2015年廣西區北部超高壓輸電線路一次連續覆冰事件的天氣學特征

王奇，張厚榮，宗蓮，蘇浩輝，楊元建，高志球

(1. 中國南方電網超高壓檢修試驗中心，廣東廣州510663；2. 南京信息工程大學大氣物理學院，江蘇南京210044)

1 引 言

南方冬季的主要氣象災害(道路結冰、電線覆冰、作物凍害等)是由寒潮過程中的持續冰凍雨雪天氣造成的，給南方地區的交通運輸、電力保障、農業生產、通訊設備等方面帶來了巨大損失。導線覆冰一直是南方電網超高壓輸電線路的最嚴重氣象災害之一，直接威脅著輸電線路的運行維護。例如，2008 年1 月中旬—2 月初我國南方發生了大范圍冰凍雨雪災害天氣，使得湖南、貴州、廣西、湖北20 個省(區)遭受重大災害，受災群眾達1 億多人，直接經濟損失達1 500 億元[1]。此次南方冰凍雨雪天氣過程，500 kV 輸電線路倒塔共506 基，各級電網的輸電線路的塔桿遭受嚴重損害[2]。可見，極端冰凍雨雪天氣帶來的嚴重危害，研究冬季電線覆冰的天氣成因顯得尤為重要。總之，對南方持續冰凍雨雪天氣的成因分析和準確預報，提前應對其可能造成的氣象災害，減少經濟損失和保護人民生產生活安全，具有十分重要的科學意義和實際應用價值。

目前大多數學者主要從大氣環流、局地氣象要素、熱動力結構以及水汽輸送等方面開展了大量南方冰凍雨雪天氣研究工作。例如，已有研究[3-5]從大氣環流異常分析了2018年1月的低溫冰凍雨雪天氣成因，發現阻塞高壓長期維持，烏拉爾山高壓脊發展強烈，脊前的偏北引導氣流將冷空氣向南輸送，槽前西南氣流向北輸送水汽，925～700 hPa 之間逆溫層大范圍的穩定存在，冷空氣和暖濕氣流交匯為冰凍雨雪天氣發生提供了條件；高洋等[6]從地面和大氣垂直熱力結構配置和氣候異常角度出發，診斷認為2008 年1 月南方平均地面氣溫較往年偏低4～6 ℃，對流層中下層平均大氣偏暖，底層北風強勁導致當年出現了罕見的冰凍雨雪災害；廖圳[7]針對1980年以來8次持續性低溫雨雪冰凍事件進行環流分型特征分析，認為這些事件主要與單阻型和雙阻型的大尺度環流特征有關；吳俊杰等[8]認為印度洋中部赤道地區對流加強而印度尼西亞對流抑制的熱帶季節內慣性振蕩特征為2008年南方持續性降水提供了充足的水汽條件。此外，也有不少學者深入研究了低溫冰凍雨雪天氣下的電線積冰問題，李長順等[9]結合福建省歷史電線觀測資料，通過對福建省天氣、氣候條件的分析認為降水天氣(或充足水汽)和較低的氣溫是電線積冰形成的主要天氣條件；殷水清等[10]根據人工神經網絡BP 模型建立了全國電線結冰厚度分布及預報等級模型，但該模型僅從氣象要素預報積冰，使得該模型需要改進的空間仍然很大；更多的學者通過研究電線積冰的微物理機制過程進行積冰厚度的模擬研究[11-12]。

鑒于輸電線路積冰帶來的危害損失之大，找到輸電線路覆冰的天氣學成因，提高電線覆冰發生預報率，亟待解決。

2015 年 1 月 26 日—2 月 8 日，寒潮入侵，冷空氣南下與西南的暖濕氣流交匯，廣西桂林、貴州黔東南、云南昭通等多地多根超高壓輸電線形成覆冰，影響電力輸送和通信。此次降溫過程持續時間長，影響范圍廣，對線路造成的影響較大。廣西地區是我國南方電網西電東送輸電的重要通道，在此期間，廣西區超高壓輸電線的覆冰觀測記錄顯示，73%的塔桿出現不同程度覆冰，最大覆冰厚度為24.82 mm。桂林市北部地處桂北高寒山區，因此桂山線輸電線有著覆冰增長速度快、覆冰厚度大的特點，為南方電網防冰特殊區段，該區域現場溫度與天氣預報溫度往往存在6~8 ℃的差別。在這次寒潮過程中，桂山線的標準覆冰厚度為17.84 mm，覆冰比值為1.19(設計冰厚15 mm)，且在進行人工融冰后仍多次反復積冰，給電力部門工作增加了不少困難。故本文將以此次覆冰過程為例，系統研究了超高壓輸電線覆冰的天氣學成因。

