宁波北仑地区的一次冻雨过程分析*

2017-01-16康丽莉邓芳萍姜文东王灿灿

浙江气象 2016年4期

关键词：北仑气象站冷空气

康丽莉邓芳萍姜文东王灿灿

(1. 浙江省气象科学研究所，浙江杭州 310000；2. 国网浙江省电力公司，浙江杭州 310027；3. 国网丽水供电公司，浙江丽水 323000)

宁波北仑地区的一次冻雨过程分析*

康丽莉1邓芳萍1姜文东2王灿灿3

(1. 浙江省气象科学研究所，浙江杭州 310000；2. 国网浙江省电力公司，浙江杭州 310027；3. 国网丽水供电公司，浙江丽水 323000)

2013年1月初，宁波北仑地区附近山区输电线路上出现厚度20～30 mm的严重冻雨覆冰。本文利用电力部门收集的详细灾情信息和欧洲中心高分辨率(0.75°×0.75°)的全球再分析资料，对此次冻雨过程进行了分析。结果表明，冻雨覆冰期间的暖湿气流主要来自西太平洋，从海南岛以东区域北上输送到浙江省，不仅在北仑地区上空带来大的水汽通量，还形成典型的冷暖冷的逆温层结，具备产生冻雨的空中层结条件；虽然北仑城区地面气温一直在0 ℃以上，观测不到雨凇现象，但附近海拔300～400 m以上的山区地面气温维持在0 ℃以下，且山区风速较大，非常有利于冻雨在地物上冻结形成冻雨覆冰；经过40 h左右的持续冻雨，北仑山区出现严重的覆冰灾情。

冻雨；水汽通量；逆温层结；覆冰

0 引言

2013年1月上旬，浙江东部沿海的宁波北仑地区出现罕见的冻雨天气，造成输电线路上覆裹的冰厚超过20 mm，导致多条输电线路出现断线和跳闸的事故。分析这些事故发生的地点，大多集中在海拔300～400 m以上的山区。浙江省是一个“七山一水二分田”的省份，浙东沿海地区也以丘陵山地为主，海拔300～400 m以上的山区分布较广，因此，山区冻雨的影响，尤其是对电网的影响不容忽视[1,2]。

欧建军[3]等的研究表明我国冻雨出现最频繁的省份为贵州，其次是湖南、江西等地[4,5]。浙江省的冻雨，由于气象站观测的雨凇日数偏少而很少受到关注，尤其是浙江东部沿海地区，受海洋影响冬季气温比内陆地区略高，一般认为极少会出现冻雨现象。然而，在2008年1月初南方地区发生的严重雨雪冰冻期间，浙江省包括东部沿海的宁波、台州和温州在内的大部分地市都出现了不同程度的冻雨天气，并最终导致发生多起输电线路倒塔断线的严重事故[6]。位于浙江东部沿海的玉环气象站，在1971—2013年间的雨凇累积日数为28 d，是浙江省雨凇累积日数第二多的测站，也说明浙东沿海地区的冻雨并不罕见。浙东沿海地区的城镇区域海拔基本在200 m以内，辖区内气象站海拔也均小于200 m，因此，居住在城镇的居民很少见到发生在山区的冻雨，气象站也很难观测到冻雨[7]。2013年1月出现冻雨天气后，浙江省电力部门多次派人到覆冰现场实地勘察，收集了可靠的第一手资料。因此，本文将对电力部门收集的灾情资料进行详细的分析，并利用地面气象资料和再分析资料探讨这次冻雨过程的天气成因。

1 资料概况

ERA-Interim再分析资料是欧洲中期天气预报中心发布的一套分辨率较高(0.75°×0.75°)的全球再分析数据集，时间分辨率为6 h，每天输出4次(00、06、12、18UTC)，垂直方向37层(从地面至对流层高层)。本研究就利用这套再分析资料，结合探空气象站、浙江省地面观测数据(包括天气现象)，以及电力部门灾情资料，对2013年1月宁波北仑的这次雨雪冰冻过程，从冷空气影响，暖湿气流输送，层结的垂直分布等方面进行分析。

