细网格气象特征对青藏高原地区电网安全的影响

王民昆，肖天贵，王 超，刘孙俊，高 爽，袁宁乐， 甘文风，雷学义，张 洪，苏 博，王 赞

(1.国家电网公司西南分部，四川 成都 610095；2.成都信息工程大学，四川 成都 610225；3.国家电网公司信息通信分公司，北京 100761)

【研究意义】随着国民经济技术的快速发展，电网建设的规模越来越大，覆盖面也越来越广，保持电网安全、经济运行的压力也越来越大[1-4]。微气象灾害事件给电网带来了严重的影响且危害巨大，微气象条件下会引发雨淞、雾淞以及冻雨等灾害，造成输电线路积冰，或大雪积压在输电线路上，当积冰厚度达到一定程度或者发生强降雪时可能会引发电网大面积倒塔和断线。温度也是影响电力系统安全的重要因素，温度过高造成电力线路超负荷，轻则线路跳闸，重则变压器烧坏损毁，引发主电力设备出现过载现象，无法供电。局部微气象条件下引发的大风或龙卷风，不仅破坏力极强，还可能造成杂物挂线引起线路短路或架空输电线路杆塔倒塌，给电力系统带来不可修复的损坏，对电网的安全、经济、稳定运行构成严重威胁[5-6]。青藏高原独特的地理位置，暴雨、大风、低温、积雪等异常天气现象频繁发生，这些灾害性天气均有可能造成电力设备和输电线路损坏。未来几年，气象灾害还会继续影响电网安全，尤其是随着电网规模不断扩大，电网稳定运行受到气象灾害影响的范围以及频率可能会持续增长[7-9]。【前人研究进展】近年来许多学者将大风、冰冻、雷电、高温等气象灾害对电网安全的影响进行了研究，认为一些气象灾害与外力破坏已成为电网稳定运行的“心腹之患”，对电网安全的影响与威胁正在显现[10]。2005年6月14日，江苏泗阳500 kV任上5237线发生风致倒塔事故，一次性串倒10基输电塔，造成了大面积的停电[11-12]。2008年1月中旬到2月上旬，我国南方多个省份相继出现极为严重的低温雨雪冰冻灾害，直接导致架空输电线路大面积倒塔断线，多个地区大面积停电，给国家和当地人民造成了巨大的经济损失[13]。2009年7月，河北邢台发生了雷雨大风等灾害性天气，导致任县千伏输电铁塔倒塌，导致经济损失高达1亿多人民币[14]。2013年7月，湖南地区气温不断增长，尤其，长沙市更是连续26 d保持35 ℃以上的高温天气。持续的高温使电网负荷急剧增加，如果遇到线路老化，而电力线路又处于过载状态，易使设备发生故障，甚至引起火灾。据统计，7月24日湖南省用电负荷已达2054万kW，为历年来的最高值[15]。很早以前，福建电网便开展了电网气象信息预警系统的建设，利用历史气象要素数据、实时气象要素数据、气象预报数据及气象灾害数据对暴雨、大风、冰冻等气象灾害进行预报和预警[16-17]。深圳电网将天气实况与气象灾害预警信息的分析与功能于一体，对全市范围内的电网气象风险进行评估[18]。气象灾害引发电力系统事故频发，给国家和人民都带来了巨大的经济损失。【本研究切入点】本文计算和分析所用的资料为欧洲中期天气预报中心(简称ECMWF)提供的ERA-Interim(Jan 1979～present)全球再分析资料，空间分辨率为0.125°×0.125°，主要分析2008-2017年气象因子发展和变化的规律。【拟解决的关键问题】为气象变化对电网安全生产的影响具有重要意义。

1 材料与方法

本文计算和分析所用资料为欧洲中期天气预报中心(简称ECMWF)提供的ERA-Interim(Jan 1979～present)全球再分析资料，空间分辨率为0.125° × 0.125°，主要分析的气象要素为积雪深度、2 m温度、降水，研究时段2008-2017年。文献[19]指出ERA -Interim细网格再分析资料(0.125° × 0.125°)对观测站点相对稀少的高原具有较好的适用性，所以本文采用分辨率较高的资料，更能体现高原的气象特点。

由于西藏的北部有一大片无人区，并且藏中联网工程主要在昌都市、林芝市、山南市、拉萨市开展，所以重点研究西藏的东部，选取研究范围为28～32°N，90～99°E(图1)。文中关于冬季的定义为前一年的12月至当年的2月，例如：2017年冬天，指2016年12月至2017年2月。

