電線積冰及舞動高風險區域的數值模擬

朱 華， 魏 璐， 陸正奇， 韓永翔

(1.河南省電力公司電力科學研究院， 鄭州 450000； 2.河南省氣象服務中心， 鄭州 450003； 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， 中國氣象局氣溶膠-云-降水重點開放實驗室， 南京 210044)

近年來中外學者對導線覆冰舞動的天氣成因進行了大量研究[7-9]，從大氣環流形勢、近地面氣象條件及大氣層結特征等方面分析了覆冰舞動產生的氣象條件。冬季強冷空氣南下與南支槽前的暖濕氣流匯合形成來回擺動的準靜止鋒，是形成凍雨的主要氣象背景[10]；降水云下深厚而穩定的逆溫層和低空冷層的存在，為導線覆冰提供了過冷水[11]；覆冰天氣必須同時滿足逆溫層、空中高液態含水量和地溫低于0 ℃ 這3個氣象條件[12]；近地面伴隨冷空氣南下出現的陣性大風，是引發覆冰導線產生舞動的直接原因[13]。此外，基于大量的積冰觀測實驗，國內外學者發展了一系列模型對導線覆冰厚度進行數值預測，如Makkonen[14]考慮了過冷液滴與導線碰撞的熱平衡過程，建立了一套熱力學電線積冰增長模型，適用于電力系統評估凍雨及霧凇覆冰情況下的電線積冰厚度，被國際電線積冰標準推薦使用[15]；此外，Jones[16]基于覆冰增長期間導線附近的液水來源，提出一種凍雨覆冰增長模型，僅需降水量與風速這兩個氣象參數即可準確地估算導線的等效冰厚，由于其預測準確度與Makkonen模型相差不大，且計算過程簡單，因此該模型也被應用于歐洲的數值天氣模式(numerical weather prediction model, NWP)中，對凍雨天氣下的導線覆冰厚度進行數值預報[17-21]，上述模型為準確預測導線覆冰提供了理論基礎，如劉善峰等[22]利用天氣研究和預報(weather research and forecasting; WRF)模式耦合電線積冰預報系統(ice acceleration forecast system; IFAS) 對2008年貴州地區的電線積冰厚度進行了數值模擬，基本重現2008年1—2月貴州省電線積冰厚度的時空變化特征。

盡管導線覆冰預報已取得了一定的進展，但目前中國對于導線覆冰舞動的數值預報研究仍較為薄弱，大多數研究僅針對導線覆冰厚度的數值模擬[23-25]，忽略了瞬時風速對于導線覆冰舞動的影響。如何將瞬時風速預測模型、電線積冰模型與數值天氣模式相耦合，綜合考慮導線覆冰發生的氣象條件與導線舞動所需的瞬時風速閾值，準確預報導線覆冰厚度和舞動發生區域，以滿足電力部門對導線覆冰舞動的預報預警需求，值得進一步的探索和研究。

2018年1月25—29日，受南下冷空氣與南支槽前暖濕氣流共同影響，中國長江中下游地區出現了大范圍導線覆冰舞動事故。通過分析本次覆冰舞動產生的大氣環流特征、大氣層結特征及云微物理特征，進而利用耦合了IFAS電線積冰系統及美國空軍氣象局(Air Force Weather Agency, AFWA)的極大瞬時風速診斷方案的中尺度WRF模式，對本次覆冰舞動事件發生的氣象條件，覆冰厚度及舞動范圍進行模擬，探討了本次覆冰舞動發生的天氣成因及覆冰舞動高風險區域范圍，以期為電力部門開展輸電線路覆冰舞動預警提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料介紹及試驗設計

地面氣象觀測資料及導線覆冰記錄由河南省氣象局服務中心提供，包括河南、湖北、湖南、安徽、江西省內的國家氣象基準站每日逐小時的觀測結果；探空資料來自中國氣象局國家氣象信息中心，包括2018年1月25—39日武漢及安慶探空站點每日08：00和20：00的探空觀測結果。1°×1° 的再分析資料(final reanalysis data，FNL)來自美國環境預報中心和大氣研究中心。

