2021, Vol. 37
2. 南京信息工程大学大气物理学院，江苏 南京 210044
2. School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
南方冬季的主要气象灾害(道路结冰、电线覆冰、作物冻害等)是由寒潮过程中的持续冰冻雨雪天气造成的，给南方地区的交通运输、电力保障、农业生产、通讯设备等方面带来了巨大损失。导线覆冰一直是南方电网超高压输电线路的最严重气象灾害之一，直接威胁着输电线路的运行维护。例如，2008年1月中旬—2月初我国南方发生了大范围冰冻雨雪灾害天气，使得湖南、贵州、广西、湖北20个省(区)遭受重大灾害，受灾群众达1亿多人，直接经济损失达1 500亿元[1]。此次南方冰冻雨雪天气过程，500 kV输电线路倒塔共506基，各级电网的输电线路的塔杆遭受严重损害[2]。可见，极端冰冻雨雪天气带来的严重危害，研究冬季电线覆冰的天气成因显得尤为重要。总之，对南方持续冰冻雨雪天气的成因分析和准确预报，提前应对其可能造成的气象灾害，减少经济损失和保护人民生产生活安全，具有十分重要的科学意义和实际应用价值。
目前大多数学者主要从大气环流、局地气象要素、热动力结构以及水汽输送等方面开展了大量南方冰冻雨雪天气研究工作。例如，已有研究[3-5]从大气环流异常分析了2018年1月的低温冰冻雨雪天气成因，发现阻塞高压长期维持，乌拉尔山高压脊发展强烈，脊前的偏北引导气流将冷空气向南输送，槽前西南气流向北输送水汽，925~700 hPa之间逆温层大范围的稳定存在，冷空气和暖湿气流交汇为冰冻雨雪天气发生提供了条件；高洋等[6]从地面和大气垂直热力结构配置和气候异常角度出发，诊断认为2008年1月南方平均地面气温较往年偏低4~6℃，对流层中下层平均大气偏暖，底层北风强劲导致当年出现了罕见的冰冻雨雪灾害；廖圳[7]针对1980年以来8次持续性低温雨雪冰冻事件进行环流分型特征分析，认为这些事件主要与单阻型和双阻型的大尺度环流特征有关；吴俊杰等[8]认为印度洋中部赤道地区对流加强而印度尼西亚对流抑制的热带季节内惯性振荡特征为2008年南方持续性降水提供了充足的水汽条件。此外，也有不少学者深入研究了低温冰冻雨雪天气下的电线积冰问题，李长顺等[9]结合福建省历史电线观测资料，通过对福建省天气、气候条件的分析认为降水天气(或充足水汽)和较低的气温是电线积冰形成的主要天气条件；殷水清等[10]根据人工神经网络BP模型建立了全国电线结冰厚度分布及预报等级模型，但该模型仅从气象要素预报积冰，使得该模型需要改进的空间仍然很大；更多的学者通过研究电线积冰的微物理机制过程进行积冰厚度的模拟研究[11-12]。
鉴于输电线路积冰带来的危害损失之大，找到输电线路覆冰的天气学成因，提高电线覆冰发生预报率，亟待解决。
2015年1月26日—2月8日，寒潮入侵，冷空气南下与西南的暖湿气流交汇，广西桂林、贵州黔东南、云南昭通等多地多根超高压输电线形成覆冰，影响电力输送和通信。此次降温过程持续时间长，影响范围广，对线路造成的影响较大。广西地区是我国南方电网西电东送输电的重要通道，在此期间，广西区超高压输电线的覆冰观测记录显示，73%的塔杆出现不同程度覆冰，最大覆冰厚度为24.82 mm。桂林市北部地处桂北高寒山区，因此桂山线输电线有着覆冰增长速度快、覆冰厚度大的特点，为南方电网防冰特殊区段，该区域现场温度与天气预报温度往往存在6~8℃的差别。在这次寒潮过程中，桂山线的标准覆冰厚度为17.84 mm，覆冰比值为1.19(设计冰厚15 mm)，且在进行人工融冰后仍多次反复积冰，给电力部门工作增加了不少困难。故本文将以此次覆冰过程为例，系统研究了超高压输电线覆冰的天气学成因。