2 结果与分析

2.1 高原降水量的时空分布特征

2.1.1 降水量的时间分布特征 从图2可以看出，青藏高原地区10年平均的区域平均降水量为463.38 mm，其中，2009年的累积降水量明显低于10年平均的降水量，降水偏少，降水量大约为400 mm；2016年的累积降水量明显偏多，为510 mm。为了解高原降水量的年内变化，对高原地区2008-2017年各月的降水量进行时间平均和区域平均，其结果为青藏高原地区10年平均的逐月降水量变化趋势。青藏高原地区的年内降水量呈单峰型变化：从1月开始，降水量逐渐增多，到7月达到峰值；从8月开始，降水量逐渐减少。7月降水量有极大值，平均月累积降水量可达89.38 mm，12月降水量有极小值，平均月累积降水量仅有4.69 mm。夏季(6-8月)降水量明显高于其他几个季节，青藏高原地区的电网设备存在更高的安全隐患；冬季(12月至次年2月)降水量很低，降水而造成青藏高原地区输电线路发生故障的可能性很低。

分析青藏高原地区降水量在四季的变化，可以更加清楚地了该地区降水对电网的影响程度。图3-a显示，春季青藏高原地区10年中有3年的降水量明显高于平均累积降水量，从2010年开始，春季降水量距平值呈减少的趋势，从2015年开始逐渐增加。春季负距平最大值出现在2009年为-8.54 mm，正距平最大值出现在2010年为8.68 mm。图3-b显示，夏季青藏高原地区在2008和2012年的降水量明显高于平均累积降水量，2009和2013年的降水量明显低于平均累积降水量。夏季负距平最大值出现在2013年为-9.94 mm，正距平最大值出现在2008年为9.95 mm。图3-c显示，秋季青藏高原地区累积降水量均在平均值附近波动，与其他3个季节相比，秋季降水量的波动幅度较小且相对平稳。秋季负距平最大值出现在2015年为-5.30 mm，正距平最大值出现在2016年为6.88 mm。图3-d显示，冬季青藏高原地区降水量在2013年之前，降水量基本上要高于平均降水量，从2013年开始降水量明显低于平均降水量。冬季负距平最大值出现在2013年为-1.92 mm，正距平最大值出现在2008年为1.35 mm。总体而言，夏季青藏高原地区降水量的正负距平值波动范围较大，其次为春季，再者是秋季，最后是冬季。

图1 西藏东部地区电网线路选取区域Fig.1 Selection area of power grid in eastern Tibet

图2 高原降水量Fig.2 Precipitation variation of the plateau area

图3 高原四季降水量的距平值Fig.3 Departure of the plateau area precipitation

图4 青藏高原四季及全年降水量的空间变化Fig.4 Spatial changes of precipitation all the year round in Qinghai-Tibet plateau

2.1.2 降水的空间分布特征 为了分析降水对电网线路的影响，分别作出青藏高原地区四季及全年降水量的空间变化特征。图4-a可见，春季(3-5月)青藏高原大多数地区降水量低于60 mm，其中青藏高原西部和东北部的降水量很小，低于30 mm。在参与藏中联网工程的地区中，山南地区降水量最多，高达270 mm，其次是林芝地区，降水量在90 mm左右，而昌都和拉萨的降水量仅有30 mm。图4-b显示，夏季(6-8月)青藏高原降水分布与春季相似，但降水量明显增加，降水量低于90 mm的区域分布较广。多雨区同样出现在东南部，在四季中其分布最广。降水量最大值和春季一样出现在山南地区，高达270 mm，但降水大值区分布比春季大得多。总而言之，春季和夏季山南地区的降水量充沛，对电网有一定的影响。图4-c显示，秋季(9-11月)青藏高原地区降水量普遍都低于40 mm，少雨区出现在西北部地区，昌都降水量最少，低于30 mm，山南地区的降水量达到130 mm，与春季、夏季相比明显减少。图4-d显示，冬季(12月至次年2月)青藏高原降水明显减少，4个地区降水量都很少，大多数地区降水量低于10 mm，分布较小的多雨区降水量也只有80 mm。图4-e显示，全年青藏高原累计降水量大多数地区均低于600 mm，降水大值区主要集中在山南地区，年累计降水量在2200 mm以上，与上面的分析一致。

