遼寧電線覆冰日數(shù)氣候特征與大氣環(huán)流異常的關(guān)系

孫秀博 張婉瑩 張建強(qiáng) 羅聰

(1.中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110166；2.東北冷渦研究重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110166； 3.遼寧省氣象服務(wù)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110166； 4.本溪市人工影響天氣辦公室，遼寧 本溪 117000; 5.遼寧省氣象學(xué)會(huì)，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

引言

電線覆冰是指雨凇、霧凇或者濕雪凍結(jié)在輸電線路上的一種現(xiàn)象。電線覆冰對(duì)公共交通安全和電力、通訊行業(yè)等公共基礎(chǔ)設(shè)施有著十分重要的影響，電線覆冰會(huì)引起電網(wǎng)倒塔和斷線等電力事故發(fā)生。如2008年1—2月持續(xù)近1個(gè)月的低溫雨雪冰凍天氣，使中國(guó)南方13個(gè)省市的電力設(shè)施受到不同程度的破壞[1]。我國(guó)電線覆冰存在明顯南北差異，南方地區(qū)以雨凇為主，北方地區(qū)主要以霧凇為主，且海拔越高，年覆冰日數(shù)越多[2-3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了很多電線覆冰方面的研究。劉赫男等[4]、周悅等[5]、龔強(qiáng)等[6]分別對(duì)黑龍江、湖北和遼寧電線覆冰的氣候特征、氣象條件和冰區(qū)劃分進(jìn)行了研究；也有一些學(xué)者針對(duì)各自地區(qū)電線覆冰特征分析了有利于電線覆冰發(fā)生的海氣場(chǎng)特征及其與大尺度環(huán)流背景關(guān)系[7-9]；另外，還有學(xué)者在建立電線覆冰模型及厚度預(yù)報(bào)產(chǎn)品方面取得了一些研究進(jìn)展[10-12]。

遼寧(118°53′—125°46′E，38°43′—43°26′N)位于中國(guó)東北地區(qū)南部，屬溫帶大陸性氣候，日照豐富，四季分明，境內(nèi)地勢(shì)復(fù)雜多變[13]。遼寧省電線覆冰現(xiàn)象以霧凇引起的覆冰為主，空間分布不均勻，電線覆冰日數(shù)的年際變化幅度較大。盡管遼寧省電線覆冰現(xiàn)象相對(duì)較少，但一旦發(fā)生就會(huì)危及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，給電力部門(mén)和相關(guān)行業(yè)帶來(lái)十分嚴(yán)重的影響。目前，遼寧省針對(duì)電線覆冰氣候特征與大氣環(huán)流異常關(guān)系的相關(guān)研究工作還較少，缺乏專業(yè)服務(wù)產(chǎn)品。本文利用1980—2019年遼寧省電線覆冰觀測(cè)資料開(kāi)展輸電線覆冰時(shí)空特征分析，研究遼寧省電線覆冰異常年份前期氣候背景場(chǎng)對(duì)電線覆冰的影響，以期為遼寧電網(wǎng)覆冰災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)對(duì)開(kāi)發(fā)專業(yè)電線覆冰氣象服務(wù)產(chǎn)品，防止電線覆冰引發(fā)災(zāi)害事故、確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。

1 資料與方法

本文采用的數(shù)據(jù)資料主要包括：遼寧省氣象信息中心提供的1980—2019年遼寧省11個(gè)有電線覆冰觀測(cè)項(xiàng)目的氣象觀測(cè)站(圖1)中電線覆冰逐日觀測(cè)資料；美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心/國(guó)家大氣研究中心(NCEP/NCAR)再分析資料[14]，如逐月氣壓場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和比濕場(chǎng)，水平空間分辨率均為2.5°×2.5°；Hadley中心月平均海表溫度場(chǎng)HadISST1資料[15]，分辨率為1°×1°。

圖1 1980—2019年遼寧11個(gè)覆冰氣象站信息Fig.1 Information of 11 wire icing meteorological stations in Liaoning province from 1980 to 2019