2 资料与方法本研究以广西区北部桂林灌阳县桂山地区的超高压输电线路塔杆A和B(由于涉及电力安全信息保密，这里仅用A和B代称塔杆的具体名称)为典型，多年来A、B塔杆多次覆冰严重，覆冰增长快，厚度大，其经纬度范围为：110.75~110.81°E, 25.26~25.27°N。2015年1月28—31日，受南支槽和冷空气共同影响，桂林出现较强的降温过程，灌阳县桂山区域的超高压输电线路出现一次连续覆冰事件，覆冰严重区域主要集中在桂山线，其最大覆冰厚度分布概率如图 1所示，严重影响人民生产生活，电网公司进行了两次作业融冰。
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图 1 2015年1月26日—2月8日连续覆冰过程中广西区输电线路最大覆冰厚度分布概率 |
本研究中用到的气温和覆冰厚度数据都来自超高压输电线路覆冰观测系统，小时降水量数据来自距离观测区域28 km灌阳县的常规气象观测站。为分析覆冰过程的天气形势和温湿层结状况，还使用了2015年1月27日—2月7日的欧洲中期天气预报中心(European Centre for MediumRange Weather Forecasts，简称ECMWF)的ERA5再分析资料(范围为70~160°E, 10~70°N)，分辨率为0.25°×0.25°。
为了找出超高压输电线覆冰发生的大尺度环流前兆信号，本文还计算了西伯利亚高压强度指数、东亚大槽强度指数、西太平洋副热带高压指数等大气环流指数。西伯利亚高压强度指数为80~120°E, 40~65°N的平均海平面气压标准化后的值[13]；东亚大槽强度指数为110~145°E, 25~45°N的500 hPa高度场标准化的值[14]；由于覆冰期间西太副高较偏西，故西太副高范围选为10°N以北，90~160°E，其面积指数为该范围内500 hPa位势高度 > 588 gpm的网格点数，强度指数为位势高度 > 588 gpm的网格与587 gpm的差值累积，西脊点为588等值线最西位置的经度；850 hPa西太副高指数为110~150°E, 10~30°N的850 hPa位势高度的平均距平值[15-17]。
3 结果分析 3.1 覆冰过程概况图 2为2015年1月29日—2月7日期间三次覆冰的过程概况，表 1为A、B两根塔杆的覆冰第Ⅰ阶段(初次覆冰和再次覆冰，1月29日—2月2日)、第Ⅱ阶段(三次覆冰，2月4—6日)的最大覆冰厚度及其时间和气温。在1月29日12:00(北京时间，下同)左右开始结冰，其中A塔杆在1月31日覆冰厚度达到24.82 mm，平均覆冰增长率为0.58 mm/h，其气温低至-4.1℃；B塔杆最大覆冰厚度为14.71mm，平均覆冰增长率为0.48 mm/h，因影响输电线路的保障，电网公司进行了“直流融冰”。但由于强劲的冷空气持续入侵，31日输电线再次积冰，B塔杆积冰厚度达16.40 mm，气温为-3.2℃；2月4日凌晨，输电线三次覆冰，在中午达到最大覆冰，但不超过5 mm，随着冷空气减弱，2月5日覆冰逐渐融化。由于微地形的影响，两根塔杆的初始覆冰时间和达到最大覆冰时间不同，且覆冰达到一定厚度进行了人工消融，但第三次覆冰程度较轻，积冰自然融化。
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图 2 2015年1月29日—2月7日塔杆A(实线)和B(虚线)的覆冰厚度时间序列图 曲线的垂直下降阶段为超高压公司对塔杆进行直流融冰所导致的覆冰迅速融化。 |
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表 1 该覆冰过程塔杆A和B的三次最大覆冰概况 |