总体而言，青藏高原地区少雨季节与多雨季节分明。降水量的变化特征为：夏季>春季>秋季>冬季，夏季多雨区分布比其他几个季节广，降水大值区集中在东南部，西北部和东北部降水量很少，林芝和山南地区的降水量相对而言较多。总之，夏季、春季降水相对较多，输电线路的安全隐患也相对增加，尤其是在山南地区。冬季由于降水很少，由降水引起输电线路事故的可能性也较小。

图5 高原极端降水事件频次的年际变化Fig.5 Interannual variation of the frequency of extreme precipitation events on the plateau

2.1.3 极端降水事件频次的年际变化 文献[20]中指出西藏极端降水事件阈值在15.7～36.0 mm。吴国雄等[21]认为极端降水事件指数为大于20 mm的降水日。所以本文将占总格点数5 %的格点数日平均降水量≥20 mm定义为一个极端降水事件，经计算，得出了极端降水事件频次的年际变化图(图5)。从整体上看，近10年来极端降水事件频次呈增多趋势。2012年极端降水事件最多，有12次；2016年也有11次之多，2009年最少，仅有3次。由于极端降水可能会冲垮线路杆塔，冲毁电力设备，致使电网瘫痪，所以要关注极端降水事件的发生。 根据资料统计，极端降水事件主要出现在西藏的东部地区，平均每年发生2～14次，而山南地区平均每年发生14次，是极端降水的频发区。同时结合上面降水量的空间分布图分析，山南地区为降水大值区，所以山南地区的降水对电网会产生影响。

2.2 高原温度的时空分布特征

2.2.1 温度的时间分布特征 由于青藏高原海拔高，空气稀薄，与别的地区的夏季不同，青藏高原夏季平均气温很低。在冬季，青藏高原大部分地区平均气温小于0 ℃，只有个别地区在0 ℃以上。由于高原地势高，在地理上海拔每升高100 m，气温就降低0.6 ℃，高原温度自然就低。

图6-a显示，2008-2017年各月平均温度的变化趋势，1月的平均气温最低，约为-8 ℃；之后温度逐渐升高，7月的平均温度达到最高，约为10 ℃。钟利华等[22]研究表明，高温天气会造成电力负荷大幅度增加，而高温天气是指日最高气温超过35 ℃的一种灾害性天气。在夏季即6-8月，高原气温在9～10 ℃浮动，远远没有达到高温的标准，所以对输电线路不会有影响，因此夏季西藏的温度不会对电力设备构成威胁。在冬季，温度在-6 ℃～-8 ℃。同样2、3月平均温度也在0 ℃以下，0 ℃ 以下的低温天气有可能会引起冰冻灾害，有可能出现输电线路的覆冰事故，线路上的严重覆冰往往会使输电线路导线断落、输电塔杆倒塌等严重事故，所以要重点关注11月到次年3月的温度变化，预防雨雪冰冻恶劣天气对西藏电网的不利影响。

图6-b显示，2008-2017年各月最高最低温度的变化趋势，7月的最高温度约为11 ℃，不足以对输电线路构成威胁，与前面的分析一致。冬季中12和2月的最低温度约为-8 ℃，1月最低温度为-10 ℃，较长时间的低温环境有可能会造成冰冻灾害，给输电线路造成安全隐患。

2.2.2 温度的空间分布特征 图7-a显示，春季青藏高原地区最低温度为-4 ℃，主要集中在中西部地区。在青藏高原东南部为温度大值区，最高温为18 ℃，温度大值区占整个区域的比重较小。总体而言青藏高原地区的温度集中在-4～2 ℃，低温区主要集中在青藏高原中西部和北部，拉萨、山南、昌都地区的温度都低于-2 ℃，林芝地区相对较高。图7-b显示，夏季青藏高原整体温度上升，最低温度为6 ℃，主要集中在中西部和北部地区。温度大值区依然出现在东南部，最高温度为22 ℃，远远没有达到高温的标准。图7-c显示，秋季青藏高原地区最低温度为-3 ℃，出现在中西部地区，低温区主要集中在中部、西部和北部地区。图7-d显示，冬季青藏高原温度急剧下降，拉萨最低温度低至-14 ℃，其中，昌都地区的温度低于-6 ℃，山南、林芝地区温度相对较高，总体来看，青藏高原地区温度普遍低于0 ℃，所以要注意由于低温引起的输电线路覆冰事故。图7-e显示，青藏高原全年平均最低温度出现在中西部地区，大约为-4 ℃，大多数地区温度基本维持在8 ℃以下。

