贵州省近60年气温变化特征分析及对输电线路运维的影响

刘发勇，犹珀玉

(中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

气候变暖是气候变化最显著的特点，气候变化已成为世界上各个国家普遍关注的全球性问题，有关研究表明，从19世纪后期至20世纪末全球表面平均气温上升了0.4～0.8℃[1-2]。

输电线路是重要基础设施，极易受到高温、大风、冰灾等自然灾害影响，其中冰灾已然成为威胁其安全运行的重要自然灾害，线路覆冰时，不仅影响线路的运行维护，还会导致碰线短路、覆冰绝缘子闪络、导线舞动乃至断线、杆塔倒塌等重大事故，这些将迫使供电中断，严重威胁电力系统的安全运行，造成重大经济损失。贵州作为西电东送的主要能源基地，位于中国西南腹地，地处亚热带西部云贵高原的东斜坡上，以山区著称，地形、地貌的差别比较大，东部和西部海拔高度相差达到1500m以上，各地的气候存在着显著差异，气温的变化对输电工程影响较大，环境温度和导线温度是输电线路覆冰的主要影响因素，因此，对线路工程途径地区温度变化趋势分析的研究十分必要。

1 数据与方法

1.1 数据处理

气象站观测的气象要素是进行气象变化研究及预测的基础数据，是研究区域化气象变化特征的前提[3]，研究采用的气象数据来自贵州省气象站的观测数据，数据年限为1951-2010年，四季的划分是春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(12-2月)。

1.2 数据检验

在进行气温数据插值之前，首先要对数据统计的分布特征进行分析，然后选取出最合适的插值方法。通常使用的数据统计特征检验方法有直方图法、正态QQ分布图法和趋势图法等。一般情况下，数据统计分布特征如果出现数据聚集以及离群值等现象，因此通常都需要采取Log(对数)变换和Box-Cox(博克斯—考克斯)变换对数据进行预处理。贵州省总体年均气温为15.5℃，中位数与年气温平均值非常接近，Skewness(偏斜系数)为-0.216 96，呈现负偏；Kurtosis(峰度系数)为2.257 8，从而表明贵州省温度数据的分布比标准正态分布要高耸和狭窄一些，更加集中于平均值的附近(图1a)。图1b正态QQ分布分析表明，数据总体分布倾向于正态分布，所以没有必要进行数据变换。图1c空间趋势分析表明，该区域气温具有较强的空间相关性(X轴正向为东，Y轴正向为北，Z轴为年平均气温)，其基本趋势为东高西低、南高北低，这个趋势刚好符合贵州省气温分布的特点。

表1 贵州省气象站点60年平均气温统计表Tab.1 Statistical table of 60-year average temperature of meteorological stations in Guizhou province

图1数据分布检验图
Fig.1 Check chart of data distribution

1.3 空间插值方法

空间插值就是把空间上离散的采样点数据转换成为连续曲面数据的一种空间数据处理方法。根据上述气温数据的分布检验可知，本次的气温数据倾向于正态分布，因此采用克里格法进行气温的空间插值。

(1)普通克里格法(Ordinary Kriging)通常情况下它是克里格插值法中使用最多的一种插值方法，是区域化变量的线性估计。其插值原理是假设数据变化呈正态分布，认为区域化变量 Z 的期望值不知道。插值的过程类似于加权滑动平均，从空间数据分析中确定出权重值，计算公式如式(1)。

(1)

(2)协同克里格法(Co-Kriging) 协同克里格法是普通克里格的单个区域化变量向多个区域化变量的一种拓展，该方法把区域化变量的最佳估值方法从单一属性发展到两个以上的协同区域化属性，计算过程中一般要用到两个属性各自的半方差函数和交叉半方差函数，和普通克里格比较来说，这个方法显得相对复杂。如果同一个空间位置样点的多个属性之间存在某个属性的空间分布与其它属性密切相关，且某些属性不容易获得，而另外一些属性易于获取，且两种属性在空间上存在相关性，可以考虑选用协同克里格法。本次研究选取与气温关系密切相关的地形高程因素作为协同克里格插值的主要属性，分析地形高程因素和气温的相关性，得出在地形高程的作用下气温强度的空间分布特征。这种方法排除了和未知点距离较远的点的高程值对估计值的影响，因为在利用多重次级信息进行克里格插值时，未知点的气温与相邻点高程间的相关性要比与远距离的气温的相关性大得多。基于高程信息的克里格法可表示如式(2)。