統(tǒng)計(jì)遼寧11站1980—2019年逐日電線覆冰資料可知，遼寧省電線覆冰事件發(fā)生在10月至翌年4月，因此將每年覆冰日數(shù)定義為當(dāng)年10月至翌年4月上述11站各月累計(jì)覆冰日數(shù)之和。若某日導(dǎo)線上出現(xiàn)電線積冰現(xiàn)象，則定義該日為電線覆冰日。為更直接了解遼寧省電線覆冰日數(shù)年際變化特征，本文引入遼寧覆冰日數(shù)指數(shù)化定義。即：將全省11站電線覆冰期的年覆冰日數(shù)相加得到全省11站逐年電線覆冰日數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化后將其定義為遼寧省冬季電線覆冰指數(shù)[7]。采用9點(diǎn)平滑濾波、小波分析等方法系統(tǒng)分析1980—2019年遼寧省冬季電線覆冰指數(shù)的年際和年代際周期變化特征。

選取1980—2019年遼寧省冬季電線覆冰指數(shù)中大于一個(gè)正標(biāo)準(zhǔn)差的年份作為電線覆冰日數(shù)偏多年，即1982年、1985年、1992年、1993年、1999年、2009年；選取小于一個(gè)負(fù)標(biāo)準(zhǔn)差的年份作為電線覆冰日數(shù)偏少年，即2008年、2012年、2013年、2014年、2017年、2018年、2019年。求出上述覆冰日數(shù)偏多年冬季(由于遼寧省電線覆冰主要發(fā)生于12月至翌年2月，因此以下環(huán)流場(chǎng)均采用當(dāng)年12月至翌年2月資料進(jìn)行分析)SST合成場(chǎng)、高度合成場(chǎng)、矢量風(fēng)合成場(chǎng)，并與覆冰日數(shù)偏少年冬季SST合成場(chǎng)、高度合成場(chǎng)、矢量風(fēng)合成場(chǎng)分別相減得到覆冰日數(shù)偏多年與偏少年SST、高度、矢量風(fēng)的差值合成分布。

小波分析是一種信號(hào)時(shí)頻局部分析的方法，它是通過(guò)時(shí)頻變化來(lái)突出信號(hào)在某些方面的特征，具有時(shí)頻多分辨的功能[16-17]。而氣象要素因具有周期變換復(fù)雜、不固定、多時(shí)間尺度等特征，因此在研究氣象要素長(zhǎng)期變化時(shí)，經(jīng)常會(huì)用小波分析方法對(duì)函數(shù)或信號(hào)序列進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，進(jìn)而得出不同尺度周期隨時(shí)間演變的情況。依據(jù)Christopher和Gilbert的研究，定義小波系數(shù)的模部平方為小波變化功率譜；并根據(jù)IPCC第五次評(píng)估的定義，年代際時(shí)間尺度定義為10—30 a，10 a以下的周期性變化為年際變化[18-19]。

2 結(jié)果分析

2.1 遼寧電線覆冰氣候特征分析

利用1980—2019年遼寧地區(qū)11個(gè)無(wú)缺測(cè)氣象站的電線覆冰觀測(cè)資料分析遼寧電線覆冰空間分布特征。表1是遼寧11個(gè)氣象臺(tái)站近40 a年平均覆冰日數(shù)，可以得出，1980—2019年遼寧各站年平均覆冰日數(shù)處于0.3—2.7 d范圍內(nèi)，其中，年平均覆冰日數(shù)發(fā)生最多的站是營(yíng)口，年平均覆冰日數(shù)達(dá)到2.7 d，丹東次之，年平均覆冰日數(shù)有2.6 d。遼寧省電線覆冰現(xiàn)象出現(xiàn)日數(shù)存在三個(gè)高值區(qū)，其年平均覆冰日數(shù)均達(dá)到1.4 d以上：一個(gè)是遼寧北部地區(qū)，主要包含沈陽(yáng)和鐵嶺大部地區(qū)；一個(gè)是遼東山區(qū)，主要包括丹東、寬甸等市縣；另一個(gè)則是遼寧中西部沿海地區(qū)，主要包括營(yíng)口、錦州大部地區(qū)；出現(xiàn)覆冰日數(shù)最少的地區(qū)是大連，本溪次之。