图6 2008-2017年各月平均温度(a)、各月最高最低温度(b)的变化趋势Fig.6 Change trends in average monthly temperature (a) and maximum (minimum) monthly temperature (b) in 2008-2017

图7 青藏高原四季及全年平均温度的空间变化Fig.7 Spatial changes of average temperature all the year round in Qinghai-Tibet plateau

总体而言，青藏高原地区西部、北部地区温度低且分布区域广，东南部地区温度高且分布区域小，呈由西部和北部地区向东南部地区增温的空间变化形势。青藏高原夏季整体温度较高，最高为22 ℃；冬季整体温度最低，低至-14 ℃。夏季温度虽然较高，但是远远没有达到高温的标准，因此夏季青藏高原的输电线路因为温度太高而发生故障的可能性很小。但冬季由于拉萨最低温度低至-14 ℃，这样的低温天气可直接导致冰冻灾害，还有可能引起输电线路覆冰，直接威胁输电线路的正常运行。

2.2.3 极端低温事件频次的年际变化 文献[23]中指出青藏高原地区年内日最低气温的变化幅度在-23.67～-18.26 ℃。所以本文将占总格点数20 %的格点数日平均温度≤-18 ℃定义为一个极端低温事件，经计算，得出了极端低温事件频次的年际变化图。从图8可见，2013年发生极端低温事件最多，有15次，其次是2008和2016年，分别有11次，而2012、2014和2017年最少，仅有2次。极端低温事件的发生可能会导致输电线路覆冰，对电网的安全运行存在一定的威胁。

根据资料统计，极端低温的频发区与温度的空间分布有较好的一致性。极端低温事件频发区和低温区主要集中在北部和西北部地区，极端低温事件发生频次由西北向东南逐渐减少。而高原的东南部地区为高温地区，几乎没有极端低温事件发生。因此，高原东南部的电网受低温的影响较小，北部和西北部地区受低温事件的影响较大。

2.3 高原积雪的时空分布特征

2.3.1 积雪的时间分布特征 为了解高原积雪的年际变化，对高原地区2008-2017年的积雪深度进行了时间平均和区域平均，所得结果为青藏高原地区10年平均累积积雪深度变化图(图9-a)。经计算，10年的年平均累积积雪深度为97 cm，高原地区2008年的年累积积雪深度为最大值，大约为170 cm；2014年累积积雪深度最小，约为69 cm。从图9-b可以看出，积雪深度的变化趋势呈单峰型，从9月到次年2月为增加的趋势，2月份达到峰值，从2月到8月为减少的趋势，7月达到谷值。积雪深度最大值在2月份，积雪深度达到16 cm；最小值在7、8月，积雪深度为1 cm。冬季积雪最多，积雪深度达到39.18 cm；其次为春季，积雪深度达到35.99 cm；秋季积雪较少，积雪深度为16.34 cm；夏季积雪最少，积雪深度为4.63 cm。春、冬季节的积雪深度明显高于其他季节，青藏高原地区的电网设备存在更高的安全隐患，夏季由于积雪而造成青藏高原地区输电线路发生故障的可能性很低。

图9 2008-2017年高原地区累积积雪深度的变化Fig.9 Change of accumulated snow depth in plateau area

图10 2008-2017年高原地区春、夏、秋、冬四季累积积雪深度的距平Fig.10 Departure of accumulated snow depth on the plateau area all the year round

从图10可以看出，2012和2017年春季累积积雪深度为正距平，其余年均为负距平。正距平最大值出现在2012年为33 cm，负距平最大值出现在2010年，大约为-14 cm。在夏季，负距平最大值出现在2016年为-2.65 cm，正距平最大值出现在2011年为3.25 cm。由于夏季降雪本来就很稀少，所以积雪深度波动幅度较小且相对平稳。无论秋季还是冬季，最大正距平值都出现在2008年，分别为20.97 和43.42 cm。说明2008年的秋冬季节出现了大范围的强降雪，明显高于平均积雪深度。相比之下，冬春季节高原地区积雪深度波动范围较大，需要密切关注。至于夏季，可以忽略其对电网的影响。

