南方三個省電線積冰時空分布特征*

李春暉 霍治國 孔 瑞 江夢圓 張海燕 毛紅丹 宋艷玲

1 中國氣象科學研究院,北京 100081 2 江西省農業氣象中心,南昌 330096 3 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心,南京210044 4 中國地質大學,武漢 430074 5 氣象出版社,北京 100081

提 要: 基于1961—2019年貴州、湖南、江西191個氣象站點電線積冰資料,統計分析了研究區域內電線積冰的日數、標準冰厚極值、最大連續積冰日數的時空分布特征以及電線積冰起止日的時間變化;構建電線積冰風險指數,評估了出現電線積冰的風險。結果表明:電線積冰日數整體呈下降趨勢,在20世紀80年代達到最大值,月分布以1月出現最多,電線積冰以雨凇型積冰為主。標準冰厚極值集中在20～50 mm,極值大部分出現在湖南;大部分站點極值出現在2011—2019年。最大連續積冰日數集中在5～15 d,整體上貴州的最大連續積冰日數高于湖南和江西。電線積冰的起始日的年際變化整體上呈提前趨勢,而終止日整體上呈推遲趨勢。電線積冰風險指數年變化整體上呈減小的趨勢;電線積冰的高風險區域主要位于貴州中西部、湖南中部和江西北部,風險指數大于0.6。

引 言

在全球氣候變化的背景下,全球范圍內極端高溫事件的頻次增加,而極端冷事件減少,但其變化更為劇烈(Manton et al,2001;Alexander et al,2006;趙珊珊等,2010;IPCC,2021;吳嘉蕙和任榮彩,2021;馬鋒敏等,2022;周佰銓和翟盤茂,2023),給農業、林業、交通運輸、電力輸送以及人民生活的各方面都帶來了巨大影響。電力是一項關乎民生的基礎產業,近年來隨著電網規模的擴大,極端低溫事件形成的災害性天氣對電網的安全運行造成了很大的影響(霍林等,2017)。電線積冰是一種自然災害,是指雨凇、霧凇凝附在導線上或濕雪凍結在導線上的現象(中國氣象局,2003),電力、通訊部門稱之為電線覆冰。電線積冰嚴重時可能引發線路過負載事故、相鄰不均勻覆冰或不同期脫冰事故、絕緣子串冰閃事故以及覆冰導線舞動事故(蔣興良和易輝,2002;張仕平,2019),對人們的生產生活造成極大影響,同時也給社會經濟發展帶來一定沖擊。

我國電線積冰以霧凇型積冰和雨凇型積冰為主,且北方地區多出現霧凇型積冰,南方地區多出現雨凇型積冰,其中雨凇型電線積冰對電網的威脅最大(霍治國等,2021)。雨凇型積冰由凍雨導致,凍雨在我國發生頻率最高的地區是貴州省,湖南省、江西省和湖北省次之(朱乾根等,2007;李登文等,2009),所以本文選取典型雨凇型區的貴州、湖南、江西三個省份作為研究區域。

國內外學者對電線積冰的研究主要包括積冰特征、成因分析、影響因子、預報模型以及對冰凍雨雪天氣的具體過程分析等方面。其中針對電線積冰的特征研究很多,多基于省級尺度,包括電線積冰日數的年際變化、年代際變化、月變化、主要類型以及空間分布(顧光芹等,2012;程肖俠和方建剛,2013;周悅等,2013;武輝芹等,2017;覃武等,2019;孫秀博等,2021);電線積冰直徑、重量、厚度以及標準冰厚的特征(李元鵬等,2010;閔詩淳和王寶書,2010;許艷等,2013;張婷,2015);利用概率分布函數估算30、50、100年的重現期標準冰厚并進行冰區劃分(龔強等,2010;龐文保等,2012;劉赫男等,2014;唐亞平等,2015;張小軍等,2021;李清華等,2022)。對于貴州、湖南、江西三個省份的研究多是對于冰凍天氣的特征分析(王懷清等,2009;鄭勁光等,2009;陳百煉等,2014;肖平等,2018),而對于電線積冰的時空分布特征研究較少,其中肖雯等(2022)統計了江西省電線積冰出現次數、類型、總積冰日數和雨凇型積冰日數的變化特征;趙文燦等(2018)分區分析了電線積冰日數的時空分布特征及雨凇型電線結冰的溫度層結特征;霍林等(2017)分析了湖南冰凍天氣日數、電線積冰厚度的空間特征及冰凍災害對電力的影響;廖玉芳等(2011)從雨凇天氣日數、初終日期、最長持續時間和電線積冰標準冰厚等方面分析了時空分布特征。上述研究較好地揭示了易發生電線積冰的時期以及區域,對開展電線積冰的防御工作具有重要意義,但電線積冰的冰區劃分都只涉及了積冰厚度。本文在電線積冰時空分布特征分析的基礎上,以電線積冰日數平均值、持續日數和過程最大標準冰厚三個要素構建電線積冰風險指數,同時考慮電線積冰的發生頻率和強度,評估了電線積冰出現的風險。

