昭通高壓輸電線一次覆冰事件的氣象條件分析

收稿日期：2024-01-08

基金項目：電力精細(xì)化氣象服務(wù)技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)（2022QN05）。

作者簡介：馬勛豪（1995—），男，云南昭通人，助理工程師，主要從事短臨天氣預(yù)報預(yù)警工作。

摘 要：利用ERA5再分析資料、輸電線路覆冰厚度資料和常規(guī)氣象要素觀測資料，分析了2023年1月14—18日昭通高壓輸電線覆冰期間的溫度、風(fēng)速、濕度變化特征和大尺度環(huán)流形勢。烏拉爾山附近阻塞高壓建立，引導(dǎo)冷空氣南下，造成昭通北部、東部降溫增濕，高壓輸電線路覆冰明顯。電線覆冰期間，氣溫在-10.3～-1.2 ℃之間，相比于其他氣象要素，80%以上的相對濕度高值對覆冰厚度起到了重要作用。

關(guān)鍵詞：電線覆冰，阻塞高壓，氣象因子

中圖分類號：P458 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號：2095–3305（2024）03–0-04

云南昭通地處低緯度高原地區(qū)，位于四川、云南、貴州三省交界處，屬于四川盆地與云貴高原的過渡地帶，海拔范圍267～4 040 m，地形起伏大，山地氣候明顯，地形地貌特征復(fù)雜多樣。

在云南寒潮的路徑中，東北路徑和偏東路徑超過90%，影響次數(shù)最多，而東北路徑的冷空氣先經(jīng)昭通南下造成云南大范圍降溫、降雨，昭通地區(qū)的冷空氣活動也相對頻繁，加之冬季濕度大、氣溫低，容易形成電網(wǎng)覆冰，覆冰災(zāi)害問題較為突出[1-4]。

隨著我國西電東送戰(zhàn)略的實施和高壓電網(wǎng)的建設(shè)，國內(nèi)學(xué)者針對輸電線路覆冰開展了大量研究。陶云等[5]分析了2008年1—2月滇東北多個國家氣象觀測站雨凇覆冰與大氣環(huán)流指數(shù)、氣象要素、昆明準(zhǔn)靜止鋒之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)覆冰厚度與降水關(guān)系不明顯。張懷孔[6]對滇東、滇東北建立覆冰模型發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過海拔高程和大氣環(huán)流、“微地形、微氣象”條件的訂正，才能得到相對客觀、合理的結(jié)果。很多研究人員[7-9]針對2018年1—2月的低溫冰凍雨雪天氣過程開展研究，阻塞高壓穩(wěn)定的環(huán)流形勢有利于冷空氣向南輸送，配合槽前暖濕氣流，低層逆溫層大范圍的穩(wěn)定存在，為冰凍雨雪天氣發(fā)生提供了有利條件；胡鈺玲等[10]對比了2008和2016年我國南方2次低溫雨雪冰凍天氣，發(fā)現(xiàn)大尺度環(huán)流特征、大氣層結(jié)、垂直運動、水汽路徑方面差異明顯。夏智宏等[11]研究了地形起伏度、海拔、離水體遠(yuǎn)近程度與覆冰厚度的關(guān)系，下墊面類型是影響積冰厚度最顯著的微地形因子。

通過研究覆冰過程的微物理特征量，能夠建立較好的覆冰增長模型，但在實際應(yīng)用中難以獲得云霧滴的濃度、半徑等實時觀測數(shù)據(jù)，無法滿足復(fù)雜山區(qū)輸電線路覆冰預(yù)報預(yù)警[12-13]。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

選取2023年1月14—18日強寒潮天氣期間，3根高壓輸電塔桿A、B、C（由于信息保密，以英文字母代替具體塔桿名稱），分別位于昭通永善、大關(guān)、威信。通過資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心獲取的高程DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)緯度獲取對應(yīng)塔桿的海拔，A、B、C電塔桿海拔分別為2 678、1 764、1 562 m。

由于高壓輸電線路覆冰觀測系統(tǒng)僅提供了覆冰厚度（由于輸電電路等級不同，導(dǎo)線直徑也不同，因此覆冰厚度均轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)冰厚）數(shù)據(jù)，溫度、濕度等局地氣象要素則利用離塔桿最近的氣象自動站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正和代替。

環(huán)流形勢場分析為歐洲中期天氣預(yù)報中心提供的ERA5再分析資料（范圍為40°～160°E，10°～70°N），網(wǎng)格分辨率為0.25°×0.25°。

采用統(tǒng)計學(xué)方法分析覆冰期間氣象要素的變化和分布特征，利用天氣學(xué)方法研究大尺度環(huán)流形勢和地面冷空氣移動變化對覆冰的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 局地氣象要素特征

