陳科技，楊 程，康麗莉，張琳琳，陳賽慧

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，杭州 310014；2.浙江省氣象科學研究所，杭州 310008）

對浙江省電網(wǎng)大風災情統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)[1]，引起浙江省輸電線路發(fā)生跳閘事故的強風天氣主要有3類，分別是冬春季節(jié)的冷空氣大風、夏季的雷雨大風和臺風。在2012年7月之前收集的歷年大風造成的線路事故記錄有255條，其中臺風災害最多，有221條，占比達到86.7%，且造成損失最大，經(jīng)常出現(xiàn)成批倒塔事故[2]。因此防范臺風造成的電網(wǎng)事故次生災害異常重要。

盡管有大量的衛(wèi)星觀測資料，但由于技術(shù)因素，使得臺風的預報依然很難取得較理想的效果。臺風的預報主要分為路徑預報、強度預報和風雨預報3方面，國內(nèi)外學者對于路徑、強度和暴雨預報做過許多工作[3-6]，但對于臺風大風的研究相對較少。目前臺風大風的預報主要依靠數(shù)值預報，改善模式性能、提高模式初始場質(zhì)量對大風預報有一定改善效果[7-8]，但模式預報與實際監(jiān)測始終存在一定誤差，利用數(shù)值預報產(chǎn)品進行更好的釋用研究，進一步減小誤差水平，是一項很有意義的工作。

目前數(shù)值預報產(chǎn)品的釋用方法主要包括統(tǒng)計學釋用、天氣學釋用和人工智能釋用等。其中郝世峰等[9]基于極坐標系下的原始方程，考慮海面摩擦力，氣壓場按照藤田公式分布，給出了臺風的擾動對于風場影響的數(shù)學表達，并將該方法應用在個例中，結(jié)果顯示該方法對于改善登陸前的沿海風速預報具有一定價值。黃小剛等[10]在利用藤田公式進行研究時進一步考慮環(huán)境氣壓的影響，提出一種更為簡便地利用海平面氣壓計算臺風最大風速半徑的方法，該方法經(jīng)檢驗對于非對稱臺風最大風速半徑的計算影響較小。

本研究擬從電網(wǎng)臺風風災的特征研究出發(fā)，通過分析2015年之前影響浙江電網(wǎng)的5個臺風事故點的客觀環(huán)境，有針對性地對臺風風場預報技術(shù)進行改進修正，將前人研究方法與改進的藤田公式應用到風場動力釋用中，對臺風數(shù)值預報風場進行動力訂正，并應用到電網(wǎng)事故點，以期改善沿海輸電線路臺風次生災害的防范技術(shù)。

1 資料和方法

1.1 資料

本研究使用的主要數(shù)據(jù)包括：①由浙江省電力經(jīng)濟技術(shù)研究院提供的因熱帶氣旋受損的輸電線路桿塔經(jīng)緯度記錄，共5場。②浙江省快速同化更新模式資料，水平分辨率3 km，時間分辨率1 h；浙江省自動站監(jiān)測資料，時間分辨率1 h。③由美國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯(lián)合測量并于2003年發(fā)布的SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）地形高程數(shù)據(jù)，水平分辨率約90 m（3＂），垂直分辨率10 m分辨地形高程數(shù)據(jù)。表1為熱帶氣旋案例基本情況表。

表1 熱帶氣旋案例基本情況表

1.2 方法

1.2.1 風場動力釋用方法

以臺風中心為原點建立極坐標，則其內(nèi)部任一空氣質(zhì)點水平方程可表達為[11]

式中：v為風速；F為摩擦力；θ為摩擦力偏離風矢量反方向的夾角。

假設臺風質(zhì)點運動速度呈線性變化、海平面氣壓為圓形分布，并考慮臺風移動速度vs對氣旋曲率半徑r的影響[12]，規(guī)定逆時針方向為正，α為氣旋移向與質(zhì)點切線方向的夾角，可得

式中：dA、dr、dvs和dα分別為氣壓梯度擾動項、氣旋位置擾動項、氣旋移速擾動項和氣旋移向擾動項。在實際使用時，后3項可通過模式前幾個時次預報和實況差異的外推獲取，氣壓梯度擾動項則無法直接獲得，需要進一步估算。

整理后各擾動項在θ和r方向的數(shù)學表達如下

1.2.2 改進的氣壓梯度擾動項的計算

根據(jù)改進的藤田公式[10]

式中：P∞為環(huán)境氣壓；Pc為臺風中心氣壓；R為最大風速半徑；R∞為P=P∞時質(zhì)點與臺風中心的距離，即環(huán)境氣壓半徑。式（6）給出了整個臺風內(nèi)的氣壓分布形勢。

