李春暉 霍治國(guó) 孔 瑞 江夢(mèng)圓 張海燕 毛紅丹 宋艷玲

1 中國(guó)氣象科學(xué)研究院,北京 100081 2 江西省農(nóng)業(yè)氣象中心,南昌 330096 3 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京210044 4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué),武漢 430074 5 氣象出版社,北京 100081

提 要: 基于1961—2019年貴州、湖南、江西191個(gè)氣象站點(diǎn)電線積冰資料,統(tǒng)計(jì)分析了研究區(qū)域內(nèi)電線積冰的日數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值、最大連續(xù)積冰日數(shù)的時(shí)空分布特征以及電線積冰起止日的時(shí)間變化;構(gòu)建電線積冰風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),評(píng)估了出現(xiàn)電線積冰的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明:電線積冰日數(shù)整體呈下降趨勢(shì),在20世紀(jì)80年代達(dá)到最大值,月分布以1月出現(xiàn)最多,電線積冰以雨凇型積冰為主。標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值集中在20～50 mm,極值大部分出現(xiàn)在湖南;大部分站點(diǎn)極值出現(xiàn)在2011—2019年。最大連續(xù)積冰日數(shù)集中在5～15 d,整體上貴州的最大連續(xù)積冰日數(shù)高于湖南和江西。電線積冰的起始日的年際變化整體上呈提前趨勢(shì),而終止日整體上呈推遲趨勢(shì)。電線積冰風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)年變化整體上呈減小的趨勢(shì);電線積冰的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要位于貴州中西部、湖南中部和江西北部,風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大于0.6。

引 言

在全球氣候變化的背景下,全球范圍內(nèi)極端高溫事件的頻次增加,而極端冷事件減少,但其變化更為劇烈(Manton et al,2001;Alexander et al,2006;趙珊珊等,2010;IPCC,2021;吳嘉蕙和任榮彩,2021;馬鋒敏等,2022;周佰銓和翟盤茂,2023),給農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運(yùn)輸、電力輸送以及人民生活的各方面都帶來(lái)了巨大影響。電力是一項(xiàng)關(guān)乎民生的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),近年來(lái)隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大,極端低溫事件形成的災(zāi)害性天氣對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成了很大的影響(霍林等,2017)。電線積冰是一種自然災(zāi)害,是指雨凇、霧凇凝附在導(dǎo)線上或濕雪凍結(jié)在導(dǎo)線上的現(xiàn)象(中國(guó)氣象局,2003),電力、通訊部門稱之為電線覆冰。電線積冰嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)線路過(guò)負(fù)載事故、相鄰不均勻覆冰或不同期脫冰事故、絕緣子串冰閃事故以及覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)事故(蔣興良和易輝,2002;張仕平,2019),對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成極大影響,同時(shí)也給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)一定沖擊。

我國(guó)電線積冰以霧凇型積冰和雨凇型積冰為主,且北方地區(qū)多出現(xiàn)霧凇型積冰,南方地區(qū)多出現(xiàn)雨凇型積冰,其中雨凇型電線積冰對(duì)電網(wǎng)的威脅最大(霍治國(guó)等,2021)。雨凇型積冰由凍雨導(dǎo)致,凍雨在我國(guó)發(fā)生頻率最高的地區(qū)是貴州省,湖南省、江西省和湖北省次之(朱乾根等,2007;李登文等,2009),所以本文選取典型雨凇型區(qū)的貴州、湖南、江西三個(gè)省份作為研究區(qū)域。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電線積冰的研究主要包括積冰特征、成因分析、影響因子、預(yù)報(bào)模型以及對(duì)冰凍雨雪天氣的具體過(guò)程分析等方面。其中針對(duì)電線積冰的特征研究很多,多基于省級(jí)尺度,包括電線積冰日數(shù)的年際變化、年代際變化、月變化、主要類型以及空間分布(顧光芹等,2012;程肖俠和方建剛,2013;周悅等,2013;武輝芹等,2017;覃武等,2019;孫秀博等,2021);電線積冰直徑、重量、厚度以及標(biāo)準(zhǔn)冰厚的特征(李元鵬等,2010;閔詩(shī)淳和王寶書,2010;許艷等,2013;張婷,2015);利用概率分布函數(shù)估算30、50、100年的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)冰厚并進(jìn)行冰區(qū)劃分(龔強(qiáng)等,2010;龐文保等,2012;劉赫男等,2014;唐亞平等,2015;張小軍等,2021;李清華等,2022)。對(duì)于貴州、湖南、江西三個(gè)省份的研究多是對(duì)于冰凍天氣的特征分析(王懷清等,2009;鄭勁光等,2009;陳百煉等,2014;肖平等,2018),而對(duì)于電線積冰的時(shí)空分布特征研究較少,其中肖雯等(2022)統(tǒng)計(jì)了江西省電線積冰出現(xiàn)次數(shù)、類型、總積冰日數(shù)和雨凇型積冰日數(shù)的變化特征;趙文燦等(2018)分區(qū)分析了電線積冰日數(shù)的時(shí)空分布特征及雨凇型電線結(jié)冰的溫度層結(jié)特征;霍林等(2017)分析了湖南冰凍天氣日數(shù)、電線積冰厚度的空間特征及冰凍災(zāi)害對(duì)電力的影響;廖玉芳等(2011)從雨凇天氣日數(shù)、初終日期、最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間和電線積冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚等方面分析了時(shí)空分布特征。上述研究較好地揭示了易發(fā)生電線積冰的時(shí)期以及區(qū)域,對(duì)開展電線積冰的防御工作具有重要意義,但電線積冰的冰區(qū)劃分都只涉及了積冰厚度。本文在電線積冰時(shí)空分布特征分析的基礎(chǔ)上,以電線積冰日數(shù)平均值、持續(xù)日數(shù)和過(guò)程最大標(biāo)準(zhǔn)冰厚三個(gè)要素構(gòu)建電線積冰風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),同時(shí)考慮電線積冰的發(fā)生頻率和強(qiáng)度,評(píng)估了電線積冰出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