由于氣象自動站在覆冰期間降水量出現(xiàn)大量缺測，因此不再討論降水的影響。圖1為2023年1月14

—19日覆冰期間電線覆冰厚度、氣溫、相對濕度、風(fēng)速的時間變化序列圖，在圖1a中，覆冰厚度的直線下降是由于電力部門為保障電網(wǎng)的安全運行采取直流融冰措施，導(dǎo)致覆冰快速脫落，覆冰厚度迅速減??；圖1b是氣象自動站經(jīng)過海拔訂正后得到的對應(yīng)桿塔的溫度；圖1c為覆冰期間相對濕度由自動站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行替代。在圖1d中，A、B塔桿對應(yīng)的風(fēng)速出現(xiàn)快速減小為零的情況，分析由于風(fēng)速風(fēng)向桿被凍住，導(dǎo)致自動站無法正常觀測，因此后續(xù)為避免風(fēng)速觀測可能不準(zhǔn)確導(dǎo)致的偏差，將不進(jìn)行風(fēng)速的對比分析。14—16日是覆冰快速增長階段，均伴隨著溫度的急劇下降。結(jié)合圖1a、圖1b發(fā)現(xiàn)，塔桿B在覆冰緩慢增長的初期（14日04：00～15：00），覆冰開始時的氣溫為2.5 ℃，

可能由于降雪附著在電線上產(chǎn)生拉力。

第一次融冰前，A、B、C覆冰最大厚度分別為12.01、

14.14、9.19 mm，平均速率分別為0.48、0.42和0.15 mm/h，

B、C塔桿溫度變化十分相似，不同時段對應(yīng)的溫度也十分接近，但B塔桿的覆冰厚度和速率明顯高于C塔桿，B塔桿在整個覆冰期間相對濕度較長時間維持在100%，C塔桿則在80%～95%之間波動，且在覆冰增長速率最快的階段，相對濕度高于85%以上。覆冰開始階段，小時平均風(fēng)速變化都比較劇烈，且以陣風(fēng)為主，B塔桿風(fēng)速低于C塔桿，說明覆冰厚度和平均覆冰速率同風(fēng)速的大小關(guān)系不及溫度和相對濕度的關(guān)系密切。15日夜間，電力部門先后對A、B塔桿采取了第一次直流融冰，16日上午氣溫小幅回升（氣溫仍低于

-3 ℃），C塔桿對應(yīng)的相對濕度短暫快速下降，出現(xiàn)了自然融冰現(xiàn)象，可能由于局部天空狀況改善，太陽直射導(dǎo)致；但午后冷空氣加強，隨著溫度的進(jìn)一步下降，相對濕度快速增大，3基塔桿出現(xiàn)了不同程度的再次覆冰。其中，A塔桿覆冰最為顯著，降溫幅度也最大，持續(xù)時間也最長，溫度也最低，相對濕度大于90%，并進(jìn)行了第二次融冰；C塔桿于16日午后再次覆冰且增長速率明顯高于B塔桿，盡管相對濕度整體上較低，但其波動也更為劇烈，從78%躍升至90%，可能局地出現(xiàn)霧凇或雨凇導(dǎo)致電線覆冰的快速增加。

表2給出了覆冰時段氣象要素的分布情況，覆冰平

均厚度為6.72～ 9.92 mm，最大覆冰厚度為9.19～14.14 mm，

相對濕度基本在80%以上，覆冰開始階段A、B、C對應(yīng)氣溫均低于-1 ℃；綜合A、B塔桿覆冰對應(yīng)的氣溫和相對濕度來看，B塔桿覆冰更大，氣溫卻相對偏高，而相對濕度維持100%。（B、C）和（A、C）對比也同上，相對濕度在此次低溫雨雪天氣過程中對電線覆冰增長的貢獻(xiàn)最大。

2.2 環(huán)流形勢

圖2顯示的是2023年1月13—14日至18日08：00逐日（北京時，下同）500 hPa環(huán)流場，填色為高度場。13日烏拉爾山附近高壓脊向北延伸的過程，東北冷渦維持強盛，低值中心位于中俄邊界，整體上表現(xiàn)為“一脊一槽”的環(huán)流形勢特征。脊前的西伯利亞淺槽向東發(fā)展，我國東北地區(qū)大部被冷渦控制，貝加爾湖附近低槽向西延伸至新疆連通為橫槽，開始攜帶大量冷空氣南下，而西太副高與印度洋副熱帶高壓連通，副高偏強偏北；14日橫槽東移南下我國長江一帶地區(qū)，引導(dǎo)冷空氣向南輸送，東北冷渦中心向東移動，高壓脊進(jìn)一步發(fā)展為阻塞高壓，脊前偏北氣流快速發(fā)展，并與橫槽共同引導(dǎo)冷空氣開始沿青藏高原東側(cè)經(jīng)四川盆地到達(dá)昭通，造成顯著降溫；15日橫槽東移，影響范圍減小，阻塞高壓東側(cè)蒙古地區(qū)再次發(fā)展出一淺槽并快速東移南下，16日加深南壓至秦嶺淮河一帶，阻塞高壓向東發(fā)展，影響區(qū)域擴(kuò)大，東側(cè)的偏北風(fēng)進(jìn)一步增強，冷空氣大范圍南下，東北冷渦向南緩慢移動；17日阻塞高壓發(fā)展至強盛階段，高壓脊向北延伸，影響區(qū)域逐漸東擴(kuò)，而冷渦減弱，范圍減小，淺槽轉(zhuǎn)為橫槽向西加深至四川北部，冷空氣沿青藏高原邊緣經(jīng)四川盆地快速南下，持續(xù)影響昭通；18日阻塞高壓向東發(fā)展與東北冷渦形成密集等壓線，但位置相對偏東，橫槽減弱消失，副熱帶高壓持續(xù)偏強，冷空氣對昭通地區(qū)的影響開始被削弱。東北冷渦旋和阻塞高壓的建立與維持是造成昭通強寒潮天氣的主要原因，阻塞高壓與冷渦之間不斷生產(chǎn)的低槽的東移南壓不斷引導(dǎo)冷空氣順地形輸送，使得昭通地區(qū)的低溫持續(xù)了較長的一段時間，但強盛的副熱帶高壓不利于水汽向我國西南地區(qū)的輸送，盡管如此，暖濕氣流與強冷空交匯形成的降水依然對昭通地區(qū)電線覆冰提供了有利的條件。

