寧波北侖地區的一次凍雨過程分析*

康麗莉 鄧芳萍 姜文東 王燦燦

(1. 浙江省氣象科學研究所，浙江 杭州 310000；2. 國網浙江省電力公司，浙江 杭州 310027；3. 國網麗水供電公司，浙江 麗水 323000)

寧波北侖地區的一次凍雨過程分析*

康麗莉1鄧芳萍1姜文東2王燦燦3

(1. 浙江省氣象科學研究所，浙江 杭州 310000；2. 國網浙江省電力公司，浙江 杭州 310027；3. 國網麗水供電公司，浙江 麗水 323000)

2013年1月初，寧波北侖地區附近山區輸電線路上出現厚度20～30 mm的嚴重凍雨覆冰。本文利用電力部門收集的詳細災情信息和歐洲中心高分辨率(0.75°×0.75°)的全球再分析資料，對此次凍雨過程進行了分析。結果表明，凍雨覆冰期間的暖濕氣流主要來自西太平洋，從海南島以東區域北上輸送到浙江省，不僅在北侖地區上空帶來大的水汽通量，還形成典型的冷暖冷的逆溫層結，具備產生凍雨的空中層結條件；雖然北侖城區地面氣溫一直在0 ℃以上，觀測不到雨凇現象，但附近海拔300～400 m以上的山區地面氣溫維持在0 ℃以下，且山區風速較大，非常有利于凍雨在地物上凍結形成凍雨覆冰；經過40 h左右的持續凍雨，北侖山區出現嚴重的覆冰災情。

凍雨；水汽通量；逆溫層結；覆冰

0 引 言

2013年1月上旬，浙江東部沿海的寧波北侖地區出現罕見的凍雨天氣，造成輸電線路上覆裹的冰厚超過20 mm，導致多條輸電線路出現斷線和跳閘的事故。分析這些事故發生的地點，大多集中在海拔300～400 m以上的山區。浙江省是一個“七山一水二分田”的省份，浙東沿海地區也以丘陵山地為主，海拔300～400 m以上的山區分布較廣，因此，山區凍雨的影響，尤其是對電網的影響不容忽視[1,2]。

歐建軍[3]等的研究表明我國凍雨出現最頻繁的省份為貴州，其次是湖南、江西等地[4,5]。浙江省的凍雨，由于氣象站觀測的雨凇日數偏少而很少受到關注，尤其是浙江東部沿海地區，受海洋影響冬季氣溫比內陸地區略高，一般認為極少會出現凍雨現象。然而，在2008年1月初南方地區發生的嚴重雨雪冰凍期間，浙江省包括東部沿海的寧波、臺州和溫州在內的大部分地市都出現了不同程度的凍雨天氣，并最終導致發生多起輸電線路倒塔斷線的嚴重事故[6]。位于浙江東部沿海的玉環氣象站，在1971—2013年間的雨凇累積日數為28 d，是浙江省雨凇累積日數第二多的測站，也說明浙東沿海地區的凍雨并不罕見。浙東沿海地區的城鎮區域海拔基本在200 m以內，轄區內氣象站海拔也均小于200 m，因此，居住在城鎮的居民很少見到發生在山區的凍雨，氣象站也很難觀測到凍雨[7]。2013年1月出現凍雨天氣后，浙江省電力部門多次派人到覆冰現場實地勘察，收集了可靠的第一手資料。因此，本文將對電力部門收集的災情資料進行詳細的分析，并利用地面氣象資料和再分析資料探討這次凍雨過程的天氣成因。

1 資料概況

ERA-Interim再分析資料是歐洲中期天氣預報中心發布的一套分辨率較高(0.75°×0.75°)的全球再分析數據集，時間分辨率為6 h，每天輸出4次(00、06、12、18UTC)，垂直方向37層(從地面至對流層高層)。本研究就利用這套再分析資料，結合探空氣象站、浙江省地面觀測數據(包括天氣現象)，以及電力部門災情資料，對2013年1月寧波北侖的這次雨雪冰凍過程，從冷空氣影響，暖濕氣流輸送，層結的垂直分布等方面進行分析。