1 資料和方法

1.1 資料來(lái)源

電線積冰資料來(lái)源于全國(guó)電線結(jié)冰日值數(shù)據(jù)集,對(duì)所有原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制碼篩選,并剔除在歷史出現(xiàn)積冰時(shí)段(10月至次年4月)出現(xiàn)缺測(cè)年份的數(shù)據(jù),最后得到1961—2019年貴州、湖南和江西三個(gè)省共191個(gè)氣象站點(diǎn)歷史出現(xiàn)積冰時(shí)段具有完整觀測(cè)的電線結(jié)冰逐日觀測(cè)數(shù)據(jù),觀測(cè)項(xiàng)目為:東西向和南北向的電線積冰類型、重量、直徑、厚度,以及積冰發(fā)生時(shí)的氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速,氣象站點(diǎn)的分布如圖1所示;其中,貴州、湖南和江西各有85、88和18個(gè)氣象站點(diǎn)。由于本文使用的是研究時(shí)段內(nèi)具有完整觀測(cè)記錄的數(shù)據(jù),而江西80%的氣象站點(diǎn)存在缺測(cè),所以江西的氣象站點(diǎn)較貴州和湖南稀疏。

圖1 研究區(qū)域內(nèi)氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of weather stations in the study area

本文將東西向和南北向積冰重量、直徑、厚度其中一列出現(xiàn)大于零或出現(xiàn)微冰記為一個(gè)電線積冰日,選取南北向和東西向中的積冰重量最大值作為當(dāng)日電線積冰重量,根據(jù)電線積冰重量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)冰厚。

1.2 方 法

1.2.1 曼-肯德爾(Mann-Kenddall)檢驗(yàn)

曼-肯德爾(Mann-Kenddall,M-K)檢驗(yàn)是一種非參數(shù)方法(魏鳳英,2007),常用于突變檢驗(yàn),其可以明確變化趨勢(shì),確定突變開始的時(shí)間和突變范圍。覃武等(2019)、章開美等(2020)的研究已應(yīng)用M-K檢驗(yàn)方法檢測(cè)積冰日數(shù)年序列的變化趨勢(shì)和突變情況,具有較好的適用性。本文利用M-K檢驗(yàn)方法來(lái)確定電線積冰日數(shù)和電線積冰起止日的變化趨勢(shì)及突變開始時(shí)間。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)冰厚計(jì)算方法

研究區(qū)域內(nèi)電線積冰的類型主要有雨凇型、霧凇型和混合凇型積冰三類,由于三類電線積冰的密度各不相同,需要統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)冰厚后才能計(jì)算和比較。標(biāo)準(zhǔn)冰厚是指均勻裹在導(dǎo)線上密度為0.9 g·cm-3的冰層厚度,本文選取根據(jù)電線積冰重量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)冰厚的換算公式(中國(guó)氣象局,2017):

(1)

式中:B0為標(biāo)準(zhǔn)冰厚(單位:mm);W為積冰質(zhì)量(單位:g);L為導(dǎo)線長(zhǎng)度(單位:m);r為導(dǎo)線半徑(單位:mm),2011年之前為2.0 mm,2011年開始為13.4 mm。

由于2011年之前氣象站用于觀測(cè)電線積冰的導(dǎo)線直徑為4.0 mm,2011年開始改為26.8 mm,為了便于比較,對(duì)2011年之前的標(biāo)準(zhǔn)冰厚進(jìn)行線徑訂正,線徑訂正和線徑訂正系數(shù)的計(jì)算公式分別見式(2)和式(3)(國(guó)家能源局,2012):

