石家莊地區輸電線路雷擊事故發生的氣象條件

張翠華，李元華，馮洋

摘要：為了研究石家莊地區輸電線路雷擊事故發生的氣象條件，利用該地區1990—2018年輸電線路雷擊事故發生的詳細資料和地面、探空氣象資料，分析了輸電線路雷擊事故的時空變化，確定了容易發生輸電線路雷擊事故的天氣系統配置和探空物理量閾值；通過輸電線路雷擊事故發生的氣象條件，檢驗了2019—2020年輸電線路雷擊事故的預報準確性。結果表明：石家莊輸電線路雷擊事故主要發生在夏季傍晚前到前半夜，夏季發生概率明顯高于春季、秋季；輸電線路雷擊事故發生日數自西向東逐漸減少，集中發生在西部山區的井陘，其次是市區，井陘發生概率遠高于其他地區；對流天氣影響系統主要為高空槽型和冷渦型，探空物理量同時滿足首要條件和附加條件時，引發輸電線路雷擊事故概率較高；輸電線路雷擊事故發生的氣象條件在2019—2020年中得到較好的預測檢驗，對防范雷擊事故有一定指導意義。

關鍵詞：輸電線路；雷擊事故；氣象條件；預測檢驗

中圖分類號：P49；X43? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：2096-3599（2023）02-0001-00

DOI： 10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.02.010

Analysis of meteorological conditions for lightning strikes on transmission lines in Shijiazhuang

ZHANG Cuihua1，2，3， LI Yuanhua4， FENG Yang3

（1. China Meteorological Administration Xiongan Atmospheric Boundary Layer Key Laboratory， Hebei Xiongan New Area 071800， China; 2. Hebei Key Laboratory for Meteorology and Eco-environment， Shijiazhuang 050021， China; 3. Shijiazhuang Meteorological Bureau， Shijiazhuang 050081， China; 4. Hebei Meteorological Information Center， Shijiazhuang 050021， China）

Abstract：In order to study the meteorological conditions for lightning strikes on transmission lines in Shijiazhuang， based on the detailed information of such accidents and meteorological data of surface observation and radiosonde from 1990 to 2018 in the region， the spatial and temporal variations of lightning strikes on transmission lines are analyzed， and the configurations of weather systems and the threshold values of radiosonde physical quantities are determined. The forecast accuracy of lightning strikes on transmission lines from 2019 to 2020 is tested by analyzing the meteorological conditions for the accidents. The results show that the lightning strikes on transmission lines in Shijiazhuang mainly occur from early evening to early midnight in summer， and the probability in summer is significantly higher than that in spring and autumn. The days of such accidents decrease from west to east， mostly in Jingxing， a mountainous area in the west， followed by downtown areas， and the maximum probability is observed in Jingxing. When the convective weather systems are upper trough type and cold vortex type， and the radiosonde physical quantities satisfy both the necessary and additional conditions， the probability of lightning strikes on transmission lines is high. The meteorological conditions for lightning strikes on transmission lines from 2019 to 2020 have been well predicted and tested， which are instructive for preventing lightning strikes.

Keywords： transmission line; lightning strike; meteorological condition; prediction test

引言

石家莊地處河北省中南部，域跨太行山地和華北平原兩大地貌單元，西部地處太行山中段東麓，山區部分約占全市總面積的50%，東部為滹沱河沖積平原，包括市區和16個縣（區）。中國平均雷暴日數較多區域主要分布在新疆西北部、西藏中部、青海南部、四川西部及沿長江的以南地區，石家莊位于我國北方中雷區[1]，西部為太行山中段東麓，東部為中南部平原，雷電活動發生頻繁[2]。通過大氣電場儀組網數據、天氣雷達及閃電定位資料等多源資料的綜合分析可以更好地判斷雷暴云的活動狀況[3]，提高雷電預警準確率和時間提前量，但是雷暴事件小概率會引發雷擊災害，雷擊地鐵線路及高架站[4]、建筑物[5]、地上油氣管道[6-7]、森林[8-9]等造成人員傷亡和經濟損失，而架空輸電線路是電力系統的重要組成部分，由于其所經之處大都為曠野且線路距離較長，桿塔高度較高，因此遭受雷擊概率增大[10]。雷暴是導致電網事故發生頻率較高的氣象災害[11]，當雷電貼近陸地表面與輸配電桿塔或線路相遇，雷擊電流在桿塔或線路上形成巨大電位差和能量釋放，會在一定程度上損毀桿塔、線路及附近的電力設備[12]。

