覆冰气象指数法在福建山区覆冰重现期确定中的应用

翁子豪，王巍竹，郑 越

(福建永福电力设计股份有限公司，福建 福州 350108)

福建省境内山区地域广阔，海拔高度变化范围大，覆冰严重程度大小不一，但在全省范围内仅有九仙山、寿宁、泰宁和浦城四个电线积冰长期观测气象站。九仙山、寿宁、泰宁和浦城四站海拔高度分别为1653.5 m、815.9 m、342.9 m、276.9 m，最大电线积冰重量分别为4371 g/m、140 g/m、24 g/m、50 g/m，覆冰观测点的海拔高度和覆冰严重程度跨度较大。永安市西部山区在部分年份出现了较严重的覆冰情况，但由于缺乏覆冰实测资料，其重现期难以准确判定。本文以永安市罕见覆冰事件为例，利用相关气象要素来分析个别覆冰事件的重现期，为山区输电线路工程在电线积冰资料匮乏地区调查覆冰重现期的确定提供参考。

1 山区罕见覆冰现象初步调查

福建省永安市地理纬度较低，南方暖湿气流相对活跃，当冷暖气流交汇时常伴有一次降水过程。如果北方冷空气和南方暖湿气流的势力都比较强，那么影响范围内会出现较长时间的低温与降水天气，就有可能出现较严重的低温冰冻灾害。随着低温阴雨天气的持续，覆冰程度越来越重，就会出现罕见的覆冰灾害。因此，罕见的冰冻灾害通常是在持续性低温阴雨的特定天气背景下发生的。

据资料记载，建国以来，永安市西部山区输电线路发生过九次相对较严重的雨凇灾害，分别出现在1955年初、1957年初、1964年初、1966年、1969年初、1975年末、1977年初、1996年初、2008年初。对永安市西部山区附近村庄百姓进行实地调查后，受调查人员普遍认为1996年覆冰灾害最为严重，山上拇指粗树枝结冰后直径都有五六厘米。其中在电力系统中有1996年的覆冰灾害记录，即永安—漳平Ⅰ回220 kV线路永安段发生覆冰倒塔事故，在导线上形成直径达150 mm的圆形结晶体，覆冰密度约0.85 g/cm3，形状系数约0.9。

2 罕见覆冰现象的分析

2.1 覆冰气象要素的选取和构建

导线覆冰与多种气象因素有关，例如温度、湿度、降水、日照、风速等，只有各气象要素都具备形成覆冰的有利条件，电线才可能形成覆冰。本次分析的原始数据为永安气象站及九仙山气象站1956～2016年共60年的逐日平均气温、逐日最高气温、逐日最低气温、逐日降水量、逐日平均相对湿度、逐日最小相对湿度、逐日平均风速、逐日日照时数等气象参数，以及部分自动站的逐日资料。永安气象站数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)，九仙山常规气象数据来源于NOAA气象共享网站(http://www7.ncdc.noaa.gov)，自动站的逐日数据来源于福建水利信息网(http://www.fjwater.gov.cn/)。此外还搜集了九仙山部分实测覆冰观测资料以及分析区域的县志、年鉴等材料。气象数据与材料可靠、准确。

根据部分气象要素间的相关关系，将永安气象站及九仙山气象站原始资料补充完整。再由永安气象站及九仙山气象站的海拔高度，同时参考永安山区严重覆冰灾害发生位置的海拔，由永安气象站与九仙山气象站的气象数据，依据海拔关系，同时参考永安部分自动站的气象观测数据，采用线性内插的方法构建并修正了300 m、600 m、900 m、1200 m、1600 m五个海拔点逐年10月至次年3月间逐日的平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、最小相对湿度、平均风速、降水量等气象资料。同时结合有关材料，对构建的不同海拔气象数据系列进行修正。

2.2 工程区域的选择与气象概况

因永安1996年的严重覆冰发生在海拔800 m以上的位置，同时永安境内海拔近900 m的线路塔位较多，故本文以永安900 m海拔处山区作为分析区域，利用分析区域修正后的气象数据系列对该海拔的覆冰严重程度进行重现期的分析。由于分析区域日平均气温低于0℃的时间段主要集中在冬季，为此选取每年12月初至次年2月底作为分析时段，得到由60个时段的气象数据构成的系列。

