江西與湖南同類型地區(qū)覆冰形成條件對(duì)比分析

曹小群，王 熹

（中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江西南昌330096）

0 前言

江西省與湖南省毗鄰，處于相同的緯度帶，氣象環(huán)境條件類似，歷史經(jīng)歷冰災(zāi)情況也相似。但是根據(jù)國(guó)網(wǎng)編制的冰區(qū)圖可知，兩個(gè)地區(qū)覆冰取值存在較大差異，以2016版30年一遇冰區(qū)圖為例，湖南省地區(qū)最小的冰區(qū)為10～15mm冰區(qū)，最大的超過了50mm，大部分處于15～20mm冰區(qū)范圍內(nèi)，而江西省地區(qū)最小的冰區(qū)為5～0mm，最大僅20～30mm冰區(qū)，大部分處于5～10mm冰區(qū)范圍內(nèi)。這種差異性導(dǎo)致兩省線路設(shè)計(jì)覆冰在選取上存在較大分歧，但這種差異性是否真實(shí)存在值得商榷。同時(shí)江西省區(qū)域內(nèi)覆冰資料較少，無法支撐區(qū)域線路設(shè)計(jì)覆冰的準(zhǔn)確選取，因此通過與臨近地區(qū)影響覆冰要素的對(duì)比分析可以為本地區(qū)的設(shè)計(jì)覆冰的選取提供有利的參考。

覆冰的影響因素較多，其中劉春城等指出了導(dǎo)線覆冰是熱力學(xué)、流體力學(xué)和電流電場(chǎng)耦合作用的結(jié)果[1]。在導(dǎo)線自身因素保持一致的前提下，影響覆冰的主要因素則為外部環(huán)境因素，這些因素主要為溫度、濕度、風(fēng)速及風(fēng)向、冷暖空氣對(duì)流、環(huán)流、海拔高程等[2]。本文通過對(duì)比兩個(gè)地區(qū)覆冰形成的外部條件，來分析兩個(gè)區(qū)域覆冰的差異性的大小，從而彌補(bǔ)資料不足給區(qū)域設(shè)計(jì)覆冰確定帶來的影響。為后續(xù)缺乏資料地區(qū)電力線路設(shè)計(jì)覆冰的選取提供了思路。

1 區(qū)域氣象特性對(duì)比

湖南省與江西省均屬于亞熱帶，因其處于東亞季風(fēng)氣候區(qū)的西側(cè)，加之全省東、南、西三面環(huán)山，北面低，離海洋較遠(yuǎn)，導(dǎo)致兩省氣候具有大陸性特點(diǎn)的亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候。總的氣候特點(diǎn)是：氣溫的年變化大，氣候溫暖，四季分明，熱量充足，雨水集中，嚴(yán)寒期短，暑熱期長(zhǎng)。冬季，當(dāng)北方的強(qiáng)冷氣團(tuán)南下時(shí)，受三面高山的阻擋，氣流移速減慢，在其間與南海副熱帶暖濕氣團(tuán)交匯，形成“華南靜止鋒”，如圖1所示。在冷暖空氣交鋒時(shí)，暖空氣沿鋒面滑升形成雨層云，高層云等峰面云系。雨層云等鋒面云系由水滴，過冷卻水和冰晶組成，在亂流擾動(dòng)、湍流交換影響下，常產(chǎn)生較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)雨、雪、霧日天氣，此時(shí)，大氣中形成的過冷卻水，遇電線而改變其應(yīng)力和形狀依附于電線表面，并迅速凝結(jié)成固態(tài)狀，造成電線覆冰。主要特征有：覆冰現(xiàn)象頻繁，以凍雨局多；持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；嚴(yán)寒期短。其中本工程線路所處江西省鄱陽湖區(qū)域以及湖南洞庭湖均為向北開口的盆地，冷空氣長(zhǎng)驅(qū)直入，使北部平原氣溫顯著下降，覆冰現(xiàn)象頻繁。