目前輸電線路事故的相關氣象條件研究中，盧振禮等[13]采用事件概率回歸和邏輯回歸對比分析建立了災害性天氣（雷雨、大風）、氣溫與電力事故發生概率的回歸預警模型。王潔等[14]分析了冀北電網災害事故的時空分布特征，指出影響輸電線路的氣象災害主要有雷害、冰害、風偏和污閃，其中雷害最多。張翠華[15]分析了石家莊地區電力污閃事故發生資料，給出判定電力污閃發生的氣象要素指數條件。王潔等[16]分析了冀北地區輸電線路舞動的時空分布和氣象要素特征，得出輸電線路舞動發生的氣象要素指標。王馨、武輝芹等通過分析河北省輸電線路覆冰、冰害事故資料，分別采用層次法、逐步回歸分析構建輸電線路覆冰風險預報模型[17]和電線積冰的逐步回歸預報模型[18]。楊琳晗等[19]采用層次分析法確定雷擊災害頻度、雷暴日數、生命易損模數和經濟易損模數4個評估指標權重分布從而建立輸電線路雷擊風險評估模型，形成冀北地區輸電線雷擊災害風險區劃圖。張翠華等[20-21]分析了輸電線路雷擊前地面氣象要素變化特征并建立輸電線路雷擊事故發生氣象指標。目前關于影響輸電線路的氣象災害事故研究中，輸電線路雷擊研究是從雷擊發生前的地面氣象要素、評估指標確定權重建立雷擊風險模型來入手分析，而本文以石家莊地區1990—2018年99次輸電線路雷擊事故為研究樣本，由高空大氣環流形勢和物理量的角度分析雷擊輸電線路前的環流背景和探空物理量變化，找出其發生的氣象條件，以期為做好輸電線路雷擊事故預報預警[22]，進一步防范輸電線路雷擊事故的發生提供科技支撐。

1? 資料及方法

利用石家莊地區1990—2018年99次輸電線路雷擊事故的發生時間、故障地點、故障現象描述等詳細資料，分析輸電線路雷擊事故發生的時空變化和發生概率。通常發生雷暴的當日為一個雷暴日，在雷暴日發生輸電線路雷擊事故的當日為一個輸電線路雷擊日，發生概率是指輸電線路雷擊日數占雷暴日數的百分比，利用Surfer軟件繪制輸電線路雷擊點的空間分布。根據2001—2018年50次輸電線路雷擊事故詳細資料，利用全國國家站的高空（時間間隔12 h）、地面觀測（時間間隔3 h）資料進行環流形勢分析；石家莊地區一般選取邢臺站探空資料（時間間隔12 h）用于探空物理量分析，利用天氣學原理分析其發生的氣象條件，對強對流雷電活動引發輸電線路雷擊事故的天氣影響系統歸類并統計分析發生的探空物理量，確定容易發生輸電線路事故的天氣系統配置和探空物理量閾值，找出其發生的氣象條件；基于2001—2018年輸電線路雷擊事故發生的氣象條件，用來檢驗2019—2020年輸電線路雷擊事故的預報準確性。

