細網格氣象特征對青藏高原地區電網安全的影響

王民昆，肖天貴，王 超，劉孫俊，高 爽，袁寧樂， 甘文風，雷學義，張 洪，蘇 博，王 贊

(1.國家電網公司西南分部，四川 成都 610095；2.成都信息工程大學，四川 成都 610225；3.國家電網公司信息通信分公司，北京 100761)

【研究意義】隨著國民經濟技術的快速發展，電網建設的規模越來越大，覆蓋面也越來越廣，保持電網安全、經濟運行的壓力也越來越大[1-4]。微氣象災害事件給電網帶來了嚴重的影響且危害巨大，微氣象條件下會引發雨淞、霧淞以及凍雨等災害，造成輸電線路積冰，或大雪積壓在輸電線路上，當積冰厚度達到一定程度或者發生強降雪時可能會引發電網大面積倒塔和斷線。溫度也是影響電力系統安全的重要因素，溫度過高造成電力線路超負荷，輕則線路跳閘，重則變壓器燒壞損毀，引發主電力設備出現過載現象，無法供電。局部微氣象條件下引發的大風或龍卷風，不僅破壞力極強，還可能造成雜物掛線引起線路短路或架空輸電線路桿塔倒塌，給電力系統帶來不可修復的損壞，對電網的安全、經濟、穩定運行構成嚴重威脅[5-6]。青藏高原獨特的地理位置，暴雨、大風、低溫、積雪等異常天氣現象頻繁發生，這些災害性天氣均有可能造成電力設備和輸電線路損壞。未來幾年，氣象災害還會繼續影響電網安全，尤其是隨著電網規模不斷擴大，電網穩定運行受到氣象災害影響的范圍以及頻率可能會持續增長[7-9]。【前人研究進展】近年來許多學者將大風、冰凍、雷電、高溫等氣象災害對電網安全的影響進行了研究，認為一些氣象災害與外力破壞已成為電網穩定運行的“心腹之患”，對電網安全的影響與威脅正在顯現[10]。2005年6月14日，江蘇泗陽500 kV任上5237線發生風致倒塔事故，一次性串倒10基輸電塔，造成了大面積的停電[11-12]。2008年1月中旬到2月上旬，我國南方多個省份相繼出現極為嚴重的低溫雨雪冰凍災害，直接導致架空輸電線路大面積倒塔斷線，多個地區大面積停電，給國家和當地人民造成了巨大的經濟損失[13]。2009年7月，河北邢臺發生了雷雨大風等災害性天氣，導致任縣千伏輸電鐵塔倒塌，導致經濟損失高達1億多人民幣[14]。2013年7月，湖南地區氣溫不斷增長，尤其，長沙市更是連續26 d保持35 ℃以上的高溫天氣。持續的高溫使電網負荷急劇增加，如果遇到線路老化，而電力線路又處于過載狀態，易使設備發生故障，甚至引起火災。據統計，7月24日湖南省用電負荷已達2054萬kW，為歷年來的最高值[15]。很早以前，福建電網便開展了電網氣象信息預警系統的建設，利用歷史氣象要素數據、實時氣象要素數據、氣象預報數據及氣象災害數據對暴雨、大風、冰凍等氣象災害進行預報和預警[16-17]。深圳電網將天氣實況與氣象災害預警信息的分析與功能于一體，對全市范圍內的電網氣象風險進行評估[18]。氣象災害引發電力系統事故頻發，給國家和人民都帶來了巨大的經濟損失。【本研究切入點】本文計算和分析所用的資料為歐洲中期天氣預報中心(簡稱ECMWF)提供的ERA-Interim(Jan 1979～present)全球再分析資料，空間分辨率為0.125°×0.125°，主要分析2008-2017年氣象因子發展和變化的規律。【擬解決的關鍵問題】為氣象變化對電網安全生產的影響具有重要意義。

1 材料與方法

本文計算和分析所用資料為歐洲中期天氣預報中心(簡稱ECMWF)提供的ERA-Interim(Jan 1979～present)全球再分析資料，空間分辨率為0.125° × 0.125°，主要分析的氣象要素為積雪深度、2 m溫度、降水，研究時段2008-2017年。文獻[19]指出ERA -Interim細網格再分析資料(0.125° × 0.125°)對觀測站點相對稀少的高原具有較好的適用性，所以本文采用分辨率較高的資料，更能體現高原的氣象特點。

由于西藏的北部有一大片無人區，并且藏中聯網工程主要在昌都市、林芝市、山南市、拉薩市開展，所以重點研究西藏的東部，選取研究范圍為28～32°N，90～99°E(圖1)。文中關于冬季的定義為前一年的12月至當年的2月，例如：2017年冬天，指2016年12月至2017年2月。

