鄭 偉, 陸正奇, 徐婉笛, 龔建福, 韓永翔*, 李 哲, 劉善峰

(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司，鄭州 450000；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044 3.南京信息大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠-云-降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京 210044)

電網(wǎng)是保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力引擎，但冬季電線(xiàn)積冰常使得輸電線(xiàn)路出現(xiàn)倒塔、斷線(xiàn)、絕緣子閃絡(luò)、通訊不暢等故障，不但影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而且也給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重?fù)p[1]，如2008年冬季南方出現(xiàn)了嚴(yán)重的冰凍災(zāi)害天氣，輸電線(xiàn)路長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的電線(xiàn)積冰使南方電網(wǎng)近30%輸電線(xiàn)路遭到破壞，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 500億元[2-3]。因此，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)電線(xiàn)積冰的發(fā)生發(fā)展，對(duì)輸電線(xiàn)路的冰凍災(zāi)害防治具有重要意義。

一系列觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和理論研究已經(jīng)確認(rèn)凍雨是造成電線(xiàn)積冰事故的主要災(zāi)害性天氣，大氣中的過(guò)冷小水滴或雨滴碰撞凝結(jié)在輸電線(xiàn)路表面，形成電線(xiàn)積冰[4-8]，因此要預(yù)報(bào)電線(xiàn)覆冰的厚度，首先要準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)凍雨發(fā)生的范圍及凍雨量。近年來(lái)，凍雨預(yù)報(bào)在中外均取得了較大的進(jìn)展。Ramer[9]利用濕球溫度、相對(duì)濕度以及含冰率來(lái)作為凍雨的判別指標(biāo)；Cantin等[10]將1 000～850 hPa和850～700 hPa層的厚度作為凍雨的預(yù)報(bào)因子，進(jìn)而根據(jù)預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)對(duì)降水類(lèi)型做出判斷；Czys等[11]通過(guò)冰粒在暖層內(nèi)停留時(shí)間與完全融化時(shí)間的比值來(lái)確定是否發(fā)生凍雨；Bourgouin[12]通過(guò)計(jì)算降水發(fā)生時(shí)溫度曲線(xiàn)與0 ℃線(xiàn)等溫線(xiàn)圍成的正負(fù)能量面積的大小及相關(guān)系數(shù)，來(lái)判定凍雨的發(fā)生；根據(jù)凍雨發(fā)生時(shí)溫濕廓線(xiàn)、短波輻射通量、雨雪轉(zhuǎn)化所需能量等氣象要素，美國(guó)空軍氣象局(Air Force Weather Agency,AEFA)在中尺度天氣研究和預(yù)報(bào)(weather research and forecasting，WRF)模式中開(kāi)發(fā)了AWFA凍雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)[13]。在中國(guó)，漆梁波[14]以云頂高度、關(guān)鍵層的冷暖和干濕程度及風(fēng)速預(yù)報(bào)凍雨；鄭婧等[15]通過(guò)降水量及中低空溫度判斷逆溫和融化層，進(jìn)而再通過(guò)地面溫度預(yù)報(bào)凍雨；高守亭等[16]提出了動(dòng)力因子和散步判別法相結(jié)合的凍雨診斷預(yù)測(cè)方法。上述方法的發(fā)展為凍雨預(yù)報(bào)提供了多種思路，但多數(shù)方案因預(yù)報(bào)誤差較大或參數(shù)過(guò)多，凍雨的預(yù)報(bào)目前仍然是一個(gè)難點(diǎn)，真正投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的凍雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)很少。根據(jù)最新的研究，對(duì)凍雨預(yù)報(bào)較好地有改進(jìn)Ramer算法和AFWA凍雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)，使其具有較低的空?qǐng)?bào)率及較高的準(zhǔn)確率，但AFWA凍雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)在美國(guó)空軍氣象局已經(jīng)進(jìn)行了近5年業(yè)務(wù)運(yùn)行，取得了很好地服務(wù)效果。然而，AFWA系統(tǒng)目前并沒(méi)有在中國(guó)地區(qū)使用，能否適用于中國(guó)的凍雨預(yù)報(bào)尚需要檢驗(yàn)。

