江西與湖南同類型地區覆冰形成條件對比分析

曹小群，王 熹

（中國電建集團江西省電力設計院有限公司，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，氣象環境條件類似，歷史經歷冰災情況也相似。但是根據國網編制的冰區圖可知，兩個地區覆冰取值存在較大差異，以2016版30年一遇冰區圖為例，湖南省地區最小的冰區為10～15mm冰區，最大的超過了50mm，大部分處于15～20mm冰區范圍內，而江西省地區最小的冰區為5～0mm，最大僅20～30mm冰區，大部分處于5～10mm冰區范圍內。這種差異性導致兩省線路設計覆冰在選取上存在較大分歧，但這種差異性是否真實存在值得商榷。同時江西省區域內覆冰資料較少，無法支撐區域線路設計覆冰的準確選取，因此通過與臨近地區影響覆冰要素的對比分析可以為本地區的設計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線覆冰是熱力學、流體力學和電流電場耦合作用的結果[1]。在導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境因素，這些因素主要為溫度、濕度、風速及風向、冷暖空氣對流、環流、海拔高程等[2]。本文通過對比兩個地區覆冰形成的外部條件，來分析兩個區域覆冰的差異性的大小，從而彌補資料不足給區域設計覆冰確定帶來的影響。為后續缺乏資料地區電力線路設計覆冰的選取提供了思路。

1 區域氣象特性對比

湖南省與江西省均屬于亞熱帶，因其處于東亞季風氣候區的西側，加之全省東、南、西三面環山，北面低，離海洋較遠，導致兩省氣候具有大陸性特點的亞熱帶季風濕潤氣候。總的氣候特點是：氣溫的年變化大，氣候溫暖，四季分明，熱量充足，雨水集中，嚴寒期短，暑熱期長。冬季，當北方的強冷氣團南下時，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交匯，形成“華南靜止鋒”，如圖1所示。在冷暖空氣交鋒時，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、湍流交換影響下，常產生較長時間的持續雨、雪、霧日天氣，此時，大氣中形成的過冷卻水，遇電線而改變其應力和形狀依附于電線表面，并迅速凝結成固態狀，造成電線覆冰。主要特征有：覆冰現象頻繁，以凍雨局多；持續時間長；嚴寒期短。其中本工程線路所處江西省鄱陽湖區域以及湖南洞庭湖均為向北開口的盆地，冷空氣長驅直入，使北部平原氣溫顯著下降，覆冰現象頻繁。

綜上所述，兩省北部湖盆平原區域氣候條件一致，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、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，且地勢均為南高北低，江西省北部地區有鄱陽湖及長江水系，湖南省北部有洞庭湖及長江水系，兩省北部均是開闊平原，冬季主導風向均為北風，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]，其中長沙市與南昌市均為省級行政區，城市化水平相似，且緯度海拔相近，區域內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，同時結合本工程，進一步選取了樟樹氣象站與湖南湘潭氣象站進行對比，這兩個氣象站與長沙和南昌一樣，從地形地勢和水系發育程度上均具有可比性。

圖2 江西與湖南北部地形對比圖

表1 氣象站基本信息

本文通過上述四個氣象站對比分析，探究兩省相同類型區域覆冰形成條件是否一致。

3 覆冰形成要素對比分析

輸電線路的覆冰受諸多因素的影響，比如:溫度、濕度、風速及風向、冷暖空氣對流、環流、海拔高程、線路直徑、電場及負荷電流等氣象因素、地形因素以及導地線自身因素，而作為氣象站觀冰點均是按照統一標準進行覆冰觀測，因此可以忽略導線自身因素的影響，而四個氣象站均位于城區，觀測場海拔均在30～47m之間，因此可以忽略地形以及高程因素對覆冰的影響，本次分析選取對覆冰形成關鍵的五個因素進行對比分析，即最低氣溫、最高氣溫、平均氣溫、風速、水氣壓，對比各氣象站這些因素日值的差異性來分析兩個區域覆冰形成規律的差異性。