2 結果與分析

2.1 高原降水量的時空分布特征

2.1.1 降水量的時間分布特征 從圖2可以看出，青藏高原地區10年平均的區域平均降水量為463.38 mm，其中，2009年的累積降水量明顯低于10年平均的降水量，降水偏少，降水量大約為400 mm；2016年的累積降水量明顯偏多，為510 mm。為了解高原降水量的年內變化，對高原地區2008-2017年各月的降水量進行時間平均和區域平均，其結果為青藏高原地區10年平均的逐月降水量變化趨勢。青藏高原地區的年內降水量呈單峰型變化：從1月開始，降水量逐漸增多，到7月達到峰值；從8月開始，降水量逐漸減少。7月降水量有極大值，平均月累積降水量可達89.38 mm，12月降水量有極小值，平均月累積降水量僅有4.69 mm。夏季(6-8月)降水量明顯高于其他幾個季節，青藏高原地區的電網設備存在更高的安全隱患；冬季(12月至次年2月)降水量很低，降水而造成青藏高原地區輸電線路發生故障的可能性很低。

分析青藏高原地區降水量在四季的變化，可以更加清楚地了該地區降水對電網的影響程度。圖3-a顯示，春季青藏高原地區10年中有3年的降水量明顯高于平均累積降水量，從2010年開始，春季降水量距平值呈減少的趨勢，從2015年開始逐漸增加。春季負距平最大值出現在2009年為-8.54 mm，正距平最大值出現在2010年為8.68 mm。圖3-b顯示，夏季青藏高原地區在2008和2012年的降水量明顯高于平均累積降水量，2009和2013年的降水量明顯低于平均累積降水量。夏季負距平最大值出現在2013年為-9.94 mm，正距平最大值出現在2008年為9.95 mm。圖3-c顯示，秋季青藏高原地區累積降水量均在平均值附近波動，與其他3個季節相比，秋季降水量的波動幅度較小且相對平穩。秋季負距平最大值出現在2015年為-5.30 mm，正距平最大值出現在2016年為6.88 mm。圖3-d顯示，冬季青藏高原地區降水量在2013年之前，降水量基本上要高于平均降水量，從2013年開始降水量明顯低于平均降水量。冬季負距平最大值出現在2013年為-1.92 mm，正距平最大值出現在2008年為1.35 mm。總體而言，夏季青藏高原地區降水量的正負距平值波動范圍較大，其次為春季，再者是秋季，最后是冬季。

圖1 西藏東部地區電網線路選取區域Fig.1 Selection area of power grid in eastern Tibet

圖2 高原降水量Fig.2 Precipitation variation of the plateau area

圖3 高原四季降水量的距平值Fig.3 Departure of the plateau area precipitation

圖4 青藏高原四季及全年降水量的空間變化Fig.4 Spatial changes of precipitation all the year round in Qinghai-Tibet plateau

2.1.2 降水的空間分布特征 為了分析降水對電網線路的影響，分別作出青藏高原地區四季及全年降水量的空間變化特征。圖4-a可見，春季(3-5月)青藏高原大多數地區降水量低于60 mm，其中青藏高原西部和東北部的降水量很小，低于30 mm。在參與藏中聯網工程的地區中，山南地區降水量最多，高達270 mm，其次是林芝地區，降水量在90 mm左右，而昌都和拉薩的降水量僅有30 mm。圖4-b顯示，夏季(6-8月)青藏高原降水分布與春季相似，但降水量明顯增加，降水量低于90 mm的區域分布較廣。多雨區同樣出現在東南部，在四季中其分布最廣。降水量最大值和春季一樣出現在山南地區，高達270 mm，但降水大值區分布比春季大得多。總而言之，春季和夏季山南地區的降水量充沛，對電網有一定的影響。圖4-c顯示，秋季(9-11月)青藏高原地區降水量普遍都低于40 mm，少雨區出現在西北部地區，昌都降水量最少，低于30 mm，山南地區的降水量達到130 mm，與春季、夏季相比明顯減少。圖4-d顯示，冬季(12月至次年2月)青藏高原降水明顯減少，4個地區降水量都很少，大多數地區降水量低于10 mm，分布較小的多雨區降水量也只有80 mm。圖4-e顯示，全年青藏高原累計降水量大多數地區均低于600 mm，降水大值區主要集中在山南地區，年累計降水量在2200 mm以上，與上面的分析一致。

