江西與湖南同類型地區(qū)覆冰形成條件對比分析

曹小群，王 熹

（中國電建集團江西省電力設計院有限公司，江西南昌330096）

0 前言

江西省與湖南省毗鄰，處于相同的緯度帶，氣象環(huán)境條件類似，歷史經歷冰災情況也相似。但是根據國網編制的冰區(qū)圖可知，兩個地區(qū)覆冰取值存在較大差異，以2016版30年一遇冰區(qū)圖為例，湖南省地區(qū)最小的冰區(qū)為10～15mm冰區(qū)，最大的超過了50mm，大部分處于15～20mm冰區(qū)范圍內，而江西省地區(qū)最小的冰區(qū)為5～0mm，最大僅20～30mm冰區(qū)，大部分處于5～10mm冰區(qū)范圍內。這種差異性導致兩省線路設計覆冰在選取上存在較大分歧，但這種差異性是否真實存在值得商榷。同時江西省區(qū)域內覆冰資料較少，無法支撐區(qū)域線路設計覆冰的準確選取，因此通過與臨近地區(qū)影響覆冰要素的對比分析可以為本地區(qū)的設計覆冰的選取提供有利的參考。

覆冰的影響因素較多，其中劉春城等指出了導線覆冰是熱力學、流體力學和電流電場耦合作用的結果[1]。在導線自身因素保持一致的前提下，影響覆冰的主要因素則為外部環(huán)境因素，這些因素主要為溫度、濕度、風速及風向、冷暖空氣對流、環(huán)流、海拔高程等[2]。本文通過對比兩個地區(qū)覆冰形成的外部條件，來分析兩個區(qū)域覆冰的差異性的大小，從而彌補資料不足給區(qū)域設計覆冰確定帶來的影響。為后續(xù)缺乏資料地區(qū)電力線路設計覆冰的選取提供了思路。

1 區(qū)域氣象特性對比

湖南省與江西省均屬于亞熱帶，因其處于東亞季風氣候區(qū)的西側，加之全省東、南、西三面環(huán)山，北面低，離海洋較遠，導致兩省氣候具有大陸性特點的亞熱帶季風濕潤氣候?？偟臍夂蛱攸c是：氣溫的年變化大，氣候溫暖，四季分明，熱量充足，雨水集中，嚴寒期短，暑熱期長。冬季，當北方的強冷氣團南下時，受三面高山的阻擋，氣流移速減慢，在其間與南海副熱帶暖濕氣團交匯，形成“華南靜止鋒”，如圖1所示。在冷暖空氣交鋒時，暖空氣沿鋒面滑升形成雨層云，高層云等峰面云系。雨層云等鋒面云系由水滴，過冷卻水和冰晶組成，在亂流擾動、湍流交換影響下，常產生較長時間的持續(xù)雨、雪、霧日天氣，此時，大氣中形成的過冷卻水，遇電線而改變其應力和形狀依附于電線表面，并迅速凝結成固態(tài)狀，造成電線覆冰。主要特征有：覆冰現象頻繁，以凍雨局多；持續(xù)時間長；嚴寒期短。其中本工程線路所處江西省鄱陽湖區(qū)域以及湖南洞庭湖均為向北開口的盆地，冷空氣長驅直入，使北部平原氣溫顯著下降，覆冰現象頻繁。

綜上所述，兩省北部湖盆平原區(qū)域氣候條件一致，冬季覆冰形成的主要原因均是受“華南靜止峰”影響，在亂流擾動、湍流交換的綜合影響下，形成覆冰。

圖1 華南靜止鋒示意圖

2 氣象站概述

江西省與湖南省相鄰，且地勢均為南高北低，江西省北部地區(qū)有鄱陽湖及長江水系，湖南省北部有洞庭湖及長江水系，兩省北部均是開闊平原，冬季主導風向均為北風，如圖2所示。而影響覆冰的因素較多，其中海拔和緯度覆冰的影響較為顯著[3]，其中長沙市與南昌市均為省級行政區(qū)，城市化水平相似，且緯度海拔相近，區(qū)域內均有大型水系貫通南北。因此兩地在覆冰形成條件上具有可比性，如表1如示，同時結合本工程，進一步選取了樟樹氣象站與湖南湘潭氣象站進行對比，這兩個氣象站與長沙和南昌一樣，從地形地勢和水系發(fā)育程度上均具有可比性。

圖2 江西與湖南北部地形對比圖

表1 氣象站基本信息

本文通過上述四個氣象站對比分析，探究兩省相同類型區(qū)域覆冰形成條件是否一致。

3 覆冰形成要素對比分析

輸電線路的覆冰受諸多因素的影響，比如:溫度、濕度、風速及風向、冷暖空氣對流、環(huán)流、海拔高程、線路直徑、電場及負荷電流等氣象因素、地形因素以及導地線自身因素，而作為氣象站觀冰點均是按照統(tǒng)一標準進行覆冰觀測，因此可以忽略導線自身因素的影響，而四個氣象站均位于城區(qū)，觀測場海拔均在30～47m之間，因此可以忽略地形以及高程因素對覆冰的影響，本次分析選取對覆冰形成關鍵的五個因素進行對比分析，即最低氣溫、最高氣溫、平均氣溫、風速、水氣壓，對比各氣象站這些因素日值的差異性來分析兩個區(qū)域覆冰形成規(guī)律的差異性。