1 資料和方法

1.1 資料來源

電線積冰資料來源于全國電線結冰日值數據集,對所有原始數據進行質量控制碼篩選,并剔除在歷史出現積冰時段(10月至次年4月)出現缺測年份的數據,最后得到1961—2019年貴州、湖南和江西三個省共191個氣象站點歷史出現積冰時段具有完整觀測的電線結冰逐日觀測數據,觀測項目為:東西向和南北向的電線積冰類型、重量、直徑、厚度,以及積冰發生時的氣溫、風向、風速,氣象站點的分布如圖1所示;其中,貴州、湖南和江西各有85、88和18個氣象站點。由于本文使用的是研究時段內具有完整觀測記錄的數據,而江西80%的氣象站點存在缺測,所以江西的氣象站點較貴州和湖南稀疏。

圖1 研究區域內氣象站點分布Fig.1 Distribution of weather stations in the study area

本文將東西向和南北向積冰重量、直徑、厚度其中一列出現大于零或出現微冰記為一個電線積冰日,選取南北向和東西向中的積冰重量最大值作為當日電線積冰重量,根據電線積冰重量計算標準冰厚。

1.2 方 法

1.2.1 曼-肯德爾(Mann-Kenddall)檢驗

曼-肯德爾(Mann-Kenddall,M-K)檢驗是一種非參數方法(魏鳳英,2007),常用于突變檢驗,其可以明確變化趨勢,確定突變開始的時間和突變范圍。覃武等(2019)、章開美等(2020)的研究已應用M-K檢驗方法檢測積冰日數年序列的變化趨勢和突變情況,具有較好的適用性。本文利用M-K檢驗方法來確定電線積冰日數和電線積冰起止日的變化趨勢及突變開始時間。

1.2.2 標準冰厚計算方法

研究區域內電線積冰的類型主要有雨凇型、霧凇型和混合凇型積冰三類,由于三類電線積冰的密度各不相同,需要統一轉換為標準冰厚后才能計算和比較。標準冰厚是指均勻裹在導線上密度為0.9 g·cm-3的冰層厚度,本文選取根據電線積冰重量計算標準冰厚的換算公式(中國氣象局,2017):

(1)

式中:B0為標準冰厚(單位:mm);W為積冰質量(單位:g);L為導線長度(單位:m);r為導線半徑(單位:mm),2011年之前為2.0 mm,2011年開始為13.4 mm。

由于2011年之前氣象站用于觀測電線積冰的導線直徑為4.0 mm,2011年開始改為26.8 mm,為了便于比較,對2011年之前的標準冰厚進行線徑訂正,線徑訂正和線徑訂正系數的計算公式分別見式(2)和式(3)(國家能源局,2012):

B=KφB0

(2)

Kφ=1-0.126ln(φ/φ0)

(3)

式中:B為線徑訂正后的標準冰厚(單位:mm),Kφ為線徑訂正系數,B0為標準冰厚(單位:mm);φ為標準電線直徑(26.8 mm),φ0為2011年之前的電線直徑(4.0 mm)。下文中用到的標準冰厚統一為線徑訂正后的標準冰厚(B)。

1.2.3 歸一化方法

為便于不同單位或量級的指標進行比較和加權,對原始數據進行歸一化處理,去除數據的單位限制,將其轉化為無量綱的純數據,并統一映射到[0,1]區間上,計算公式如下:

(4)