2 冻雨过程分析

2.1 浙江电网受灾情况

2013年1月3—8日，浙江省出现全省性的雨雪冰冻天气，导致浙江电网发生较大范围输电线路冰冻灾害，涉及宁波、台州、丽水、金华四个地区，共造成24条110 kV及以上线路发生故障跳闸。从地域分布看，宁波地区电网受灾最严重，共计18条线路发生故障跳闸，其中500 kV线路2条，220 kV线路15条，110 kV线路1条，占故障线路总条数的75%。

2.2 线路覆冰过程分析

宁波北仑地区在1月3日和4日出现明显降雪，到1月5日和6日转为雨和雨加雪天气。1月5日中午开始，北仑地区的部分线路先后出现跳闸断线的事故。1月6日15点左右电力部门巡线人员到达海拔400 m左右的事故区域。发现山区地面主要还是以积雪为主，树木和草丛未见明显的覆冰现象。由于架空输电线路较高，当时事故区域细雨蒙蒙，能见度低，无法看清上面是否有覆冰。1月7日10点第二次巡线，山区依旧雨雾弥漫，树木和草丛上已生长出较厚的透明状的雨凇覆冰，有些树枝上的覆冰有明显的锯齿状(图1)。由于能见度仍然很低，线路上的覆冰依旧无法看清。1月8日上午11点再次巡线，气温已有所上升，雾气也有所消散，山区地物上的覆冰程度却明显加重，树枝上锯齿状的覆冰已如展开的鸟翼，输电导线上覆裹着20～30 mm以上的雨凇覆冰，也有明显的锯齿状尾翼，说明冻雨期间伴随着较大的风速。随着天气回暖，输电线路上的覆冰也开始脱落，出现多起脱冰跳跃引发的电网事故。1月8日后，气温继续回暖，覆冰过程结束。

图1 宁波北仑山区冰灾现场拍摄的照片(1月6—8日)

2.3 冻雨天气过程分析

2013年1月3—8日，浙江省所有气象站的天气现象记录中均未出现雨凇，只能对此期间北仑气象站的气温和降水进行分析(图2)。北仑气象站从1月4日02时开始到1月8日，气温一直在0 ℃以上，所以在气象站内是观测不到雨凇现象的。1月6日下午至8日凌晨，北仑气象站气温在1 ℃到2 ℃之间徘徊，恰好是山区覆冰最明显的时段。按照气温随海拔的递减规律(气温每升高100 m降低0.6 ℃左右)计算，在海拔300～400 m以上的山区，气温正好处在0 ℃以下，符合雨凇生长的气温条件。同时，1月6日0时左右开始，出现持续性的降雨，逐小时降水量基本在1mm以内，一直持续到1月8日0时。由此可见，1月6日下午到1月8日凌晨，北仑山区的气温和降水都符合冻雨出现的条件，与覆冰过程时间段一致，说明北仑附近的山区确实有出现冻雨的气象条件。

图2 北仑气象站1月3—8日的气温和降雨的逐小时变化曲线

进一步分析浙江省和周边省份探空气象数据(图略)，从1月3日至8日，只有衢州、南昌和长沙探空站出现冷暖冷的探空层结，南昌和长沙的暖层中心出现高度在700 hPa左右，衢州出现在850 hPa左右，而且暖层都比较浅薄，持续时间也不长，不能解释出现在北仑附近山区的冻雨。

3 再分析资料分析结果

2013年1月3日和4日宁波北仑地区的天气现象主要为降雪，记为降雪期间；1月6日和7日北仑地区出现持续性冻雨，记为冻雨期间。李登文[8]和黎惠金[9]的研究表明，冻雨期间存在典型的逆温层结构，下面利用欧洲中心ERA-Interim再分析资料对降雪期间和冻雨期间的逆温层情况，水汽输送等物理量进行对比分析，分析这次强冻雨成因和分布特点。