利用狀態(tài)方程可得A的表達

式中：Rd為質(zhì)點氣體常數(shù)；T為海溫。

式（6）對r求偏導數(shù)可得

將式（10）帶入式（7）即可估算出氣壓梯度的擾動項。

2 輸電線路臺風災害特征分析

根據(jù)本文所選5個臺風事故點位置與臺風路徑的空間配置（圖略）?？梢?個臺風個例發(fā)生的電網(wǎng)次生災害主要分布在臺風路徑的右側(cè)，這與臺風的氣旋性特征相關(guān)，由于北半球臺風呈現(xiàn)逆時針旋轉(zhuǎn)，致使臺風移動方向右前至左前象限的風速明顯大于其他象限。因此例如2013年的臺風“菲特”、2015年的臺風“蘇迪羅”等，雖然登陸點都在福建境內(nèi)，但造成的電網(wǎng)次生災害卻集中在浙南地區(qū)。為此下文擬應用1.2中的風場動力技術(shù)改進復雜地形下的臺風預報技術(shù)。

3 輸電線路臺風預報技術(shù)結(jié)果檢驗

本研究使用的個例為1808號超強臺風“瑪莉亞”，是2018年之后影響浙江電網(wǎng)最嚴重的臺風之一。該臺風于北京時間2018年7月4日20時在美國關(guān)島以東洋面生成，7月8日05時以超強臺風級出現(xiàn)在臺灣宜蘭縣東偏南的西北太平洋洋面上，于7月11日09時在福建連江黃岐半島登陸，登陸時中心最低氣壓960 hPa，近中心最大風力有14級（42 m/s）。盡管登陸地點偏南，但受其影響，浙南地區(qū)沿海洋面風力普遍有10到12級，東部沿海地區(qū)普遍出現(xiàn)9到10級大風。模式預報對臺風路徑的模擬較好（圖略），相對于實況路徑整體略微偏東南，登陸前平均誤差約30 km。

從11日09時的風速實況空間分布分析發(fā)現(xiàn)，由于臺風路徑預報登陸點偏東，實際09時預報臺風尚未登陸。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，09時登陸點附近出現(xiàn)約40 m/s的風速分布，由于此時臺風中心位置仍在洋面上，導致預報沿海風速（約30 m/s）相對實況明顯偏小，經(jīng)過動力釋用修正后雖然整體臺風位置仍位于海上，但是成功修正了登陸點附近預報風速偏小的現(xiàn)象，使得預報風速與實際較為吻合。內(nèi)陸地區(qū)經(jīng)過動力釋用后明顯偏大，這可能與該方法并未考慮近地面摩擦對臺風風場的影響有關(guān)。

進一步分析式（3）右端氣壓梯度、位置、移速和移向擾動4項的修正量。發(fā)現(xiàn)氣壓梯度擾動影響程度最大，因此對于風場的調(diào)整作用也最明顯，最大可調(diào)整近20 m/s。氣旋位置擾動對于風場調(diào)整也有一定影響，在臺風登陸點附近可調(diào)整風速約4 m/s。臺風的移速和移向在本研究中對風場的修正相對其他2項影響不大。

為了檢驗動力修正后預報風速的整體效果，選取溫州境內(nèi)天岱4P04線和七柳1999線微電力氣象站進行檢驗。圖1是兩站11日00時至23時24小時預報和監(jiān)測的時間序列圖。如圖1所示，從實況看天岱4P04線風速整體強于七柳1999線。在09時臺風登陸前，模式預報風速明顯偏小，經(jīng)過動力修正后的風速預報明顯向?qū)崨r靠近。但是在臺風登陸后動力修正的效果明顯下降，特別是在天岱4P04線13時之后，動力修正后的預報風速明顯偏大。這與式（2）中未考慮陸地下墊面特征有直接關(guān)系，也進一步證明藤田公式不適用于陸面氣壓的計算[9]。

圖1 不同預報方法風速變化時序圖

4 結(jié)論

本研究以電網(wǎng)臺風風災特征分析為起點，通過分析2015年之前影響浙江電網(wǎng)的5個臺風災情特征、輸電線路臺風風場預報改進技術(shù)，旨在改善沿海輸電線路抗風能力。將上述技術(shù)應用到實際個例中，形成下述結(jié)論：

（1）臺風對浙江電網(wǎng)次生災害的影響主要分布在臺風路徑的右側(cè)，即使臺風登陸點偏南，也可能造成浙江沿海電網(wǎng)事故的發(fā)生。

（2）將改進的藤田公式應用到風場動力釋用中，利用極坐標下原始方程可推導出臺風中心氣壓梯度、位置、移速和移向擾動對于風場的數(shù)學表達。

（3）通過對1808號超強臺風“瑪莉亞”登陸前后電網(wǎng)事故點附近風場修正結(jié)果顯示，經(jīng)過風場動力釋用調(diào)整后，在登陸點附近模式預報偏弱的風場分布特征得到明顯修正。修正后事故點附近預報結(jié)果與實況風速基本吻合。