總體而言，青藏高原地區少雨季節與多雨季節分明。降水量的變化特征為：夏季>春季>秋季>冬季，夏季多雨區分布比其他幾個季節廣，降水大值區集中在東南部，西北部和東北部降水量很少，林芝和山南地區的降水量相對而言較多。總之，夏季、春季降水相對較多，輸電線路的安全隱患也相對增加，尤其是在山南地區。冬季由于降水很少，由降水引起輸電線路事故的可能性也較小。

圖5 高原極端降水事件頻次的年際變化Fig.5 Interannual variation of the frequency of extreme precipitation events on the plateau

2.1.3 極端降水事件頻次的年際變化 文獻[20]中指出西藏極端降水事件閾值在15.7～36.0 mm。吳國雄等[21]認為極端降水事件指數為大于20 mm的降水日。所以本文將占總格點數5 %的格點數日平均降水量≥20 mm定義為一個極端降水事件，經計算，得出了極端降水事件頻次的年際變化圖(圖5)。從整體上看，近10年來極端降水事件頻次呈增多趨勢。2012年極端降水事件最多，有12次；2016年也有11次之多，2009年最少，僅有3次。由于極端降水可能會沖垮線路桿塔，沖毀電力設備，致使電網癱瘓，所以要關注極端降水事件的發生。 根據資料統計，極端降水事件主要出現在西藏的東部地區，平均每年發生2～14次，而山南地區平均每年發生14次，是極端降水的頻發區。同時結合上面降水量的空間分布圖分析，山南地區為降水大值區，所以山南地區的降水對電網會產生影響。

2.2 高原溫度的時空分布特征

2.2.1 溫度的時間分布特征 由于青藏高原海拔高，空氣稀薄，與別的地區的夏季不同，青藏高原夏季平均氣溫很低。在冬季，青藏高原大部分地區平均氣溫小于0 ℃，只有個別地區在0 ℃以上。由于高原地勢高，在地理上海拔每升高100 m，氣溫就降低0.6 ℃，高原溫度自然就低。

圖6-a顯示，2008-2017年各月平均溫度的變化趨勢，1月的平均氣溫最低，約為-8 ℃；之后溫度逐漸升高，7月的平均溫度達到最高，約為10 ℃。鐘利華等[22]研究表明，高溫天氣會造成電力負荷大幅度增加，而高溫天氣是指日最高氣溫超過35 ℃的一種災害性天氣。在夏季即6-8月，高原氣溫在9～10 ℃浮動，遠遠沒有達到高溫的標準，所以對輸電線路不會有影響，因此夏季西藏的溫度不會對電力設備構成威脅。在冬季，溫度在-6 ℃～-8 ℃。同樣2、3月平均溫度也在0 ℃以下，0 ℃ 以下的低溫天氣有可能會引起冰凍災害，有可能出現輸電線路的覆冰事故，線路上的嚴重覆冰往往會使輸電線路導線斷落、輸電塔桿倒塌等嚴重事故，所以要重點關注11月到次年3月的溫度變化，預防雨雪冰凍惡劣天氣對西藏電網的不利影響。

圖6-b顯示，2008-2017年各月最高最低溫度的變化趨勢，7月的最高溫度約為11 ℃，不足以對輸電線路構成威脅，與前面的分析一致。冬季中12和2月的最低溫度約為-8 ℃，1月最低溫度為-10 ℃，較長時間的低溫環境有可能會造成冰凍災害，給輸電線路造成安全隱患。

2.2.2 溫度的空間分布特征 圖7-a顯示，春季青藏高原地區最低溫度為-4 ℃，主要集中在中西部地區。在青藏高原東南部為溫度大值區，最高溫為18 ℃，溫度大值區占整個區域的比重較小。總體而言青藏高原地區的溫度集中在-4～2 ℃，低溫區主要集中在青藏高原中西部和北部，拉薩、山南、昌都地區的溫度都低于-2 ℃，林芝地區相對較高。圖7-b顯示，夏季青藏高原整體溫度上升，最低溫度為6 ℃，主要集中在中西部和北部地區。溫度大值區依然出現在東南部，最高溫度為22 ℃，遠遠沒有達到高溫的標準。圖7-c顯示，秋季青藏高原地區最低溫度為-3 ℃，出現在中西部地區，低溫區主要集中在中部、西部和北部地區。圖7-d顯示，冬季青藏高原溫度急劇下降，拉薩最低溫度低至-14 ℃，其中，昌都地區的溫度低于-6 ℃，山南、林芝地區溫度相對較高，總體來看，青藏高原地區溫度普遍低于0 ℃，所以要注意由于低溫引起的輸電線路覆冰事故。圖7-e顯示，青藏高原全年平均最低溫度出現在中西部地區，大約為-4 ℃，大多數地區溫度基本維持在8 ℃以下。

