溫度垂直剖面的時間序列

圖6 相對濕度垂直剖面的時間序列

圖7 為桂林上空850 hPa 水汽通量輸送，1 月28—29日桂林位于850 hPa高壓后部，偏南氣流輸送較多的水汽至桂林上空，為電線積冰提供水汽條件，高壓東移入海，水汽輸送減弱，盡管不斷有高壓系統(tǒng)南下，等壓線稀疏，水平氣壓梯度力減小，水汽輸送也減少。當(dāng)高壓系統(tǒng)移至桂林西側(cè)時，水汽輸送的方向也由南轉(zhuǎn)向北。

圖7 850 hPa水汽通量輸送

圖8 為該過程A、B 塔桿的實時溫度和灌陽縣的日總降水量，A 和B 的溫度差異不大，在電線覆冰期間，A 和B 的溫度均低于0 ℃，最低溫為-4.6 ℃，第Ⅰ階段氣溫低于第Ⅱ階段；整個過程共8天出現(xiàn)降雨天氣，雖然降雨量均未超過5 mm，但在溫度低于0 ℃時，過冷卻水滴接觸到導(dǎo)線形成積冰，當(dāng)大氣無降水或降水較弱時，空氣中的過冷霧滴也可在導(dǎo)線上直接凍結(jié)積冰。

圖8 覆冰期間A、B塔桿的實時觀測溫度(a)和灌陽縣日總降水量(b)

4 討 論

4.1 覆冰第Ⅰ和第Ⅱ階段溫濕條件對比

圖9 和圖10 分別為第Ⅰ和第Ⅱ階段的最大覆冰時刻的緯向溫濕垂直剖面，紅色箭頭代表暖濕空氣，藍色箭頭為干冷空氣，桂林在兩個階段都具有“冷-暖-冷”的垂直結(jié)構(gòu)，這被認為是凍雨天氣出現(xiàn)時的典型垂直結(jié)構(gòu)[18-21]，大氣層結(jié)逆溫明顯，水汽充沛有利于輸電線覆冰的增長、維持。第Ⅰ階段逆溫層較第Ⅱ階段深厚，其南下的干冷空氣也較第Ⅱ階段強，水汽也較第Ⅱ階段充沛，故第Ⅱ階段覆冰很快就隨暖空氣下沉增溫而融化。

圖9 第Ⅰ階段的最大覆冰時刻的緯向溫度(左)、濕度(右)垂直剖面

圖10 第Ⅱ階段的最大覆冰時刻的緯向溫度(左)、濕度(右)垂直剖面

4.2 與大尺度大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)性分析

西伯利亞高壓帶來的強冷空氣入侵我國南下，高壓前部的冷空氣與南方的暖空氣相遇，若冷空氣勢力強于暖空氣，則形成冷鋒，冷鋒過境后帶來的寒潮對我國冬季降溫過程影響較大。而西太副高在冬季偏西偏強時，副高后部的西南氣流將引導(dǎo)暖濕氣流向西南地區(qū)輸送，在地勢較高的山區(qū)，冷空氣堆積迫使暖濕氣團抬升形成準(zhǔn)靜止鋒[22]，使得電線積冰更容易形成。故通過西伯利亞高壓指數(shù)和東亞大槽強度指數(shù)來判別冷空氣強弱，利用西太副高指數(shù)判別暖濕空氣強弱，以此分析覆冰過程冷暖空氣變化。圖11為覆冰期間各項指數(shù)的變化。其中西伯利亞高壓高指數(shù)對應(yīng)強西伯利亞冷高壓，東亞大槽低指數(shù)對應(yīng)強東亞大槽，在覆冰前期，西伯利亞高壓指數(shù)降低，東亞大槽強度不斷增強，第Ⅱ階段西伯利亞高壓較第Ⅰ階段弱，但東亞大槽強度較第Ⅰ階段強，總體而言第Ⅰ階段冷空氣強于第Ⅱ階段。西太副高各項指數(shù)中，除低西脊點指數(shù)對應(yīng)西太副高偏西外，其余高指數(shù)均對應(yīng)強盛西太副高，可看出覆冰期間西太副高偏西偏強。為進一步討論西伯利亞高壓、東亞大槽以及西太副高與覆冰厚度間的關(guān)系，分析其超前滯后相關(guān)性(表2)，西伯利亞高壓強度，東亞大槽強度及西太副高西脊點指數(shù)在延時為0時，指數(shù)與最大覆冰厚度相關(guān)性最高(相關(guān)系數(shù)分別為0.659、0.661和0.615)，而西太副高面積指數(shù)和850 hPa副高指數(shù)在超前兩天時相關(guān)性最高(相關(guān)系數(shù)分別為0.818 和0.641)，而西太副高強度指數(shù)在延時為1 天時與覆冰厚度最相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.686)。整體而言，各項指數(shù)都能在提前0~2 天時對最大覆冰厚度有較明顯的前兆信號。

表2 各項指數(shù)逐日變化與日最大覆冰厚度變化的超前和滯后相關(guān)系數(shù)