图 3为1月28日—2月6日期间每日08时的500 hPa大尺度位势高度场，1月28日，贝加尔湖地区有一小槽，我国东北地区为一弱脊控制，西太副高偏西，东亚大槽已到达日本地区；29日东移发展的小槽越过贝加尔湖地区到达我国东北地区，等压线密集，南支槽逐渐缓慢东移，副高加强东退至105°N; 30日小槽发展为大槽，受低压槽影响，冷空气南下，迅速降温，强盛的西太副高将海洋上的水汽输送至南方；31日阻塞高压逐渐减弱东移，脊前小槽迅速发展经新疆、青藏高原南下，南支槽强盛逐渐东移；槽后脊前的偏北气流引导源源不断的冷空气南下，但西太副高的异常强盛对冷空气有所削弱，到2月4日，槽纬向加深对广西地区的影响加大，阻塞高压东移南下；2月5—6日，低槽东移入海，虽然冷涡逐渐南下，但是在强劲的阻塞高压阻挡下，对南方地区的影响逐渐削弱。
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图 3 500 h Pa大尺度环流形势场 绿点为输电线路发生覆冰的区域，棕色实线为低压槽; G代表高压中心，D代表低压中心。 |
图 4为850 hPa位势高度场和温度场，其中等值线为位势高度场，填色为温度场，矢量场为水汽通量，1月28—29日东北冷涡东移入海，第一轮冷空气自北向南入侵南方，广西桂林地区位于锋区附近，锋区北侧为干冷空气，锋区南侧则为暖湿气流，两股属性相反的空气于桂林上空交汇，当冷空气强于暖空气时则迅速降温，过冷液滴冻结或过冷雾滴凝华导致电线积冰；当暖空气强于冷空气时，则气温回升导致积冰融化。贝加尔湖东侧小脊发展，脊前小槽引导新一轮冷空气沿新疆、青海、青藏高原东南侧南下，影响西南地区，故31日和2月1日时，两股冷空气汇合，降温持续，高压东移南下，弱暖平流北上，但是很快蒙古高压再次生成，弱冷平流南下，冷暖平流交替影响西南山区。
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图 4 850 hPa大尺度环流形势场 等值线为位势高度场，填色为温度场，矢量场为水汽通量。 |
2015年1月28日—2月6日的冷空气过程前期应该是横槽转竖并向南加深，引导冷空气大举南下导致寒潮天气爆发，随着阻塞高压崩溃再建，新一股冷空气自新疆-青藏高原东南侧南下，两股冷空气汇合加强降温，随着西伯利亚高压不断东移南下，带来的弱冷空气影响桂林地区，高压后部的偏南气流将海上的暖湿气流向北输送水汽。在第Ⅰ阶段，冷空气强盛，较多水汽由南向北输送，而第Ⅱ阶段冷空气较弱，水汽输送小甚至在高压后部的偏北气流影响下由北向南输送，故第Ⅰ阶段电线覆冰速度快，覆冰厚度大，第Ⅱ阶段则相反。
3.3 覆冰过程温湿条件分析图 5和图 6为整个覆冰事件的温度和相对湿度的垂直剖面，在第Ⅰ和第Ⅱ阶段的覆冰初生阶段边界层上部都出现了强的暖湿气流抬升北上，而近地层冷空气南下下沉入侵，对流层低层有强逆温层存在，逆温层阻碍了空气的垂直运动，使得大量水汽聚集在逆温层下面，在与逆温层下低于0℃的冷空气层配合下，常常出现冰冻雨雪天气，有利于特高压输电线的覆冰。
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图 5 温度垂直剖面的时间序列 |
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图 6 相对湿度垂直剖面的时间序列 |
图 7为桂林上空850 hPa水汽通量输送，1月28—29日桂林位于850 hPa高压后部，偏南气流输送较多的水汽至桂林上空，为电线积冰提供水汽条件，高压东移入海，水汽输送减弱，尽管不断有高压系统南下，等压线稀疏，水平气压梯度力减小，水汽输送也减少。当高压系统移至桂林西侧时，水汽输送的方向也由南转向北。