(2)

2 插值结果与分析

本次研究利用普通克里格插值法和引入高程信息的协同克里格插值法两种空间插值方法分别对贵州省年平均温度进行空间插值，从而验证基于地形高程的协同克里格气温空间插值的精度。对于不同的插值预测结果，反应测量值与预测值之间的误差是平均误差，值越小插值结果越准确。均方根误差反应的是模型预测结果与测量值之间的接近程度，如果误差越小，插值精度就会越高。标准均方根值越接近于1，预测的效果就会越接近真实值。

从表2中可以看出，协同克里格插值法的平均误差为0.046 9，普通克里格插值法的平均误差0.052 1，同时，协同克里格插值法的均方根误差以及平均标准误差等其他指标均小于普通克里格插值法，说明采用协同克里格插值法对本次数据进行的插值模拟误差较小，插值效果比普通克里格插值法相对精确。因此本文选用协同克里格插值法作为贵州省近60年平均温度的插值模拟。

表2 平均温度插值结果验证Tab.2 Verification of interpolation results of average temperature

2.1 年平均气温特征分析

贵州省地貌类型呈现三级阶梯分布，西部(威宁、赫章一带)是高原，实际也即是云南高原的东部延伸；中部是山原(黔北和黔南)和丘原(黔中)，是贵州高原真正的主体部分；东部的低山丘陵与湖南低山丘陵连城一片，从空间分布情况来看，气温的分布总体上从西北向东南、南部逐渐增加，即具有西部偏低，南部、东南部偏高的气候特点，这与贵州省的三级阶梯分布一致。贵州省气温分布特征及气温变化也与中国气温变化特征一致程上升趋势，有关研究表明20世纪中国的变暖主要是由太阳活动、火山活动和人类活动等原因引起的[4-6]；根据统计分析得出，近60年贵州省平均温度为15.5℃，平均最高温度为20.2℃，平均最低温度为12.1℃；其中60年平均温度最低的站点为威宁站，其最低平均温度为7.0℃，60年平均最高温度站点为罗甸站，其平均最高温度为25.3℃；全省温差较大的地区主要分布在省的西部与南部，西部温差大主要是由于威宁一带海拔较高，冬季温度低导致，而南部温差大主要是望谟一带纬度低冬季受西北风影响导致，其中，罗甸、威宁等地的平均温差约为10℃，而习水、桐梓一带冬季受西风影响较小，温差最小，约为7℃。

图3平均温度插值结果图
Fig.3 Interpolation result diagram of average temperature

2.2 季平均气温特征分析

春季平均温度与年平均温度存在差异，春季最低平均气温12.2℃，分布在威宁北部，最高温20.9℃，分布在贵州南部极少地区，最低温与最高温相差8.7℃。其中，贵州西部、西北部地区比贵州南部、东南部地区气温低。这也符合西部地区高原的气候特点。

夏季平均气温东西差异较为显著，南北差异则不是太明显。从下面的分布图上可以看出来，夏季平均气温分布较为明显，最低温13.7℃，分布在威宁一带地区，最高温26.7℃，分布在贵州东部至南部罗甸望谟一带地区，最低温与最高温温差13℃，显然，气温整体呈现由西北向东南逐渐增加趋势。

秋季平均气温与春季平均气温分布基本相同，数值也基本相同，但平均温度高的主要集中在铜仁、思南、望谟、罗甸一带。整体同样存在西部、西北部地区比贵州南部、东南部地区气温低。

冬季平均气温南北差异较为显著，其中最低温3.7℃，分布在习水及毕节一带小范围地区，最高温11.4℃，分布在望谟及罗甸以南一带，冬季最低温比夏季最低温低10℃，最高温比夏季最高温低15℃左右，其分布规律与贵州整体地势分布特征一致。