表1 1980—2019年遼寧11個(gè)覆冰氣象站年平均覆冰日數(shù)Table 1 The average annual icing days of 11 wire icing meteorological stations in Liaoning province from 1980 to 2019

通過(guò)對(duì)1980—2019年遼寧11個(gè)氣象站電線覆冰類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知(圖2)，遼寧地區(qū)電線覆冰主要為霧凇類型，占電線覆冰總次數(shù)的三分之二以上。遼寧省電線覆冰現(xiàn)象出現(xiàn)最多的年份為1993年，最少的年份出現(xiàn)在2017年；其中，霧凇出現(xiàn)最多的年份同樣發(fā)生在1993年，所得結(jié)論與唐亞平等[20]分析結(jié)果基本一致。

圖2 1980—2019年遼寧電線覆冰發(fā)生次數(shù)年變化Fig.2 Variation of the number of occurrences of annual wire icing in Liaoning province from 1980 to 2019

從遼寧省冬季電線覆冰指數(shù)逐年變化分布可以看出(圖3)，1980—2019年遼寧電線覆冰日數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)，2003年前后出現(xiàn)明顯變化，1980—2003年標(biāo)準(zhǔn)化距平值持續(xù)在0—1之間，2003—2019年則維持在0以下。

圖3 1980—2019年遼寧電線覆冰指數(shù)的逐年變化Fig.3 Variation of annual wire icing index in Liaoning province from 1980 to 2019

從1980—2019年遼寧省電線覆冰日數(shù)逐月分布可知(圖4)，遼寧省電線覆冰發(fā)生在10月至翌年4月，其中1月電線覆冰出現(xiàn)次數(shù)最多，共184次；12月出現(xiàn)次數(shù)次之，共出現(xiàn)152次；10月電線覆冰出現(xiàn)次數(shù)最少。

圖4 1980—2019年遼寧電線覆冰日數(shù)逐月變化Fig.4 Variation of monthly wire icing days in Liaoning province from 1980 to 2019

2.2 遼寧電線覆冰小波變化特征

為了研究1980—2019年遼寧省電線覆冰日數(shù)的年際和年代際時(shí)間尺度變化及其對(duì)遼寧省電線覆冰日數(shù)變化的貢獻(xiàn)，本文對(duì)1980—2019年遼寧省電線覆冰指數(shù)時(shí)間序列進(jìn)行了小波分解并分析其模部平方值以得到覆冰日數(shù)的年際和年代際振蕩能量譜，并用小波變換后的方差分析不同時(shí)間尺度振蕩對(duì)覆冰日數(shù)的貢獻(xiàn)[21]。

從圖5可以看出，1980—2019年遼寧省電線覆冰日數(shù)具有顯著的年際變化周期，年代際變化周期不明顯,主要的年際變化周期為5—8 a，其次為2—3 a。20世紀(jì)90年代年際變化最強(qiáng)，其次是21世紀(jì)10年代和20世紀(jì)80年代初。20世紀(jì)80年代中后期和21世紀(jì)00年代年際變化和年代際變化都較弱。

圖5 1980—2019年遼寧電線覆冰日數(shù)的小波變換功率譜及方差分布Fig.5 Wavelet transform power spectrum and variances of distribution of wire icing days in Liaoning province from 1980 to 2019

1980—2019年年際振蕩能量經(jīng)歷了3次增強(qiáng)—減弱的變化(圖6a)，分別在20世紀(jì)80年代初期、90年代初期和21世紀(jì)00年代末期達(dá)到峰值，其中1992—1994年最強(qiáng)；而20世紀(jì)80年代中后期、21世紀(jì)00年代中期和21世紀(jì)10年代初期達(dá)到谷值，目前處于增強(qiáng)階段。整體來(lái)看，21世紀(jì)前年際變化振蕩較強(qiáng)，21世紀(jì)后年際變化較弱；年代際振蕩能量在近40 a里先減弱后加強(qiáng)(圖6b)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的周期性，在1999年左右達(dá)到谷值，2019年左右達(dá)到峰值。