在中尺度WRF模式的基礎(chǔ)上，引進(jìn)AWFA凍雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)發(fā)生在中國(guó)的3次凍雨個(gè)例事件進(jìn)行預(yù)報(bào)，以檢驗(yàn)AWFA凍雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)中國(guó)凍雨的預(yù)報(bào)能力。同時(shí)，根據(jù)其輸出的氣象參數(shù)，進(jìn)行了電線(xiàn)積冰厚度的模擬。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

地面氣象站點(diǎn)每日4次觀測(cè)的氣象要素來(lái)自中國(guó)氣象局氣候中心；探空資料來(lái)自中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心，包括中國(guó)89個(gè)探空站點(diǎn)每日08:00和20:00的探空觀測(cè)結(jié)果。所用的模式初始場(chǎng)為NCAR/NCEP的時(shí)間分辨率為6 h的再分析資料(FNL資料)，為模式提供初始的氣象數(shù)據(jù)和邊界條件，供模式進(jìn)行計(jì)算和積分。

1.2 WRF模式及參數(shù)化方案簡(jiǎn)介

WRF是美國(guó)國(guó)家大氣研究中心、國(guó)家海洋和大氣管理局、美國(guó)空軍和海軍研究實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的新一代中尺度預(yù)報(bào)模式和資料同化系統(tǒng),被廣泛應(yīng)用于大氣研究和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)領(lǐng)域。WRF模式初始場(chǎng)為美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心/國(guó)家大氣研究中心(National Centers for Environmental Prediction/ National Center for Atmospheric Research，NCAR/NCEP)的時(shí)間分辨率為6 h的1°×1°再分析(FNL)資料，模擬時(shí)間分別為2011年1月2—4日、2015年1月28—29日和2018年1月24日—28日；預(yù)留了12 h的spin-up時(shí)間以保證模式的穩(wěn)定性，每小時(shí)輸出一次模擬結(jié)果，模式采用2層嵌套，具體模擬區(qū)域如圖1所示；垂直方向?yàn)棣业匦胃S坐標(biāo)，垂直方向分為43層，模式層頂高度為50 hPa。地形數(shù)據(jù)使用美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(United States Teoltgical Survey, USGS)提供的 2 m和30′高分辨率 LANDUSE 資料。具體物理方案:微物理為T(mén)hompson方案，長(zhǎng)波輻射為RRTM(a rapid and accurate radiative transfer model)方案，短波輻射為Dudhia方案，近地面為Monin-Obukhov方案，陸面為Noah方案，邊界層為YSU(Yonsei University Scheme)方案。

圖1 模擬區(qū)域設(shè)置

1.3 AFWA凍雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

美國(guó)空軍氣象局根據(jù)凍雨發(fā)生時(shí)溫濕廓線(xiàn)、短波輻射通量、雨雪轉(zhuǎn)化所需能量等氣象要素，在中尺度WRF模式中開(kāi)發(fā)了AWFA凍雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其具體的預(yù)報(bào)方案如下。

步驟一利用短波輻射修正地溫(T2)，若降水量>0且T2>275.15 K，則降水類(lèi)型為雨。

步驟二檢驗(yàn)云頂相對(duì)濕度、云頂溫度及垂直剖面，若云頂溫度低于 云凝結(jié)核(CCN)核化溫度，則降水為固態(tài)，反之為液態(tài)(檢測(cè)區(qū)域云頂相對(duì)濕度需>80%，若<70%則需重新檢測(cè))。

步驟三如果降水類(lèi)型為固態(tài)，且該層溫度Tk>0 ℃，則需計(jì)算融化能量(melt)，其公式為

(1)

式(1)中：k為模式垂直層數(shù);ΔZk為相鄰模式層結(jié)的間距。

網(wǎng)格區(qū)為逆溫層，點(diǎn)為發(fā)生冰凍的氣象站點(diǎn)

(1)若降水經(jīng)歷的融化能量高于總?cè)诨芰?，則降水類(lèi)型為液態(tài)，融化能量設(shè)為 0。

(2)若該層溫度低于 0 ℃，則降水類(lèi)型為液態(tài)；若融化能量高于 1/4總?cè)诨芰?，則假設(shè)部分降水凝結(jié)為固態(tài)，融化能量設(shè)為 0。