綜上所述，兩省北部湖盆平原區(qū)域氣候條件一致，冬季覆冰形成的主要原因均是受“華南靜止峰”影響，在亂流擾動(dòng)、湍流交換的綜合影響下，形成覆冰。

圖1 華南靜止鋒示意圖

2 氣象站概述

江西省與湖南省相鄰，且地勢(shì)均為南高北低，江西省北部地區(qū)有鄱陽湖及長(zhǎng)江水系，湖南省北部有洞庭湖及長(zhǎng)江水系，兩省北部均是開闊平原，冬季主導(dǎo)風(fēng)向均為北風(fēng)，如圖2所示。而影響覆冰的因素較多，其中海拔和緯度覆冰的影響較為顯著[3]，其中長(zhǎng)沙市與南昌市均為省級(jí)行政區(qū)，城市化水平相似，且緯度海拔相近，區(qū)域內(nèi)均有大型水系貫通南北。因此兩地在覆冰形成條件上具有可比性，如表1如示，同時(shí)結(jié)合本工程，進(jìn)一步選取了樟樹氣象站與湖南湘潭氣象站進(jìn)行對(duì)比，這兩個(gè)氣象站與長(zhǎng)沙和南昌一樣，從地形地勢(shì)和水系發(fā)育程度上均具有可比性。

圖2 江西與湖南北部地形對(duì)比圖

表1 氣象站基本信息

本文通過上述四個(gè)氣象站對(duì)比分析，探究?jī)墒∠嗤愋蛥^(qū)域覆冰形成條件是否一致。

3 覆冰形成要素對(duì)比分析

輸電線路的覆冰受諸多因素的影響，比如:溫度、濕度、風(fēng)速及風(fēng)向、冷暖空氣對(duì)流、環(huán)流、海拔高程、線路直徑、電場(chǎng)及負(fù)荷電流等氣象因素、地形因素以及導(dǎo)地線自身因素，而作為氣象站觀冰點(diǎn)均是按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行覆冰觀測(cè)，因此可以忽略導(dǎo)線自身因素的影響，而四個(gè)氣象站均位于城區(qū)，觀測(cè)場(chǎng)海拔均在30～47m之間，因此可以忽略地形以及高程因素對(duì)覆冰的影響，本次分析選取對(duì)覆冰形成關(guān)鍵的五個(gè)因素進(jìn)行對(duì)比分析，即最低氣溫、最高氣溫、平均氣溫、風(fēng)速、水氣壓，對(duì)比各氣象站這些因素日值的差異性來分析兩個(gè)區(qū)域覆冰形成規(guī)律的差異性。

本文選取區(qū)域累年覆冰影響因素的日值來進(jìn)行分析，累年的日值資料對(duì)區(qū)域的氣象總體情況具有較好的代表性，較之選取某一年的值要更能代表區(qū)域的氣象規(guī)律。四個(gè)氣象站各因素冬季日值變化情況如圖3：

圖3 覆冰各要素對(duì)比分析圖

通過上圖可知直觀的看出，四個(gè)氣象站的氣象要素從變化規(guī)律和數(shù)值大小上均具有較高的相似性，同時(shí)通過相關(guān)性分析通過上述相關(guān)性分析可知，四個(gè)氣象站覆冰影響要素在0.01置信水平下具有顯著的相關(guān)性。且結(jié)合各氣象要素的均值對(duì)比分析，可知，四個(gè)氣象站因此可以認(rèn)為湖南和江西這兩個(gè)區(qū)域覆冰規(guī)律具有高度的相似性。各參數(shù)均值表見表2：

表2 各參數(shù)冬季平均值

4 雨淞持續(xù)時(shí)間及覆冰估算結(jié)果對(duì)比

進(jìn)一步對(duì)比區(qū)域內(nèi)雨淞持續(xù)時(shí)間，南昌站和長(zhǎng)沙站歷年雨淞持時(shí)間如圖4所示：

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圖4 長(zhǎng)沙站與南昌站雨淞持續(xù)時(shí)間對(duì)比

同樣將兩站數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得出兩站雨凇持續(xù)時(shí)間在0.01置信水平下顯著相關(guān)，兩站雨淞持續(xù)時(shí)間平均值分別為：南昌站32h和長(zhǎng)沙站46h。將序列值進(jìn)行頻率分析，分別利用P-Ⅲ型分布或Ⅰ型極值分布對(duì)序列數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，頻率曲線如圖5所示：