2 資料與方法

本研究以廣西區北部桂林灌陽縣桂山地區的超高壓輸電線路塔桿A 和B(由于涉及電力安全信息保密，這里僅用A 和B 代稱塔桿的具體名稱)為典型，多年來A、B 塔桿多次覆冰嚴重，覆冰增長快，厚度大，其經緯度范圍為：110.75~110.81 °E，25.26~25.27 °N。2015年1月28—31日，受南支槽和冷空氣共同影響，桂林出現較強的降溫過程，灌陽縣桂山區域的超高壓輸電線路出現一次連續覆冰事件，覆冰嚴重區域主要集中在桂山線，其最大覆冰厚度分布概率如圖1所示，嚴重影響人民生產生活，電網公司進行了兩次作業融冰。

圖1 2015年1月26日—2月8日連續覆冰過程中廣西區輸電線路最大覆冰厚度分布概率

本研究中用到的氣溫和覆冰厚度數據都來自超高壓輸電線路覆冰觀測系統，小時降水量數據來自距離觀測區域28 km 灌陽縣的常規氣象觀測站。為分析覆冰過程的天氣形勢和溫濕層結狀況，還使用了2015年1月27日—2月7日的歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，簡稱 ECMWF)的 ERA5再分析資料(范圍為70～ 160 °E，10～70 °N)，分辨率為0.25 ° × 0.25 °。

為了找出超高壓輸電線覆冰發生的大尺度環流前兆信號，本文還計算了西伯利亞高壓強度指數、東亞大槽強度指數、西太平洋副熱帶高壓指數等大氣環流指數。西伯利亞高壓強度指數為80～120 °E，40～65 °N 的平均海平面氣壓標準化后的值[13]；東亞大槽強度指數為110～145 °E，25～45 °N 的500 hPa 高度場標準化的值[14]；由于覆冰期間西太副高較偏西，故西太副高范圍選為10 °N 以北，90～160 °E，其面積指數為該范圍內500 hPa位勢高度>588 gpm 的網格點數，強度指數為位勢高度>588 gpm 的網格與587 gpm 的差值累積，西脊點為588 等值線最西位置的經度；850 hPa 西太副高指數為110～150 °E，10～30 °N 的850 hPa位勢高度的平均距平值[15-17]。

3 結果分析

3.1 覆冰過程概況

圖2 為 2015 年 1 月 29 日—2 月 7 日期 間三次覆冰的過程概況，表1 為A、B 兩根塔桿的覆冰第Ⅰ階段(初次覆冰和再次覆冰，1 月 29 日—2 月 2 日)、第Ⅱ階段(三次覆冰，2 月4—6 日)的最大覆冰厚度及其時間和氣溫。在1月29日12:00(北京時間，下同)左右開始結冰，其中A 塔桿在1 月31 日覆冰厚度達到24.82 mm，平均覆冰增長率為0.58 mm/h，其氣溫低至-4.1 ℃；B 塔桿最大覆冰厚度為14.71 mm，平均覆冰增長率為0.48 mm/h，因影響輸電線路的保障，電網公司進行了“直流融冰”。但由于強勁的冷空氣持續入侵，31 日輸電線再次積冰，B塔桿積冰厚度達16.40 mm，氣溫為-3.2 ℃；2 月4日凌晨，輸電線三次覆冰，在中午達到最大覆冰，但不超過5 mm，隨著冷空氣減弱，2 月5 日覆冰逐漸融化。由于微地形的影響，兩根塔桿的初始覆冰時間和達到最大覆冰時間不同，且覆冰達到一定厚度進行了人工消融，但第三次覆冰程度較輕，積冰自然融化。