(3)若降水類(lèi)型為液態(tài)，下落某層中溫度低于 CCN核化溫度則降水類(lèi)型為固態(tài)。

(4)若下落到地面時(shí)，地面 2 m處的T2<273.15 K，則降水類(lèi)型為凍雨。

在預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，當(dāng)云滴成核時(shí)，CCN核化溫度缺省值為264.15 K；雪融化為雨的臨界能量缺省值為50 J/kg。

1.4 電線(xiàn)覆冰厚度模型簡(jiǎn)介

利用Jones[17]的等效冰厚模型計(jì)算電線(xiàn)積冰厚度的變化，將模擬的凍雨范圍和凍雨量輸入等效冰厚模型中，并將覆冰形狀統(tǒng)一視為圓柱形覆冰[18]。

1.5 威脅指數(shù)(TS)評(píng)分計(jì)算方法

根據(jù)《中短期天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量檢測(cè)方法》[19]，威脅指數(shù)(threat scores，TS)評(píng)分的計(jì)算方法如式(2)所示：

(2)

漏報(bào)率PO：

(3)

空?qǐng)?bào)率FAR：

(4)

式中：NA為正確預(yù)報(bào)次數(shù);NB為空?qǐng)?bào)次數(shù);NC為漏報(bào)次數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 三次凍雨事件的天氣形勢(shì)、液態(tài)含水量和溫度場(chǎng)垂直廓線(xiàn)的時(shí)間演變

三次凍雨事件均由南下的冷空氣和北上的南方暖濕氣流在中國(guó)貴州-湖南及江西北部相遇形成大片的逆溫區(qū)(圖2)，冷空氣南下導(dǎo)致逆溫區(qū)下部大部地表溫度低于0 ℃，而南方暖濕氣流則帶來(lái)了充足的水汽，這些因素導(dǎo)致在這些地區(qū)出現(xiàn)了大面積的冰凍雨雪天氣。

圖3 WRF模式模擬長(zhǎng)沙溫度和液態(tài)含水量的時(shí)間-高度剖面圖

圓點(diǎn)部分為觀測(cè)發(fā)生凍雨范圍；陰影部分為AFWA預(yù)報(bào)結(jié)果

圖3為WRF模式模擬三次凍雨過(guò)程中長(zhǎng)沙站的溫度及液水含量的時(shí)間-高度剖面圖。從圖3(a)中可以看到，從2010年12月31日15:00左右開(kāi)始，750 hPa左右高度層中有范圍較小的高液態(tài)含水量存在，同時(shí)，該高度逐漸被冷氣團(tuán)所控制，開(kāi)始逐漸形成逆溫層。2011年1月1日，700～680 hPa存在高液態(tài)含水量，并在850 hPa左右出現(xiàn)第二個(gè)逆溫層，此時(shí)湖南和貴州東部地面出現(xiàn)冰凍天氣; 1日12:00—2日20:00，雖然存在逆溫層，但高空中液態(tài)含水量很低，冰凍天氣停止; 3日雖然在800～720 hPa存在高液態(tài)含水量，但逆溫層消失，凍雨很難形成。4日06:00，在850～700 hPa存在高液態(tài)含水量，加上800～700 hPa存在較明顯的逆溫層，凍雨加強(qiáng)，直至1月5日以后液態(tài)含水量逐漸降低為0，此次凍雨過(guò)程結(jié)束。圖3(b)顯示了2015年1月27日00:00—29日18:00液態(tài)含水量和溫度場(chǎng)的垂直廓線(xiàn)，從27日12:00—29日18:00，800～700 hPa 一致存在高液態(tài)含水量，同時(shí)，逆溫層也一直存在，但地面溫度在27日18:00才低于0 ℃以下，故而凍雨在18:00才出現(xiàn)并呈現(xiàn)增長(zhǎng)狀態(tài)，29日20:00以后，液態(tài)含水量逐漸減少，冰凍天氣結(jié)束。圖3(c)顯示了2018年1月24日12:00—28日12:00液態(tài)含水量和溫度場(chǎng)的垂直廓線(xiàn)，25日12:00之前，雖然液態(tài)含水量很高，但地表溫度大于0 ℃，無(wú)法形成凍雨，其后，地表溫度逐漸降低，溫度下降到0 ℃以下，同時(shí)，高空存在強(qiáng)的逆溫區(qū)，在26—27日18:00，高空液態(tài)含水量很高，有利于凍雨的形成。28日00:00以后，逆溫層逐漸消失，加上液態(tài)含水量急劇減少，冰凍天氣結(jié)束。另外，來(lái)自逆溫層頂部之上的700～600 hPa的固態(tài)水合物(冰晶、雪、霰)經(jīng)過(guò)逆溫層明顯發(fā)生了融化，故而液態(tài)含水量的高值區(qū)均在大于0 ℃的逆溫層中，在下降到低于0 ℃的地面時(shí)，液態(tài)水在地面形成凍雨，重新轉(zhuǎn)化為固態(tài)。從三次凍雨事件的分析可知，逆溫、空中高液態(tài)含水量及地表溫度低于0 ℃是關(guān)鍵的氣象因子，一次凍雨事件必須至少一次同時(shí)滿(mǎn)足這三個(gè)的氣象條件。

