康麗莉 鄧芳萍 姜文東 王燦燦

(1. 浙江省氣象科學(xué)研究所，浙江 杭州 310000；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 310027；3. 國(guó)網(wǎng)麗水供電公司，浙江 麗水 323000)

寧波北侖地區(qū)的一次凍雨過程分析*

康麗莉1鄧芳萍1姜文東2王燦燦3

(1. 浙江省氣象科學(xué)研究所，浙江 杭州 310000；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 310027；3. 國(guó)網(wǎng)麗水供電公司，浙江 麗水 323000)

2013年1月初，寧波北侖地區(qū)附近山區(qū)輸電線路上出現(xiàn)厚度20～30 mm的嚴(yán)重凍雨覆冰。本文利用電力部門收集的詳細(xì)災(zāi)情信息和歐洲中心高分辨率(0.75°×0.75°)的全球再分析資料，對(duì)此次凍雨過程進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，凍雨覆冰期間的暖濕氣流主要來自西太平洋，從海南島以東區(qū)域北上輸送到浙江省，不僅在北侖地區(qū)上空帶來大的水汽通量，還形成典型的冷暖冷的逆溫層結(jié)，具備產(chǎn)生凍雨的空中層結(jié)條件；雖然北侖城區(qū)地面氣溫一直在0 ℃以上，觀測(cè)不到雨凇現(xiàn)象，但附近海拔300～400 m以上的山區(qū)地面氣溫維持在0 ℃以下，且山區(qū)風(fēng)速較大，非常有利于凍雨在地物上凍結(jié)形成凍雨覆冰；經(jīng)過40 h左右的持續(xù)凍雨，北侖山區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的覆冰災(zāi)情。

凍雨；水汽通量；逆溫層結(jié)；覆冰

0 引 言

2013年1月上旬，浙江東部沿海的寧波北侖地區(qū)出現(xiàn)罕見的凍雨天氣，造成輸電線路上覆裹的冰厚超過20 mm，導(dǎo)致多條輸電線路出現(xiàn)斷線和跳閘的事故。分析這些事故發(fā)生的地點(diǎn)，大多集中在海拔300～400 m以上的山區(qū)。浙江省是一個(gè)“七山一水二分田”的省份，浙東沿海地區(qū)也以丘陵山地為主，海拔300～400 m以上的山區(qū)分布較廣，因此，山區(qū)凍雨的影響，尤其是對(duì)電網(wǎng)的影響不容忽視[1,2]。

歐建軍[3]等的研究表明我國(guó)凍雨出現(xiàn)最頻繁的省份為貴州，其次是湖南、江西等地[4,5]。浙江省的凍雨，由于氣象站觀測(cè)的雨凇日數(shù)偏少而很少受到關(guān)注，尤其是浙江東部沿海地區(qū)，受海洋影響冬季氣溫比內(nèi)陸地區(qū)略高，一般認(rèn)為極少會(huì)出現(xiàn)凍雨現(xiàn)象。然而，在2008年1月初南方地區(qū)發(fā)生的嚴(yán)重雨雪冰凍期間，浙江省包括東部沿海的寧波、臺(tái)州和溫州在內(nèi)的大部分地市都出現(xiàn)了不同程度的凍雨天氣，并最終導(dǎo)致發(fā)生多起輸電線路倒塔斷線的嚴(yán)重事故[6]。位于浙江東部沿海的玉環(huán)氣象站，在1971—2013年間的雨凇累積日數(shù)為28 d，是浙江省雨凇累積日數(shù)第二多的測(cè)站，也說明浙東沿海地區(qū)的凍雨并不罕見。浙東沿海地區(qū)的城鎮(zhèn)區(qū)域海拔基本在200 m以內(nèi)，轄區(qū)內(nèi)氣象站海拔也均小于200 m，因此，居住在城鎮(zhèn)的居民很少見到發(fā)生在山區(qū)的凍雨，氣象站也很難觀測(cè)到凍雨[7]。2013年1月出現(xiàn)凍雨天氣后，浙江省電力部門多次派人到覆冰現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察，收集了可靠的第一手資料。因此，本文將對(duì)電力部門收集的災(zāi)情資料進(jìn)行詳細(xì)的分析，并利用地面氣象資料和再分析資料探討這次凍雨過程的天氣成因。