圖2 2015年1月29日—2月7日塔桿A(實線)和B(虛線)的覆冰厚度時間序列圖

表1 該覆冰過程塔桿A和B的三次最大覆冰概況

3.2 覆冰過程大氣環流形勢分析

圖3 為 1 月 28 日—2 月 6 日期間每日 08 時的500 hPa 大尺度位勢高度場，1 月 28 日，貝加爾湖地區有一小槽，我國東北地區為一弱脊控制，西太副高偏西，東亞大槽已到達日本地區；29日東移發展的小槽越過貝加爾湖地區到達我國東北地區，等壓線密集，南支槽逐漸緩慢東移，副高加強東退至105 °N；30 日小槽發展為大槽，受低壓槽影響，冷空氣南下，迅速降溫，強盛的西太副高將海洋上的水汽輸送至南方；31日阻塞高壓逐漸減弱東移，脊前小槽迅速發展經新疆、青藏高原南下，南支槽強盛逐漸東移；槽后脊前的偏北氣流引導源源不斷的冷空氣南下，但西太副高的異常強盛對冷空氣有所削弱，到2 月4 日，槽緯向加深對廣西地區的影響加大，阻塞高壓東移南下；2 月5—6 日，低槽東移入海，雖然冷渦逐漸南下，但是在強勁的阻塞高壓阻擋下，對南方地區的影響逐漸削弱。

圖3 500 hPa大尺度環流形勢場

圖4 為850 hPa 位勢高度場和溫度場，其中等值線為位勢高度場，填色為溫度場，矢量場為水汽通量，1 月28—29 日東北冷渦東移入海，第一輪冷空氣自北向南入侵南方，廣西桂林地區位于鋒區附近，鋒區北側為干冷空氣，鋒區南側則為暖濕氣流，兩股屬性相反的空氣于桂林上空交匯，當冷空氣強于暖空氣時則迅速降溫，過冷液滴凍結或過冷霧滴凝華導致電線積冰；當暖空氣強于冷空氣時，則氣溫回升導致積冰融化。貝加爾湖東側小脊發展，脊前小槽引導新一輪冷空氣沿新疆、青海、青藏高原東南側南下，影響西南地區，故31 日和2 月1 日時，兩股冷空氣匯合，降溫持續，高壓東移南下，弱暖平流北上，但是很快蒙古高壓再次生成，弱冷平流南下，冷暖平流交替影響西南山區。

圖4 850 hPa大尺度環流形勢場

2015 年 1 月 28 日—2 月 6 日的冷空氣過程前期應該是橫槽轉豎并向南加深，引導冷空氣大舉南下導致寒潮天氣爆發，隨著阻塞高壓崩潰再建，新一股冷空氣自新疆-青藏高原東南側南下，兩股冷空氣匯合加強降溫，隨著西伯利亞高壓不斷東移南下，帶來的弱冷空氣影響桂林地區，高壓后部的偏南氣流將海上的暖濕氣流向北輸送水汽。在第Ⅰ階段，冷空氣強盛，較多水汽由南向北輸送，而第Ⅱ階段冷空氣較弱，水汽輸送小甚至在高壓后部的偏北氣流影響下由北向南輸送，故第Ⅰ階段電線覆冰速度快，覆冰厚度大，第Ⅱ階段則相反。

3.3 覆冰過程溫濕條件分析

圖5 和圖6 為整個覆冰事件的溫度和相對濕度的垂直剖面，在第Ⅰ和第Ⅱ階段的覆冰初生階段邊界層上部都出現了強的暖濕氣流抬升北上，而近地層冷空氣南下下沉入侵，對流層低層有強逆溫層存在，逆溫層阻礙了空氣的垂直運動，使得大量水汽聚集在逆溫層下面，在與逆溫層下低于0 ℃的冷空氣層配合下，常常出現冰凍雨雪天氣，有利于特高壓輸電線的覆冰。

圖5 溫度垂直剖面的時間序列

圖6 相對濕度垂直剖面的時間序列

圖7 為桂林上空850 hPa 水汽通量輸送，1 月28—29日桂林位于850 hPa高壓后部，偏南氣流輸送較多的水汽至桂林上空，為電線積冰提供水汽條件，高壓東移入海，水汽輸送減弱，盡管不斷有高壓系統南下，等壓線稀疏，水平氣壓梯度力減小，水汽輸送也減少。當高壓系統移至桂林西側時，水汽輸送的方向也由南轉向北。