2.2 三次凍雨事件的預(yù)報(bào)范圍及TS評(píng)分

圖4所示為AFWA預(yù)測(cè)三次凍雨事件發(fā)生的范圍，并與觀測(cè)進(jìn)行了對(duì)比。顯然，三次凍雨事件預(yù)報(bào)的范圍普遍比觀測(cè)站點(diǎn)的區(qū)域要偏大，同時(shí)也存在一定的漏報(bào)。為了進(jìn)行TS評(píng)分，將發(fā)生凍雨站點(diǎn)周?chē)?5 km的格點(diǎn)也設(shè)置為實(shí)際發(fā)生凍雨的格點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)了整個(gè)模擬區(qū)域內(nèi)實(shí)際發(fā)生凍雨的格點(diǎn)個(gè)數(shù)及AFWA預(yù)報(bào)發(fā)生凍雨的格點(diǎn)個(gè)數(shù)，并用TS評(píng)分對(duì)三次凍雨事件預(yù)報(bào)效果進(jìn)行了評(píng)估(表1)。由表1可以看出，三次凍雨事件預(yù)報(bào)效果不一，其中2015年1月28—29日凍雨事件預(yù)報(bào)效果非常好，漏報(bào)率和空?qǐng)?bào)率均在0.27左右，TS評(píng)分高達(dá)0.63；2011年1月2—4日的凍雨事件中，雖然漏報(bào)率較低，但空?qǐng)?bào)率達(dá)到了0.51，TS評(píng)分為0.40；最低的是2018年1月25—27日，漏報(bào)率雖然為0.33，但空?qǐng)?bào)率達(dá)到了0.65，導(dǎo)致TS評(píng)分僅為0.30。

三次凍雨事件預(yù)報(bào)TS評(píng)分為0.30～0.63，平均TS評(píng)分為0.45，這對(duì)凍雨這種小概率事件的預(yù)報(bào)已經(jīng)是一個(gè)較高的評(píng)分，較統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的TS評(píng)分要高，顯示出了較好的預(yù)報(bào)能力。

表1 三次凍雨事件預(yù)報(bào)效果TS評(píng)分

2.3 三次凍雨事件電線(xiàn)積冰厚度模擬

將模擬的凍雨范圍和凍雨量輸入Jones等效冰厚模型中，獲得了相應(yīng)時(shí)刻的電線(xiàn)積冰厚度(圖5)。由于缺乏實(shí)際的電線(xiàn)積冰厚度的觀測(cè)，只能用氣象站點(diǎn)觀測(cè)到凍雨分布(圖4)進(jìn)行對(duì)比。2011年1月4日凍雨事件結(jié)束日的電線(xiàn)積冰厚度[圖5(a)]在25.20°N～26.10°N形成了3～9 mm厚度的電線(xiàn)積冰狹窄帶，與氣象站點(diǎn)觀測(cè)到凍雨密集區(qū)的范圍[圖4(a)]相當(dāng)吻合。2015年1月29日凍雨事件結(jié)束日的電線(xiàn)積冰厚度則在貴州省東南部和湖南省中西部地區(qū)同樣形成了西南-東北走向的3～10 mm厚度的電線(xiàn)積冰帶[圖5(b)]，也與氣象站點(diǎn)觀測(cè)的凍雨密集區(qū)范圍吻合[圖4(b)]。2018年1月27日凍雨事件結(jié)束日的電線(xiàn)積冰厚度大多在1～5 mm之間，盡管這次凍雨觀測(cè)到的范圍最大[圖4(c)]，但電線(xiàn)積冰厚度[圖5(c)]卻是三次凍雨事件中最薄的。