本文選取區域累年覆冰影響因素的日值來進行分析，累年的日值資料對區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域的氣象規律。四個氣象站各因素冬季日值變化情況如圖3：

圖3 覆冰各要素對比分析圖

通過上圖可知直觀的看出，四個氣象站的氣象要素從變化規律和數值大小上均具有較高的相似性，同時通過相關性分析通過上述相關性分析可知，四個氣象站覆冰影響要素在0.01置信水平下具有顯著的相關性。且結合各氣象要素的均值對比分析，可知，四個氣象站因此可以認為湖南和江西這兩個區域覆冰規律具有高度的相似性。各參數均值表見表2：

表2 各參數冬季平均值

4 雨淞持續時間及覆冰估算結果對比

進一步對比區域內雨淞持續時間，南昌站和長沙站歷年雨淞持時間如圖4所示：

在十九大開幕當天，江西日報全媒體報道中心策劃、中國江西網制作的H5作品“十九大報告學習詞典”發布。作品圍繞十九大，扣住報告中提出的“一系列新思想、新論斷、新要求”主線，圖文并茂，互動性強，6天時間總閱讀數就超過1000萬，成為全國媒體解讀十九大報告中少有的千萬級爆款作品。這是在重大事件報道面前，省級黨報集團媒體融合報道的一次有益嘗試和探索。

圖4 長沙站與南昌站雨淞持續時間對比

同樣將兩站數據進行相關性分析，得出兩站雨凇持續時間在0.01置信水平下顯著相關，兩站雨淞持續時間平均值分別為：南昌站32h和長沙站46h。將序列值進行頻率分析，分別利用P-Ⅲ型分布或Ⅰ型極值分布對序列數據進行擬合，頻率曲線如圖5所示：

圖5 氣象站雨淞持續時間頻率曲線擬合圖

得出兩種百年一遇雨淞持續時間分別為293.92 h和278.56h。通過對比均值和頻率計算值，可知，兩站雨淞持續時間具有較高的相似性。

當缺乏氣象站覆冰重量觀測數據時，可以根據氣象站的雨凇日數或霧凇日數，采用庫娃（C.Kuoiwa）實驗理論，對于園柱體覆冰單位長度雨凇增長率的計算公式如式（1）[4]。

式中：

W—單位長度雨凇重量（g/m）；

τ—雨凇日數或霧凇日數時間（s）；

V—覆冰同期平均風速（m/s）；

R—雨凇架芯線半徑（cm）；

b0—密度為0.9g/cm3標準冰厚（mm）。

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

有式（3）：

式中：

b0—密度為0.9g/cm3標準冰厚（mm）；

τ—雨凇日數或霧凇日數（天）；

V—覆冰同期平均風速（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℃的絕對值。

根據氣象站觀測記錄和實驗證明，發生雨凇覆冰時，最常見的氣溫為-1℃，覆冰增長最快的風速為3m/s，如果將這些氣象參數代入上式，則估算覆冰厚度可以簡化為式（4）：

通過上述公式計算兩地百年一遇雨淞持續時間所對應的標準覆冰厚度，其中南昌站為34.5mm，長沙站為33.3mm，兩地相同重現期的標準冰厚差異不到2mm，因此可以認為兩區域歷史覆冰情況類似。

5 結語

本文對江西省和湖南省同類型地區的覆冰形成條件進行分析，主要結論和展望如下：

1）通過影響覆冰的主要因素-海拔及緯度選取了兩個區域內四個氣象站（長沙市與南昌市、樟樹氣象站與湖南湘潭氣象站）數據進行對比分析。

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

3）結合雨淞持續時間估算覆冰的計算公式計算兩地百年一遇標準覆冰厚度，可知兩地相同重現期的標準冰厚差異不到2mm，因此可以認為兩區域歷史覆冰情況類似。

4）本文提出的對比分析方法，為缺乏覆冰資料的地區進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時間進行覆冰估算的公式還有待改進，在后續的研究中，因結合覆冰及其要素觀測，來對覆冰估算公式進行優化，從而進一步提高無資料地區設計覆冰估算的精度。