B=KφB0

(2)

Kφ=1-0.126ln(φ/φ0)

(3)

式中:B為線徑訂正后的標(biāo)準(zhǔn)冰厚(單位:mm),Kφ為線徑訂正系數(shù),B0為標(biāo)準(zhǔn)冰厚(單位:mm);φ為標(biāo)準(zhǔn)電線直徑(26.8 mm),φ0為2011年之前的電線直徑(4.0 mm)。下文中用到的標(biāo)準(zhǔn)冰厚統(tǒng)一為線徑訂正后的標(biāo)準(zhǔn)冰厚(B)。

1.2.3 歸一化方法

為便于不同單位或量級(jí)的指標(biāo)進(jìn)行比較和加權(quán),對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,去除數(shù)據(jù)的單位限制,將其轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的純數(shù)據(jù),并統(tǒng)一映射到[0,1]區(qū)間上,計(jì)算公式如下:

(4)

式中:x′為經(jīng)過(guò)歸一化后的數(shù)據(jù),x為原始數(shù)據(jù)序列,xmin和xmax分別為原始數(shù)據(jù)序列的最小值和最大值。

1.2.4 電線積冰風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

為綜合評(píng)判研究區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)電線積冰的風(fēng)險(xiǎn),本研究綜合考慮電線積冰的發(fā)生頻率和強(qiáng)度,以電線積冰日數(shù)平均值、電線積冰過(guò)程的持續(xù)日數(shù)和電線積冰過(guò)程的最大標(biāo)準(zhǔn)冰厚三個(gè)要素構(gòu)建電線積冰風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(I):

(5)

I1由計(jì)算該年或該站點(diǎn)的平均積冰日數(shù)得到,I2和I3的計(jì)算公式如下:

(6)

(7)

式中:ti為持續(xù)日數(shù),Pi為持續(xù)日數(shù)ti的電線積冰過(guò)程的發(fā)生頻率;統(tǒng)計(jì)電線積冰過(guò)程的最大標(biāo)準(zhǔn)冰厚,根據(jù)《電線積冰氣象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)》(中國(guó)氣象局,2017)將標(biāo)準(zhǔn)冰厚劃分為0～5、5～10、10～15 mm以及≥15 mm四級(jí),Dj為等級(jí)數(shù),從低到高依次賦值為1、2、3、4,Pj為等級(jí)Dj的電線積冰過(guò)程的發(fā)生頻率。

2 結(jié)果與分析

2.1 電線積冰日數(shù)時(shí)空分布

2.1.1 電線積冰日數(shù)時(shí)間變化特征

基于1961—2019年電線積冰的逐日觀測(cè)數(shù)據(jù),分別統(tǒng)計(jì)逐年所有站點(diǎn)的三種類型(雨凇型、霧凇型、混合凇型)電線積冰總?cè)諗?shù)及完整站點(diǎn)數(shù),計(jì)算得到逐年平均各類型電線積冰日數(shù),平均電線積冰日數(shù)則為三類電線積冰日數(shù)相加之和;進(jìn)一步計(jì)算各年代際的平均電線積冰日數(shù)。計(jì)算平均電線積冰日數(shù)距平值,根據(jù)最小二乘法得到一元線性趨勢(shì);同時(shí)使用M-K檢驗(yàn)對(duì)平均電線積冰日數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn);分別統(tǒng)計(jì)逐月所有站點(diǎn)的各類型電線積冰總?cè)諗?shù)。

如圖2所示,貴州、湖南、江西59年來(lái)各類型電線積冰日數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)性變化,年際間波動(dòng)幅度較大;其中,各類積冰出現(xiàn)日數(shù)為雨凇型積冰遠(yuǎn)大于霧凇型和混合凇型,2004年之前霧凇型積冰略大于混合凇型,2004年之后混合凇型積冰略大于霧凇型。電線積冰日數(shù)的多年平均值約為3.0 d,平均電線積冰日數(shù)最多的年份為1964年,約出現(xiàn)7.5 d;2008年次之,約為7.4 d;最少為2017年,僅出現(xiàn)0.4 d。雨凇型積冰日數(shù)的多年平均值約為2.6 d,平均雨凇型積冰日數(shù)最多的年份為1964年,約出現(xiàn)7.0 d;2008年次之,約為6.7 d;最少為2017年,僅出現(xiàn)0.3 d。霧凇型積冰日數(shù)的多年平均值約為0.3 d,平均霧凇型積冰日數(shù)最多的年份為1984年,約出現(xiàn)1.0 d;最少為1976年和2019年兩年,均沒(méi)有出現(xiàn)?；旌馅⌒头e冰日數(shù)的多年平均值約為0.07 d,平均混合凇型積冰日數(shù)最多的年份為2006年和2008年,均約為0.4 d,最少為沒(méi)有出現(xiàn),59年里有26年混合凇型積冰日數(shù)為0.0 d,占44%。