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图 7 850 h Pa水汽通量输送 |
图 8为该过程A、B塔杆的实时温度和灌阳县的日总降水量，A和B的温度差异不大，在电线覆冰期间，A和B的温度均低于0℃，最低温为-4.6℃，第Ⅰ阶段气温低于第Ⅱ阶段；整个过程共8天出现降雨天气，虽然降雨量均未超过5 mm，但在温度低于0℃时，过冷却水滴接触到导线形成积冰，当大气无降水或降水较弱时，空气中的过冷雾滴也可在导线上直接冻结积冰。
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图 8 覆冰期间A、B塔杆的实时观测温度(a)和灌阳县日总降水量(b) |
图 9和图 10分别为第Ⅰ和第Ⅱ阶段的最大覆冰时刻的纬向温湿垂直剖面，红色箭头代表暖湿空气，蓝色箭头为干冷空气，桂林在两个阶段都具有“冷-暖-冷”的垂直结构，这被认为是冻雨天气出现时的典型垂直结构[18-21]，大气层结逆温明显，水汽充沛有利于输电线覆冰的增长、维持。第Ⅰ阶段逆温层较第Ⅱ阶段深厚，其南下的干冷空气也较第Ⅱ阶段强，水汽也较第Ⅱ阶段充沛，故第Ⅱ阶段覆冰很快就随暖空气下沉增温而融化。
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图 9 第Ⅰ阶段的最大覆冰时刻的纬向温度(左)、湿度(右)垂直剖面 |
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图 10 第Ⅱ阶段的最大覆冰时刻的纬向温度(左)、湿度(右)垂直剖面 红色箭头代表暖湿空气，蓝色箭头为干冷空气。 |
西伯利亚高压带来的强冷空气入侵我国南下，高压前部的冷空气与南方的暖空气相遇，若冷空气势力强于暖空气，则形成冷锋，冷锋过境后带来的寒潮对我国冬季降温过程影响较大。而西太副高在冬季偏西偏强时，副高后部的西南气流将引导暖湿气流向西南地区输送，在地势较高的山区，冷空气堆积迫使暖湿气团抬升形成准静止锋[22]，使得电线积冰更容易形成。故通过西伯利亚高压指数和东亚大槽强度指数来判别冷空气强弱，利用西太副高指数判别暖湿空气强弱，以此分析覆冰过程冷暖空气变化。图 11为覆冰期间各项指数的变化。其中西伯利亚高压高指数对应强西伯利亚冷高压，东亚大槽低指数对应强东亚大槽，在覆冰前期，西伯利亚高压指数降低，东亚大槽强度不断增强，第Ⅱ阶段西伯利亚高压较第Ⅰ阶段弱，但东亚大槽强度较第Ⅰ阶段强，总体而言第Ⅰ阶段冷空气强于第Ⅱ阶段。西太副高各项指数中，除低西脊点指数对应西太副高偏西外，其余高指数均对应强盛西太副高，可看出覆冰期间西太副高偏西偏强。为进一步讨论西伯利亚高压、东亚大槽以及西太副高与覆冰厚度间的关系，分析其超前滞后相关性(表 2)，西伯利亚高压强度，东亚大槽强度及西太副高西脊点指数在延时为0时，指数与最大覆冰厚度相关性最高(相关系数分别为0.659、0.661和0.615)，而西太副高面积指数和850 hPa副高指数在超前两天时相关性最高(相关系数分别为0.818和0.641)，而西太副高强度指数在延时为1天时与覆冰厚度最相关(相关系数为0.686)。整体而言，各项指数都能在提前0~2天时对最大覆冰厚度有较明显的前兆信号。
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图 11 覆冰过程各项指数变化 黑色箭头代表覆冰两个阶段的起始时间。 |
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表 2 各项指数逐日变化与日最大覆冰厚度变化的超前和滞后相关系数负(正)延时表示环流指数与日最大覆冰厚度的超前(滞后)相关。 |