2? 結果分析

2.1? 輸電線路雷擊事故發生的時空變化

由季節變化來看，石家莊輸電線路雷擊事故在春季、夏季和秋季均有發生，主要發生在夏季，其占春夏秋3季的86.9%；夏季輸電線路雷擊事故發生概率（9.5‰）明顯高于春季（4.1‰）和秋季（4.5‰）。由日變化看，春季輸電線路雷擊事故主要發生在前半夜（20—22時），發生概率為62.5%；夏季輸電線路雷擊事故主要發生在傍晚前到前半夜（16—22時），發生概率為68.5%；秋季輸電線路雷擊事故主要發生在午夜后（00—02時），發生概率為60%。由石家莊輸電線路雷擊事故發生的空間分布（表1）可見，輸電線路雷擊事故發生日數自西向東逐漸減少，集中發生在西部山區的井陘，其次是市區、平山發生較多，贊皇和欒城沒有發生；西部山區雷電活動發生頻繁，引發輸電線路雷擊事故發生概率增大，井陘和市區發生概率最大（分別為31.8‰和31.4‰），其次是平山（為13.1‰），遠高出全區發生概率（8.5‰）。

2.2? 輸電線路雷擊事故發生的天氣影響系統分析

高空的槽、冷渦，低層的切變線、低渦和地面氣旋、冷鋒、倒槽等影響系統為雷電、大風、冰雹等對流性天氣提供了天氣尺度的動力、水汽條件和觸發機制，在發生對流性天氣時積雨云中雷電交作的激烈放電為引發輸電線路雷擊事故提供了充分條件。

石家莊2001—2018年輸電線路雷擊事故50個樣本中，對逐次輸電線路雷擊事故發生時（最近一個時次08時或20時）對流天氣過程的影響系統做了細致分析并分類，確定容易發生輸電線路事故的天氣系統配置，如表2所示，引發輸電線路雷擊事故的對流天氣影響系統分為高空槽型、冷渦型、西北氣流型和橫槽型4個類別。其中高空槽型最多，為33例，占66%；其次冷渦型10例，占20%；西北氣流型與橫槽型較少，分別為5例、2例。

高空槽型中，強對流發生在500 hPa槽前西南氣流中，700 hPa或850 hPa常存在低空切變線，地面多存在冷鋒、低壓或低壓帶。高空鋒區與地面鋒區接近重合時，大尺度的上升運動強烈。冷渦型中，500 hPa的冷渦為蒙古冷渦、東北冷渦和華北冷渦，一般有明顯冷中心或冷溫槽配合，700 hPa或850 hPa有低渦或切變線對應，3層系統近于垂直或前傾，地面系統為低壓、鋒面氣旋（底部或前部）。發現強對流天氣多出現在冷渦的東南或西南象限。中高緯阻塞形勢建立時，冷渦移動緩慢或少動，會造成連續數日的強對流天氣。西北氣流型中，500 hPa上位于高空槽或冷渦后部的西北氣流中，有明顯冷平流，低層有切變產生或加強，有暖（濕）平流，地面位于低壓帶中或氣旋底前部、高壓后部。橫槽型中，500 hPa蒙古東部橫槽南壓過程中有新冷空氣補充，逐漸南擺轉豎，橫槽后風速可達急流標準（風速為20 m·s?1），高低層結構垂直或前傾，低層（700 hPa或850 hPa）有橫槽或切變線，海平面氣壓場多呈“北高南低”形勢，北部有較強冷高壓。4類強對流天氣形勢中，500 hPa有時出現v＞20 m·s?1大風速帶，表明冷平流強，850 hPa有時存在暖脊，對應暖平流強，使得高低層溫差增大，加強層結不穩定，更利于強對流產生。

2.3? 輸電線路雷擊事故發生的探空物理量分析

高空（干）冷空氣和低層暖濕空氣共同作用利于建立不穩定層結，加之天氣尺度系統、地面輻合線、重力波、地形等觸發機制的共同作用產生對流性天氣。在探空物理量條件中，一般當對流有效位能（convective available potential energy，CAPE）達幾百J·kg?1，高低空氣溫差值t850?t500超過26 ℃，沙式指數（Showalter index，SI）小于0 ℃，K指數大于28 ℃，低層有一定的水汽（相對濕度R＞60%）時即可產生對流性天氣，而較弱、中等和強的0～6 km垂直風切變均可產生對流性天氣。