注:圖c中虛線為α=0.05顯著性水平臨界值。圖2 1961—2019年貴州、湖南、江西積冰日數(shù)的(a)逐年及年代際變化,(b)逐年距平變化,(c)M-K檢驗(yàn)結(jié)果,(d)月變化Fig.2 Change of wire icing days in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019(a) annual and interdecadal change, (b) annual anomaly change, (c) M-K test result, (d) monthly change

從電線積冰日數(shù)的年代際變化來(lái)看(圖2a),年代際間電線積冰日數(shù)變化不大,20世紀(jì)60—80年代日數(shù)有略微的增加,80年代后呈下降趨勢(shì);80年代電線積冰出現(xiàn)日數(shù)最多,年均約為3.4 d,21世紀(jì)10年代出現(xiàn)最少,年均約為2.5 d。

從電線積冰日數(shù)距平結(jié)果看(圖2b),59年中呈現(xiàn)正、負(fù)相間的分布型,正值和負(fù)值出現(xiàn)的年份大約各占一半;趨勢(shì)線表明整體上呈現(xiàn)略微減少的趨勢(shì),與冰凍天氣日數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致(葉茵等,2007;鄭勁光等,2009;王懷清等,2009;肖平等,2018),傾向率約為-0.1 d·(10 a)-1。

M-K檢驗(yàn)結(jié)果和距平變化基本一致(圖2c),1961—1970年電線積冰日數(shù)呈減少趨勢(shì),1980—2002年則呈增加趨勢(shì),而在2013年之后又呈減少趨勢(shì);根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置,確定電線積冰日數(shù)在2014年發(fā)生突變。

從電線積冰日數(shù)月變化來(lái)看(圖2d),電線積冰現(xiàn)象在10月至次年4月均有發(fā)生,主要出現(xiàn)在冬季(12月、1月和2月),其中1月最多,占全年的47%,4月和10月出現(xiàn)的很少;雨凇型積冰占比最大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于霧凇型和混合凇型;11月至次年2月霧凇型略大于混合凇型,而3月和4月混合凇型占比略大于霧凇型。

2.1.2 電線積冰日數(shù)空間分布特征

分別統(tǒng)計(jì)所有站點(diǎn)電線積冰總?cè)諗?shù)及出現(xiàn)年數(shù),計(jì)算其平均值,使用ArcGIS中的IDW方法進(jìn)行插值,得到各站點(diǎn)平均電線積冰日數(shù)的空間分布;并進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)各年代際具有整5年及以上電線積冰數(shù)據(jù)的氣象站點(diǎn),計(jì)算各年代際各站點(diǎn)的平均電線積冰日數(shù),得到各年代際平均電線積冰日數(shù)的空間分布。在氣象站點(diǎn)分布較稀疏的地區(qū),使用IDW方法可以補(bǔ)充某些缺測(cè)的站點(diǎn)數(shù)據(jù);在氣象站點(diǎn)分布較密的地區(qū),IDW插值也能反映出高值和低值的區(qū)別,得到的空間分布也更接近于真實(shí)情況,所以IDW插值方法具有較好的適用性。

圖3結(jié)果表明,研究區(qū)域內(nèi)約45%的地區(qū)年平均電線積冰日數(shù)較小,為0～1 d,主要分布在貴州東北部、湖南北部和西南部以及江西中部和南部,最小年平均電線積冰日數(shù)僅約為0.09 d,出現(xiàn)在湖南龍山。只有約4%的地區(qū)年平均電線積冰日數(shù)大于10 d,所出現(xiàn)范圍很小,主要分布在貴州西部、湖南中部南岳以及江西北部廬山附近地區(qū)。電線積冰日數(shù)高值區(qū)主要分布在貴州西部的威寧、大方,貴州中部的開陽(yáng),湖南中部的南岳以及江西北部的廬山,這些地區(qū)的年平均電線積冰日數(shù)在17～34 d,其中威寧日數(shù)最多(約為34 d),南岳和廬山次之,分別約為30 d和25 d。貴州電線積冰日數(shù)的分布規(guī)律與貴州凍雨中心(杜小玲等,2010)及凍雨的分布規(guī)律(嚴(yán)小冬等,2009)基本一致;湖南與雨凇天氣日數(shù)的分布基本一致(廖玉芳等,2011);江西與雨凇天氣日數(shù)的分布略有不同,雨凇天氣在江西中北部區(qū)域出現(xiàn)較多(王懷清等,2009)。

圖3 1961—2019年貴州、湖南、江西平均電線積冰日數(shù)空間分布Fig.3 Spatial distribution of average wire icing days in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019