圖7 850 hPa水汽通量輸送

圖8 為該過程A、B 塔桿的實時溫度和灌陽縣的日總降水量，A 和B 的溫度差異不大，在電線覆冰期間，A 和B 的溫度均低于0 ℃，最低溫為-4.6 ℃，第Ⅰ階段氣溫低于第Ⅱ階段；整個過程共8天出現降雨天氣，雖然降雨量均未超過5 mm，但在溫度低于0 ℃時，過冷卻水滴接觸到導線形成積冰，當大氣無降水或降水較弱時，空氣中的過冷霧滴也可在導線上直接凍結積冰。

圖8 覆冰期間A、B塔桿的實時觀測溫度(a)和灌陽縣日總降水量(b)

4 討 論

4.1 覆冰第Ⅰ和第Ⅱ階段溫濕條件對比

圖9 和圖10 分別為第Ⅰ和第Ⅱ階段的最大覆冰時刻的緯向溫濕垂直剖面，紅色箭頭代表暖濕空氣，藍色箭頭為干冷空氣，桂林在兩個階段都具有“冷-暖-冷”的垂直結構，這被認為是凍雨天氣出現時的典型垂直結構[18-21]，大氣層結逆溫明顯，水汽充沛有利于輸電線覆冰的增長、維持。第Ⅰ階段逆溫層較第Ⅱ階段深厚，其南下的干冷空氣也較第Ⅱ階段強，水汽也較第Ⅱ階段充沛，故第Ⅱ階段覆冰很快就隨暖空氣下沉增溫而融化。

圖9 第Ⅰ階段的最大覆冰時刻的緯向溫度(左)、濕度(右)垂直剖面

圖10 第Ⅱ階段的最大覆冰時刻的緯向溫度(左)、濕度(右)垂直剖面

4.2 與大尺度大氣環流指數的相關性分析

西伯利亞高壓帶來的強冷空氣入侵我國南下，高壓前部的冷空氣與南方的暖空氣相遇，若冷空氣勢力強于暖空氣，則形成冷鋒，冷鋒過境后帶來的寒潮對我國冬季降溫過程影響較大。而西太副高在冬季偏西偏強時，副高后部的西南氣流將引導暖濕氣流向西南地區輸送，在地勢較高的山區，冷空氣堆積迫使暖濕氣團抬升形成準靜止鋒[22]，使得電線積冰更容易形成。故通過西伯利亞高壓指數和東亞大槽強度指數來判別冷空氣強弱，利用西太副高指數判別暖濕空氣強弱，以此分析覆冰過程冷暖空氣變化。圖11為覆冰期間各項指數的變化。其中西伯利亞高壓高指數對應強西伯利亞冷高壓，東亞大槽低指數對應強東亞大槽，在覆冰前期，西伯利亞高壓指數降低，東亞大槽強度不斷增強，第Ⅱ階段西伯利亞高壓較第Ⅰ階段弱，但東亞大槽強度較第Ⅰ階段強，總體而言第Ⅰ階段冷空氣強于第Ⅱ階段。西太副高各項指數中，除低西脊點指數對應西太副高偏西外，其余高指數均對應強盛西太副高，可看出覆冰期間西太副高偏西偏強。為進一步討論西伯利亞高壓、東亞大槽以及西太副高與覆冰厚度間的關系，分析其超前滯后相關性(表2)，西伯利亞高壓強度，東亞大槽強度及西太副高西脊點指數在延時為0時，指數與最大覆冰厚度相關性最高(相關系數分別為0.659、0.661和0.615)，而西太副高面積指數和850 hPa副高指數在超前兩天時相關性最高(相關系數分別為0.818 和0.641)，而西太副高強度指數在延時為1 天時與覆冰厚度最相關(相關系數為0.686)。整體而言，各項指數都能在提前0~2 天時對最大覆冰厚度有較明顯的前兆信號。