式中:x′為經過歸一化后的數據,x為原始數據序列,xmin和xmax分別為原始數據序列的最小值和最大值。

1.2.4 電線積冰風險指數

為綜合評判研究區域內出現電線積冰的風險,本研究綜合考慮電線積冰的發生頻率和強度,以電線積冰日數平均值、電線積冰過程的持續日數和電線積冰過程的最大標準冰厚三個要素構建電線積冰風險指數(I):

(5)

I1由計算該年或該站點的平均積冰日數得到,I2和I3的計算公式如下:

(6)

(7)

式中:ti為持續日數,Pi為持續日數ti的電線積冰過程的發生頻率;統計電線積冰過程的最大標準冰厚,根據《電線積冰氣象風險等級》(中國氣象局,2017)將標準冰厚劃分為0～5、5～10、10～15 mm以及≥15 mm四級,Dj為等級數,從低到高依次賦值為1、2、3、4,Pj為等級Dj的電線積冰過程的發生頻率。

2 結果與分析

2.1 電線積冰日數時空分布

2.1.1 電線積冰日數時間變化特征

基于1961—2019年電線積冰的逐日觀測數據,分別統計逐年所有站點的三種類型(雨凇型、霧凇型、混合凇型)電線積冰總日數及完整站點數,計算得到逐年平均各類型電線積冰日數,平均電線積冰日數則為三類電線積冰日數相加之和;進一步計算各年代際的平均電線積冰日數。計算平均電線積冰日數距平值,根據最小二乘法得到一元線性趨勢;同時使用M-K檢驗對平均電線積冰日數進行檢驗;分別統計逐月所有站點的各類型電線積冰總日數。

如圖2所示,貴州、湖南、江西59年來各類型電線積冰日數呈現波動性變化,年際間波動幅度較大;其中,各類積冰出現日數為雨凇型積冰遠大于霧凇型和混合凇型,2004年之前霧凇型積冰略大于混合凇型,2004年之后混合凇型積冰略大于霧凇型。電線積冰日數的多年平均值約為3.0 d,平均電線積冰日數最多的年份為1964年,約出現7.5 d;2008年次之,約為7.4 d;最少為2017年,僅出現0.4 d。雨凇型積冰日數的多年平均值約為2.6 d,平均雨凇型積冰日數最多的年份為1964年,約出現7.0 d;2008年次之,約為6.7 d;最少為2017年,僅出現0.3 d。霧凇型積冰日數的多年平均值約為0.3 d,平均霧凇型積冰日數最多的年份為1984年,約出現1.0 d;最少為1976年和2019年兩年,均沒有出現?；旌馅⌒头e冰日數的多年平均值約為0.07 d,平均混合凇型積冰日數最多的年份為2006年和2008年,均約為0.4 d,最少為沒有出現,59年里有26年混合凇型積冰日數為0.0 d,占44%。

注:圖c中虛線為α=0.05顯著性水平臨界值。圖2 1961—2019年貴州、湖南、江西積冰日數的(a)逐年及年代際變化,(b)逐年距平變化,(c)M-K檢驗結果,(d)月變化Fig.2 Change of wire icing days in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019(a) annual and interdecadal change, (b) annual anomaly change, (c) M-K test result, (d) monthly change

從電線積冰日數的年代際變化來看(圖2a),年代際間電線積冰日數變化不大,20世紀60—80年代日數有略微的增加,80年代后呈下降趨勢;80年代電線積冰出現日數最多,年均約為3.4 d,21世紀10年代出現最少,年均約為2.5 d。

從電線積冰日數距平結果看(圖2b),59年中呈現正、負相間的分布型,正值和負值出現的年份大約各占一半;趨勢線表明整體上呈現略微減少的趨勢,與冰凍天氣日數的變化趨勢基本一致(葉茵等,2007;鄭勁光等,2009;王懷清等,2009;肖平等,2018),傾向率約為-0.1 d·(10 a)-1。

M-K檢驗結果和距平變化基本一致(圖2c),1961—1970年電線積冰日數呈減少趨勢,1980—2002年則呈增加趨勢,而在2013年之后又呈減少趨勢;根據UF和UB曲線交點的位置,確定電線積冰日數在2014年發生突變。

從電線積冰日數月變化來看(圖2d),電線積冰現象在10月至次年4月均有發生,主要出現在冬季(12月、1月和2月),其中1月最多,占全年的47%,4月和10月出現的很少;雨凇型積冰占比最大,遠遠大于霧凇型和混合凇型;11月至次年2月霧凇型略大于混合凇型,而3月和4月混合凇型占比略大于霧凇型。