圖5 氣象站雨淞持續(xù)時(shí)間頻率曲線擬合圖

得出兩種百年一遇雨淞持續(xù)時(shí)間分別為293.92 h和278.56h。通過對(duì)比均值和頻率計(jì)算值，可知，兩站雨淞持續(xù)時(shí)間具有較高的相似性。

當(dāng)缺乏氣象站覆冰重量觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可以根據(jù)氣象站的雨凇日數(shù)或霧凇日數(shù)，采用庫(kù)娃（C.Kuoiwa）實(shí)驗(yàn)理論，對(duì)于園柱體覆冰單位長(zhǎng)度雨凇增長(zhǎng)率的計(jì)算公式如式（1）[4]。

式中：

W—單位長(zhǎng)度雨凇重量（g/m）；

τ—雨凇日數(shù)或霧凇日數(shù)時(shí)間（s）；

V—覆冰同期平均風(fēng)速（m/s）；

R—雨凇架芯線半徑（cm）；

b0—密度為0.9g/cm3標(biāo)準(zhǔn)冰厚（mm）。

由于雨凇架芯線半徑R通常為2mm遠(yuǎn)小于覆冰厚度b0，因此R可以忽略不計(jì)，令b0+R≈b0，式（2）可以簡(jiǎn)化如下。

有式（3）：

式中：

b0—密度為0.9g/cm3標(biāo)準(zhǔn)冰厚（mm）；

τ—雨凇日數(shù)或霧凇日數(shù)（天）；

V—覆冰同期平均風(fēng)速（m/s），通常取0.1～8m/s；

T—雨覆冰同期平均氣溫（℃），通常取-0.1～-5℃的絕對(duì)值。

根據(jù)氣象站觀測(cè)記錄和實(shí)驗(yàn)證明，發(fā)生雨凇覆冰時(shí)，最常見的氣溫為-1℃，覆冰增長(zhǎng)最快的風(fēng)速為3m/s，如果將這些氣象參數(shù)代入上式，則估算覆冰厚度可以簡(jiǎn)化為式（4）：

通過上述公式計(jì)算兩地百年一遇雨淞持續(xù)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)覆冰厚度，其中南昌站為34.5mm，長(zhǎng)沙站為33.3mm，兩地相同重現(xiàn)期的標(biāo)準(zhǔn)冰厚差異不到2mm，因此可以認(rèn)為兩區(qū)域歷史覆冰情況類似。

5 結(jié)語

本文對(duì)江西省和湖南省同類型地區(qū)的覆冰形成條件進(jìn)行分析，主要結(jié)論和展望如下：

1）通過影響覆冰的主要因素-海拔及緯度選取了兩個(gè)區(qū)域內(nèi)四個(gè)氣象站（長(zhǎng)沙市與南昌市、樟樹氣象站與湖南湘潭氣象站）數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2）通過覆冰影響因素分析可知，四個(gè)氣象站的氣象要素從變化規(guī)律和數(shù)值大小上均具有較高的相似性，且四個(gè)氣象站覆冰影響要素在0.01置信水平下具有顯著的相關(guān)性。各氣象要素的均值也具有相似性。

3）結(jié)合雨淞持續(xù)時(shí)間估算覆冰的計(jì)算公式計(jì)算兩地百年一遇標(biāo)準(zhǔn)覆冰厚度，可知兩地相同重現(xiàn)期的標(biāo)準(zhǔn)冰厚差異不到2mm，因此可以認(rèn)為兩區(qū)域歷史覆冰情況類似。

4）本文提出的對(duì)比分析方法，為缺乏覆冰資料的地區(qū)進(jìn)行覆冰覆冰估算提供了新的方法。

5）本文引用利用雨淞持續(xù)時(shí)間進(jìn)行覆冰估算的公式還有待改進(jìn)，在后續(xù)的研究中，因結(jié)合覆冰及其要素觀測(cè)，來對(duì)覆冰估算公式進(jìn)行優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高無資料地區(qū)設(shè)計(jì)覆冰估算的精度。