浙江沿海输电线路台风次生灾害防范技术研究与应用

陈科技，杨 程，康丽莉，张琳琳，陈赛慧

（1.国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，杭州 310014；2.浙江省气象科学研究所，杭州 310008）

对浙江省电网大风灾情统计研究发现[1]，引起浙江省输电线路发生跳闸事故的强风天气主要有3类，分别是冬春季节的冷空气大风、夏季的雷雨大风和台风。在2012年7月之前收集的历年大风造成的线路事故记录有255条，其中台风灾害最多，有221条，占比达到86.7%，且造成损失最大，经常出现成批倒塔事故[2]。因此防范台风造成的电网事故次生灾害异常重要。

尽管有大量的卫星观测资料，但由于技术因素，使得台风的预报依然很难取得较理想的效果。台风的预报主要分为路径预报、强度预报和风雨预报3方面，国内外学者对于路径、强度和暴雨预报做过许多工作[3-6]，但对于台风大风的研究相对较少。目前台风大风的预报主要依靠数值预报，改善模式性能、提高模式初始场质量对大风预报有一定改善效果[7-8]，但模式预报与实际监测始终存在一定误差，利用数值预报产品进行更好的释用研究，进一步减小误差水平，是一项很有意义的工作。

目前数值预报产品的释用方法主要包括统计学释用、天气学释用和人工智能释用等。其中郝世峰等[9]基于极坐标系下的原始方程，考虑海面摩擦力，气压场按照藤田公式分布，给出了台风的扰动对于风场影响的数学表达，并将该方法应用在个例中，结果显示该方法对于改善登陆前的沿海风速预报具有一定价值。黄小刚等[10]在利用藤田公式进行研究时进一步考虑环境气压的影响，提出一种更为简便地利用海平面气压计算台风最大风速半径的方法，该方法经检验对于非对称台风最大风速半径的计算影响较小。

本研究拟从电网台风风灾的特征研究出发，通过分析2015年之前影响浙江电网的5个台风事故点的客观环境，有针对性地对台风风场预报技术进行改进修正，将前人研究方法与改进的藤田公式应用到风场动力释用中，对台风数值预报风场进行动力订正，并应用到电网事故点，以期改善沿海输电线路台风次生灾害的防范技术。

1 资料和方法

1.1 资料

本研究使用的主要数据包括：①由浙江省电力经济技术研究院提供的因热带气旋受损的输电线路杆塔经纬度记录，共5场。②浙江省快速同化更新模式资料，水平分辨率3 km，时间分辨率1 h；浙江省自动站监测资料，时间分辨率1 h。③由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量并于2003年发布的SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）地形高程数据，水平分辨率约90 m（3＂），垂直分辨率10 m分辨地形高程数据。表1为热带气旋案例基本情况表。

表1 热带气旋案例基本情况表

1.2 方法

1.2.1 风场动力释用方法

以台风中心为原点建立极坐标，则其内部任一空气质点水平方程可表达为[11]

式中：v为风速；F为摩擦力；θ为摩擦力偏离风矢量反方向的夹角。

假设台风质点运动速度呈线性变化、海平面气压为圆形分布，并考虑台风移动速度vs对气旋曲率半径r的影响[12]，规定逆时针方向为正，α为气旋移向与质点切线方向的夹角，可得

式中：dA、dr、dvs和dα分别为气压梯度扰动项、气旋位置扰动项、气旋移速扰动项和气旋移向扰动项。在实际使用时，后3项可通过模式前几个时次预报和实况差异的外推获取，气压梯度扰动项则无法直接获得，需要进一步估算。

整理后各扰动项在θ和r方向的数学表达如下

1.2.2 改进的气压梯度扰动项的计算

根据改进的藤田公式[10]