2.1.2 電線積冰日數空間分布特征

分別統計所有站點電線積冰總日數及出現年數,計算其平均值,使用ArcGIS中的IDW方法進行插值,得到各站點平均電線積冰日數的空間分布;并進一步統計各年代際具有整5年及以上電線積冰數據的氣象站點,計算各年代際各站點的平均電線積冰日數,得到各年代際平均電線積冰日數的空間分布。在氣象站點分布較稀疏的地區,使用IDW方法可以補充某些缺測的站點數據;在氣象站點分布較密的地區,IDW插值也能反映出高值和低值的區別,得到的空間分布也更接近于真實情況,所以IDW插值方法具有較好的適用性。

圖3結果表明,研究區域內約45%的地區年平均電線積冰日數較小,為0～1 d,主要分布在貴州東北部、湖南北部和西南部以及江西中部和南部,最小年平均電線積冰日數僅約為0.09 d,出現在湖南龍山。只有約4%的地區年平均電線積冰日數大于10 d,所出現范圍很小,主要分布在貴州西部、湖南中部南岳以及江西北部廬山附近地區。電線積冰日數高值區主要分布在貴州西部的威寧、大方,貴州中部的開陽,湖南中部的南岳以及江西北部的廬山,這些地區的年平均電線積冰日數在17～34 d,其中威寧日數最多(約為34 d),南岳和廬山次之,分別約為30 d和25 d。貴州電線積冰日數的分布規律與貴州凍雨中心(杜小玲等,2010)及凍雨的分布規律(嚴小冬等,2009)基本一致;湖南與雨凇天氣日數的分布基本一致(廖玉芳等,2011);江西與雨凇天氣日數的分布略有不同,雨凇天氣在江西中北部區域出現較多(王懷清等,2009)。

圖3 1961—2019年貴州、湖南、江西平均電線積冰日數空間分布Fig.3 Spatial distribution of average wire icing days in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019

造成積冰形成的最重要的兩個條件分別是冷空氣和充足的水汽條件,電線積冰的出現與地形地貌有一定的關系,地形地貌主要影響的是冷空氣的水平分布(霍治國等,2021)。滿足這兩個條件時,形成霧凇或者是雨凇(即凍雨)則與大氣的垂直結構(如逆溫層、三層結構等)和氣象要素場的分布有關。貴州位于云貴高原東部,海拔較高,平均為1100 m左右,積冰日數也比湖南和江西多;貴州地勢西高東低,中部還有多處盆地,電線積冰日數呈中西部多、東北部少的特點。湖南整體地形是由東南西三個方向向北部傾斜開口的馬蹄形,南岳因海拔較高,電線積冰日數多,其他地區日數均較小。江西省東西南三面有多座山嶺環繞,呈向北開口的地形,由于高海拔山區對冷空氣的阻擋作用,冷空氣在北部聚集,同時由于江西北部的廬山海拔高,也更容易形成電線積冰,而江西中部和南部除了受海拔影響以外,還受緯度影響(趙文燦等,2018),因此積冰較少,所以形成了北部積冰日數多而其余地區均較少的特點。

從圖4中可以看出,三個省的年代際平均電線積冰日數表現出不同的變化特征。貴州的平均電線積冰日數隨年代際變化而增加,但貴州東北部積冰日數則減少;電線積冰日數為3～10 d的范圍向貴州的中部、西部和南部縮小;大于10 d和大于20 d的范圍從西向東擴大。湖南的平均電線積冰日數隨年代際變化而減少,其中湖南北部的電線積冰日數從20世紀90年代前后開始減少;湖南西南部的電線積冰日數隨年代際從3～10 d減少到1～3 d,再減少到0～1 d;湖南中部的大于10 d和大于20 d的范圍和日數都在減小。江西的平均電線積冰日數隨年代際變化也在減少,江西的中部和南部的電線積冰日數從20世紀80年代開始減小,日數0～1 d的區域范圍向北擴展;江西北部的大于10 d和大于20 d的范圍和日數都在減小。在全球氣候變暖背景下,電線積冰日數的年代際變化與相應的氣溫變化大致呈負相關。中國氣候變暖趨勢遠高于全球平均水平(嚴中偉等,2020;吳蓓蕾等,2021),1950—2015年中國氣溫升高,增幅超過0.25 ℃·(10 a)-1(Ren et al,2017),其中1987年以前為冷期,之后為暖期,1990—2009年氣溫增幅更大,為0.45 ℃·(10 a)-1(虞海燕等,2011)。研究區域內大部分地區平均電線積冰日數隨年代際氣溫的增加而減少,且在20世紀80年代和90年代前后減少得較為明顯。