造成積冰形成的最重要的兩個(gè)條件分別是冷空氣和充足的水汽條件,電線積冰的出現(xiàn)與地形地貌有一定的關(guān)系,地形地貌主要影響的是冷空氣的水平分布(霍治國(guó)等,2021)。滿足這兩個(gè)條件時(shí),形成霧凇或者是雨凇(即凍雨)則與大氣的垂直結(jié)構(gòu)(如逆溫層、三層結(jié)構(gòu)等)和氣象要素場(chǎng)的分布有關(guān)。貴州位于云貴高原東部,海拔較高,平均為1100 m左右,積冰日數(shù)也比湖南和江西多;貴州地勢(shì)西高東低,中部還有多處盆地,電線積冰日數(shù)呈中西部多、東北部少的特點(diǎn)。湖南整體地形是由東南西三個(gè)方向向北部?jī)A斜開口的馬蹄形,南岳因海拔較高,電線積冰日數(shù)多,其他地區(qū)日數(shù)均較小。江西省東西南三面有多座山嶺環(huán)繞,呈向北開口的地形,由于高海拔山區(qū)對(duì)冷空氣的阻擋作用,冷空氣在北部聚集,同時(shí)由于江西北部的廬山海拔高,也更容易形成電線積冰,而江西中部和南部除了受海拔影響以外,還受緯度影響(趙文燦等,2018),因此積冰較少,所以形成了北部積冰日數(shù)多而其余地區(qū)均較少的特點(diǎn)。

從圖4中可以看出,三個(gè)省的年代際平均電線積冰日數(shù)表現(xiàn)出不同的變化特征。貴州的平均電線積冰日數(shù)隨年代際變化而增加,但貴州東北部積冰日數(shù)則減少;電線積冰日數(shù)為3～10 d的范圍向貴州的中部、西部和南部縮小;大于10 d和大于20 d的范圍從西向東擴(kuò)大。湖南的平均電線積冰日數(shù)隨年代際變化而減少,其中湖南北部的電線積冰日數(shù)從20世紀(jì)90年代前后開始減少;湖南西南部的電線積冰日數(shù)隨年代際從3～10 d減少到1～3 d,再減少到0～1 d;湖南中部的大于10 d和大于20 d的范圍和日數(shù)都在減小。江西的平均電線積冰日數(shù)隨年代際變化也在減少,江西的中部和南部的電線積冰日數(shù)從20世紀(jì)80年代開始減小,日數(shù)0～1 d的區(qū)域范圍向北擴(kuò)展;江西北部的大于10 d和大于20 d的范圍和日數(shù)都在減小。在全球氣候變暖背景下,電線積冰日數(shù)的年代際變化與相應(yīng)的氣溫變化大致呈負(fù)相關(guān)。中國(guó)氣候變暖趨勢(shì)遠(yuǎn)高于全球平均水平(嚴(yán)中偉等,2020;吳蓓蕾等,2021),1950—2015年中國(guó)氣溫升高,增幅超過(guò)0.25 ℃·(10 a)-1(Ren et al,2017),其中1987年以前為冷期,之后為暖期,1990—2009年氣溫增幅更大,為0.45 ℃·(10 a)-1(虞海燕等,2011)。研究區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)平均電線積冰日數(shù)隨年代際氣溫的增加而減少,且在20世紀(jì)80年代和90年代前后減少得較為明顯。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值時(shí)空分布

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值時(shí)間變化特征

根據(jù)1961—2019年的電線積冰資料,選取南北向和東西向中的最大值作為當(dāng)日電線積冰重量,再根據(jù)式(1)～式(3)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)冰厚值,統(tǒng)計(jì)逐年標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值及其出現(xiàn)站點(diǎn)信息,結(jié)果如圖5所示。

圖5 1961—2019年貴州、湖南、江西標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值逐年變化Fig.5 Annual change in the extreme values of standard ice thickness in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019

電線積冰的標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值年際差別較大,大部分年份的標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值在20～50 mm,占所有年份的76.3%。電線積冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值的最大值出現(xiàn)在2008年2月2日的湖南南岳站(117 mm),積冰類型為混合凇型;1988年3月5日湖南雪峰山站次之(100 mm),類型為雨凇型;電線積冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值的最小值出現(xiàn)在2016年11月24日湖南南岳站(17 mm),類型為混合凇型。從極值的積冰類型來(lái)看,標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值的類型主要為雨凇型,占66.1%,混合凇型次之,占30.5%。從極值出現(xiàn)的月份來(lái)看,11—4月都有出現(xiàn),在1月和2月出現(xiàn)最多,占所有年份的59.3%;在4月出現(xiàn)最少,僅有1年。從極值出現(xiàn)的地點(diǎn)來(lái)看,極值大部分出現(xiàn)在湖南,包括南岳站、雪峰山站和雙峰站,占96.6%,除此之外,1984年出現(xiàn)在貴州三穗站,2019年出現(xiàn)在貴州萬(wàn)山站。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值空間分布特征