利用WRFV4.1.3對2018年1月24日 08：00—29日08：00長江中下游地區大范圍的雨雪冰凍天氣進行數值模擬。模擬中心位于武漢市(113°41′ E, 30°N)，模式采用3層嵌套，水平分辨率分別為32.4、10.8、3.6 km，垂直方向分為43層。為保證模式的穩定性，模擬過程分為兩段，每段模擬72 h且均保留12 h的spin-up時間，每小時輸出一次模擬結果。模式的初始及邊界條件采用美國環境預測中心(NCEP)的FNL資料且每隔6 h更新模式的預報場。使用美國地質調查局(United States Geological Survey,USGS)提供的2 min和30 s高分辨率地形高程資料及MODIS衛星30 s分辨率的下墊面類型作為地形數據。模擬過程中微物理方案采用Thompson方案[26]，該方案相比于其他方案增加了對云中水成物混合相態的描述，能有效地預測冬季降水落區及降水量[27];邊界層方案選取YSU(Yonsei University Scheme)[28]，該方案在預測近地面溫度及降水量方面較優[29]。長波輻射選取RRTM(a rapid and accurate radiative transfer model)方案[30],短波輻射方案選取Dudhia方案[31],陸面過程為Noah方案[32]，僅在第一、二層嵌套中使用Kain-Fritsch積云對流方案[33]。

1.2 電線積冰預報系統介紹

電線積冰預報(ice accretion forecasting system,IFAS)是由Musilek等[18]在中尺度數值氣象模式(NWP)基礎上研發的電線積冰預報系統，該系統被廣泛應用于歐洲電力部門的電線積冰風險評估工作中。該系統將NWP模式輸出的氣象要素輸入到Ramer[34]降水類型診斷方法中，對是否發生凍雨進行在線診斷，再通過Jones模型計算凍雨發生時的導線等效冰厚。

1.3 AFWA瞬時極大風速診斷方法

常規WRF模式僅能輸出指定時刻風速的平均值，美國空軍氣象局(AFWA)在WRF模式的基礎上添加了10 m瞬時極大風速診斷模塊[35]，通過對比模擬過程中各積分時間步長上的風速大小，得出指定輸出時間段內的10 m瞬時極大風速值。

2 結果分析

2.1 天氣過程及輸電線路覆冰舞動概況

2018年1月25—28日，受南下冷空氣與南支槽前暖濕氣流共同影響，中國南方出現大范圍的大風降溫及雨雪冰凍天氣。1月24日，700 hPa高空環流中在烏拉爾山南側出現阻塞高壓，并不斷向西西伯利亞地區隆起，形成東北-西南向的高壓脊，極渦中心則位于雅庫茨克到鄂霍茨克海一帶，隨著極渦不斷東移南壓，位于蒙古國東部的橫槽轉豎，引導冷空氣南下。1月25—28日中國長江中下游地區受高壓底部偏北風影響，近地面層溫度降低。同時700 hPa高空有風速達32 m/s的西南氣流向東北方向輸送,為該地區輸送了大量暖濕空氣。隨著冷空氣東移南下，冷高壓底部偏東到東北氣流與西南暖濕氣流在江南地區交匯，在850 hPa形成來回擺動的高空切變線，為該區凍雨形成提供了有利的氣象背景場。本次凍雨天氣過程持續3～4 d(1月25—28日)，凍雨天氣造成長江中下游各省(安徽南部、湖北南部、湖南及江西北部)的輸電線路發生大面積導線覆冰及舞動事故，最大覆冰強度出現在安徽省宿松縣(12 mm)，最長舞動時間達40 h以上，安徽及湖北省共計20多條220 kV 及以上的輸電線路出現不同程度受損。

1.1 資料來源 選取南通市第三人民醫院2013年1月-2014年10月收治并切除的乳腺癌及癌旁非腫瘤組織共100例患者，所有患者均為女性，年齡20～80歲，平均(48±8)歲。其中浸潤性導管癌患者81例，浸潤性小葉癌患者11例，其他病理類型患者8例。根據AJCC分期，Ⅰ期患者23例，Ⅱ期患者52例，Ⅲ期患者15例，Ⅳ期患者10例。所有患者術前均未經放、化療。手術切除后的標本立即置于液氮中，隨后轉入-80℃冰箱中保存。術后隨訪30個月。

2.2 凍雨的形成機制的確定

本次導線覆冰過程是由大范圍凍雨天氣造成的，而凍雨的形成機制有“融化機制”[36]和“過冷暖雨機制”[37]。必須首先確定該次凍雨的形成機制是那種。本次凍雨天氣中，地面、850 hPa及700 hPa的0 ℃ 等溫線全部位于凍雨區以南，凍雨區上空無融化層。另外，位于凍雨區范圍內的武漢及安慶兩站溫度與相對濕度的時間-高度剖面圖(圖1)顯示，1月25—28日，安慶及武漢站上空均不存在溫度大于0 ℃的層結。25日08：00，武漢站[圖1(a)]上空700 hPa處存在一處溫度高于0 ℃的暖層，從上到下為冷-暖-冷的溫度層結特征，但暖層厚度僅為 50 hPa 左右，隨后暖層消失；25日20：00—28日08：00，武漢站上空雖然存在逆溫層，但溫度均低于 -2 ℃,云頂高度均位于600 hPa左右，且云內溫度維持在-10～-2 ℃，云內水成物為過冷液態；與此類似，1月25—28日安慶市[圖1(b)]上空700 hPa處雖然也存在較薄的逆溫層，但最高溫度均未超過0 ℃。由上述分析可見，本次的導線覆冰事故是由“過冷暖雨機制”形成的凍雨造成的，即從地面到高空的溫度均低于0 ℃,高空中的過冷云滴碰并形成過冷雨滴，下落到近地面的輸電線路上形成覆冰。