3.1 雨雪冰冻过程的垂直结构分布

图3为沿北仑气象站纬度(29.8 °N)绘制的水汽通量和气温的剖面图。北仑气象站经度为121.82 °E，在图中红色椭圆形区域内。由图可知，1月3日20时(图3a)，北仑地区上空800 hPa以上是西南偏西的暖湿气流，800 hPa以下则被偏东北的冷空气大风占据，冷空气势力强，整层气温均在0 ℃以下，水汽通量大值区高度较高，中心在650 hPa左右，此时对应的北仑地区是降雪天气。1月4日20时(图3b)，底层冷空气仍然很强，但有一小股偏南的暖湿气流北上，冷空气范围缩小至875 hPa以下，整个水汽通量范围有向下发展的趋势，但大值中心还处在650 hPa高度，整层气温有所升高，也仍在0 ℃以下，因此，北仑地区还为降雪天气。到1月5日20时(图3c)，西南暖湿气流明显减弱，冷空气也略有减弱，水汽通量明显减小，北仑地区地面气温升高到0 ℃以上，此时北仑以小雨或阴天为主。

(a：3日，b：4日，c：5日，d：6日，e：7日，f：8日，时间均为北京时，下同。图中灰度填色图和矢量箭头均为水汽通量(g·cm-1· hPa-1·s-1)，等值线为气温(℃))图3 沿北仑气象站所在纬度29.8 °N绘制的1月3日至8日每日20时的水汽通量和气温的垂直剖面图

1月6日20时(图3d)，西南暖湿气流再次加强，但这次暖湿气流输送高度降低，水汽通量大值区高度也相应下降到750 hPa左右，下层冷空气虽有减弱，但900 hPa以下依然受偏东北的冷空气控制。此时在北仑上空出现冷暖冷的逆温层结特征，符合冻雨发生的层结结构，与曾明剑[10]等的研究结果是一致的，由于北仑地面层气温在0 ℃以上，所以北仑气象站观测到小雨，而北仑附近气温低于0 ℃的山区则出现冻雨。1月7日20时(图3e)，底层有弱冷空气补充南下，900 hPa以下受冷空气控制，上层为偏西的暖湿气流，维持冻雨层结结构。从1月6日北仑上空开始出现冷暖冷的冻雨层结后，北仑上空始终对应着水汽通量的高值区，符合典型的冻雨出现的天气背景。北仑附近山区风速较大，对冻雨覆冰也有明显的促进作用，在刘丹[11]的研究结论里也有类似的结果。到1月8日20时(图3f)，冷暖冷的冻雨层结消失，底层气温升高，冻雨结束。通过分析发现，北仑地区是从1月6日14时左右出现冷暖冷的冻雨层结结构，到8日上午结束，与电力部门实地观测的覆冰过程非常吻合。说明宁波北仑地区的冻雨出现时，具备典型的冷暖冷的逆温层特征，而且对应的高空有大的水汽通量。

3.2 水汽输送特征分析

从3.1的分析也发现，尽管降雪期间的水汽通量大于冻雨期间的水汽通量，但冻雨期间输送的暖湿气流显然比降雪期间输送的暖，在空中出现了大于0 ℃的暖层，而且降雪期间的水汽输送高度较高，而冻雨期间的暖湿气流输送高度略低，由此分析，这次过程中降雪期间的水汽和冻雨期间的水汽可能来自不同的区域，或经过不同的输送途径。因此这里分别对降雪期间和冻雨期间的整层水汽通量进行累积，分析这次过程的水汽输送特征。由于900 hPa以下一直为冷空气控制，300 hPa以上水汽通量可以忽略不计，因此，累积的水汽通量层包括850，800，750，700，650，600，550，500，450，400，350，300 hPa，共12层。

陈颖曼等[12]的研究指出，影响中国东南部冬季降水的水汽输送主要有两支，来自西风带绕高原的南支气流，经过阿拉伯海和孟加拉湾向华南的输送水汽；来自低纬西太平洋，经南海向中国西南的水汽输送。从图4整层水汽通量累积的分布图可以看出，降雪期间水汽通量主要源自孟加拉湾和阿拉伯半岛，经过云贵高原远距离输送到浙江省，所以高度较高，温度也低。冻雨期间来自孟加拉湾和阿拉伯半岛的水汽通量明显减弱，源自西太平洋的暖湿气流从海南岛以东区域向北输送到浙江省的水汽通量显著加强，由于输送距离短，所经地区海拔较低，因此冻雨期间的水汽通量大值区高度明显下降，温度较高，在北仑上空形成冷暖冷的逆温层结结构。这次降雪和冻雨期间，浙江省都是中国大陆水汽通量值最高的省份，其中北仑地区所在的浙东沿海又是浙江省水汽通量的高值区。地面观测也显示，这次过程中北仑地区降雪量和冻雨量均比较大。