石家莊2001—2018年輸電線路雷擊事故50個樣本中，對輸電線路雷擊對流發生時（最近1個時次08時或20時）表征動力、熱力（不穩定能量）和水汽的探空物理量（邢臺探空）做細致分析，確定容易發生輸電線路事故的探空物理量閾值，如表3所示。

CAPE值（或訂正）均值為2 100 J·kg?1，其中達到中等強度（1 000～2 500 J·kg?1）的個例26個，達到高值（大于2 500 J·kg?1）的個例20個，分別占52%和40%，最大值達到5 000 J·kg?1。高低空氣溫差值t850?t500的均值為32 ℃，超出發生對流性天氣的經驗閾值26 ℃，其中t850?t500＞26 ℃的個例45個，占90%，t850?t500＞30 ℃的個例40個，占80%，最大值達到35 ℃。SI指數均值為?4 ℃，IS＜0 ℃的個例46個，占92%，IS＜?2 ℃的個例42個，占84%，IS＜?5 ℃的有15個，占30%，最小值為?10 ℃，表明強雷暴或嚴重對流天氣發生可能性很大。K指數均值36 ℃，IK＞28 ℃的個例45個，占90%，IK＞32 ℃的個例43個，占86%，最大值42 ℃，不穩定層結明顯。0～6 km垂直風切變均值為16 m/s，中等強度（12～20 m/s）的個例41個，強垂直風切變（20 m/s）的個例4個，最大值為24 m/s，中等強度及以上的垂直風切變個例占90%，在9個出現大風的個例中，有6個出現中等強度及以上的0～6 km風矢差，利于風暴組織維持加強和雷暴大風的出現；近地層包括低層（850 hPa）或邊界層有濕層（相對濕度VRH＞60%）的個例有46個，占92%，有明顯濕層（相對濕度VRH＞80%）的個例有40個，占80%，近地濕層不論深厚還是淺薄，均利于產生對流天氣。由以上統計分析可知，大氣層結呈明顯對流不穩定，多會產生劇烈的強對流天氣，當VCAPE＞1 000 J·kg?1（個例占92%）、t850?t500＞26 ℃（個例占90%）、IS＜0 ℃（個例占92%）、IK＞28 ℃（個例占90%）、0～6 km風矢差＞12 m/s（個例占90%）、近地濕層空氣相對濕度VRH＞60%（個例占92%）時作為首要條件，并進一步滿足t850?t500＞30 ℃（個例占80%）、IS＜?2 ℃（個例占84%）、IK＞32 ℃（個例占86%）其中的兩個指標以上時作為附加條件，經統計2001—2018年期間滿足首要條件和附加條件的個例數為60個雷暴日，其中包含45個雷擊日，即輸電線路雷擊事故發生概率為75%，表明同時滿足首要條件和附加條件可以考慮作為輸電線路雷擊事故發生的閾值指標。

2.4? 輸電線路雷擊事故發生氣象條件的預測檢驗

通過基于2001—2018年輸電線路雷擊事故發生的詳細資料和全國國家站高空地面觀測資料、探空資料的氣象條件分析得出輸電線路雷擊事故發生的氣象條件，來預測檢驗2019—2020年輸電線路雷擊事故，2019年雷電活動較弱未發生輸電線路雷擊事故，2020年發生了2次輸電線路雷擊事故，分別為2020年5月17日17：59石家莊東部晉州的里豐站110 kV豐光線和6月24日19：46石家莊西部元氏的萬花站110 kV萬佐Ⅱ線，石家莊東部的晉州和西部的元氏在這兩個時段均發生了雷暴等強對流天氣，利用環流形勢、探空物理量和雷達回波資料，分析檢驗6月24日天氣過程發生輸電線路雷擊事故的氣象條件。