圖11 覆冰過程各項指數(shù)變化

在當(dāng)前的覆冰預(yù)報研究中[9-12]，從電線覆冰的微物理過程、局地氣象要素及天氣形勢出發(fā)對電線覆冰厚度等級進行預(yù)測，與實際電線的覆冰仍有較大差距。在此次桂林北部電線覆冰過程中，我們發(fā)現(xiàn)垂直溫濕層結(jié)的緯向分布更直觀地顯示了冷暖氣團的強弱，干濕屬性，其中第Ⅰ階段冷氣團水汽更充沛電線覆冰越厚；進一步地，找到各項大氣環(huán)流指標(biāo)與覆冰厚度的超前滯后相關(guān)關(guān)系，西伯利亞高壓、東亞大槽和西太副高等大氣環(huán)流指數(shù)能在提前0~2 天給出了明顯的前兆信號。此次個例分析的結(jié)論對覆冰預(yù)報有一定的指導(dǎo)意義，但在未來的覆冰預(yù)報中，我們可在現(xiàn)有的覆冰預(yù)報基礎(chǔ)上，再從溫濕層結(jié)分析南北緯向上冷暖氣團的強弱，建立定量的冷暖空氣強弱指標(biāo)和干濕氣團屬性指標(biāo)。并進一步結(jié)合西伯利亞高壓、東亞大槽以及西太副高甚至東亞高空急流[23]等大尺度環(huán)流指數(shù)和南方電網(wǎng)超高壓輸電線歷史覆冰數(shù)據(jù)，建立更具普適性的覆冰概率和強度預(yù)報方法，以提高覆冰發(fā)生的預(yù)報準(zhǔn)確率，為電力部門提前應(yīng)對輸電線路覆冰提供科學(xué)決策信息，以保障人民生活生產(chǎn)，將電線覆冰的損失降到最低。

5 結(jié) 論

本文通過分析廣西桂林2015 年1 月28 日—2月6日超高壓輸電線路一次連續(xù)覆冰事件，從天氣形勢、溫濕層結(jié)、氣象要素以及大氣環(huán)流指數(shù)方面系統(tǒng)分析了覆冰的天氣學(xué)成因，覆冰的形成主要與北方干冷空氣與南方暖濕空氣交匯形成的準(zhǔn)靜止鋒有關(guān)，兩股空氣勢力的主導(dǎo)方很大程度決定了輸電線路積冰與否以及積冰厚度。

(1) 大尺度環(huán)流形勢方面：本次冷空氣過程前期屬于橫槽轉(zhuǎn)豎，冷渦迅速東移入海，極渦強盛引導(dǎo)東亞大槽不斷重建東移南下，隨著阻塞高壓崩潰再建，冷空氣自新疆-青藏高原東側(cè)南下，西太平洋副熱帶高壓偏西偏強引導(dǎo)西南氣流將海洋上的暖濕氣流向我國西南地區(qū)輸送。在桂林上空冷暖氣團勢力相當(dāng)，相互對峙，冷暖氣團的主導(dǎo)作用使得鋒面來回擺動，在山脈阻擋和流場共同作用下形成準(zhǔn)靜止鋒。冷氣團主導(dǎo)且水汽充沛有利于電線積冰，而暖氣團主導(dǎo)時則有益于積冰融化。

(2) 溫濕垂直層結(jié)方面：在覆冰初生階段，邊界層上部出現(xiàn)強的暖濕氣流北上，而近地層冷空氣南下入侵出現(xiàn)逆溫，第Ⅰ階段逆溫層較第Ⅱ階段深厚，且第Ⅰ階段冷空氣較強盛水汽更充沛，故第Ⅰ階段覆冰厚度遠大于第Ⅱ階段。

(3) 局地氣象要素方面：從氣溫、水汽通量來看，第Ⅰ階段氣溫更低，向桂林地區(qū)的水汽通量輸送更多，在兩次覆冰階段前期都出現(xiàn)了降水，在溫度低于0 ℃的高寒山區(qū)，降落的雨滴在輸電線上凍結(jié)成毛玻璃狀透明或半透明的冰層，空氣中水汽也可直接凝華使得覆冰增長，影響覆冰增長速率。

(4) 大氣環(huán)流指數(shù)方面：以西伯利亞高壓強度指數(shù)和東亞大槽強度指數(shù)表征冷空氣強度，以西太副高指數(shù)表征暖濕空氣強度，覆冰期間西伯利亞高壓和東亞大槽強盛，西太平洋副熱帶高壓也偏西強盛，促使冷空氣南下有暖濕氣流北上形成對峙，在高寒山區(qū)形成準(zhǔn)靜止鋒。大尺度環(huán)流指數(shù)的變化對覆冰發(fā)生及厚度的預(yù)報有較好的指示意義。

此次過程位于鋒區(qū)附近的桂林北部山區(qū)在冷空氣和暖濕氣流的共同作用下形成電線積冰，由于準(zhǔn)靜止鋒并不是完全靜止的，鋒區(qū)的移動影響著輸電線路的覆冰狀況，冷空氣強于暖空氣時且水汽充沛時，更有利于電線積冰，而當(dāng)暖空氣強于冷空氣時，更易導(dǎo)致積冰的融化?？煽闯鲈诟脖陂g主要由冷空氣引導(dǎo)，第Ⅱ階段融冰期間為暖空氣主導(dǎo)。

本文僅從2015年桂林山區(qū)輸電線的一次連續(xù)覆冰過程的個例分析，對輸電線路覆冰預(yù)報具有一定指導(dǎo)意義，為了使結(jié)論更具有普適性，今后會更深入地建立一種客觀分析方法，結(jié)合多模式集合預(yù)報[24]，建立天氣形勢、氣象指標(biāo)以及大氣環(huán)流指數(shù)同中國南方電網(wǎng)輸電線覆冰事件的聯(lián)系，從而建立一種更具普適性的覆冰預(yù)報方法，提高覆冰發(fā)生的預(yù)報準(zhǔn)確率，便于在科學(xué)研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用中認識覆冰發(fā)生的天氣學(xué)特征，為輸電線覆冰發(fā)生預(yù)報提供科技支撐。