浅析冻雨形成原因及输电线路、树木的预防方法

      哈尔滨这次冬雨带来的各种恶劣影响还未完全解除，街道上还留存有不少因冻雨而坠断的树枝残骸。上一篇文章主要是主观感受，从一个哈尔滨孩子的感性角度出发做了一些分享，但作为一名在读的工科博士生，光传达自己的感受肯定是不够的，所以文尾我预告了要做一点冻雨相关的调研，汇总后给大家一些相关知识的普及和参考。

1)       冻雨的形成机制、在我国分布及预报

外国气象学专家将冻雨的形成机理问题总结出两种机制，一种为暖雨机制(雨滴的形成过程中，基本无冰相粒子参与)，主要是指云滴通过碰并过程增长成雨滴，雨滴下落到过冷层后，成为过冷水滴，落到地面冻结。一种是经典的融化机制，云中的雪花和冰晶形成(云顶伸展到-10℃层以上)后，先下落到中层融化层变为雨滴，然后下落到过冷层成为过冷水滴，最后落到地面冻结，即所谓的“冰晶层一暖层一冷层”模式。

暖雨机制不太好理解，我查阅了专业词汇，冰相粒子指一种介于冰和水之间的状态，水分子之间存在氢键，在凝结时受各种因素的影响下会形成不同的微观结构，现在被证明的冰相就有17种之多，2016年大连理工赵纪军教授课题组理论上预言了第18种冰相。无冰相粒子参与指的是水分子大量以纯液态形式存在，结合自己粗浅的理解，暖雨机制用大白话解释就是雨滴下落到底面前都还是液态，落到地面才冻结。融化机制比较好理解水在云层已经凝结成雪花和冰晶了，下落时融化了，落到地面二次冻结。

        国内研究员几十年的研究成果也证明我国的冻雨行程也存在上述两种机制，尤其是在西南地区。根据2008年1月至2010年4月全国常规地面观测资料和探空资料可以总结出冻雨温湿结构特征和形成的物理机制类型，发现我国北方地区的冻雨形成机制以经典的融化机制为主，而南方地区则两种机制均存在，其中高海拔地区以暖雨机制为主。尽管各地区观测站的观测密度和观测频次不同，各地区冻雨天气次数不方便直接比较，但还是可以看出冻雨天气主要分布在我国西南地区东部(主要是贵州省)、江南中西部和江淮西部，华南北部、华北地区、东北地区、西北地区东部以及新疆的西北部也有少量冻雨发生。

        贵州、湖南地处东亚较低纬度地区，主体位于南岭以北、长江以南、横断山脉以东，山河纵横，地形、地貌极其复杂;内有海拔平均不足200米，号称方圆400千米的洞庭湖，又有高达2~3千米的大娄山和南岭。同时，高原(云贵高原)、丘陵及平川白西南向东北方向延仲，形成一个独特的温差明显的气候变动带。由于西南高、东北低的喇叭口地形，造成冬季冷空气可以顺喇叭口地形爬升到该地区，同时由于纬度较低，暖湿空气北上也完全可以达到该地区的上空，恰在隆冬季节造成冷暖空气交绥，形成了天气学上有名的云贵准静止锋和南岭准静止锋。在这两条准静止锋天气系统的直接影响下，贵州湖南一带形成常见的具有明显地方性的冻雨天气。

        预报方法过于专业，我就很难表述清楚了，基本逻辑大致是可以通过处理气象观测站的高空观测样本和地面观测样本里的各种数据来得出冻雨天气的探空特征。关于冻雨天气的分类主要参考云顶高度与主要参考云顶高度与-10℃线高度的相对高度和中空是否有暖层，-10℃线高度是区分云中是否有冰晶的关键阈值。云中是否有暖层则是区分融化机制和暖雨机制的重要参考。冻雨的诊断预测方法还有很多，包括动力因子法和三步判别法。目前贵州冬季就经常有冻雨天气的预警预报。