1 資料概況

ERA-Interim再分析資料是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心發(fā)布的一套分辨率較高(0.75°×0.75°)的全球再分析數(shù)據(jù)集，時(shí)間分辨率為6 h，每天輸出4次(00、06、12、18UTC)，垂直方向37層(從地面至對(duì)流層高層)。本研究就利用這套再分析資料，結(jié)合探空氣象站、浙江省地面觀測(cè)數(shù)據(jù)(包括天氣現(xiàn)象)，以及電力部門災(zāi)情資料，對(duì)2013年1月寧波北侖的這次雨雪冰凍過程，從冷空氣影響，暖濕氣流輸送，層結(jié)的垂直分布等方面進(jìn)行分析。

2 凍雨過程分析

2.1 浙江電網(wǎng)受災(zāi)情況

2013年1月3—8日，浙江省出現(xiàn)全省性的雨雪冰凍天氣，導(dǎo)致浙江電網(wǎng)發(fā)生較大范圍輸電線路冰凍災(zāi)害，涉及寧波、臺(tái)州、麗水、金華四個(gè)地區(qū)，共造成24條110 kV及以上線路發(fā)生故障跳閘。從地域分布看，寧波地區(qū)電網(wǎng)受災(zāi)最嚴(yán)重，共計(jì)18條線路發(fā)生故障跳閘，其中500 kV線路2條，220 kV線路15條，110 kV線路1條，占故障線路總條數(shù)的75%。

2.2 線路覆冰過程分析

寧波北侖地區(qū)在1月3日和4日出現(xiàn)明顯降雪，到1月5日和6日轉(zhuǎn)為雨和雨加雪天氣。1月5日中午開始，北侖地區(qū)的部分線路先后出現(xiàn)跳閘斷線的事故。1月6日15點(diǎn)左右電力部門巡線人員到達(dá)海拔400 m左右的事故區(qū)域。發(fā)現(xiàn)山區(qū)地面主要還是以積雪為主，樹木和草叢未見明顯的覆冰現(xiàn)象。由于架空輸電線路較高，當(dāng)時(shí)事故區(qū)域細(xì)雨蒙蒙，能見度低，無法看清上面是否有覆冰。1月7日10點(diǎn)第二次巡線，山區(qū)依舊雨霧彌漫，樹木和草叢上已生長(zhǎng)出較厚的透明狀的雨凇覆冰，有些樹枝上的覆冰有明顯的鋸齒狀(圖1)。由于能見度仍然很低，線路上的覆冰依舊無法看清。1月8日上午11點(diǎn)再次巡線，氣溫已有所上升，霧氣也有所消散，山區(qū)地物上的覆冰程度卻明顯加重，樹枝上鋸齒狀的覆冰已如展開的鳥翼，輸電導(dǎo)線上覆裹著20～30 mm以上的雨凇覆冰，也有明顯的鋸齒狀尾翼，說明凍雨期間伴隨著較大的風(fēng)速。隨著天氣回暖，輸電線路上的覆冰也開始脫落，出現(xiàn)多起脫冰跳躍引發(fā)的電網(wǎng)事故。1月8日后，氣溫繼續(xù)回暖，覆冰過程結(jié)束。

圖1 寧波北侖山區(qū)冰災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片(1月6—8日)

2.3 凍雨天氣過程分析

2013年1月3—8日，浙江省所有氣象站的天氣現(xiàn)象記錄中均未出現(xiàn)雨凇，只能對(duì)此期間北侖氣象站的氣溫和降水進(jìn)行分析(圖2)。北侖氣象站從1月4日02時(shí)開始到1月8日，氣溫一直在0 ℃以上，所以在氣象站內(nèi)是觀測(cè)不到雨凇現(xiàn)象的。1月6日下午至8日凌晨，北侖氣象站氣溫在1 ℃到2 ℃之間徘徊，恰好是山區(qū)覆冰最明顯的時(shí)段。按照氣溫隨海拔的遞減規(guī)律(氣溫每升高100 m降低0.6 ℃左右)計(jì)算，在海拔300～400 m以上的山區(qū)，氣溫正好處在0 ℃以下，符合雨凇生長(zhǎng)的氣溫條件。同時(shí)，1月6日0時(shí)左右開始，出現(xiàn)持續(xù)性的降雨，逐小時(shí)降水量基本在1mm以內(nèi)，一直持續(xù)到1月8日0時(shí)。由此可見，1月6日下午到1月8日凌晨，北侖山區(qū)的氣溫和降水都符合凍雨出現(xiàn)的條件，與覆冰過程時(shí)間段一致，說明北侖附近的山區(qū)確實(shí)有出現(xiàn)凍雨的氣象條件。