2.2 標準冰厚極值時空分布

2.2.1 標準冰厚極值時間變化特征

根據1961—2019年的電線積冰資料,選取南北向和東西向中的最大值作為當日電線積冰重量,再根據式(1)～式(3)計算出標準冰厚值,統計逐年標準冰厚極值及其出現站點信息,結果如圖5所示。

圖5 1961—2019年貴州、湖南、江西標準冰厚極值逐年變化Fig.5 Annual change in the extreme values of standard ice thickness in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019

電線積冰的標準冰厚極值年際差別較大,大部分年份的標準冰厚極值在20～50 mm,占所有年份的76.3%。電線積冰標準冰厚極值的最大值出現在2008年2月2日的湖南南岳站(117 mm),積冰類型為混合凇型;1988年3月5日湖南雪峰山站次之(100 mm),類型為雨凇型;電線積冰標準冰厚極值的最小值出現在2016年11月24日湖南南岳站(17 mm),類型為混合凇型。從極值的積冰類型來看,標準冰厚極值的類型主要為雨凇型,占66.1%,混合凇型次之,占30.5%。從極值出現的月份來看,11—4月都有出現,在1月和2月出現最多,占所有年份的59.3%;在4月出現最少,僅有1年。從極值出現的地點來看,極值大部分出現在湖南,包括南岳站、雪峰山站和雙峰站,占96.6%,除此之外,1984年出現在貴州三穗站,2019年出現在貴州萬山站。

2.2.2 標準冰厚極值空間分布特征

分別統計1961—2019年各個站點出現過的電線積冰標準冰厚極值,統計得到標準冰厚極值的空間分布及各年代際出現極值站點數,結果如圖6所示。

圖6 1961—2019年貴州、湖南、江西(a)電線積冰標準冰厚極值空間分布及(b)各年代際出現極值站點數Fig.6 (a) Spatial distribution of the extreme values of standard ice thickness and (b) the number of stations with extreme values in each decadal period in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019

各地電線積冰標準冰厚極值為0～117 mm,且98%的站點極值類型為雨凇型。從圖6中可以看出,研究區域內約69%的地區標準冰厚極值較小,為0～5 mm,主要分布在貴州中偏西部、湖南北部以及江西東北部和南部,最小標準冰厚極值(0.1 mm)出現在湖南衡陽縣。約8%的地區標準冰厚極值大于20 mm,所出現范圍很小,主要分布在貴州西部威寧、湖南中部南岳和雪峰山、江西北部廬山附近地區。標準冰厚極值高值區主要分布在貴州西部的威寧、貴州中部的遵義和都勻、貴州東部的萬山和三穗、湖南西部的雪峰山、湖南中部的雙峰和南岳、江西北部的廬山,這些地區的標準冰厚極值在24～118 mm,其中,湖南南岳標準冰厚極值最大(約為117 mm),湖南雪峰山次之(約為100 mm)。

電線積冰標準冰厚極值的年代際分布極其不均勻,大部分站點極值都出現在2011—2019年,占區域內所有站點的49%;2001—2010年次之,占20%;1991—2000年出現極值的站點數是最少的,僅占1.8%。年代際分布結果也表明,近20年來,研究區域內最大電線積冰標準冰厚呈現增大趨勢,電線積冰強度增強。

2.3 最大連續積冰日數時空分布

計算每個站點每年的最大連續積冰日數,進一步統計出逐年最大連續積冰日數和各站點最大連續積冰日數。

由圖7可見,電線積冰的最大連續積冰日數年際差別較大,大部分年份的最大連續積冰日數在5～15 d,占所有年份的72.9%。有5年的最大連續積冰日數在20 d以上,其中最大連續電線積冰日數最多的為1977年1月1—23日(湖南南岳,23 d);次之為1962年1月14日至2月4日(貴州威寧)和1968年1月19日至2月9日(湖南南岳),連續積冰日數均為22 d;而最大連續積冰日數最少年份僅有4 d,分別出現在2001年、2006年和2017年。