表3 贵州省60年四季平均气温统计表Tab.3 Statistical tables of four seasons average temperature of Guizhou province in the past 60 years

图4贵州省四季平均温度插值结果图

Fig.4 Interpolation results of four seasons mean temperature in Guizhou province

2.3 月平均气温特征分析

贵州省1951年到2010年各月平均气温变化幅度不大，整体呈平缓过渡，各月之间的平均温差在3℃，7月8月温差最小为0.8℃，3月4月温差最大为4.9℃。月平均温度数据整体呈现随着月份增加先上升后下降的趋势，冬冷夏热，是典型的亚热带气候，最冷月为1月份，平均温度为5.5℃，最热月为7月份，平均温度为24.1℃。平均最高温度出现在7月份的29.1℃，而平均最低温度是1月份的2.5℃。

2.4 平均气温变化特征分析

分析图6可知，1951—2010年60年间，全省气温表现为缓慢上升，与全国及全球气温变化特征趋势一致[7-11]，贵州省平均温度从1951年的15.2℃上升到了2010年的15.9℃，上升了0.7℃，平均每10年上升约0.12℃；年平均最高温度从1951年的20.2℃上升到了2010年的20.4℃，增加了0.2℃；年平均最低温度则从1951年的11.9℃上升到了2010年的12.5℃，上升了0.6℃。

贵州省四季平均气温分明，年平均气温以夏季最高，为23.1℃，平均气温最低值以冬季最低，为6.7℃；平均最高气温出现在夏季，最高值达到了28.3℃，平均最低气温出现在冬季，仅为3.6℃；年平均气温夏季与冬季温差达16.4℃，但是平均最高气温在春季时已经高达21.1℃，已经快接近夏季的平均温度，而春季的平均最低温度12.2℃，说明贵州省四季的温度变化具有变动性，春季最高气温回升较快，已达夏季的平均温度，但有时也会出现冷春现象，会持续冬季的低温天气。

3 气温变化对电网线路运维的影响

近60年来，贵州省气温变化主要体现在冬季、春季及秋季的平均温度都有上升，从上世纪50年代至本世纪初，冬季平均气温从6.0℃上升到7.3℃，平均每10年上升0.22℃。夏季，在省的东部接南部外围一片，思南、铜仁、榕江、罗甸、望谟一代温度较高，最高夏季平均温度高达26.7℃，且气温有上升趋势，在高温天气时，输电线路受温度影响软化而形成弧垂，夏季大风时候还会造成输电线路舞动较大，存在重大安全隐患，可能产生放电现象和电击触电事故[12-14]，因此输电线路勘测、设计及施工、运维时应考虑输电导线绝缘材料的耐热性，同时加大线路走廊净空距离、通道树障监测等后期运维管理工作。

在习水、毕节、威宁一代，冬季气温较低，冬季平均最低气温低至3.8℃，年平均气温以威宁最低为7℃，在低温天气下，达到结冰条件时，输电线路易覆冰致使线路损坏和杆塔受力过大而倒塌[15-18]，因此输电线路勘测、设计及施工、运维时应考虑杆塔承受能力和导线的拉伸能力，同时加强该区域的覆冰终端在线监测、预警、融冰等保障措施，确保输电线路的正常运行。

4 结论与讨论

基于高程的协同克里格插值法对温度数据进行空间插值误差比普通克里格插值法小，插值结果与贵州省实际情况符合，能较好的反映出贵州省的气温分布的特征。插值结果显示，贵州省近60年平均温度为逐渐上升，其数值从1951年的15.2℃上升到了2010年的15.9℃，上升了0.7℃，平均每10年上升约0.12℃，符合全球气温逐年上升的特点。

贵州省四季气温变化都有上升，且气温仍有上升趋势，在省的西北部冬季极端低温天气多发，要重点考虑线路覆冰对线路的影响，在东部及南部区域需要提高线路材料耐热性。输电线路覆冰受降雨量、相对湿度等气象要素的综合影影响，以后的研究中可进一步分析综合气象要素的空间分布特征，同时进一步获取更多的站点数据进行研究。