圖2 北侖氣象站1月3—8日的氣溫和降雨的逐小時(shí)變化曲線

進(jìn)一步分析浙江省和周邊省份探空氣象數(shù)據(jù)(圖略)，從1月3日至8日，只有衢州、南昌和長(zhǎng)沙探空站出現(xiàn)冷暖冷的探空層結(jié)，南昌和長(zhǎng)沙的暖層中心出現(xiàn)高度在700 hPa左右，衢州出現(xiàn)在850 hPa左右，而且暖層都比較淺薄，持續(xù)時(shí)間也不長(zhǎng)，不能解釋出現(xiàn)在北侖附近山區(qū)的凍雨。

3 再分析資料分析結(jié)果

2013年1月3日和4日寧波北侖地區(qū)的天氣現(xiàn)象主要為降雪，記為降雪期間；1月6日和7日北侖地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性凍雨，記為凍雨期間。李登文[8]和黎惠金[9]的研究表明，凍雨期間存在典型的逆溫層結(jié)構(gòu)，下面利用歐洲中心ERA-Interim再分析資料對(duì)降雪期間和凍雨期間的逆溫層情況，水汽輸送等物理量進(jìn)行對(duì)比分析，分析這次強(qiáng)凍雨成因和分布特點(diǎn)。

3.1 雨雪冰凍過程的垂直結(jié)構(gòu)分布

圖3為沿北侖氣象站緯度(29.8 °N)繪制的水汽通量和氣溫的剖面圖。北侖氣象站經(jīng)度為121.82 °E，在圖中紅色橢圓形區(qū)域內(nèi)。由圖可知，1月3日20時(shí)(圖3a)，北侖地區(qū)上空800 hPa以上是西南偏西的暖濕氣流，800 hPa以下則被偏東北的冷空氣大風(fēng)占據(jù)，冷空氣勢(shì)力強(qiáng)，整層氣溫均在0 ℃以下，水汽通量大值區(qū)高度較高，中心在650 hPa左右，此時(shí)對(duì)應(yīng)的北侖地區(qū)是降雪天氣。1月4日20時(shí)(圖3b)，底層冷空氣仍然很強(qiáng)，但有一小股偏南的暖濕氣流北上，冷空氣范圍縮小至875 hPa以下，整個(gè)水汽通量范圍有向下發(fā)展的趨勢(shì)，但大值中心還處在650 hPa高度，整層氣溫有所升高，也仍在0 ℃以下，因此，北侖地區(qū)還為降雪天氣。到1月5日20時(shí)(圖3c)，西南暖濕氣流明顯減弱，冷空氣也略有減弱，水汽通量明顯減小，北侖地區(qū)地面氣溫升高到0 ℃以上，此時(shí)北侖以小雨或陰天為主。

(a：3日，b：4日，c：5日，d：6日，e：7日，f：8日，時(shí)間均為北京時(shí)，下同。圖中灰度填色圖和矢量箭頭均為 水汽通量(g·cm-1· hPa-1·s-1)，等值線為氣溫(℃))圖3 沿北侖氣象站所在緯度29.8 °N繪制的1月3日至8日每日20時(shí)的水汽通量和氣溫的垂直剖面圖

