福建省沿海典型地形条件下台风大风特性及对输电线路的影响*

林 艳 吴 滨 曾颖婷 游 铮

(1.福建省气象服务中心，福建 福州 350001；2.福建省气候中心，福建 福州 350001)

架空输电线路是电力系统的重要组成部分，但因其自身的结构和运行特点，容易受到气象环境因素的影响而发生故障。根据电力抢修统计情况，台风对发电厂、输变电设备及输电线路均会造成损害，由于电网线路范围广、数量大及距离长的特点，电网线路遭受台风破坏情况最为严重。台风对电力设施造成的破坏主要包括输电线路落地、倒塔、倒杆及杆塔倾斜、断线、导线风偏放电、横担断裂、接地或相间短路等，造成破坏的主要原因是风力强劲，架空线路抗风设计等级较低，无法承受台风造成的风力荷载[1-12]。如果能提高线路的设计标准，即可提高线路的防风水平，但是随着设计标准的提高，塔头尺寸、杆塔及基础等都要加强或加大，这势必增加线路的本体投资，不满足经济原则[13]，还需要与输电线路抗风能力的差异化措施相结合。

台风是福建省沿海的重大气象灾害，台风大风给输电线路所带来的危害极大。但目前有关福建省沿海典型地形条件下台风大风特性及对输电线路的影响研究还是空白。本文旨在为气象部门对输电线路的台风预报服务提供坚实的理论基础，为输电线路防灾减灾提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料

收集整理2010—2019年登陆福建的台风过程，包括台风影响时段、路径、强度、登陆时的强度等。根据福建沿海区域的地形特点，选取4个有代表性的地区，即宁德、福州、泉州、漳州地区为研究区域，以2010—2019年登陆上述4个地区且强度较强的台风过程为研究个例。气象上定义极大风速≥17.2m/s，即风力达到8级以上，称为大风，因此选取台风过程中的极大风速开展研究。根据《110～750 kV 架空输电线路设计规范》(GB 50545—2010)的规定，选取海岛和近海、平原、高海拔山地3种典型地形，并以平原地形下的极大风速为参照，分析福建省沿海不同区域不同地形条件下台风大风特性及对输电线路的影响。

1.2 气象站选取原则

①地形的代表性。由于研究的是地形对风速的影响，因此在选取代表性气象站时，充分考虑地形的代表性，即不同的地形条件下均有代表性气象站。山地地形的气象站高度均在100m以上。

②观测环境良好。选取的区域自动气象站下垫面为草地，周边观测环境良好，无遮挡。

③资料完整。选取的自动气象站观测资料完整性较好，在台风影响期间观测数据完整。

2 福建省沿海不同地形的特征分析

福建省沿海地区地貌格局以多海湾、多半岛的曲折海岸线为主体。根据福建沿海的地形特点以及输电线路分布特点，选取宁德霞浦、福州福清平潭、泉州沿海、漳州东山4个地区为研究范围。4个地区的地形特征概述如下：

宁德霞浦地区地形：山地直接入海，沿海几乎没有平原，地形分别为海岛及近海、平原和高海拔山地。选取北礵、西洋等8个气象站研究台风影响期间风速变化特点(图1)。

图1 宁德地区地形图及气象站位置

福州福清平潭地区地形：闽江口附近由于山地逼近海岸，平原窄小；闽江口以南则有较大面积的沿海平原，例如福州平原、兴化平原，地形分别为海岛及近海、平原和高海拔山地。选取牛山岛、苏澳村等9个气象研究台风影响期间风速变化规律(图2)。

图2 福州地区地形图及气象站位置

泉州沿海地区地形：沿海分布着泉州平原，地形分别为近海、平原和高海拔山地。选取山霞、斗尾等13个气象站研究台风影响期间风速变化规律(图3)。

图3 泉州地区地形图及气象站位置

漳州东山地区地形：分布着漳州平原，地形分别为近海、平原和高海拔山地。选取冬古、西港盐场等11个气象站研究台风影响期间风速变化规律(图4)。

图4 漳州地区地形图及气象站位置

3 登陆福建的台风概况

台风是福建省沿海的主要气象灾害，2010—2019年登陆宁德、福州、泉州、漳州4个地区且影响较大的台风过程一共有16个(见表1)。其中201323“菲特”和201808“玛利亚”的强度最强，登陆时强度均为强台风级，201010“莫兰蒂”、201011“凡亚比”、201013“鲇鱼”、201307“苏力”、201312“潭美”、201617“鲶鱼”、201709“纳沙”这7个台风登陆时强度为台风级。其余台风中有4个登陆时强度为强热带风暴，3个登陆时强度为热带风暴。