式中：P∞为环境气压；Pc为台风中心气压；R为最大风速半径；R∞为P=P∞时质点与台风中心的距离，即环境气压半径。式（6）给出了整个台风内的气压分布形势。

利用状态方程可得A的表达

式中：Rd为质点气体常数；T为海温。

式（6）对r求偏导数可得

将式（10）带入式（7）即可估算出气压梯度的扰动项。

2 输电线路台风灾害特征分析

根据本文所选5个台风事故点位置与台风路径的空间配置（图略）。可见5个台风个例发生的电网次生灾害主要分布在台风路径的右侧，这与台风的气旋性特征相关，由于北半球台风呈现逆时针旋转，致使台风移动方向右前至左前象限的风速明显大于其他象限。因此例如2013年的台风“菲特”、2015年的台风“苏迪罗”等，虽然登陆点都在福建境内，但造成的电网次生灾害却集中在浙南地区。为此下文拟应用1.2中的风场动力技术改进复杂地形下的台风预报技术。

3 输电线路台风预报技术结果检验

本研究使用的个例为1808号超强台风“玛莉亚”，是2018年之后影响浙江电网最严重的台风之一。该台风于北京时间2018年7月4日20时在美国关岛以东洋面生成，7月8日05时以超强台风级出现在台湾宜兰县东偏南的西北太平洋洋面上，于7月11日09时在福建连江黄岐半岛登陆，登陆时中心最低气压960 hPa，近中心最大风力有14级（42 m/s）。尽管登陆地点偏南，但受其影响，浙南地区沿海洋面风力普遍有10到12级，东部沿海地区普遍出现9到10级大风。模式预报对台风路径的模拟较好（图略），相对于实况路径整体略微偏东南，登陆前平均误差约30 km。

从11日09时的风速实况空间分布分析发现，由于台风路径预报登陆点偏东，实际09时预报台风尚未登陆。根据监测结果显示，09时登陆点附近出现约40 m/s的风速分布，由于此时台风中心位置仍在洋面上，导致预报沿海风速（约30 m/s）相对实况明显偏小，经过动力释用修正后虽然整体台风位置仍位于海上，但是成功修正了登陆点附近预报风速偏小的现象，使得预报风速与实际较为吻合。内陆地区经过动力释用后明显偏大，这可能与该方法并未考虑近地面摩擦对台风风场的影响有关。

进一步分析式（3）右端气压梯度、位置、移速和移向扰动4项的修正量。发现气压梯度扰动影响程度最大，因此对于风场的调整作用也最明显，最大可调整近20 m/s。气旋位置扰动对于风场调整也有一定影响，在台风登陆点附近可调整风速约4 m/s。台风的移速和移向在本研究中对风场的修正相对其他2项影响不大。

为了检验动力修正后预报风速的整体效果，选取温州境内天岱4P04线和七柳1999线微电力气象站进行检验。图1是两站11日00时至23时24小时预报和监测的时间序列图。如图1所示，从实况看天岱4P04线风速整体强于七柳1999线。在09时台风登陆前，模式预报风速明显偏小，经过动力修正后的风速预报明显向实况靠近。但是在台风登陆后动力修正的效果明显下降，特别是在天岱4P04线13时之后，动力修正后的预报风速明显偏大。这与式（2）中未考虑陆地下垫面特征有直接关系，也进一步证明藤田公式不适用于陆面气压的计算[9]。

图1 不同预报方法风速变化时序图

4 结论

本研究以电网台风风灾特征分析为起点，通过分析2015年之前影响浙江电网的5个台风灾情特征、输电线路台风风场预报改进技术，旨在改善沿海输电线路抗风能力。将上述技术应用到实际个例中，形成下述结论：

（1）台风对浙江电网次生灾害的影响主要分布在台风路径的右侧，即使台风登陆点偏南，也可能造成浙江沿海电网事故的发生。

（2）将改进的藤田公式应用到风场动力释用中，利用极坐标下原始方程可推导出台风中心气压梯度、位置、移速和移向扰动对于风场的数学表达。

（3）通过对1808号超强台风“玛莉亚”登陆前后电网事故点附近风场修正结果显示，经过风场动力释用调整后，在登陆点附近模式预报偏弱的风场分布特征得到明显修正。修正后事故点附近预报结果与实况风速基本吻合。