根据《架空输电线路覆冰勘测规程》(DL/T 5509－2015)(以下简称“规程”)的说明，易覆冰区域是指最大覆冰厚度大于10 mm且每年均有不同程度覆冰的地区。假设日最低温度低于0℃同时日平均湿度高于80%为一个可能的覆冰日，分析区域在这60年中平均每年有2.6个可能的覆冰日，其中有14年可能的覆冰日数为0，15年可能的覆冰日数为1。结合现场调查的结果可初步得出结论，在900 m海拔处，满足覆冰的气象并不常见，分析区域属于不易覆冰区域。因而对1996年的罕见覆冰灾害进行研究、分析计算其重现期显得尤为重要。

2.3 规程中的覆冰气象指数分析方法简介

根据规程中介绍的覆冰气象指数频率分析方法，由日平均气温、日平均相对湿度、日平均风速的值确定覆冰贡献量，计算出一个时段的覆冰气象指数系列，取其中的最大值作为该时段的年最大覆冰气象指数，再对由60个时段构成的年最大覆冰气象指数进行频率分析推算覆冰重现期。该规程提出的覆冰气象要素对覆冰贡献量标准见表1。

表1 覆冰主要气象要素对覆冰贡献量标准

采用该方法，对气象数据系列进行计算得出历年最大覆冰气象指数系列。系列最大值10出现在1968年，而1996年的最大覆冰气象指数为8.5(2月19日覆冰气象指数7，2月20日覆冰气象指数10，均值为8.5)，在历年最大覆冰气象指数系列中仅排在第6。该系列的60个数据中有26个年份的值为0，采用水文常用的频率曲线(P－Ⅲ型曲线、耿贝尔曲线)适线结果较差(见图1)，无法通过拟合优度检验。

图1 规程中算法的适线结果(左：P－Ⅲ；右：Gumbel)

规程第6.4.5条中规定：“一个覆冰过程的覆冰气象指数等于覆冰过程逐日覆冰气象指数之和除以覆冰过程总日数。在一个冬半年中可以计算出M个覆冰气象指数。从一个冬半年的M个覆冰气象指数中选择最大者为该年最大覆冰过程相应的年最大覆冰气象指数。”考虑到分析区域覆冰发生时的实际情况，对上述方法进行调整，用最大单日覆冰气象指数作为相应的年最大覆冰气象指数。由此得到的历年最大覆冰气象指数系列中出现了12个10和26个0，采用P－Ⅲ型曲线、耿贝尔曲线适线结果同样无法通过拟合优度检验。由以上分析结果可知，规范中的方法不适用于永安山区的罕见覆冰现象重新期的分析，应建立新的方法来进行分析。

2.4 新建覆冰气象指数赋值原则

在规程介绍的方法的基础上，根据分析区域覆冰气象情况，选用日平均气温、日最低气温、日最高气温、日平均相对湿度、日最小相对湿度、日平均风速、日降水量、日照时数这八项参数来建立适用于研究区域的覆冰气象指数赋值原则。

在本次建立的适用于分析区域的覆冰气象指数赋值原则中，除了考虑良好气象条件的正贡献，还引入了日最高气温和日照时数的负贡献，结合九仙山覆冰资料，调整各项气象参数的指数，最后得出较为合适的赋值原则。覆冰气象指数的计算流程见图2。

图2中，先决条件为日平均相对湿度≥80%或有降水的同时日最低气温＜0℃；S(i)为前第i日的覆冰气象指数；T(i)为前第i日的温度项总权重值，Tmax为日最高气温；S为当日总的覆冰气象指数。

如图1中所示，当气象参数满足先决条件后，再根据表2中对应的权重值标准来计算当日的覆冰气象指数。其中，三个温度项的权重值以加法计算，若日最高温度大于等于2℃且小于等于6℃则要将温度项的和乘上相应的核减系数；两个湿度项采用乘法计算；将温度项、湿度项、风速项和降雨量项的权重值相加后，乘以日照时数对应的系数(若日最高温度大于等于6℃还需乘以其对应的系数)即得到当日的初步覆冰气象指数S(0)。