分別統(tǒng)計(jì)1961—2019年各個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)的電線積冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值,統(tǒng)計(jì)得到標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值的空間分布及各年代際出現(xiàn)極值站點(diǎn)數(shù),結(jié)果如圖6所示。

圖6 1961—2019年貴州、湖南、江西(a)電線積冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值空間分布及(b)各年代際出現(xiàn)極值站點(diǎn)數(shù)Fig.6 (a) Spatial distribution of the extreme values of standard ice thickness and (b) the number of stations with extreme values in each decadal period in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019

各地電線積冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值為0～117 mm,且98%的站點(diǎn)極值類型為雨凇型。從圖6中可以看出,研究區(qū)域內(nèi)約69%的地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值較小,為0～5 mm,主要分布在貴州中偏西部、湖南北部以及江西東北部和南部,最小標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值(0.1 mm)出現(xiàn)在湖南衡陽(yáng)縣。約8%的地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值大于20 mm,所出現(xiàn)范圍很小,主要分布在貴州西部威寧、湖南中部南岳和雪峰山、江西北部廬山附近地區(qū)。標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值高值區(qū)主要分布在貴州西部的威寧、貴州中部的遵義和都勻、貴州東部的萬(wàn)山和三穗、湖南西部的雪峰山、湖南中部的雙峰和南岳、江西北部的廬山,這些地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值在24～118 mm,其中,湖南南岳標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值最大(約為117 mm),湖南雪峰山次之(約為100 mm)。

電線積冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值的年代際分布極其不均勻,大部分站點(diǎn)極值都出現(xiàn)在2011—2019年,占區(qū)域內(nèi)所有站點(diǎn)的49%;2001—2010年次之,占20%;1991—2000年出現(xiàn)極值的站點(diǎn)數(shù)是最少的,僅占1.8%。年代際分布結(jié)果也表明,近20年來(lái),研究區(qū)域內(nèi)最大電線積冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚呈現(xiàn)增大趨勢(shì),電線積冰強(qiáng)度增強(qiáng)。

2.3 最大連續(xù)積冰日數(shù)時(shí)空分布

計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)每年的最大連續(xù)積冰日數(shù),進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)出逐年最大連續(xù)積冰日數(shù)和各站點(diǎn)最大連續(xù)積冰日數(shù)。

由圖7可見,電線積冰的最大連續(xù)積冰日數(shù)年際差別較大,大部分年份的最大連續(xù)積冰日數(shù)在5～15 d,占所有年份的72.9%。有5年的最大連續(xù)積冰日數(shù)在20 d以上,其中最大連續(xù)電線積冰日數(shù)最多的為1977年1月1—23日(湖南南岳,23 d);次之為1962年1月14日至2月4日(貴州威寧)和1968年1月19日至2月9日(湖南南岳),連續(xù)積冰日數(shù)均為22 d;而最大連續(xù)積冰日數(shù)最少年份僅有4 d,分別出現(xiàn)在2001年、2006年和2017年。

圖7 1961—2019年貴州、湖南、江西最大連續(xù)積冰日數(shù)年變化Fig.7 Annual change in the maximum consecutive icing days in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019

各地最大連續(xù)積冰日數(shù)為1～23 d。由圖8可見,研究區(qū)域內(nèi)約53%的地區(qū)最大連續(xù)積冰日數(shù)較小,為1～3 d,主要分布在貴州東北部、湖南北部及南部、江西南部的小部分區(qū)域,17%的站點(diǎn)最大連續(xù)積冰日數(shù)僅出現(xiàn)1 d。約11%的最大連續(xù)積冰日數(shù)大于10 d,主要位于貴州西部、湖南中部南岳,以及江西北部廬山附近地區(qū)。最大連續(xù)積冰日數(shù)大于15 d的區(qū)域主要分布在貴州西部的威寧、盤縣、畢節(jié)、黔西、織金和安順,湖南中部的南岳及江西北部的廬山,這些地區(qū)的最大連續(xù)積冰日數(shù)在17～23 d,其中,湖南南岳最大連續(xù)積冰日數(shù)最大(23 d),貴州威寧次之(22 d)。

圖8 1961—2019年貴州、湖南、江西最大連續(xù)積冰日數(shù)空間分布Fig.8 Spatial distribution of the maximum consecutive icing days in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019