在当前的覆冰预报研究中[9-12]，从电线覆冰的微物理过程、局地气象要素及天气形势出发对电线覆冰厚度等级进行预测，与实际电线的覆冰仍有较大差距。在此次桂林北部电线覆冰过程中，我们发现垂直温湿层结的纬向分布更直观地显示了冷暖气团的强弱，干湿属性，其中第Ⅰ阶段冷气团水汽更充沛电线覆冰越厚；进一步地，找到各项大气环流指标与覆冰厚度的超前滞后相关关系，西伯利亚高压、东亚大槽和西太副高等大气环流指数能在提前0~2天给出了明显的前兆信号。此次个例分析的结论对覆冰预报有一定的指导意义，但在未来的覆冰预报中，我们可在现有的覆冰预报基础上，再从温湿层结分析南北纬向上冷暖气团的强弱，建立定量的冷暖空气强弱指标和干湿气团属性指标。并进一步结合西伯利亚高压、东亚大槽以及西太副高甚至东亚高空急流[23]等大尺度环流指数和南方电网超高压输电线历史覆冰数据，建立更具普适性的覆冰概率和强度预报方法，以提高覆冰发生的预报准确率，为电力部门提前应对输电线路覆冰提供科学决策信息，以保障人民生活生产，将电线覆冰的损失降到最低。
5 结论本文通过分析广西桂林2015年1月28日—2月6日超高压输电线路一次连续覆冰事件，从天气形势、温湿层结、气象要素以及大气环流指数方面系统分析了覆冰的天气学成因，覆冰的形成主要与北方干冷空气与南方暖湿空气交汇形成的准静止锋有关，两股空气势力的主导方很大程度决定了输电线路积冰与否以及积冰厚度。
(1) 大尺度环流形势方面：本次冷空气过程前期属于横槽转竖，冷涡迅速东移入海，极涡强盛引导东亚大槽不断重建东移南下，随着阻塞高压崩溃再建，冷空气自新疆-青藏高原东侧南下，西太平洋副热带高压偏西偏强引导西南气流将海洋上的暖湿气流向我国西南地区输送。在桂林上空冷暖气团势力相当，相互对峙，冷暖气团的主导作用使得锋面来回摆动，在山脉阻挡和流场共同作用下形成准静止锋。冷气团主导且水汽充沛有利于电线积冰，而暖气团主导时则有益于积冰融化。
(2) 温湿垂直层结方面：在覆冰初生阶段，边界层上部出现强的暖湿气流北上，而近地层冷空气南下入侵出现逆温，第Ⅰ阶段逆温层较第Ⅱ阶段深厚，且第Ⅰ阶段冷空气较强盛水汽更充沛，故第Ⅰ阶段覆冰厚度远大于第Ⅱ阶段。
(3) 局地气象要素方面：从气温、水汽通量来看，第Ⅰ阶段气温更低，向桂林地区的水汽通量输送更多，在两次覆冰阶段前期都出现了降水，在温度低于0℃的高寒山区，降落的雨滴在输电线上冻结成毛玻璃状透明或半透明的冰层，空气中水汽也可直接凝华使得覆冰增长，影响覆冰增长速率。
(4) 大气环流指数方面：以西伯利亚高压强度指数和东亚大槽强度指数表征冷空气强度，以西太副高指数表征暖湿空气强度，覆冰期间西伯利亚高压和东亚大槽强盛，西太平洋副热带高压也偏西强盛，促使冷空气南下有暖湿气流北上形成对峙，在高寒山区形成准静止锋。大尺度环流指数的变化对覆冰发生及厚度的预报有较好的指示意义。
此次过程位于锋区附近的桂林北部山区在冷空气和暖湿气流的共同作用下形成电线积冰，由于准静止锋并不是完全静止的，锋区的移动影响着输电线路的覆冰状况，冷空气强于暖空气时且水汽充沛时，更有利于电线积冰，而当暖空气强于冷空气时，更易导致积冰的融化。可看出在覆冰期间主要由冷空气引导，第Ⅱ阶段融冰期间为暖空气主导。
本文仅从2015年桂林山区输电线的一次连续覆冰过程的个例分析，对输电线路覆冰预报具有一定指导意义，为了使结论更具有普适性，今后会更深入地建立一种客观分析方法，结合多模式集合预报[24]，建立天气形势、气象指标以及大气环流指数同中国南方电网输电线覆冰事件的联系，从而建立一种更具普适性的覆冰预报方法，提高覆冰发生的预报准确率，便于在科学研究和业务应用中认识覆冰发生的天气学特征，为输电线覆冰发生预报提供科技支撑。
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