圖6 2008-2017年各月平均溫度(a)、各月最高最低溫度(b)的變化趨勢Fig.6 Change trends in average monthly temperature (a) and maximum (minimum) monthly temperature (b) in 2008-2017

圖7 青藏高原四季及全年平均溫度的空間變化Fig.7 Spatial changes of average temperature all the year round in Qinghai-Tibet plateau

總體而言，青藏高原地區西部、北部地區溫度低且分布區域廣，東南部地區溫度高且分布區域小，呈由西部和北部地區向東南部地區增溫的空間變化形勢。青藏高原夏季整體溫度較高，最高為22 ℃；冬季整體溫度最低，低至-14 ℃。夏季溫度雖然較高，但是遠遠沒有達到高溫的標準，因此夏季青藏高原的輸電線路因為溫度太高而發生故障的可能性很小。但冬季由于拉薩最低溫度低至-14 ℃，這樣的低溫天氣可直接導致冰凍災害，還有可能引起輸電線路覆冰，直接威脅輸電線路的正常運行。

2.2.3 極端低溫事件頻次的年際變化 文獻[23]中指出青藏高原地區年內日最低氣溫的變化幅度在-23.67～-18.26 ℃。所以本文將占總格點數20 %的格點數日平均溫度≤-18 ℃定義為一個極端低溫事件，經計算，得出了極端低溫事件頻次的年際變化圖。從圖8可見，2013年發生極端低溫事件最多，有15次，其次是2008和2016年，分別有11次，而2012、2014和2017年最少，僅有2次。極端低溫事件的發生可能會導致輸電線路覆冰，對電網的安全運行存在一定的威脅。

根據資料統計，極端低溫的頻發區與溫度的空間分布有較好的一致性。極端低溫事件頻發區和低溫區主要集中在北部和西北部地區，極端低溫事件發生頻次由西北向東南逐漸減少。而高原的東南部地區為高溫地區，幾乎沒有極端低溫事件發生。因此，高原東南部的電網受低溫的影響較小，北部和西北部地區受低溫事件的影響較大。

2.3 高原積雪的時空分布特征

2.3.1 積雪的時間分布特征 為了解高原積雪的年際變化，對高原地區2008-2017年的積雪深度進行了時間平均和區域平均，所得結果為青藏高原地區10年平均累積積雪深度變化圖(圖9-a)。經計算，10年的年平均累積積雪深度為97 cm，高原地區2008年的年累積積雪深度為最大值，大約為170 cm；2014年累積積雪深度最小，約為69 cm。從圖9-b可以看出，積雪深度的變化趨勢呈單峰型，從9月到次年2月為增加的趨勢，2月份達到峰值，從2月到8月為減少的趨勢，7月達到谷值。積雪深度最大值在2月份，積雪深度達到16 cm；最小值在7、8月，積雪深度為1 cm。冬季積雪最多，積雪深度達到39.18 cm；其次為春季，積雪深度達到35.99 cm；秋季積雪較少，積雪深度為16.34 cm；夏季積雪最少，積雪深度為4.63 cm。春、冬季節的積雪深度明顯高于其他季節，青藏高原地區的電網設備存在更高的安全隱患，夏季由于積雪而造成青藏高原地區輸電線路發生故障的可能性很低。

圖9 2008-2017年高原地區累積積雪深度的變化Fig.9 Change of accumulated snow depth in plateau area

圖10 2008-2017年高原地區春、夏、秋、冬四季累積積雪深度的距平Fig.10 Departure of accumulated snow depth on the plateau area all the year round

從圖10可以看出，2012和2017年春季累積積雪深度為正距平，其余年均為負距平。正距平最大值出現在2012年為33 cm，負距平最大值出現在2010年，大約為-14 cm。在夏季，負距平最大值出現在2016年為-2.65 cm，正距平最大值出現在2011年為3.25 cm。由于夏季降雪本來就很稀少，所以積雪深度波動幅度較小且相對平穩。無論秋季還是冬季，最大正距平值都出現在2008年，分別為20.97 和43.42 cm。說明2008年的秋冬季節出現了大范圍的強降雪，明顯高于平均積雪深度。相比之下，冬春季節高原地區積雪深度波動范圍較大，需要密切關注。至于夏季，可以忽略其對電網的影響。