在规程中规定分析资料宜包括覆冰过程及前后三天时段相应的气象数据，因此，在新建的覆冰气象指数赋值原则中，对一日总的覆冰气象指数考虑了前三日的影响(前i日的算法相同，权重值适当减小)，即某一日的总覆冰气象指数为当日与前i日(若满足先决条件)覆冰气象指数的和。

表2为部分气象要素阀值在不同时段对应的权重值标准。

图2 适用于分析区域的覆冰气象指数计算流程

表2 新建的覆冰气象指数权重值标准(部分)

2.5 罕见覆冰现象重现期的分析判定

根据新建的赋值原则，计算得出逐年的逐日覆冰气象指数，取逐年最大值构成覆冰气象指数系列。其中，1996年2月20日的覆冰气象指数134，为系列中的最大值，除去6个0值外，最小值为5。

对完整系列和去除1996年数据的系列采用耿贝尔和P－Ⅲ适线法的适线结果如图3、图4所示，频率计算结果列于表3。拟合曲线均通过了拟合优度检验。

图3 新建覆冰气象指数适线结果(含1996年数据，左：P－Ⅲ；右：Gumbel)

图4 新建覆冰气象指数适线结果(不含1996年数据，左：P－Ⅲ；右：Gumbel)

表3 分析区域覆冰气象指数推算结论

规程中规定30年一遇、50年一遇换算为百年一遇的换算系数分别为1.16、1.10；耿贝尔适线法计算得到的30年一遇和50年一遇的换算系数为1.27、1.14；P－Ⅲ适线法得到的30年一遇和50年一遇的换算系数为1.20、1.11。P－Ⅲ适线法得出的换算系数和规程中的换算系数更为接近。

对于1996年的覆冰情况，运用耿贝尔适线法推算的重现期为48年一遇，运用P－Ⅲ适线法推算的重现期为61年一遇，差异较大。两种推算方法得出的重现期均值为55年一遇。结合现场调查情况，再考虑到P－Ⅲ型曲线拟合较好，可将分析区域1996年罕见覆冰的重现期定为60年一遇。

3 新建覆冰气象指数原则的优劣探讨

3.1 创新点

相比于规程中的覆冰贡献量计算，本文提出的覆冰气象指数有以下创新点：

(1)增加了核减项。例如日最高气温过高或日照时数较长时，其余条件若满足要求也难以形成覆冰或覆冰持续时间及严重程度都会被削弱，增加核减项更符合实际。

(2)针对实际环境、工程现场的条件对各个气象要素的取值进行讨论，赋值原则与研究区域更加匹配。

(3)计算得出的指数梯度合理，得出的年最大值系列适合频率计算。

3.2 不足

由于缺乏充分覆冰资料验证等原因，本次针对分析区域构建的覆冰气象指数的赋值原则难免存在不合理的地方，赋值结果的准确性受到很多因素的影响，主要归结为以下几点。

(1)资料不足。缺乏足够的实测覆冰资料来佐证覆冰气象指数赋值原则的合理性。

(2)覆冰现象产生的复杂性。导线覆冰是和气象学、热力学和流体力学有关的复杂物理过程，而在本次的分析探讨中，仅考虑了部分气象学因素，不够全面。

(3)日均值或极值数据无法完整反映日间气象要素的具体变化过程，采用日值数据进行分析计算可能带来一定的误差。

(4)赋值原则对不同区域、不同海拔的通用性不强。

4 结论

本文以永安山区900 m海拔处作为分析区域，根据其覆冰天气的特点，在规程介绍的覆冰气象指数频率分析方法的基础上，考虑了更多气象要素的影响，引入不利覆冰产生的气象条件的核减项，建立了新的适用于分析区域的覆冰气象指数赋值原则。新建的原则通过了部分覆冰观测资料的验证。采用新建覆冰气象指数赋值原则对分析区域进行计算分析，可认为分析区域1996年严重覆冰现象的重现期为60年。

本文提出的覆冰气象指数赋值原则针对福建山区的覆冰气象特点建立，对输电线路工程在覆冰资料匮乏地区确定调查覆冰的重现期有一定的参考意义。

参考文献:

[1] DL/T 5509—2015，架空输电线路覆冰勘测规程[S]．

[2] 张丽华．影响导线覆冰的自然因素[C]//中国电机工程学会输电专委会运行分专委会年会， 2000．