2 凍雨過程分析

2.1 浙江電網受災情況

2013年1月3—8日，浙江省出現全省性的雨雪冰凍天氣，導致浙江電網發生較大范圍輸電線路冰凍災害，涉及寧波、臺州、麗水、金華四個地區，共造成24條110 kV及以上線路發生故障跳閘。從地域分布看，寧波地區電網受災最嚴重，共計18條線路發生故障跳閘，其中500 kV線路2條，220 kV線路15條，110 kV線路1條，占故障線路總條數的75%。

2.2 線路覆冰過程分析

寧波北侖地區在1月3日和4日出現明顯降雪，到1月5日和6日轉為雨和雨加雪天氣。1月5日中午開始，北侖地區的部分線路先后出現跳閘斷線的事故。1月6日15點左右電力部門巡線人員到達海拔400 m左右的事故區域。發現山區地面主要還是以積雪為主，樹木和草叢未見明顯的覆冰現象。由于架空輸電線路較高，當時事故區域細雨蒙蒙，能見度低，無法看清上面是否有覆冰。1月7日10點第二次巡線，山區依舊雨霧彌漫，樹木和草叢上已生長出較厚的透明狀的雨凇覆冰，有些樹枝上的覆冰有明顯的鋸齒狀(圖1)。由于能見度仍然很低，線路上的覆冰依舊無法看清。1月8日上午11點再次巡線，氣溫已有所上升，霧氣也有所消散，山區地物上的覆冰程度卻明顯加重，樹枝上鋸齒狀的覆冰已如展開的鳥翼，輸電導線上覆裹著20～30 mm以上的雨凇覆冰，也有明顯的鋸齒狀尾翼，說明凍雨期間伴隨著較大的風速。隨著天氣回暖，輸電線路上的覆冰也開始脫落，出現多起脫冰跳躍引發的電網事故。1月8日后，氣溫繼續回暖，覆冰過程結束。

圖1 寧波北侖山區冰災現場拍攝的照片(1月6—8日)

2.3 凍雨天氣過程分析

2013年1月3—8日，浙江省所有氣象站的天氣現象記錄中均未出現雨凇，只能對此期間北侖氣象站的氣溫和降水進行分析(圖2)。北侖氣象站從1月4日02時開始到1月8日，氣溫一直在0 ℃以上，所以在氣象站內是觀測不到雨凇現象的。1月6日下午至8日凌晨，北侖氣象站氣溫在1 ℃到2 ℃之間徘徊，恰好是山區覆冰最明顯的時段。按照氣溫隨海拔的遞減規律(氣溫每升高100 m降低0.6 ℃左右)計算，在海拔300～400 m以上的山區，氣溫正好處在0 ℃以下，符合雨凇生長的氣溫條件。同時，1月6日0時左右開始，出現持續性的降雨，逐小時降水量基本在1mm以內，一直持續到1月8日0時。由此可見，1月6日下午到1月8日凌晨，北侖山區的氣溫和降水都符合凍雨出現的條件，與覆冰過程時間段一致，說明北侖附近的山區確實有出現凍雨的氣象條件。

圖2 北侖氣象站1月3—8日的氣溫和降雨的逐小時變化曲線

進一步分析浙江省和周邊省份探空氣象數據(圖略)，從1月3日至8日，只有衢州、南昌和長沙探空站出現冷暖冷的探空層結，南昌和長沙的暖層中心出現高度在700 hPa左右，衢州出現在850 hPa左右，而且暖層都比較淺薄，持續時間也不長，不能解釋出現在北侖附近山區的凍雨。

3 再分析資料分析結果

2013年1月3日和4日寧波北侖地區的天氣現象主要為降雪，記為降雪期間；1月6日和7日北侖地區出現持續性凍雨，記為凍雨期間。李登文[8]和黎惠金[9]的研究表明，凍雨期間存在典型的逆溫層結構，下面利用歐洲中心ERA-Interim再分析資料對降雪期間和凍雨期間的逆溫層情況，水汽輸送等物理量進行對比分析，分析這次強凍雨成因和分布特點。