綠色五角星為覆冰區(qū)域

圖2? 500? hPa高空大尺度環(huán)流形勢場

結(jié)合700 hPa環(huán)流形勢分析（圖略），14日08：00川西高原至秦嶺南側(cè)存在東北—西南向的切邊線，四川盆地出現(xiàn)明顯降溫，昭通受西南暖濕氣流影響，水汽條件較好，隨著切邊線向南移動，冷暖空氣交匯，昭通部分區(qū)域開始出現(xiàn)降水（圖略），15—17日切邊線開始緩慢南壓至四川宜賓，昭通全市降溫進(jìn)一步增強維持，低層冷空氣在四川盆地大量堆積，18日切邊線減弱消失，氣溫開始緩慢回升。

圖3為850 hPa風(fēng)場和溫度場，1月13日昭通主要為西南暖濕氣流，冷空氣位于四川北部至甘肅一帶，弱冷空氣在昭通北部邊緣與暖濕氣流交匯，形成弱的準(zhǔn)靜止鋒天氣；在高空橫槽的引導(dǎo)下，14日冷空氣開始增強，不斷在四川盆地堆積。受地形影響，冷空氣爬升，準(zhǔn)靜止鋒加強，在昭通南部形成了溫度梯度十分明顯的交匯區(qū)，昭通北部、東部開始大范圍降溫；15日冷空氣繼續(xù)加強，準(zhǔn)靜止鋒向西南方向移動，昭通處于鋒區(qū)北側(cè)受冷空氣控制，由于干冷空氣和暖濕氣流交匯導(dǎo)致劇烈降溫，過冷液滴凍結(jié)、過冷霧滴凝華，導(dǎo)致高海拔區(qū)域輸電線路出現(xiàn)以混合凇和雨凇為主的覆冰現(xiàn)象；16—17日，高空低槽向西加深，偏北引導(dǎo)氣流使昭通持續(xù)受到冷空氣影響，氣溫進(jìn)一步降低，形成冷墊；18日隨著阻塞高壓向東發(fā)展，低槽向東減弱消失，昭通地區(qū)的冷空氣開始變性緩慢升溫，覆冰現(xiàn)象明顯減弱。

填色為溫度場，黑色實線為昭通行政邊界，綠色圓點為覆冰塔桿

3 結(jié)論

（1）在大尺度環(huán)流形勢上，500 hPa烏拉爾山附近的高壓脊進(jìn)一步發(fā)展成為阻塞高壓，并與東北冷渦之間建立了穩(wěn)定的環(huán)流形勢，南壓加深的低槽和阻塞高壓東南側(cè)不斷引導(dǎo)冷空氣經(jīng)過新疆、秦嶺、四川盆地南下，造成昭通地區(qū)強寒潮天氣；昭通獨特的地形地貌特征使得850 hPa近地面冷空氣堆積，昭通北部、東部區(qū)域海拔相對較低，有利于冷空氣進(jìn)一步維持形成冷墊，強化了輸電線路的覆冰條件。

（2）昭通輸電線路覆冰階段伴隨著強烈的降溫，冷暖空氣交匯于此，形成的過冷霧或過冷雨滴附著在輸電線上快速結(jié)冰，通過對局地氣象要素的分析發(fā)現(xiàn)，造成此次電線覆冰的氣溫為-1.2～-10.3 ℃，長時間維持80%以上的相對濕度對覆冰厚度起到了重要的作用。

此處僅分析了覆冰過程單次個例，從氣象預(yù)報業(yè)務(wù)出發(fā)，著眼點集中在覆冰期間常規(guī)氣象要素變化和天氣學(xué)特征分析，對預(yù)報員在高壓輸電線路認(rèn)識和預(yù)報方法建立方面具有一定的指導(dǎo)意義。

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