表2 各項指數逐日變化與日最大覆冰厚度變化的超前和滯后相關系數

圖11 覆冰過程各項指數變化

在當前的覆冰預報研究中[9-12]，從電線覆冰的微物理過程、局地氣象要素及天氣形勢出發對電線覆冰厚度等級進行預測，與實際電線的覆冰仍有較大差距。在此次桂林北部電線覆冰過程中，我們發現垂直溫濕層結的緯向分布更直觀地顯示了冷暖氣團的強弱，干濕屬性，其中第Ⅰ階段冷氣團水汽更充沛電線覆冰越厚；進一步地，找到各項大氣環流指標與覆冰厚度的超前滯后相關關系，西伯利亞高壓、東亞大槽和西太副高等大氣環流指數能在提前0~2 天給出了明顯的前兆信號。此次個例分析的結論對覆冰預報有一定的指導意義，但在未來的覆冰預報中，我們可在現有的覆冰預報基礎上，再從溫濕層結分析南北緯向上冷暖氣團的強弱，建立定量的冷暖空氣強弱指標和干濕氣團屬性指標。并進一步結合西伯利亞高壓、東亞大槽以及西太副高甚至東亞高空急流[23]等大尺度環流指數和南方電網超高壓輸電線歷史覆冰數據，建立更具普適性的覆冰概率和強度預報方法，以提高覆冰發生的預報準確率，為電力部門提前應對輸電線路覆冰提供科學決策信息，以保障人民生活生產，將電線覆冰的損失降到最低。

5 結 論

本文通過分析廣西桂林2015 年1 月28 日—2月6日超高壓輸電線路一次連續覆冰事件，從天氣形勢、溫濕層結、氣象要素以及大氣環流指數方面系統分析了覆冰的天氣學成因，覆冰的形成主要與北方干冷空氣與南方暖濕空氣交匯形成的準靜止鋒有關，兩股空氣勢力的主導方很大程度決定了輸電線路積冰與否以及積冰厚度。

(1) 大尺度環流形勢方面：本次冷空氣過程前期屬于橫槽轉豎，冷渦迅速東移入海，極渦強盛引導東亞大槽不斷重建東移南下，隨著阻塞高壓崩潰再建，冷空氣自新疆-青藏高原東側南下，西太平洋副熱帶高壓偏西偏強引導西南氣流將海洋上的暖濕氣流向我國西南地區輸送。在桂林上空冷暖氣團勢力相當，相互對峙，冷暖氣團的主導作用使得鋒面來回擺動，在山脈阻擋和流場共同作用下形成準靜止鋒。冷氣團主導且水汽充沛有利于電線積冰，而暖氣團主導時則有益于積冰融化。

(2) 溫濕垂直層結方面：在覆冰初生階段，邊界層上部出現強的暖濕氣流北上，而近地層冷空氣南下入侵出現逆溫，第Ⅰ階段逆溫層較第Ⅱ階段深厚，且第Ⅰ階段冷空氣較強盛水汽更充沛，故第Ⅰ階段覆冰厚度遠大于第Ⅱ階段。

(3) 局地氣象要素方面：從氣溫、水汽通量來看，第Ⅰ階段氣溫更低，向桂林地區的水汽通量輸送更多，在兩次覆冰階段前期都出現了降水，在溫度低于0 ℃的高寒山區，降落的雨滴在輸電線上凍結成毛玻璃狀透明或半透明的冰層，空氣中水汽也可直接凝華使得覆冰增長，影響覆冰增長速率。

(4) 大氣環流指數方面：以西伯利亞高壓強度指數和東亞大槽強度指數表征冷空氣強度，以西太副高指數表征暖濕空氣強度，覆冰期間西伯利亞高壓和東亞大槽強盛，西太平洋副熱帶高壓也偏西強盛，促使冷空氣南下有暖濕氣流北上形成對峙，在高寒山區形成準靜止鋒。大尺度環流指數的變化對覆冰發生及厚度的預報有較好的指示意義。

此次過程位于鋒區附近的桂林北部山區在冷空氣和暖濕氣流的共同作用下形成電線積冰，由于準靜止鋒并不是完全靜止的，鋒區的移動影響著輸電線路的覆冰狀況，冷空氣強于暖空氣時且水汽充沛時，更有利于電線積冰，而當暖空氣強于冷空氣時，更易導致積冰的融化。可看出在覆冰期間主要由冷空氣引導，第Ⅱ階段融冰期間為暖空氣主導。

本文僅從2015年桂林山區輸電線的一次連續覆冰過程的個例分析，對輸電線路覆冰預報具有一定指導意義，為了使結論更具有普適性，今后會更深入地建立一種客觀分析方法，結合多模式集合預報[24]，建立天氣形勢、氣象指標以及大氣環流指數同中國南方電網輸電線覆冰事件的聯系，從而建立一種更具普適性的覆冰預報方法，提高覆冰發生的預報準確率，便于在科學研究和業務應用中認識覆冰發生的天氣學特征，為輸電線覆冰發生預報提供科技支撐。