圖1 2018年1月25—29日溫度及相對濕度時間-高度剖面Fig.1 Time-height cross section of the temperature and relative humidity field from 25th to 29th January 2018

2.3 覆冰期間氣象要素及云微物理量的模擬及驗證

導線覆冰過程與溫度和降水密切相關，因此將WRF模式模擬的日平均溫度、日降水量與觀測資料進行對比，驗證模擬結果的準確性。

本次冰凍天氣過程中，強降水主要集中在1月25日及27日，對比25日及27日模擬與觀測的24小時地面降水量(圖2)可以看出，雖然降水高值區的強度與觀測值略有差異，但模擬的降水帶走向、降水落區及降水量級與觀測結果較為接近。其中1月25日[圖2(a)、圖2(b)]主降水帶位于湖北全省及安徽省南部，最大日降水量達15～20 mm，模擬值較觀測結果略為偏高(25～30 mm)，但10 mm以上的降水落區分布與觀測結果較為一致；1月27日[圖2(c)、圖2(d)]位于湖北省的降水帶逐漸南移，最大日降水量達20～25 mm，與觀測結果較為一致，但落區較觀測結果偏南。此外，WRF模式模擬各時次地面0 ℃ 等溫線的分布也與地面觀測較為一致，湖北及安徽省的凍雨區都處于地面0 ℃ 線以北。總的來說，模擬結果能較好地再現凍雨天氣形成的近地面氣象條件。

圖2 模擬與觀測的日降水量及0 ℃等溫線的空間分布Fig.2 Spatial distribution of daily precipitation and 0 ℃ isotherms observed and simulated by WRF model

除了近地面氣象條件外，垂直方向上大氣溫度及水成物的分布也對導線覆冰的形成有較大的影響。1月25日08:00—29日08:00，WRF模式模擬武漢[圖3(a)]和安慶[圖3(b)]兩站上空水成物和溫度場的演變特征較為一致，25日08：00兩站地面出現降水，兩站上空700 hPa左右存在一個較厚的逆溫層，但逆溫層及逆溫層以下的溫度始終低于0 ℃；云頂高度位于600 hPa左右，云內溫度-10～-5 ℃,云內水成物包含大量的冰晶、雪、霰及過冷水，并從600 hPa延伸到地面，說明此時的該時段內的降水類型以凍雨和雪的混合態降水為主；26日—27日08：00，兩站上空的水成物含量逐漸降為0，凍雨過程暫時結束；27日08：00開始，地面開始出現固態降水，隨著時間的推移，兩站上空液態水成物含量逐漸增大，地面降水類型也逐漸由固態降水轉變為凍雨及雪、霰共存的混合態降水；28日08：00后兩站的降水類型在此轉變固態降水，14：00后本次降水過程結束。

總的來說，凍雨天氣的降水過程主要集中在1月25—26日08：00及27—28日08：00，降水發生時間與“固-液-固”的降水相態變化過程均與氣象站的觀測結果較為吻合，垂直方向的溫度結構特征也與探空站觀測結果(圖1)較為一致。

2.4 導線覆冰厚度時空變化特征

利用耦合了IFAS積冰預報方案的WRF模式，對1月25—28日長江中下游地區電線積冰厚度的分布特征進行了模擬，結果顯示：1月25日08：00，覆冰過程主要出現在安徽南部及湖北西南部，最大覆冰厚度不超過4 mm，湖北與江西交界處的山區也有零星的覆冰出現[圖4(a)]；1月25—26日為覆冰增長期，在此期間覆冰范圍擴展到湖北南部及湖南北部地區28°N～31°N的帶狀區域內，覆冰厚度也持續增長[圖4(b)]；1月26—27日地面降水量較小，但近地面溫度始終維持在0 ℃ 以下，覆冰處于維持階段，覆冰厚度增長量較小[圖4(c)]；1月28日，隨著凍雨過程的加強，安徽及湖北的電線積冰厚度持續增大[圖4(d)]，安徽、湖北及江西三省交界處的積冰厚度超過15 mm，其中宿松縣(116.13°E，30.17°N)的積冰厚度為14 mm，與文獻記載結果一致。