3.1 雨雪冰凍過程的垂直結構分布

圖3為沿北侖氣象站緯度(29.8 °N)繪制的水汽通量和氣溫的剖面圖。北侖氣象站經度為121.82 °E，在圖中紅色橢圓形區域內。由圖可知，1月3日20時(圖3a)，北侖地區上空800 hPa以上是西南偏西的暖濕氣流，800 hPa以下則被偏東北的冷空氣大風占據，冷空氣勢力強，整層氣溫均在0 ℃以下，水汽通量大值區高度較高，中心在650 hPa左右，此時對應的北侖地區是降雪天氣。1月4日20時(圖3b)，底層冷空氣仍然很強，但有一小股偏南的暖濕氣流北上，冷空氣范圍縮小至875 hPa以下，整個水汽通量范圍有向下發展的趨勢，但大值中心還處在650 hPa高度，整層氣溫有所升高，也仍在0 ℃以下，因此，北侖地區還為降雪天氣。到1月5日20時(圖3c)，西南暖濕氣流明顯減弱，冷空氣也略有減弱，水汽通量明顯減小，北侖地區地面氣溫升高到0 ℃以上，此時北侖以小雨或陰天為主。

(a：3日，b：4日，c：5日，d：6日，e：7日，f：8日，時間均為北京時，下同。圖中灰度填色圖和矢量箭頭均為 水汽通量(g·cm-1· hPa-1·s-1)，等值線為氣溫(℃))圖3 沿北侖氣象站所在緯度29.8 °N繪制的1月3日至8日每日20時的水汽通量和氣溫的垂直剖面圖

1月6日20時(圖3d)，西南暖濕氣流再次加強，但這次暖濕氣流輸送高度降低，水汽通量大值區高度也相應下降到750 hPa左右，下層冷空氣雖有減弱，但900 hPa以下依然受偏東北的冷空氣控制。此時在北侖上空出現冷暖冷的逆溫層結特征，符合凍雨發生的層結結構，與曾明劍[10]等的研究結果是一致的，由于北侖地面層氣溫在0 ℃以上，所以北侖氣象站觀測到小雨，而北侖附近氣溫低于0 ℃的山區則出現凍雨。1月7日20時(圖3e)，底層有弱冷空氣補充南下，900 hPa以下受冷空氣控制，上層為偏西的暖濕氣流，維持凍雨層結結構。從1月6日北侖上空開始出現冷暖冷的凍雨層結后，北侖上空始終對應著水汽通量的高值區，符合典型的凍雨出現的天氣背景。北侖附近山區風速較大，對凍雨覆冰也有明顯的促進作用，在劉丹[11]的研究結論里也有類似的結果。到1月8日20時(圖3f)，冷暖冷的凍雨層結消失，底層氣溫升高，凍雨結束。通過分析發現，北侖地區是從1月6日14時左右出現冷暖冷的凍雨層結結構，到8日上午結束，與電力部門實地觀測的覆冰過程非常吻合。說明寧波北侖地區的凍雨出現時，具備典型的冷暖冷的逆溫層特征，而且對應的高空有大的水汽通量。

3.2 水汽輸送特征分析

從3.1的分析也發現，盡管降雪期間的水汽通量大于凍雨期間的水汽通量，但凍雨期間輸送的暖濕氣流顯然比降雪期間輸送的暖，在空中出現了大于0 ℃的暖層，而且降雪期間的水汽輸送高度較高，而凍雨期間的暖濕氣流輸送高度略低，由此分析，這次過程中降雪期間的水汽和凍雨期間的水汽可能來自不同的區域，或經過不同的輸送途徑。因此這里分別對降雪期間和凍雨期間的整層水汽通量進行累積，分析這次過程的水汽輸送特征。由于900 hPa以下一直為冷空氣控制，300 hPa以上水汽通量可以忽略不計，因此，累積的水汽通量層包括850，800，750，700，650，600，550，500，450，400，350，300 hPa，共12層。

陳穎曼等[12]的研究指出，影響中國東南部冬季降水的水汽輸送主要有兩支，來自西風帶繞高原的南支氣流，經過阿拉伯海和孟加拉灣向華南的輸送水汽；來自低緯西太平洋，經南海向中國西南的水汽輸送。從圖4整層水汽通量累積的分布圖可以看出，降雪期間水汽通量主要源自孟加拉灣和阿拉伯半島，經過云貴高原遠距離輸送到浙江省，所以高度較高，溫度也低。凍雨期間來自孟加拉灣和阿拉伯半島的水汽通量明顯減弱，源自西太平洋的暖濕氣流從海南島以東區域向北輸送到浙江省的水汽通量顯著加強，由于輸送距離短，所經地區海拔較低，因此凍雨期間的水汽通量大值區高度明顯下降，溫度較高，在北侖上空形成冷暖冷的逆溫層結結構。這次降雪和凍雨期間，浙江省都是中國大陸水汽通量值最高的省份，其中北侖地區所在的浙東沿海又是浙江省水汽通量的高值區。地面觀測也顯示，這次過程中北侖地區降雪量和凍雨量均比較大。