表1 登陆福建的台风概况

4 不同地形条件下台风大风的特征分析

有研究发现，随着台风中心位置的移动，最大风速逐渐减小，台风风场强度减弱，使得线路故障率逐渐减小；但由于台风风场的对称性以及线路与风速夹角的改变，使得部分线路故障率并不呈现单调减小。黄勇等[14]研究发现，在珠三角地区，输电线路损毁风险程度与台风风速及台风中心的位置有着密切联系，风速越大、台风中心越接近的线路，受损风险程度越高。距台风中心的距离越远，风速降低，其线路受损风险值越低，但该结论没有考虑地形影响。本研究发现，台风影响福建沿海期间，风速从海岛和近海-平原-高海拔山地不是简单的线性递减。为了方便统计，同种地形下使用气象站极大风速的最大值来计算风速的增幅或降幅。

4.1 风速从平原到海岛的变化规律

由表2～表5可知，台风影响期间，福建省沿海4个地区风速从海岛和近海向平原的变化规律均为：极大风速从海岛和近海-平原地形衰减显著。但四个地区极大风速的降幅各不相同，降幅分别为19%、69%、47%、48%，福州地区风速衰减最为明显(图5)。

由表2～表5还可以发现，在台风影响期间，海岛和近海地形下的极大风速远远超过《110～ 750 kV 架空输电线路设计规范》(GB 50545—2010)提出的设计风速，特别是宁德和福州地区，在“玛利亚”台风和“纳沙”台风影响期间，海岛和近海地形下的极大风速超过设计风速近一倍。

4.2 风速从平原到高海拔山地的变化规律

由表2～表5可知，台风影响期间，宁德、泉州、漳州地区风速从平原到高海拔山地的变化规律均为：极大风速从平原-高海拔山地又有所增大。但三个地区极大风速的增幅各不相同，增幅分别为11%、17%、31%，漳州地区风速增大最为明显。这与高雁等[15-16]的研究结果一致。而福州地区风速从平原-高海拔山地是减小的，降幅为8%。

表2 台风影响期间宁德地区极大风速

表3 台风影响期间福州地区极大风速

表4 台风影响期间泉州地区极大风速

表5 台风影响期间漳州地区极大风速

统计16个台风样本，风速随地形高程的增加而加大的符合率为80%，这与陈启新[17]的研究结果大致相当。

5 输电线路抗台风差异化措施建议

由上述分析可知，宁德和福州地区海岛和近海地形条件下遭遇超出输电线路的风荷标准的大风概率最大，因此福建沿海可以按照表6划分为3 个危险等级，并针对不同危险等级的地形，采取输电线路抗台风差异化的措施。由于台风正面登陆是小概率、高风险事件，因此在输电线路的路径选择时，要尽量避开影响线路安全运行的“高危险”地形条件，以便发生事故时可以控制事故范围，减小抢修作业范围。对于中危险地形条件，可适当提高线路设计风速的标准，提高线路的可靠性。对“低危险”地形采取基本的防御措施和手段。

表6 福建省沿海地区地形危险等级划分

6 结论

本文研究了风速从海岛和近海-平原-高海拔山地的变化规律以及对输电线路的影响，得出以下结论。

①风速从海岛和近海-平原-高海拔山地非线性递减，极大风速从海岛和近海-平原衰减显著。宁德、福州、泉州、漳州四个地区降幅分别为19%、69%、47%、48%，福州地区风速衰减最为明显。

②宁德、泉州、漳州三个地区极大风速从平原-高海拔山地又有所增大，增幅分别为11%、17%、31%，只有福州地区风速继续衰减，降幅为8%。风速随地形高程的增加而加大的符合率为80%。

③据此，可将福建沿海划分为3 个危险等级，并针对不同危险等级的地形，采取输电线路抗台风差异化措施。尽量避开影响线路安全运行的“高危险”地形条件，对于中危险地形条件可适当提高线路设计风速的标准，对“低危险”地形采取基本的防御措施和手段。