圖4 WRF模式模擬長江中下游地區2018年1月25—28日導線覆冰厚度的空間分布Fig.4 Spatial distribution of wire icing thickness in the middle and lower reaches of the Yangtze River simulated by WRF model from 25th to 28th January 2018

由于缺少高精度的導線覆冰厚度觀測記錄，因此使用地面氣象站觀測到的凍雨發生范圍與模擬結果進行對比，雖然模擬結果漏報了部分氣象站的電線積冰事件，但模擬的各階段積冰厚度的空間分布特征與氣象站點觀測到發生凍雨的分布特征較為一致，模擬的宿松縣覆冰厚度極值(14 mm)也與觀測結果(12.6 mm)極為接近，總的來說，模擬的覆冰厚度能在一定程度上反映本次凍雨過程中電線積冰厚度的變化特征。

2.5 模擬導線覆冰舞動高風險區域分布

研究表明：當輸電線路上存在一定的覆冰厚度(1～10 mm)，且風速在12～18 m/s時，發生導線舞動的概率較高[38]。以上述條件作為導線覆冰舞動的判定依據，根據凍雨的厚度與風速的大小，利用配料法，進而模擬導線覆冰舞動高風險區域分布。

由1°×1° 的FNL再分析資料驅動的WRF模式，模擬出的風場是一個平均值，它小于實際瞬時的最大風速，這將導致模擬出的導線覆冰舞動高風險區域分布偏小，為了彌補這一缺陷，本文利用WRF模式并結合美國空軍氣象局(AFWA)的診斷方法，獲得了覆冰期間(1月25—28日)瞬時極大風速的空間分布(圖5)。從圖5中可以看出，1月25—28日，位于安徽、湖北、江西三省交界處的宿松縣附近瞬時風速極大值始終大于12.5 m/s，風向為東北風；此外，1月25—26日，安徽黃山、湖北荊州及湖南常德地區的瞬時風速均高于12.5 m/s。

圖5 WRF模式模擬瞬時極大風速及風向的空間分布Fig.5 Spatial distribution of the instantaneous maximum wind speed and wind direction simulated by WRF model

根據積冰的厚度與模擬的瞬時極大風速，利用配料法，獲得了導線覆冰舞動高風險區域分布(圖6)，1月25—28日，位于安徽、湖北及江西三省交界處的宿松縣發生導線覆冰舞動的概率較高；此外，1月25—26日，安徽黃山、湖北荊州及湖南常德地區的輸電線路也存在一定的舞動風險。預測的舞動風險區域空間分布特征均與電網的觀測記錄較為吻合。總的來說，該方法能在一定程度上估測易發生覆冰舞動的風險區域。

圖6 WRF模式模擬導線覆冰舞動區域空間分布Fig.6 Spatial distribution of high risk areas of conductor galloping simulated by WRF model

3 結論

通過對2018年1月25—28日長江中下游地區輸電線路覆冰舞動過程中的天氣形勢、大氣層結特征及云微物理參量的變化分析，進而利用耦合了Ramer凍雨預報方案、Jones電線積冰厚度預報方案的WRF模式對電線積冰厚度及覆冰舞動區域進行了模擬，其具體結論如下。

(1)本次導線覆冰過程是由“過冷暖雨”機制形成的凍雨天氣造成的，冷高壓底部偏東到東北氣流與西南暖濕氣流在長江中下游地區交匯，為該地區帶來了充沛的降水；從地面到700 hPa的溫度均低于0 ℃,使得降水在下落過程中維持在過冷液態，為長江中下游地區導線覆冰舞動事故提供了良好的氣象條件。

(2)WRF模式的模擬結果能較好地再現凍雨天氣形成的近地面氣象條件及高空云微物理參量的變化特征。凍雨天氣的降水過程主要集中在1月25—26日08：00及27—28日08：00，在此期間地面降水經歷了“固態-混合態-固態”的相態轉化過程，大部分時間地面降水以凍雨和雪的混合態降水為主，模擬降水發生時間點與地面降水相態變化過程均與氣象站的觀測結果較為吻合。

(3)利用耦合了IFAS電線積冰預報系統的WRF模式，對長江中下游地區1月25—28日電線積冰厚度分布特征進行了模擬，并結合瞬時極大風速模擬結果利用“配料法”對易發生覆冰舞動的區域進行了判斷。模擬的積冰厚度與觀測到積冰的氣象站點較為吻合，最大覆冰厚度為也與觀測值較為接近；安徽宿松、黃山及湖北荊州、湖南常德地區瞬時風速較大且覆冰厚度較高，存在一定的舞動風險，這些均與電網的觀測記錄較為吻合。總的來說，該方法能在一定程度上估測易發生覆冰舞動的風險區域。