图4 降雪期间(a)和冻雨期间(b)的整层累积水汽通量分布(单位：g·cm-1·hPa-1·s-1；椭圆形内为浙江省)

3.3 500 hPa形势场分析

前期降雪期间(图5a)，500 hPa高空在西伯利亚西南部有闭合的低压中心与-40 ℃低温中心重合，有利于冷空气南下，冷空气比较强，浙江主要受偏东路径的冷空气影响，底层受东北风控制；冻雨期间(图5b)，500 hPa高空的低压中心移至东西伯利亚，-40 ℃范围也有所北缩，冷空气势力减弱，但停留在西西伯利亚的弱冷中心，形成蒙古横槽，引导弱冷空气南下，继续影响中国东部地区，浙江省中北部底层仍然受冷空气控制。这次雨雪冰冻过程中副高偏西偏北，有利于西南暖湿气流向中东部地区输送，尤其在冻雨期间，副高在中南半岛东部断裂成两部分，使得南海地区径向水汽输送加强，将西太平洋暖湿水汽经由南海，经过广东、福建等省输送到浙江省。

(实线为高度场(gpm)，虚线为温度(℃))图5 降雪期间(1月3日和4日)和冻雨期间 (1月6日和7日)500 hPa平均高度场分布

4 结语

本文利用电力部门的详细灾情资料，结合欧洲中心高分辨率(0.75°×0.75°)的全球再分析资料，对此次冻雨覆冰过程进行了分析，主要结论如下。

1)1月3—4日降雪期间水汽通量主要源自孟加拉湾和阿拉伯半岛，经过云贵高原远距离输送到浙江省，所以高度较高，温度也低。1月6—7日冻雨期间来自孟加拉湾和阿拉伯半岛的水汽通量明显减弱，源自西太平洋的暖湿气流，从海南岛以东区域向北输送到浙江省的水汽通量显著加强，由于输送距离短，所经地区海拔较低，因此冻雨期间的水汽通量大值区高度明显下降，温度较高，在北仑上空形成冷暖冷的逆温层结结构，符合产生冻雨的空中层结特征。

2)北仑地区出现冻雨主要是具备了以下3个条件：1)北仑上空出现明显的冷暖冷的逆温层结，使得降水在暖层中保持为液态，下落到厚度适中的底层冷层后成过冷却状态，而又不至于冻结。2)北仑地区底层受偏东路径的冷空气使北仑附近山区气温一直在0 ℃以下，保证过冷却状态的冻雨落到地物上冻结为雨凇覆冰。3)冻雨期间，北仑地区上空的逆温层结稳定维持，山区风速较大，降水持续不断，经过40 h左右的持续冻雨，在山区出现严重的覆冰灾害。

浙江省位于东海之滨，北面是长江中下游平原，东面是广阔的东海，冬季易受北方冷空气(尤其是偏东路径的冷空气)侵袭，浙中北地区气温通常会跌至0 ℃以下。由于浙江省地势东北部低，西南部高，自西南向东北倾斜。冷空气从北面进入浙江省后，受到浙南和福建高山的阻挡，在省内有一定的停滞，如果此时暖湿气流旺盛，越过南岭山脉北上影响到浙江地区，就会在浙江上空的900～700 hPa之间形成暖平流，而900 hPa以下的底层受冷平流控制，在这种冷暖冷的逆温层结下，出现冻雨的概率就比较大。另外，浙江省山地丘陵面积占到70%，在出现冻雨的时候，气温0 ℃线多位于海拔300～400 m以上的山区。但县级以上行政区域多在海拔较低的平原和谷地，96%的气象站就在海拔200 m以内，因此，位于低海拔的气象站是很难观测到冻雨形成的雨凇现象。这种情况在浙江省尤为突出，在今后的冻雨研究中须引起注意。

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