覆冰氣象指數法在福建山區覆冰重現期確定中的應用

翁子豪，王巍竹，鄭 越

(福建永福電力設計股份有限公司，福建 福州 350108)

福建省境內山區地域廣闊，海拔高度變化范圍大，覆冰嚴重程度大小不一，但在全省范圍內僅有九仙山、壽寧、泰寧和浦城四個電線積冰長期觀測氣象站。九仙山、壽寧、泰寧和浦城四站海拔高度分別為1653.5 m、815.9 m、342.9 m、276.9 m，最大電線積冰重量分別為4371 g/m、140 g/m、24 g/m、50 g/m，覆冰觀測點的海拔高度和覆冰嚴重程度跨度較大。永安市西部山區在部分年份出現了較嚴重的覆冰情況，但由于缺乏覆冰實測資料，其重現期難以準確判定。本文以永安市罕見覆冰事件為例，利用相關氣象要素來分析個別覆冰事件的重現期，為山區輸電線路工程在電線積冰資料匱乏地區調查覆冰重現期的確定提供參考。

1 山區罕見覆冰現象初步調查

福建省永安市地理緯度較低，南方暖濕氣流相對活躍，當冷暖氣流交匯時常伴有一次降水過程。如果北方冷空氣和南方暖濕氣流的勢力都比較強，那么影響范圍內會出現較長時間的低溫與降水天氣，就有可能出現較嚴重的低溫冰凍災害。隨著低溫陰雨天氣的持續，覆冰程度越來越重，就會出現罕見的覆冰災害。因此，罕見的冰凍災害通常是在持續性低溫陰雨的特定天氣背景下發生的。

據資料記載，建國以來，永安市西部山區輸電線路發生過九次相對較嚴重的雨凇災害，分別出現在1955年初、1957年初、1964年初、1966年、1969年初、1975年末、1977年初、1996年初、2008年初。對永安市西部山區附近村莊百姓進行實地調查后，受調查人員普遍認為1996年覆冰災害最為嚴重，山上拇指粗樹枝結冰后直徑都有五六厘米。其中在電力系統中有1996年的覆冰災害記錄，即永安—漳平Ⅰ回220 kV線路永安段發生覆冰倒塔事故，在導線上形成直徑達150 mm的圓形結晶體，覆冰密度約0.85 g/cm3，形狀系數約0.9。

2 罕見覆冰現象的分析

2.1 覆冰氣象要素的選取和構建

導線覆冰與多種氣象因素有關，例如溫度、濕度、降水、日照、風速等，只有各氣象要素都具備形成覆冰的有利條件，電線才可能形成覆冰。本次分析的原始數據為永安氣象站及九仙山氣象站1956～2016年共60年的逐日平均氣溫、逐日最高氣溫、逐日最低氣溫、逐日降水量、逐日平均相對濕度、逐日最小相對濕度、逐日平均風速、逐日日照時數等氣象參數，以及部分自動站的逐日資料。永安氣象站數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)，九仙山常規氣象數據來源于NOAA氣象共享網站(http://www7.ncdc.noaa.gov)，自動站的逐日數據來源于福建水利信息網(http://www.fjwater.gov.cn/)。此外還搜集了九仙山部分實測覆冰觀測資料以及分析區域的縣志、年鑒等材料。氣象數據與材料可靠、準確。

根據部分氣象要素間的相關關系，將永安氣象站及九仙山氣象站原始資料補充完整。再由永安氣象站及九仙山氣象站的海拔高度，同時參考永安山區嚴重覆冰災害發生位置的海拔，由永安氣象站與九仙山氣象站的氣象數據，依據海拔關系，同時參考永安部分自動站的氣象觀測數據，采用線性內插的方法構建并修正了300 m、600 m、900 m、1200 m、1600 m五個海拔點逐年10月至次年3月間逐日的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、最小相對濕度、平均風速、降水量等氣象資料。同時結合有關材料，對構建的不同海拔氣象數據系列進行修正。

2.2 工程區域的選擇與氣象概況

因永安1996年的嚴重覆冰發生在海拔800 m以上的位置，同時永安境內海拔近900 m的線路塔位較多，故本文以永安900 m海拔處山區作為分析區域，利用分析區域修正后的氣象數據系列對該海拔的覆冰嚴重程度進行重現期的分析。由于分析區域日平均氣溫低于0℃的時間段主要集中在冬季，為此選取每年12月初至次年2月底作為分析時段，得到由60個時段的氣象數據構成的系列。