圖7 1961—2019年貴州、湖南、江西最大連續積冰日數年變化Fig.7 Annual change in the maximum consecutive icing days in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019

各地最大連續積冰日數為1～23 d。由圖8可見,研究區域內約53%的地區最大連續積冰日數較小,為1～3 d,主要分布在貴州東北部、湖南北部及南部、江西南部的小部分區域,17%的站點最大連續積冰日數僅出現1 d。約11%的最大連續積冰日數大于10 d,主要位于貴州西部、湖南中部南岳,以及江西北部廬山附近地區。最大連續積冰日數大于15 d的區域主要分布在貴州西部的威寧、盤縣、畢節、黔西、織金和安順,湖南中部的南岳及江西北部的廬山,這些地區的最大連續積冰日數在17～23 d,其中,湖南南岳最大連續積冰日數最大(23 d),貴州威寧次之(22 d)。

圖8 1961—2019年貴州、湖南、江西最大連續積冰日數空間分布Fig.8 Spatial distribution of the maximum consecutive icing days in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019

分省來看,貴州的最大連續積冰日數高于湖南和江西;湖南72.4%的地區最大連續積冰日數為1～3 d,江西為38.1%,而貴州只有35.4%;對于最大連續積冰日數大于15 d的站點,有6個站點位于貴州,湖南和江西分別只有1個站點大于15 d。

2.4 電線積冰出現日期時間變化特征

統計逐年出現電線積冰站點的起始日和終止日,將站點當年10月至次年4月最早出現電線積冰的日期作為該站點的起始日,將站點最晚出現電線積冰的日期作為該站點的終止日,并計算每一年所有站點起始日和終止日的平均值作為該年的起始日和終止日;分別對電線積冰的起始日和終止日進行M-K檢驗。

從電線積冰的起始日的年際變化趨勢來看(圖9a),1961—2018年起始日在波動中呈提前趨勢,其傾向率為-2.023 d·(10 a)-1,58年共計提前了約11.7 d,平均年電線積冰起始日為1月10日,最早為1985年(12月12日),最晚為1967年(2月11日),兩者相差61 d。由UF曲線可知(圖9b),20世紀60年代電線積冰的起始日有推遲的趨勢,而70年代之后起始日有提前趨勢,且在2000—2014年提前趨勢超過0.05顯著性水平臨界線,表明這段時間內起始日的提前趨勢是十分顯著的。根據UF和UB曲線交點的位置,確定起始日在1980年發生突變。

圖9 1961—2018年貴州、湖南、江西電線積冰(a,b)起始日,(c,d)終止日的(a,c)逐年變化和(b,d)M-K檢驗Fig.9 Annual change in (a, b) the beginning and (c, d) ending dates of wire icing in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2018 (a, c) annual change, (b, d) M-K test

從電線積冰的終止日的年際變化趨勢來看(圖9c),58年來終止日在波動中呈推遲趨勢,其傾向率為1.85 d·(10 a)-1,共計推后了約10.7 d,平均年電線積冰終止日為1月30日。最早為1985年(12月24日),最晚為1968年(2月26日),兩者相差64 d。由UF曲線可知(圖9d),1980年之后電線積冰的終止日呈推遲趨勢,且在2002年之后推遲趨勢超過0.05顯著性水平臨界線,表明在2002年之后終止日的推遲趨勢十分顯著。UF和UB曲線在1980年之前有多個交點,說明終止日沒有發生突變。

2.5 電線積冰風險指數時空分布

圖10 1961—2019年貴州、湖南、江西電線積冰風險指數年變化Fig.10 Annual change of wire icing risk indicator in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019

圖11 1961—2019年貴州、湖南、江西電線積冰風險指數空間分布Fig.11 Spatial distribution of wire icing risk indicator in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019

從圖10中可以看出,貴州、湖南、江西59年來電線積冰風險指數呈現波動性變化,大部分年份的風險指數在0.5～1.5,占所有年份的79.7%。整體變化呈現減小的趨勢,傾向率約為每10年-0.18。一共有10年的電線積冰風險指數在1.5以上,其中電線積冰風險指數最大值出現在1964年(2.12),最小值出現在2017年(0.29)。