圖6 1980—2019年遼寧電線覆冰日數(shù)小波分析的年際(a)和年代際(b)能量變化Fig.6 Interannual (a) and interdecadal (b) energy of the wavelet analysis of wire icing days in Liaoning province from 1980 to 2019

總的來(lái)看，1980—2019年遼寧省電線覆冰日數(shù)年際變化較強(qiáng)，年代際變化較弱，主要為5—8 a的年際變化。

2.3 影響遼寧覆冰日數(shù)的環(huán)流特征分析

丁一匯等[22]總結(jié)國(guó)內(nèi)外凍雨、積冰事件，認(rèn)為其形成有3個(gè)最基本的原因：一是厄爾尼諾—南方濤動(dòng)(ENSO)的影響；二是歐亞大氣環(huán)流形勢(shì)或阻塞形式的異常發(fā)展；三是來(lái)自孟加拉灣和南海的大量暖濕空氣的向北輸送。電線覆冰的發(fā)生原因不是單一的，而是多種因素綜合作用的結(jié)果，這些因素在同一時(shí)段、同一地區(qū)疊加，最后導(dǎo)致電線覆冰氣象災(zāi)害。對(duì)于遼寧省電線覆冰日數(shù)異常發(fā)生的原因，有研究表明[23-26]，中國(guó)各地區(qū)電線覆冰多發(fā)年與ENSO事件的暖區(qū)存在聯(lián)系。由于遼寧地區(qū)電線覆冰現(xiàn)象多集中于秋、冬季，而遼寧地區(qū)秋、冬季異常水汽來(lái)源主要有兩個(gè)，一是受冬季風(fēng)影響，有來(lái)自西風(fēng)帶緯向水汽的輸送；二是有來(lái)自日本海反氣旋性環(huán)流經(jīng)向異常水汽的輸送[27]。本文主要從強(qiáng)、弱覆冰年前期海溫場(chǎng)、同期高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，分析影響遼寧年覆冰日數(shù)的典型海溫和大氣環(huán)流特征。

海溫變化與區(qū)域氣候變化關(guān)系密切，在海溫(SST)變化上，本文主要關(guān)注ENSO區(qū)和對(duì)秋冬季遼寧地區(qū)有異常水汽輸送的鄂霍茨克海、黑潮區(qū)、日本海、渤海等關(guān)鍵海區(qū)。從圖7a可見(jiàn)，在覆冰日數(shù)偏多年，赤道太平洋地區(qū)SST距平表現(xiàn)為El Nino型，即太平洋中東部異常偏暖，西部異常偏冷，異常正、負(fù)值中心分布零散，SST距平正值中心值居于0.3 ℃以上；鄂霍茨克海、黑潮區(qū)、日本海、渤海海溫異常偏冷。從圖7b可見(jiàn)，覆冰日數(shù)偏少年9—11月SST異常合成分布與偏多年相反，在赤道東太平洋為負(fù)距平，赤道中西太平洋為正距平；其中，正值中心位于150°—170°E，負(fù)值中心位于90°—110°W附近，正負(fù)異常中心強(qiáng)度差異不大。北半球太平洋海溫整體異常偏高，鄂霍茨克海、黑潮區(qū)、日本海、渤海海溫異常偏高，日本海和黑潮區(qū)有明顯高值中心。與高指數(shù)年海溫相比，主要關(guān)注的關(guān)鍵海區(qū)海表溫度基本呈反相。由圖7c可以看出，遼寧省覆冰偏多年與偏少年秋季9—11月SST距平之差表現(xiàn)為El Nino型分布，即在赤道太平洋海表溫度由西向東呈現(xiàn)“-+”模態(tài)分布，北半球太平洋海溫整體偏低，日本海和黑潮區(qū)存在明顯的海溫負(fù)異常(其中日本海海區(qū)負(fù)異常通過(guò)90%顯著性檢驗(yàn))，SST距平負(fù)中心較常年偏低0.6°C以上。