2.3.2 積雪的空間分布特征 從圖11可以看出：西藏地區年累積積雪深度空間分布差異顯著。在94°E，29°N附近為積雪大值區，多雪區集中在西藏的東部地區，而藏中電網工程正好出現在積雪大值區，累積積雪深度達到160 mm；在92°E以西地區為少雪區，大多地區的年累積積雪深度小于20 mm，極小值出現在89°E，29°N和91°E，30°N附近，積雪深度為10 mm。圖11-a顯示，春季降雪的空間分布與年降雪基本一致，山南部分地區為降雪大值區，大約為100 mm，電網附近積雪較深。夏季、秋季積雪深度明顯減少，夏季積雪深度最大值為9 mm，而秋季最大值為20 mm，都主要集中在西藏的東部地區。冬季多雪區范圍與年降雪類似，但范圍擴大，山南、林芝都處于降雪大值區。總體來說，積雪大值區在西藏的東部地區，并且積雪深度春季>冬季>秋季>夏季。藏中電網處于積雪深度大值區，所以要重點關注西藏中東部地區春、冬季節的積雪深度特征，防止由于積雪給電網帶來的威脅。

2.3.3 極端降雪事件頻次的年際變化 根據文獻[24]中降雪量在8～10 mm為輕度雪災，10～15 mm為中度雪災，大于15 mm為重度雪災。本文將占總格點數20 %的格點數日平均積雪深度≥1 cm定義為一個極端降雪事件，經計算，得出了極端降雪事件頻次的年際變化圖。從圖12可以看出，2008年發生極端降雪事件最多，高達113次，遠遠多于其它年份，與前面的年累積積雪深度的結論一致，其次是2012年，發生58次，而2010年最少，僅發生13次。極端降雪事件的發生可能造成電路跳閘、斷線事故，需有序應對降雪天氣，保障電網安全可靠運行。

圖11 青藏高原四季及全年的累積積雪深度的空間變化Fig.11 Spatial changes of all the year round accumulated snow depth in Qinghai-Tibet plateau

圖12 高原極端降雪事件頻次的年際變化Fig.12 Interannual variation of the frequency of extreme snowfall events on the plateau

極端降雪事件的頻發區集中在山南的東北部地區和林芝的西北地區，其數值高達80次；拉薩和山南的西部地區以及昌都地區發生極端降雪事件的次數較少。同積雪深度的空間分布一致，積雪深度較大的地區為極端降雪事件的頻發區，積雪深度較小的地區發生極端降雪事件的次數較少。因此，在山南的東北部地區和林芝的西北地區，其電網線路受積雪的影響較大。

3 結 論

本文利用歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)提供的2008-2017年再分析資料，對高原地區近10年的幾個氣象要素進行了統計分析。

(1)從時間分布特征來看，青藏高原10年來區域平均的年累積降水量為463.38 mm，少雨季節與多雨季節分明。2012年極端降水事件最多，有12次；2009年最少，僅有3次。從整體上看，近10年來極端降水事件頻次呈增多趨勢。從空間分布特征來看，夏季降水量明顯高于其他幾個季節，山南地區的降水量最多，高達270 mm，平均每年發生14次極端降水事件，由于降水量偏多，輸電線路的的安全隱患也大大增加。

(2)從時間分布特征來看，冬季平均溫度在-6 ～-8 ℃，夏季溫度雖然較高，但是遠遠沒有達到高溫的標準，因此夏季溫度基本上不會對輸電線路構成威脅。2013年發生極端低溫事件最多，有15次，而2012、2014和2017年最少，僅有2次。從空間分布特征來看，冬季青藏高原溫度急劇下降，拉薩最低溫度低至-14 ℃，其中，昌都地區的溫度低于-6 ℃，山南、林芝地區溫度相對較高，總體來看，青藏高原地區溫度普遍低于0 ℃，所以要注意由于低溫引起的輸電線路覆冰事故。要重點關注11月到次年3月的溫度變化，預防雨雪冰凍惡劣天氣對西藏電網的不利影響。

(3)從時間分布特征來看，青藏高原積雪深度的變化趨勢呈單峰型，2月達到峰值，7月達到谷值。春、冬季節的積雪深度明顯高于其他季節。2008年發生極端降雪事件最多，而2010年最少，僅發生13次。從空間分布特征來看，青藏高原積雪大值區集中在西藏的中東部地區，藏中電網工程正好出現在積雪大值區，全年累積積雪深度達到160 mm。春季降雪的空間分布與年降雪基本一致，山南部分地區為降雪大值區，夏季、秋季積雪深度明顯減少，冬季多雪區范圍與年降雪類似，但范圍擴大，山南、林芝都處于降雪大值區，是極端降雪事件的頻發區。春冬季節高原地區積雪深度波動范圍較大，電網附近積雪較深，所以要重點關注西藏中東部地區春、冬季節的積雪深度特征，防止由于積雪給電網帶來的威脅。