2020年6月24日19：46位于元氏（石家莊西部）的110 kV萬佐Ⅱ線泉村T接線發生雷擊跳閘事故，對流天氣影響系統為高空槽型，高空槽、地面低壓倒槽發展觸發對流（圖1）。

由環流形勢看，500 hPa貝加爾湖以南有一冷渦，華北地區受渦底部東移的短波槽影響（圖1a）。08時短波槽位于河套地區并東移發展，20時短波槽、700 hPa冷切變移至石家莊西部（圖1b），850 hPa在石家莊中部存在暖切變（圖1c），地面內蒙古中部有低壓倒槽發展，石家莊處于倒槽底前部的弱氣壓場中（圖1d）。

由探空物理量（08時邢臺探空）看，呈“上干下濕”不穩定層結，850 hPa以下有濕層（相對濕度80%以上），具備一定水汽條件（圖1e）。14時訂正CAPE值達1 600 J·kg?1，t850?t500為32 ℃，具備一定不穩定能量，SI指數為?4 ℃，強雷暴或嚴重對流天氣發生可能性較大。K指數為30 ℃，不穩定層結明顯。0～6 km垂直風切變為13 m·s?1，白天受輻射升溫影響，最高氣溫達34～35 ℃，露點溫度為18～19 ℃，熱力能量條件利于午后觸發強對流天氣。強對流天氣在石家莊西部山區觸發向下游的不穩定區移動中，產生了雷電活動引發輸電線路雷擊事故。由雷達（位于石家莊新樂）17—20時石家莊1.5°基本反射率因子回波演變（圖2）看，16—17時石家莊西部山區回波東移，17—19時多單體風暴繼續東移加強（圖2a—c），側向排列組織化逐漸形成颮線，最大反射率因子超過60 dBZ，19—20時強回波（45 dBZ以上）影響石家莊西部的元氏，最大反射率因子達64 dBZ（圖2d—f），元氏出現雷電、8級雷暴大風、短時強降水等強對流天氣。

輸電線路雷擊事故發生（19：46）前，石家莊西部的元氏受強多單體風暴影響，0.5°～3.3°反射率因子（圖3）均很強，達到50～55 dBZ，最大超過60 dBZ，其中風暴單體G2質心高度（圖4）為3～5 km，最大反射率因子高度達5～6 km，風暴發展旺盛。由0.5°、1.5°速度圖（圖5）看出，颮線過境，北側有20 m/s以上的大風速核，產生較大范圍8級以上雷暴大風等強對流天氣引發輸電線路雷擊事故。

3? 小結

（1）石家莊輸電線路雷擊事故主要發生在夏季傍晚前到前半夜，夏季發生概率明顯高于春季、秋季；石家莊地區輸電線路雷擊事故發生日數自西向東逐漸減少，集中發生在西部山區的井陘，其次是市區，井陘發生概率遠高于其他地區。

（2）石家莊輸電線路雷擊事故發生時對流天氣過程的影響系統分為高空槽型、冷渦型、西北氣流型和橫槽型4個類別，其中高空槽型和冷渦型最多（占86%）。

（3）石家莊輸電線路雷擊事故發生時表征動力、熱力（不穩定能量）和水汽的探空物理量中，滿足VCAPE＞1 000 J·kg?1、t850?t500＞26 ℃、IS＜0 ℃、IK＞28 ℃、0～6 km風矢差＞12 m·s?1、近地濕層空氣相對濕度VRH＞60%時，為輸電線路雷擊事故發生的首要條件，滿足t850?t500＞30 ℃、IS＜?2 ℃、IK＞32 ℃其中的兩個指標以上時，為輸電線路雷擊事故發生的附加條件，同時滿足首要條件和附加條件時，引發輸電線路雷擊事故概率較高。

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