單位為℃；圓點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)90%信度檢驗(yàn)圖7 遼寧覆冰日數(shù)偏多年(a)、偏少年(b)以及偏多年減偏少年(c)前期秋季(9—11月)SST 異常差值合成Fig.7 Composite of SST anomalies in previous autumn (September to November) for the more (a) and fewer (b) icing days years and their difference field (c) in Liaoning province

從遼寧覆冰日數(shù)偏多年和偏少年12月至翌年2月500 hPa高度場(chǎng)距平合成圖可見(jiàn)(圖8)，覆冰日數(shù)異常偏多年，北半球亞洲地區(qū)緯向?yàn)椤氨备吣系汀钡男蝿?shì)，烏拉爾山高壓脊偏強(qiáng)，遼寧以北的貝加爾湖上空存在異常反氣旋中心，經(jīng)向由西向東為“低—高—低”的趨勢(shì)，太平洋中高緯度存在異常氣旋性中心，冬季風(fēng)偏強(qiáng)，經(jīng)向環(huán)流加強(qiáng)，引導(dǎo)冷空氣南下。冷空氣南下和較冷的水汽供應(yīng)是霧凇型電線覆冰的基本條件[1,24]，從遼寧覆冰日數(shù)偏多年和偏少年12月至翌年2月850 hPa風(fēng)場(chǎng)距平合成分布可以看出(圖9)，太平洋中低緯度存在異常氣旋性風(fēng)場(chǎng)，30°N緯向風(fēng)較強(qiáng)，亞洲大陸貝加爾湖附近存在異常反氣旋環(huán)流，北太平洋中部存在異常氣旋環(huán)流。遼寧省經(jīng)緯度范圍約為38°—44°N、118°—126°E，受到貝加爾湖異常反氣旋環(huán)流東南側(cè)東北氣流控制，東部鄂霍茨克海上空存在弱的反氣旋環(huán)流，使得日本海有異常偏東風(fēng)將水汽輸送至遼寧上空，由于日本海海區(qū)海表溫度異常偏低，因此輸送的水汽溫度較低。

單位為gpm；圓點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)90%信度檢驗(yàn)圖8 遼寧覆冰日數(shù)偏多年和偏少年12月至翌年2月500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)差值合成Fig.8 Composite of potential height anomalies at 500 hPa for the difference between the more wire icing year and fewer icing years from December to the next February in Liaoning province

圖9 遼寧覆冰日數(shù)偏多年和偏少年12月至翌年2月850 hPa風(fēng)場(chǎng)距平差值合成Fig.9 Composite of wind anomalies at 850 hPa for difference between the more and fewer wire icing years from December to the next February in Liaoning province

由上文可見(jiàn)，遼寧地區(qū)電線覆冰異常偏多年的產(chǎn)生是日本海區(qū)異常偏低的海溫場(chǎng)和北半球大氣環(huán)流共同作用的結(jié)果，當(dāng)北太平洋中部海溫分布呈現(xiàn)El Nino型時(shí)，西北太平洋海表溫度整體偏冷，日本海區(qū)存在明顯負(fù)異常；同時(shí)大陸上貝加爾湖上空存在高壓中心，北半球亞洲地區(qū)緯向?yàn)椤氨备吣系汀钡男问?，冬季風(fēng)偏強(qiáng)，冷空氣南下頻繁。遼寧受到貝加爾湖異常反氣旋環(huán)流東南側(cè)東北氣流控制，鄂霍茨克海上空存在弱反氣旋環(huán)流，導(dǎo)致日本海上空有異常東風(fēng)，當(dāng)南下冷空氣與東側(cè)日本海輸送的偏冷水汽交匯，容易產(chǎn)生溫度較冷的大霧，引發(fā)霧凇現(xiàn)象，過(guò)冷水汽在電線上凝結(jié)，導(dǎo)致電線覆冰現(xiàn)象的發(fā)生。專業(yè)氣象預(yù)報(bào)人員在進(jìn)行電線覆冰預(yù)報(bào)時(shí)，需要時(shí)刻關(guān)注前期海溫和同期大氣環(huán)流場(chǎng)，有利于提升專業(yè)氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