圖4 降雪期間(a)和凍雨期間(b)的整層累積水汽通量分布(單位：g·cm-1·hPa-1·s-1；橢圓形內為浙江省)

3.3 500 hPa形勢場分析

前期降雪期間(圖5a)，500 hPa高空在西伯利亞西南部有閉合的低壓中心與-40 ℃低溫中心重合，有利于冷空氣南下，冷空氣比較強，浙江主要受偏東路徑的冷空氣影響，底層受東北風控制；凍雨期間(圖5b)，500 hPa高空的低壓中心移至東西伯利亞，-40 ℃范圍也有所北縮，冷空氣勢力減弱，但停留在西西伯利亞的弱冷中心，形成蒙古橫槽，引導弱冷空氣南下，繼續影響中國東部地區，浙江省中北部底層仍然受冷空氣控制。這次雨雪冰凍過程中副高偏西偏北，有利于西南暖濕氣流向中東部地區輸送，尤其在凍雨期間，副高在中南半島東部斷裂成兩部分，使得南海地區徑向水汽輸送加強，將西太平洋暖濕水汽經由南海，經過廣東、福建等省輸送到浙江省。

(實線為高度場(gpm)，虛線為溫度(℃))圖5 降雪期間(1月3日和4日)和凍雨期間 (1月6日和7日)500 hPa平均高度場分布

4 結 語

本文利用電力部門的詳細災情資料，結合歐洲中心高分辨率(0.75°×0.75°)的全球再分析資料，對此次凍雨覆冰過程進行了分析，主要結論如下。

1)1月3—4日降雪期間水汽通量主要源自孟加拉灣和阿拉伯半島，經過云貴高原遠距離輸送到浙江省，所以高度較高，溫度也低。1月6—7日凍雨期間來自孟加拉灣和阿拉伯半島的水汽通量明顯減弱，源自西太平洋的暖濕氣流，從海南島以東區域向北輸送到浙江省的水汽通量顯著加強，由于輸送距離短，所經地區海拔較低，因此凍雨期間的水汽通量大值區高度明顯下降，溫度較高，在北侖上空形成冷暖冷的逆溫層結結構，符合產生凍雨的空中層結特征。

2)北侖地區出現凍雨主要是具備了以下3個條件：1)北侖上空出現明顯的冷暖冷的逆溫層結，使得降水在暖層中保持為液態，下落到厚度適中的底層冷層后成過冷卻狀態，而又不至于凍結。2)北侖地區底層受偏東路徑的冷空氣使北侖附近山區氣溫一直在0 ℃以下，保證過冷卻狀態的凍雨落到地物上凍結為雨凇覆冰。3)凍雨期間，北侖地區上空的逆溫層結穩定維持，山區風速較大，降水持續不斷，經過40 h左右的持續凍雨，在山區出現嚴重的覆冰災害。

浙江省位于東海之濱，北面是長江中下游平原，東面是廣闊的東海，冬季易受北方冷空氣(尤其是偏東路徑的冷空氣)侵襲，浙中北地區氣溫通常會跌至0 ℃以下。由于浙江省地勢東北部低，西南部高，自西南向東北傾斜。冷空氣從北面進入浙江省后，受到浙南和福建高山的阻擋，在省內有一定的停滯，如果此時暖濕氣流旺盛，越過南嶺山脈北上影響到浙江地區，就會在浙江上空的900～700 hPa之間形成暖平流，而900 hPa以下的底層受冷平流控制，在這種冷暖冷的逆溫層結下，出現凍雨的概率就比較大。另外，浙江省山地丘陵面積占到70%，在出現凍雨的時候，氣溫0 ℃線多位于海拔300～400 m以上的山區。但縣級以上行政區域多在海拔較低的平原和谷地，96%的氣象站就在海拔200 m以內，因此，位于低海拔的氣象站是很難觀測到凍雨形成的雨凇現象。這種情況在浙江省尤為突出，在今后的凍雨研究中須引起注意。

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2016-05-13

*資助項目：浙江省氣象局科技項目(2013ZD09)：輸電線路覆冰災害閾值指標研究；浙江省電力公司科技項目：微氣象數據的架空線路單點覆冰模型研究及分析。