本文選取區(qū)域累年覆冰影響因素的日值來進行分析，累年的日值資料對區(qū)域的氣象總體情況具有較好的代表性，較之選取某一年的值要更能代表區(qū)域的氣象規(guī)律。四個氣象站各因素冬季日值變化情況如圖3：

圖3 覆冰各要素對比分析圖

通過上圖可知直觀的看出，四個氣象站的氣象要素從變化規(guī)律和數值大小上均具有較高的相似性，同時通過相關性分析通過上述相關性分析可知，四個氣象站覆冰影響要素在0.01置信水平下具有顯著的相關性。且結合各氣象要素的均值對比分析，可知，四個氣象站因此可以認為湖南和江西這兩個區(qū)域覆冰規(guī)律具有高度的相似性。各參數均值表見表2：

表2 各參數冬季平均值

4 雨淞持續(xù)時間及覆冰估算結果對比

進一步對比區(qū)域內雨淞持續(xù)時間，南昌站和長沙站歷年雨淞持時間如圖4所示：

在十九大開幕當天，江西日報全媒體報道中心策劃、中國江西網制作的H5作品“十九大報告學習詞典”發(fā)布。作品圍繞十九大，扣住報告中提出的“一系列新思想、新論斷、新要求”主線，圖文并茂，互動性強，6天時間總閱讀數就超過1000萬，成為全國媒體解讀十九大報告中少有的千萬級爆款作品。這是在重大事件報道面前，省級黨報集團媒體融合報道的一次有益嘗試和探索。

圖4 長沙站與南昌站雨淞持續(xù)時間對比

同樣將兩站數據進行相關性分析，得出兩站雨凇持續(xù)時間在0.01置信水平下顯著相關，兩站雨淞持續(xù)時間平均值分別為：南昌站32h和長沙站46h。將序列值進行頻率分析，分別利用P-Ⅲ型分布或Ⅰ型極值分布對序列數據進行擬合，頻率曲線如圖5所示：

圖5 氣象站雨淞持續(xù)時間頻率曲線擬合圖

得出兩種百年一遇雨淞持續(xù)時間分別為293.92 h和278.56h。通過對比均值和頻率計算值，可知，兩站雨淞持續(xù)時間具有較高的相似性。

當缺乏氣象站覆冰重量觀測數據時，可以根據氣象站的雨凇日數或霧凇日數，采用庫娃（C.Kuoiwa）實驗理論，對于園柱體覆冰單位長度雨凇增長率的計算公式如式（1）[4]。

式中：

W—單位長度雨凇重量（g/m）；

τ—雨凇日數或霧凇日數時間（s）；

V—覆冰同期平均風速（m/s）；

R—雨凇架芯線半徑（cm）；

b0—密度為0.9g/cm3標準冰厚（mm）。

由于雨凇架芯線半徑R通常為2mm遠小于覆冰厚度b0，因此R可以忽略不計，令b0+R≈b0，式（2）可以簡化如下。

有式（3）：

式中：

b0—密度為0.9g/cm3標準冰厚（mm）；

τ—雨凇日數或霧凇日數（天）；

V—覆冰同期平均風速（m/s），通常取0.1～8m/s；

T—雨覆冰同期平均氣溫（℃），通常取-0.1～-5℃的絕對值。

根據氣象站觀測記錄和實驗證明，發(fā)生雨凇覆冰時，最常見的氣溫為-1℃，覆冰增長最快的風速為3m/s，如果將這些氣象參數代入上式，則估算覆冰厚度可以簡化為式（4）：

通過上述公式計算兩地百年一遇雨淞持續(xù)時間所對應的標準覆冰厚度，其中南昌站為34.5mm，長沙站為33.3mm，兩地相同重現期的標準冰厚差異不到2mm，因此可以認為兩區(qū)域歷史覆冰情況類似。

5 結語

本文對江西省和湖南省同類型地區(qū)的覆冰形成條件進行分析，主要結論和展望如下：

1）通過影響覆冰的主要因素-海拔及緯度選取了兩個區(qū)域內四個氣象站（長沙市與南昌市、樟樹氣象站與湖南湘潭氣象站）數據進行對比分析。

2）通過覆冰影響因素分析可知，四個氣象站的氣象要素從變化規(guī)律和數值大小上均具有較高的相似性，且四個氣象站覆冰影響要素在0.01置信水平下具有顯著的相關性。各氣象要素的均值也具有相似性。

3）結合雨淞持續(xù)時間估算覆冰的計算公式計算兩地百年一遇標準覆冰厚度，可知兩地相同重現期的標準冰厚差異不到2mm，因此可以認為兩區(qū)域歷史覆冰情況類似。

4）本文提出的對比分析方法，為缺乏覆冰資料的地區(qū)進行覆冰覆冰估算提供了新的方法。

5）本文引用利用雨淞持續(xù)時間進行覆冰估算的公式還有待改進，在后續(xù)的研究中，因結合覆冰及其要素觀測，來對覆冰估算公式進行優(yōu)化，從而進一步提高無資料地區(qū)設計覆冰估算的精度。