3 結(jié)論與討論

(1) 1980—2019年遼寧電線覆冰次數(shù)發(fā)生最多的是丹東地區(qū)，累計(jì)覆冰次數(shù)達(dá)到105次。遼寧省電線覆冰現(xiàn)象出現(xiàn)次數(shù)存在三個(gè)高值區(qū)，累計(jì)覆冰次數(shù)達(dá)55次以上，一個(gè)是遼寧北部地區(qū)，一個(gè)是遼東山區(qū)，另一個(gè)則是遼寧中西部沿海地區(qū)。覆冰次數(shù)最少的地區(qū)則出現(xiàn)在大連，本溪次之。遼寧地區(qū)電線覆冰以霧凇類型為主，覆冰現(xiàn)象出現(xiàn)最多的年份為1993年，霧凇出現(xiàn)最多的年份同樣發(fā)生在1993年，雨凇出現(xiàn)最多的年份為1992年和1993年，最少的年份出現(xiàn)在2017年。1980—2019年遼寧電線覆冰日數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)，覆冰事件發(fā)生在10月至翌年4月，其中1月出現(xiàn)覆冰日數(shù)最多，12月次之，10月最少。

(2) 1980—2019年遼寧省電線覆冰日數(shù)具有顯著的年際變化周期，年代際變化周期不明顯，主要的年際變化周期為5—7 a，其次為2—3 a，總體表現(xiàn)為始終存在一個(gè)振蕩周期穩(wěn)定的5—7 a的年際振蕩。1980—2019年年際振蕩能量經(jīng)歷了3次增強(qiáng)—減弱的變化，分別在20世紀(jì)80年代初期、90年代初期和21世紀(jì)00年代末期達(dá)到峰值，其中1992—1994年最強(qiáng)；而20世紀(jì)80年代中后期、21世紀(jì)00年代中期和21世紀(jì)10年代初期達(dá)到谷值，目前處于增強(qiáng)階段；年代際振蕩能量在近40 a 里先減弱后加強(qiáng)，在1999年左右達(dá)到谷值，2019年左右達(dá)到峰值，目前處于增強(qiáng)階段。

(3) 遼寧省覆冰偏多年與偏少年秋季9—11月SST距平之差表現(xiàn)為El Nino型分布。覆冰日數(shù)異常偏多年，太平洋海溫呈現(xiàn)El Nino型，西北太平洋海表溫度整體偏冷，日本海區(qū)海表溫度存在明顯負(fù)異常；同時(shí)大陸上貝加爾湖上空存在高壓中心，北半球亞洲地區(qū)緯向?yàn)椤氨备吣系汀钡男问?，冬季風(fēng)偏強(qiáng)，冷空氣南下頻繁。遼寧受到貝加爾湖異常反氣旋環(huán)流東南側(cè)東北氣流控制，鄂霍茨克海上空存在弱反氣旋環(huán)流，導(dǎo)致日本海上空有異常東風(fēng)，當(dāng)南下冷空氣與東側(cè)日本海輸送的偏冷水汽交匯，容易導(dǎo)致溫度較冷的大霧，引發(fā)霧凇現(xiàn)象，過(guò)冷水汽在電線上凝結(jié)，導(dǎo)致電線覆冰現(xiàn)象的發(fā)生。專業(yè)氣象預(yù)報(bào)人員在進(jìn)行電線覆冰預(yù)報(bào)時(shí)，在關(guān)注當(dāng)?shù)卮髿鈱有眽航Y(jié)構(gòu)和氣溫的同時(shí)，還需關(guān)注前期海溫背景場(chǎng)和同期大氣環(huán)流形勢(shì)，才能取得較好的預(yù)報(bào)效果。

doi:10.1029/2002JD002670.