1月6日20時(shí)(圖3d)，西南暖濕氣流再次加強(qiáng)，但這次暖濕氣流輸送高度降低，水汽通量大值區(qū)高度也相應(yīng)下降到750 hPa左右，下層冷空氣雖有減弱，但900 hPa以下依然受偏東北的冷空氣控制。此時(shí)在北侖上空出現(xiàn)冷暖冷的逆溫層結(jié)特征，符合凍雨發(fā)生的層結(jié)結(jié)構(gòu)，與曾明劍[10]等的研究結(jié)果是一致的，由于北侖地面層氣溫在0 ℃以上，所以北侖氣象站觀測(cè)到小雨，而北侖附近氣溫低于0 ℃的山區(qū)則出現(xiàn)凍雨。1月7日20時(shí)(圖3e)，底層有弱冷空氣補(bǔ)充南下，900 hPa以下受冷空氣控制，上層為偏西的暖濕氣流，維持凍雨層結(jié)結(jié)構(gòu)。從1月6日北侖上空開始出現(xiàn)冷暖冷的凍雨層結(jié)后，北侖上空始終對(duì)應(yīng)著水汽通量的高值區(qū)，符合典型的凍雨出現(xiàn)的天氣背景。北侖附近山區(qū)風(fēng)速較大，對(duì)凍雨覆冰也有明顯的促進(jìn)作用，在劉丹[11]的研究結(jié)論里也有類似的結(jié)果。到1月8日20時(shí)(圖3f)，冷暖冷的凍雨層結(jié)消失，底層氣溫升高，凍雨結(jié)束。通過分析發(fā)現(xiàn)，北侖地區(qū)是從1月6日14時(shí)左右出現(xiàn)冷暖冷的凍雨層結(jié)結(jié)構(gòu)，到8日上午結(jié)束，與電力部門實(shí)地觀測(cè)的覆冰過程非常吻合。說明寧波北侖地區(qū)的凍雨出現(xiàn)時(shí)，具備典型的冷暖冷的逆溫層特征，而且對(duì)應(yīng)的高空有大的水汽通量。

3.2 水汽輸送特征分析

從3.1的分析也發(fā)現(xiàn)，盡管降雪期間的水汽通量大于凍雨期間的水汽通量，但凍雨期間輸送的暖濕氣流顯然比降雪期間輸送的暖，在空中出現(xiàn)了大于0 ℃的暖層，而且降雪期間的水汽輸送高度較高，而凍雨期間的暖濕氣流輸送高度略低，由此分析，這次過程中降雪期間的水汽和凍雨期間的水汽可能來自不同的區(qū)域，或經(jīng)過不同的輸送途徑。因此這里分別對(duì)降雪期間和凍雨期間的整層水汽通量進(jìn)行累積，分析這次過程的水汽輸送特征。由于900 hPa以下一直為冷空氣控制，300 hPa以上水汽通量可以忽略不計(jì)，因此，累積的水汽通量層包括850，800，750，700，650，600，550，500，450，400，350，300 hPa，共12層。

陳穎曼等[12]的研究指出，影響中國(guó)東南部冬季降水的水汽輸送主要有兩支，來自西風(fēng)帶繞高原的南支氣流，經(jīng)過阿拉伯海和孟加拉灣向華南的輸送水汽；來自低緯西太平洋，經(jīng)南海向中國(guó)西南的水汽輸送。從圖4整層水汽通量累積的分布圖可以看出，降雪期間水汽通量主要源自孟加拉灣和阿拉伯半島，經(jīng)過云貴高原遠(yuǎn)距離輸送到浙江省，所以高度較高，溫度也低。凍雨期間來自孟加拉灣和阿拉伯半島的水汽通量明顯減弱，源自西太平洋的暖濕氣流從海南島以東區(qū)域向北輸送到浙江省的水汽通量顯著加強(qiáng)，由于輸送距離短，所經(jīng)地區(qū)海拔較低，因此凍雨期間的水汽通量大值區(qū)高度明顯下降，溫度較高，在北侖上空形成冷暖冷的逆溫層結(jié)結(jié)構(gòu)。這次降雪和凍雨期間，浙江省都是中國(guó)大陸水汽通量值最高的省份，其中北侖地區(qū)所在的浙東沿海又是浙江省水汽通量的高值區(qū)。地面觀測(cè)也顯示，這次過程中北侖地區(qū)降雪量和凍雨量均比較大。

圖4 降雪期間(a)和凍雨期間(b)的整層累積水汽通量分布(單位：g·cm-1·hPa-1·s-1；橢圓形內(nèi)為浙江省)

3.3 500 hPa形勢(shì)場(chǎng)分析

前期降雪期間(圖5a)，500 hPa高空在西伯利亞西南部有閉合的低壓中心與-40 ℃低溫中心重合，有利于冷空氣南下，冷空氣比較強(qiáng)，浙江主要受偏東路徑的冷空氣影響，底層受東北風(fēng)控制；凍雨期間(圖5b)，500 hPa高空的低壓中心移至東西伯利亞，-40 ℃范圍也有所北縮，冷空氣勢(shì)力減弱，但停留在西西伯利亞的弱冷中心，形成蒙古橫槽，引導(dǎo)弱冷空氣南下，繼續(xù)影響中國(guó)東部地區(qū)，浙江省中北部底層仍然受冷空氣控制。這次雨雪冰凍過程中副高偏西偏北，有利于西南暖濕氣流向中東部地區(qū)輸送，尤其在凍雨期間，副高在中南半島東部斷裂成兩部分，使得南海地區(qū)徑向水汽輸送加強(qiáng)，將西太平洋暖濕水汽經(jīng)由南海，經(jīng)過廣東、福建等省輸送到浙江省。