分省來(lái)看,貴州的最大連續(xù)積冰日數(shù)高于湖南和江西;湖南72.4%的地區(qū)最大連續(xù)積冰日數(shù)為1～3 d,江西為38.1%,而貴州只有35.4%;對(duì)于最大連續(xù)積冰日數(shù)大于15 d的站點(diǎn),有6個(gè)站點(diǎn)位于貴州,湖南和江西分別只有1個(gè)站點(diǎn)大于15 d。

2.4 電線積冰出現(xiàn)日期時(shí)間變化特征

統(tǒng)計(jì)逐年出現(xiàn)電線積冰站點(diǎn)的起始日和終止日,將站點(diǎn)當(dāng)年10月至次年4月最早出現(xiàn)電線積冰的日期作為該站點(diǎn)的起始日,將站點(diǎn)最晚出現(xiàn)電線積冰的日期作為該站點(diǎn)的終止日,并計(jì)算每一年所有站點(diǎn)起始日和終止日的平均值作為該年的起始日和終止日;分別對(duì)電線積冰的起始日和終止日進(jìn)行M-K檢驗(yàn)。

從電線積冰的起始日的年際變化趨勢(shì)來(lái)看(圖9a),1961—2018年起始日在波動(dòng)中呈提前趨勢(shì),其傾向率為-2.023 d·(10 a)-1,58年共計(jì)提前了約11.7 d,平均年電線積冰起始日為1月10日,最早為1985年(12月12日),最晚為1967年(2月11日),兩者相差61 d。由UF曲線可知(圖9b),20世紀(jì)60年代電線積冰的起始日有推遲的趨勢(shì),而70年代之后起始日有提前趨勢(shì),且在2000—2014年提前趨勢(shì)超過(guò)0.05顯著性水平臨界線,表明這段時(shí)間內(nèi)起始日的提前趨勢(shì)是十分顯著的。根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置,確定起始日在1980年發(fā)生突變。

圖9 1961—2018年貴州、湖南、江西電線積冰(a,b)起始日,(c,d)終止日的(a,c)逐年變化和(b,d)M-K檢驗(yàn)Fig.9 Annual change in (a, b) the beginning and (c, d) ending dates of wire icing in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2018 (a, c) annual change, (b, d) M-K test

從電線積冰的終止日的年際變化趨勢(shì)來(lái)看(圖9c),58年來(lái)終止日在波動(dòng)中呈推遲趨勢(shì),其傾向率為1.85 d·(10 a)-1,共計(jì)推后了約10.7 d,平均年電線積冰終止日為1月30日。最早為1985年(12月24日),最晚為1968年(2月26日),兩者相差64 d。由UF曲線可知(圖9d),1980年之后電線積冰的終止日呈推遲趨勢(shì),且在2002年之后推遲趨勢(shì)超過(guò)0.05顯著性水平臨界線,表明在2002年之后終止日的推遲趨勢(shì)十分顯著。UF和UB曲線在1980年之前有多個(gè)交點(diǎn),說(shuō)明終止日沒(méi)有發(fā)生突變。

2.5 電線積冰風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)時(shí)空分布

圖10 1961—2019年貴州、湖南、江西電線積冰風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)年變化Fig.10 Annual change of wire icing risk indicator in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019

圖11 1961—2019年貴州、湖南、江西電線積冰風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)空間分布Fig.11 Spatial distribution of wire icing risk indicator in Guizhou, Hunan and Jiangxi from 1961 to 2019

從圖10中可以看出,貴州、湖南、江西59年來(lái)電線積冰風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)性變化,大部分年份的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在0.5～1.5,占所有年份的79.7%。整體變化呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),傾向率約為每10年-0.18。一共有10年的電線積冰風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在1.5以上,其中電線積冰風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大值出現(xiàn)在1964年(2.12),最小值出現(xiàn)在2017年(0.29)。

由圖11可以看出,研究區(qū)域內(nèi)31%的地區(qū)電線積冰的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在0.2以下,主要在湖南西部和江西南部;風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最小僅為0.003,出現(xiàn)在貴州北部的德江。43%的地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.2～0.6,主要分布在貴州東北部、東部及南部,湖南南部、中北部,江西中部和北部。風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.6以上的地區(qū)占26%,主要集中在貴州中西部、湖南中部和江西北部;風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為1.2及以上的地區(qū)很少,只有個(gè)別幾個(gè)站點(diǎn),其中貴州西部的威寧、普安,貴州中部的開陽(yáng)和湖南中部的南岳風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值均大于1.5,南岳的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值高達(dá)2.3。

3 結(jié)論和討論

本文以貴州、湖南、江西三個(gè)省為研究區(qū)域,利用研究區(qū)域內(nèi)電線積冰資料,結(jié)合M-K檢驗(yàn)、反距離權(quán)重法等方法,統(tǒng)計(jì)分析了研究區(qū)域內(nèi)電線積冰的日數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值和最大連續(xù)積冰日數(shù)的時(shí)空分布特征以及電線積冰出現(xiàn)起止日的時(shí)間變化特征;基于電線積冰日數(shù)年平均值、過(guò)程持續(xù)日數(shù)和過(guò)程最大標(biāo)準(zhǔn)冰厚三個(gè)要素構(gòu)建電線積冰風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),明確了研究區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)電線積冰的風(fēng)險(xiǎn)大小,主要結(jié)論如下。