根據《架空輸電線路覆冰勘測規程》(DL/T 5509－2015)(以下簡稱“規程”)的說明，易覆冰區域是指最大覆冰厚度大于10 mm且每年均有不同程度覆冰的地區。假設日最低溫度低于0℃同時日平均濕度高于80%為一個可能的覆冰日，分析區域在這60年中平均每年有2.6個可能的覆冰日，其中有14年可能的覆冰日數為0，15年可能的覆冰日數為1。結合現場調查的結果可初步得出結論，在900 m海拔處，滿足覆冰的氣象并不常見，分析區域屬于不易覆冰區域。因而對1996年的罕見覆冰災害進行研究、分析計算其重現期顯得尤為重要。

2.3 規程中的覆冰氣象指數分析方法簡介

根據規程中介紹的覆冰氣象指數頻率分析方法，由日平均氣溫、日平均相對濕度、日平均風速的值確定覆冰貢獻量，計算出一個時段的覆冰氣象指數系列，取其中的最大值作為該時段的年最大覆冰氣象指數，再對由60個時段構成的年最大覆冰氣象指數進行頻率分析推算覆冰重現期。該規程提出的覆冰氣象要素對覆冰貢獻量標準見表1。

表1 覆冰主要氣象要素對覆冰貢獻量標準

采用該方法，對氣象數據系列進行計算得出歷年最大覆冰氣象指數系列。系列最大值10出現在1968年，而1996年的最大覆冰氣象指數為8.5(2月19日覆冰氣象指數7，2月20日覆冰氣象指數10，均值為8.5)，在歷年最大覆冰氣象指數系列中僅排在第6。該系列的60個數據中有26個年份的值為0，采用水文常用的頻率曲線(P－Ⅲ型曲線、耿貝爾曲線)適線結果較差(見圖1)，無法通過擬合優度檢驗。

圖1 規程中算法的適線結果(左：P－Ⅲ；右：Gumbel)

規程第6.4.5條中規定：“一個覆冰過程的覆冰氣象指數等于覆冰過程逐日覆冰氣象指數之和除以覆冰過程總日數。在一個冬半年中可以計算出M個覆冰氣象指數。從一個冬半年的M個覆冰氣象指數中選擇最大者為該年最大覆冰過程相應的年最大覆冰氣象指數。”考慮到分析區域覆冰發生時的實際情況，對上述方法進行調整，用最大單日覆冰氣象指數作為相應的年最大覆冰氣象指數。由此得到的歷年最大覆冰氣象指數系列中出現了12個10和26個0，采用P－Ⅲ型曲線、耿貝爾曲線適線結果同樣無法通過擬合優度檢驗。由以上分析結果可知，規范中的方法不適用于永安山區的罕見覆冰現象重新期的分析，應建立新的方法來進行分析。

2.4 新建覆冰氣象指數賦值原則

在規程介紹的方法的基礎上，根據分析區域覆冰氣象情況，選用日平均氣溫、日最低氣溫、日最高氣溫、日平均相對濕度、日最小相對濕度、日平均風速、日降水量、日照時數這八項參數來建立適用于研究區域的覆冰氣象指數賦值原則。

在本次建立的適用于分析區域的覆冰氣象指數賦值原則中，除了考慮良好氣象條件的正貢獻，還引入了日最高氣溫和日照時數的負貢獻，結合九仙山覆冰資料，調整各項氣象參數的指數，最后得出較為合適的賦值原則。覆冰氣象指數的計算流程見圖2。

圖2中，先決條件為日平均相對濕度≥80%或有降水的同時日最低氣溫＜0℃；S(i)為前第i日的覆冰氣象指數；T(i)為前第i日的溫度項總權重值，Tmax為日最高氣溫；S為當日總的覆冰氣象指數。

如圖1中所示，當氣象參數滿足先決條件后，再根據表2中對應的權重值標準來計算當日的覆冰氣象指數。其中，三個溫度項的權重值以加法計算，若日最高溫度大于等于2℃且小于等于6℃則要將溫度項的和乘上相應的核減系數；兩個濕度項采用乘法計算；將溫度項、濕度項、風速項和降雨量項的權重值相加后，乘以日照時數對應的系數(若日最高溫度大于等于6℃還需乘以其對應的系數)即得到當日的初步覆冰氣象指數S(0)。