由圖11可以看出,研究區域內31%的地區電線積冰的風險指數在0.2以下,主要在湖南西部和江西南部;風險指數最小僅為0.003,出現在貴州北部的德江。43%的地區風險指數為0.2～0.6,主要分布在貴州東北部、東部及南部,湖南南部、中北部,江西中部和北部。風險指數為0.6以上的地區占26%,主要集中在貴州中西部、湖南中部和江西北部;風險指數為1.2及以上的地區很少,只有個別幾個站點,其中貴州西部的威寧、普安,貴州中部的開陽和湖南中部的南岳風險指數值均大于1.5,南岳的風險指數值高達2.3。

3 結論和討論

本文以貴州、湖南、江西三個省為研究區域,利用研究區域內電線積冰資料,結合M-K檢驗、反距離權重法等方法,統計分析了研究區域內電線積冰的日數、標準冰厚極值和最大連續積冰日數的時空分布特征以及電線積冰出現起止日的時間變化特征;基于電線積冰日數年平均值、過程持續日數和過程最大標準冰厚三個要素構建電線積冰風險指數,明確了研究區域內出現電線積冰的風險大小,主要結論如下。

(1)貴州、湖南、江西近59年的年平均電線積冰日數整體呈下降趨勢,在20世紀80年代電線積冰日數達到最大值,之后減少。電線積冰主要出現在冬季3個月,其中1月出現的最多。電線積冰類型以雨凇型積冰為主。研究區域內平均電線積冰日數呈現高值區集中在貴州中西部、湖南中部和江西北部,其余地區積冰日數較少的分布特征。整體上,貴州的平均電線積冰日數隨年代際變化增加,貴州東北部積冰日數減少;湖南和江西的平均電線積冰日數隨年代際變化減少。

(2)標準冰厚極值集中在20～50 mm,高值區集中在27°N附近的貴州、湖南的部分地區,以及江西北部;大部分站點極值都出現在2011—2019年,1991—2000年出現的站點數是最少的。最大連續積冰日數集中在5～15 d,貴州的最大連續積冰日數整體高于湖南和江西;高值區集中在貴州西部、湖南中部、江西北部和中東部。電線積冰的起始日的年際變化整體上呈提前趨勢,終止日的年際變化整體上呈推遲趨勢。

(3)電線積冰風險指數年變化整體上呈減小的趨勢;電線積冰的高風險區域主要位于貴州中西部、湖南中部和江西北部,風險指數大于0.6,其中貴州威寧、普安和開陽以及湖南南岳是電線積冰最為嚴重的地區;湖南西部和江西南部為低風險區域。

本文得出的電線積冰時空分布特征對明確電線積冰易發時間及地區有一定的意義。以2008年為例,年初中國出現了大范圍持續低溫雨雪冰凍天氣,其電線積冰日數、雨凇型積冰日數均為59年來的次大值,混合凇型積冰日數為最大值,標準冰厚極值在2008年出現最大值,最大連續積冰日數在2008年的值也相對較大。已有的《電線積冰氣象風險等級》(中國氣象局,2017)將電線積冰風險等級劃分為四級,是根據前一天日平均氣溫、日平均相對濕度和日平均風速滿足氣象條件的持續時間和電線積冰標準冰厚進行劃分,而本文的電線積冰風險指數考慮了電線積冰日數年平均值,表示的是多年平均狀態下出現電線積冰的情況,持續日數和過程最大標準冰厚則能表示出現電線積冰時的強度大小,該指數可以同時表示不同地區電線積冰的發生頻率和強度,有助于明確出現電線積冰的重點區域。

由于電線積冰觀測資料在20世紀60—70年代缺測較多,利用現有數據統計標準冰厚極值、最大連續積冰日數以及電線積冰起止日時,可能存在與實際情況不完全相符的情況。由于氣象站點的環境與實際輸電線路在地理上和高度上存在空間差異,目前所用的電線積冰資料的代表性有限,建議增加電線積冰觀測站點的建立,或建立適用于輸電線路自動觀測的系統,特別是在電線積冰災害頻繁發生或是歷史曾出現過嚴重積冰的地區。在今后研究中,需對電線積冰數據進行完善,結合氣象災害大典、氣象災害年鑒以及報紙和媒體報道所記錄的不同地區實際輸電線路的積冰情況,對部分電線積冰頻發的重點區域進行深入研究,使研究結論更有實用性和代表性,從而提出更有針對性的防冰除冰措施。