(1)貴州、湖南、江西近59年的年平均電線積冰日數(shù)整體呈下降趨勢(shì),在20世紀(jì)80年代電線積冰日數(shù)達(dá)到最大值,之后減少。電線積冰主要出現(xiàn)在冬季3個(gè)月,其中1月出現(xiàn)的最多。電線積冰類型以雨凇型積冰為主。研究區(qū)域內(nèi)平均電線積冰日數(shù)呈現(xiàn)高值區(qū)集中在貴州中西部、湖南中部和江西北部,其余地區(qū)積冰日數(shù)較少的分布特征。整體上,貴州的平均電線積冰日數(shù)隨年代際變化增加,貴州東北部積冰日數(shù)減少;湖南和江西的平均電線積冰日數(shù)隨年代際變化減少。

(2)標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值集中在20～50 mm,高值區(qū)集中在27°N附近的貴州、湖南的部分地區(qū),以及江西北部;大部分站點(diǎn)極值都出現(xiàn)在2011—2019年,1991—2000年出現(xiàn)的站點(diǎn)數(shù)是最少的。最大連續(xù)積冰日數(shù)集中在5～15 d,貴州的最大連續(xù)積冰日數(shù)整體高于湖南和江西;高值區(qū)集中在貴州西部、湖南中部、江西北部和中東部。電線積冰的起始日的年際變化整體上呈提前趨勢(shì),終止日的年際變化整體上呈推遲趨勢(shì)。

(3)電線積冰風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)年變化整體上呈減小的趨勢(shì);電線積冰的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要位于貴州中西部、湖南中部和江西北部,風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大于0.6,其中貴州威寧、普安和開陽(yáng)以及湖南南岳是電線積冰最為嚴(yán)重的地區(qū);湖南西部和江西南部為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

本文得出的電線積冰時(shí)空分布特征對(duì)明確電線積冰易發(fā)時(shí)間及地區(qū)有一定的意義。以2008年為例,年初中國(guó)出現(xiàn)了大范圍持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣,其電線積冰日數(shù)、雨凇型積冰日數(shù)均為59年來(lái)的次大值,混合凇型積冰日數(shù)為最大值,標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值在2008年出現(xiàn)最大值,最大連續(xù)積冰日數(shù)在2008年的值也相對(duì)較大。已有的《電線積冰氣象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)》(中國(guó)氣象局,2017)將電線積冰風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為四級(jí),是根據(jù)前一天日平均氣溫、日平均相對(duì)濕度和日平均風(fēng)速滿足氣象條件的持續(xù)時(shí)間和電線積冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚進(jìn)行劃分,而本文的電線積冰風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)考慮了電線積冰日數(shù)年平均值,表示的是多年平均狀態(tài)下出現(xiàn)電線積冰的情況,持續(xù)日數(shù)和過(guò)程最大標(biāo)準(zhǔn)冰厚則能表示出現(xiàn)電線積冰時(shí)的強(qiáng)度大小,該指數(shù)可以同時(shí)表示不同地區(qū)電線積冰的發(fā)生頻率和強(qiáng)度,有助于明確出現(xiàn)電線積冰的重點(diǎn)區(qū)域。

由于電線積冰觀測(cè)資料在20世紀(jì)60—70年代缺測(cè)較多,利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)冰厚極值、最大連續(xù)積冰日數(shù)以及電線積冰起止日時(shí),可能存在與實(shí)際情況不完全相符的情況。由于氣象站點(diǎn)的環(huán)境與實(shí)際輸電線路在地理上和高度上存在空間差異,目前所用的電線積冰資料的代表性有限,建議增加電線積冰觀測(cè)站點(diǎn)的建立,或建立適用于輸電線路自動(dòng)觀測(cè)的系統(tǒng),特別是在電線積冰災(zāi)害頻繁發(fā)生或是歷史曾出現(xiàn)過(guò)嚴(yán)重積冰的地區(qū)。在今后研究中,需對(duì)電線積冰數(shù)據(jù)進(jìn)行完善,結(jié)合氣象災(zāi)害大典、氣象災(zāi)害年鑒以及報(bào)紙和媒體報(bào)道所記錄的不同地區(qū)實(shí)際輸電線路的積冰情況,對(duì)部分電線積冰頻發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行深入研究,使研究結(jié)論更有實(shí)用性和代表性,從而提出更有針對(duì)性的防冰除冰措施。