圖5 三次凍雨事件電線(xiàn)積冰厚度分布

雖然AFWA凍雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)凍雨范圍的TS評(píng)分為0.30～0.63，但對(duì)電力部門(mén)而言，凍雨范圍并不是特別關(guān)注的災(zāi)害性天氣要素，因?yàn)閮鲇晷纬傻碾娋€(xiàn)積冰厚度只有達(dá)到一定的厚度閾值才能對(duì)電線(xiàn)形成危害，對(duì)一些出現(xiàn)短時(shí)凍雨或凍雨量少的地區(qū)，則很難形成電線(xiàn)積冰或因厚度小對(duì)電網(wǎng)形不成危害。AFWA凍雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)從其微物理過(guò)程來(lái)看，它對(duì)非常明顯的凍雨過(guò)程則有非常好的預(yù)報(bào)能力，意味著對(duì)電線(xiàn)積冰可能更好。同時(shí)，氣象站點(diǎn)觀測(cè)到凍雨只是一個(gè)點(diǎn)，即使對(duì)其進(jìn)行插值，其精細(xì)化的尺度顯然遠(yuǎn)弱于模式模擬的精細(xì)化分布。

3 結(jié)論

利用耦合了中尺度WRF模式的AWFA凍雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)發(fā)生在中國(guó)南方的3次凍雨事件進(jìn)行預(yù)報(bào)，通過(guò)TS評(píng)分對(duì)AWFA系統(tǒng)對(duì)中國(guó)地區(qū)凍雨預(yù)報(bào)能力進(jìn)行了評(píng)估，并根據(jù)其輸出的凍雨參數(shù)，用覆冰增長(zhǎng)模型對(duì)電線(xiàn)積冰厚度進(jìn)行了模擬，其具體結(jié)論如下。

(1)三次凍雨事件均由南下的冷空氣和北上的南方暖濕氣流在中國(guó)長(zhǎng)江中游地區(qū)相遇，在該地區(qū)形成了大片的逆溫區(qū)且導(dǎo)致地表溫度低于 0 ℃。逆溫、空中高液態(tài)含水量及地表溫度低于 0 ℃是關(guān)鍵的氣象因子，一次凍雨事件必須同時(shí)滿(mǎn)足上述三個(gè)的氣象條件。

(2)AFWA凍雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)測(cè)凍雨事件發(fā)生的范圍較實(shí)際觀測(cè)的區(qū)域偏大，也存在一定的漏報(bào)。每次凍雨事件預(yù)報(bào)效果不一，三次凍雨事件預(yù)報(bào)TS評(píng)分為0.30～0.63，平均TS評(píng)分為 0.45，高于其他模型，表明AFWA凍雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)在中國(guó)也有一定的預(yù)報(bào)能力。

(3)由 AWFA預(yù)報(bào)系統(tǒng)輸出的凍雨參數(shù)計(jì)算的電線(xiàn)積冰厚度與氣象站點(diǎn)觀測(cè)到凍雨密集區(qū)的范圍相當(dāng)吻合，對(duì)非常明顯的凍雨過(guò)程有非常好的預(yù)報(bào)能力且能夠獲得電線(xiàn)積冰厚度的精細(xì)化分布。

雖然AFWA凍雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)在中國(guó)有一定的預(yù)報(bào)能力，但其預(yù)報(bào)能力仍低于改進(jìn)Ramer參數(shù)化方案的結(jié)果。在未來(lái)的研究中，針對(duì)AFWA系統(tǒng)中涉及的云微物理量參量進(jìn)行本地化檢驗(yàn)。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)電線(xiàn)積冰厚度觀測(cè)資料的積累，進(jìn)而利用長(zhǎng)時(shí)段、高分辨率的氣象要素及云微物理量的觀測(cè)資料進(jìn)一步驗(yàn)證并完善AFWA凍雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)，期望能更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)電線(xiàn)積冰的發(fā)生。