(實(shí)線為高度場(chǎng)(gpm)，虛線為溫度(℃))圖5 降雪期間(1月3日和4日)和凍雨期間 (1月6日和7日)500 hPa平均高度場(chǎng)分布

4 結(jié) 語

本文利用電力部門的詳細(xì)災(zāi)情資料，結(jié)合歐洲中心高分辨率(0.75°×0.75°)的全球再分析資料，對(duì)此次凍雨覆冰過程進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下。

1)1月3—4日降雪期間水汽通量主要源自孟加拉灣和阿拉伯半島，經(jīng)過云貴高原遠(yuǎn)距離輸送到浙江省，所以高度較高，溫度也低。1月6—7日凍雨期間來自孟加拉灣和阿拉伯半島的水汽通量明顯減弱，源自西太平洋的暖濕氣流，從海南島以東區(qū)域向北輸送到浙江省的水汽通量顯著加強(qiáng)，由于輸送距離短，所經(jīng)地區(qū)海拔較低，因此凍雨期間的水汽通量大值區(qū)高度明顯下降，溫度較高，在北侖上空形成冷暖冷的逆溫層結(jié)結(jié)構(gòu)，符合產(chǎn)生凍雨的空中層結(jié)特征。

2)北侖地區(qū)出現(xiàn)凍雨主要是具備了以下3個(gè)條件：1)北侖上空出現(xiàn)明顯的冷暖冷的逆溫層結(jié)，使得降水在暖層中保持為液態(tài)，下落到厚度適中的底層冷層后成過冷卻狀態(tài)，而又不至于凍結(jié)。2)北侖地區(qū)底層受偏東路徑的冷空氣使北侖附近山區(qū)氣溫一直在0 ℃以下，保證過冷卻狀態(tài)的凍雨落到地物上凍結(jié)為雨凇覆冰。3)凍雨期間，北侖地區(qū)上空的逆溫層結(jié)穩(wěn)定維持，山區(qū)風(fēng)速較大，降水持續(xù)不斷，經(jīng)過40 h左右的持續(xù)凍雨，在山區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的覆冰災(zāi)害。

浙江省位于東海之濱，北面是長(zhǎng)江中下游平原，東面是廣闊的東海，冬季易受北方冷空氣(尤其是偏東路徑的冷空氣)侵襲，浙中北地區(qū)氣溫通常會(huì)跌至0 ℃以下。由于浙江省地勢(shì)東北部低，西南部高，自西南向東北傾斜。冷空氣從北面進(jìn)入浙江省后，受到浙南和福建高山的阻擋，在省內(nèi)有一定的停滯，如果此時(shí)暖濕氣流旺盛，越過南嶺山脈北上影響到浙江地區(qū)，就會(huì)在浙江上空的900～700 hPa之間形成暖平流，而900 hPa以下的底層受冷平流控制，在這種冷暖冷的逆溫層結(jié)下，出現(xiàn)凍雨的概率就比較大。另外，浙江省山地丘陵面積占到70%，在出現(xiàn)凍雨的時(shí)候，氣溫0 ℃線多位于海拔300～400 m以上的山區(qū)。但縣級(jí)以上行政區(qū)域多在海拔較低的平原和谷地，96%的氣象站就在海拔200 m以內(nèi)，因此，位于低海拔的氣象站是很難觀測(cè)到凍雨形成的雨凇現(xiàn)象。這種情況在浙江省尤為突出，在今后的凍雨研究中須引起注意。

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2016-05-13

*資助項(xiàng)目：浙江省氣象局科技項(xiàng)目(2013ZD09)：輸電線路覆冰災(zāi)害閾值指標(biāo)研究；浙江省電力公司科技項(xiàng)目：微氣象數(shù)據(jù)的架空線路單點(diǎn)覆冰模型研究及分析。