在規程中規定分析資料宜包括覆冰過程及前后三天時段相應的氣象數據，因此，在新建的覆冰氣象指數賦值原則中，對一日總的覆冰氣象指數考慮了前三日的影響(前i日的算法相同，權重值適當減小)，即某一日的總覆冰氣象指數為當日與前i日(若滿足先決條件)覆冰氣象指數的和。

表2為部分氣象要素閥值在不同時段對應的權重值標準。

圖2 適用于分析區域的覆冰氣象指數計算流程

表2 新建的覆冰氣象指數權重值標準(部分)

2.5 罕見覆冰現象重現期的分析判定

根據新建的賦值原則，計算得出逐年的逐日覆冰氣象指數，取逐年最大值構成覆冰氣象指數系列。其中，1996年2月20日的覆冰氣象指數134，為系列中的最大值，除去6個0值外，最小值為5。

對完整系列和去除1996年數據的系列采用耿貝爾和P－Ⅲ適線法的適線結果如圖3、圖4所示，頻率計算結果列于表3。擬合曲線均通過了擬合優度檢驗。

圖3 新建覆冰氣象指數適線結果(含1996年數據，左：P－Ⅲ；右：Gumbel)

圖4 新建覆冰氣象指數適線結果(不含1996年數據，左：P－Ⅲ；右：Gumbel)

表3 分析區域覆冰氣象指數推算結論

規程中規定30年一遇、50年一遇換算為百年一遇的換算系數分別為1.16、1.10；耿貝爾適線法計算得到的30年一遇和50年一遇的換算系數為1.27、1.14；P－Ⅲ適線法得到的30年一遇和50年一遇的換算系數為1.20、1.11。P－Ⅲ適線法得出的換算系數和規程中的換算系數更為接近。

對于1996年的覆冰情況，運用耿貝爾適線法推算的重現期為48年一遇，運用P－Ⅲ適線法推算的重現期為61年一遇，差異較大。兩種推算方法得出的重現期均值為55年一遇。結合現場調查情況，再考慮到P－Ⅲ型曲線擬合較好，可將分析區域1996年罕見覆冰的重現期定為60年一遇。

3 新建覆冰氣象指數原則的優劣探討

3.1 創新點

相比于規程中的覆冰貢獻量計算，本文提出的覆冰氣象指數有以下創新點：

(1)增加了核減項。例如日最高氣溫過高或日照時數較長時，其余條件若滿足要求也難以形成覆冰或覆冰持續時間及嚴重程度都會被削弱，增加核減項更符合實際。

(2)針對實際環境、工程現場的條件對各個氣象要素的取值進行討論，賦值原則與研究區域更加匹配。

(3)計算得出的指數梯度合理，得出的年最大值系列適合頻率計算。

3.2 不足

由于缺乏充分覆冰資料驗證等原因，本次針對分析區域構建的覆冰氣象指數的賦值原則難免存在不合理的地方，賦值結果的準確性受到很多因素的影響，主要歸結為以下幾點。

(1)資料不足。缺乏足夠的實測覆冰資料來佐證覆冰氣象指數賦值原則的合理性。

(2)覆冰現象產生的復雜性。導線覆冰是和氣象學、熱力學和流體力學有關的復雜物理過程，而在本次的分析探討中，僅考慮了部分氣象學因素，不夠全面。

(3)日均值或極值數據無法完整反映日間氣象要素的具體變化過程，采用日值數據進行分析計算可能帶來一定的誤差。

(4)賦值原則對不同區域、不同海拔的通用性不強。

4 結論

本文以永安山區900 m海拔處作為分析區域，根據其覆冰天氣的特點，在規程介紹的覆冰氣象指數頻率分析方法的基礎上，考慮了更多氣象要素的影響，引入不利覆冰產生的氣象條件的核減項，建立了新的適用于分析區域的覆冰氣象指數賦值原則。新建的原則通過了部分覆冰觀測資料的驗證。采用新建覆冰氣象指數賦值原則對分析區域進行計算分析，可認為分析區域1996年嚴重覆冰現象的重現期為60年。

本文提出的覆冰氣象指數賦值原則針對福建山區的覆冰氣象特點建立，對輸電線路工程在覆冰資料匱乏地區確定調查覆冰的重現期有一定的參考意義。

參考文獻:

[1] DL/T 5509—2015，架空輸電線路覆冰勘測規程[S]．

[2] 張麗華．影響導線覆冰的自然因素[C]//中國電機工程學會輸電專委會運行分專委會年會， 2000．