2.3.2 积雪的空间分布特征 从图11可以看出：西藏地区年累积积雪深度空间分布差异显著。在94°E，29°N附近为积雪大值区，多雪区集中在西藏的东部地区，而藏中电网工程正好出现在积雪大值区，累积积雪深度达到160 mm；在92°E以西地区为少雪区，大多地区的年累积积雪深度小于20 mm，极小值出现在89°E，29°N和91°E，30°N附近，积雪深度为10 mm。图11-a显示，春季降雪的空间分布与年降雪基本一致，山南部分地区为降雪大值区，大约为100 mm，电网附近积雪较深。夏季、秋季积雪深度明显减少，夏季积雪深度最大值为9 mm，而秋季最大值为20 mm，都主要集中在西藏的东部地区。冬季多雪区范围与年降雪类似，但范围扩大，山南、林芝都处于降雪大值区。总体来说，积雪大值区在西藏的东部地区，并且积雪深度春季>冬季>秋季>夏季。藏中电网处于积雪深度大值区，所以要重点关注西藏中东部地区春、冬季节的积雪深度特征，防止由于积雪给电网带来的威胁。

2.3.3 极端降雪事件频次的年际变化 根据文献[24]中降雪量在8～10 mm为轻度雪灾，10～15 mm为中度雪灾，大于15 mm为重度雪灾。本文将占总格点数20 %的格点数日平均积雪深度≥1 cm定义为一个极端降雪事件，经计算，得出了极端降雪事件频次的年际变化图。从图12可以看出，2008年发生极端降雪事件最多，高达113次，远远多于其它年份，与前面的年累积积雪深度的结论一致，其次是2012年，发生58次，而2010年最少，仅发生13次。极端降雪事件的发生可能造成电路跳闸、断线事故，需有序应对降雪天气，保障电网安全可靠运行。

图11 青藏高原四季及全年的累积积雪深度的空间变化Fig.11 Spatial changes of all the year round accumulated snow depth in Qinghai-Tibet plateau

图12 高原极端降雪事件频次的年际变化Fig.12 Interannual variation of the frequency of extreme snowfall events on the plateau

极端降雪事件的频发区集中在山南的东北部地区和林芝的西北地区，其数值高达80次；拉萨和山南的西部地区以及昌都地区发生极端降雪事件的次数较少。同积雪深度的空间分布一致，积雪深度较大的地区为极端降雪事件的频发区，积雪深度较小的地区发生极端降雪事件的次数较少。因此，在山南的东北部地区和林芝的西北地区，其电网线路受积雪的影响较大。

3 结 论

本文利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的2008-2017年再分析资料，对高原地区近10年的几个气象要素进行了统计分析。

(1)从时间分布特征来看，青藏高原10年来区域平均的年累积降水量为463.38 mm，少雨季节与多雨季节分明。2012年极端降水事件最多，有12次；2009年最少，仅有3次。从整体上看，近10年来极端降水事件频次呈增多趋势。从空间分布特征来看，夏季降水量明显高于其他几个季节，山南地区的降水量最多，高达270 mm，平均每年发生14次极端降水事件，由于降水量偏多，输电线路的的安全隐患也大大增加。

(2)从时间分布特征来看，冬季平均温度在-6 ～-8 ℃，夏季温度虽然较高，但是远远没有达到高温的标准，因此夏季温度基本上不会对输电线路构成威胁。2013年发生极端低温事件最多，有15次，而2012、2014和2017年最少，仅有2次。从空间分布特征来看，冬季青藏高原温度急剧下降，拉萨最低温度低至-14 ℃，其中，昌都地区的温度低于-6 ℃，山南、林芝地区温度相对较高，总体来看，青藏高原地区温度普遍低于0 ℃，所以要注意由于低温引起的输电线路覆冰事故。要重点关注11月到次年3月的温度变化，预防雨雪冰冻恶劣天气对西藏电网的不利影响。

(3)从时间分布特征来看，青藏高原积雪深度的变化趋势呈单峰型，2月达到峰值，7月达到谷值。春、冬季节的积雪深度明显高于其他季节。2008年发生极端降雪事件最多，而2010年最少，仅发生13次。从空间分布特征来看，青藏高原积雪大值区集中在西藏的中东部地区，藏中电网工程正好出现在积雪大值区，全年累积积雪深度达到160 mm。春季降雪的空间分布与年降雪基本一致，山南部分地区为降雪大值区，夏季、秋季积雪深度明显减少，冬季多雪区范围与年降雪类似，但范围扩大，山南、林芝都处于降雪大值区，是极端降雪事件的频发区。春冬季节高原地区积雪深度波动范围较大，电网附近积雪较深，所以要重点关注西藏中东部地区春、冬季节的积雪深度特征，防止由于积雪给电网带来的威胁。