        冻雨天气在全国范围内不算特殊，但在哈尔滨这种较高纬度内陆城市较为罕见，黑龙江省气候中心高级工程师李永生在接受记者采访时表示，今年冬季大概率会冷于常年。不过，影响我省气候的因素比较复杂，李永生介绍，“其实拉尼娜对我国南方地区影响相对明显一些，而对于咱们中高纬度地区来说，可能更多的还是中高纬环流的影响。”希望南方地区各级政府和气象部门重视起来，提前预防，不要像哈尔滨一样打无准备之仗了，其次再次我还要感谢东北各地的电力从业人员，虽然前段时间的断电事件导致了居民生活的各种不便，但是这次面对冻雨和雪灾，你们真的是好样的，昼夜不分、冒着风险的抢修输电线路所有老百姓都看见了，和他们同样值得尊重的是清雪的环卫工人，没有你们每一个人的付出，居民生活不会恢复的如此迅速。

2)       输电线路和园林树木应该如何预防和减轻受冻雨灾害造成的影响

无论是08年春运的南方雪灾，还是现在的东北和哈尔滨。冻雨一旦发生，特别是持续时问较长时，必造成重大影响:交通事故多发、甚至瘫痪;电力、水利设施受到严重破坏或中断;农林作物、牛羊等牲畜都会遭到严重冻害;部分房屋倒塌，造成人员伤亡等。

由冻雨引起的输电线路事故类型主要有以下三种：

1. 线路覆冰过重，电线覆冰超过设计承重后，在超重和风压增加的双重打击下会发生机械事故和电气故障。轻则发生五金件损坏、导线断裂、绝缘件损坏、电线短路，重则导致基础下沉、杆塔折断倒塌。

2. 线路覆冰舞动，就是这个舞动，我没打错字。覆冰的导线会在风力作用下随风舞动。覆冰导线舞动会造成导线、绝缘件、五金件和杆塔的疲劳损伤，降低其机械强度和使用寿命。

3.绝缘子覆冰闪络，闪络指的是绝缘子周围的导电介质被放电击穿，闪络时伴有火花、电弧，爆燃击穿碳化绝缘子表面绝缘层。

以2008年南方雪灾为例，冰灾罕见地持续了20多天，其中相继的4次大范围冻雨过程之间的间隔非常短暂。覆冰厚度每天增加5-10 mm，湖南、江西、浙江等电网的输电线覆冰厚度普遍超过30mm，局部地区达到80mm，引发舞动、脱冰跳跃、倒塔、断线、覆冰闪络等多种灾情。单以湖南冰灾为例，持续23天，500kV线路倒塔182基、变形82基、断线159处；220 kV线路倒塔633基、变形203基、断线241处；110 kV线路倒塔1427基、变形421基、断线646处；110 kV及以上杆塔上的光缆断缆和受损65条。随着灾情的发展，电网结构越来越薄弱，但冻雨不但越来越强，而且越来越难预测。除了大面积停电外，电气铁路中断，输油管线停运，通信线路中断，上亿人口受到影响。

南方雪灾后各单位部门及个人针对电网的冰灾防治展开了研究，对各种电网能面临的覆冰情况做了调研和建模，继而提出了融冰、除冰方法，以及再次面对特大雪灾冰灾时的抢救资源分配预案。具体方案可以大致总结为三个方面强化输电线路、快速提前预警、优化资源配置。

与输电线路同样受冻雨影响最大的是各种树木，倒塌的树木又再次砸损了树下停靠的车辆和路过的行人。如何治理树木才能兼顾树木的自然生长、城市的绿化美观和极端天气下的安全防治，最终达到各方面的统一和谐并且为2060年中国碳中和目标贡献力量，我可以通过几篇相关论文的观点帮大家介绍一下努力的方向。

树木的强度缺陷是引起树木断裂倒伏的内在原因，会大大增加其在冰雪压力下破坏的几率。植物在生长过程中会因为外界的不同刺激而产生一些特异性反应，例如风雪环境下生长的树木会增生增粗来抵御环境的影响，这种适应性响应被称为向触性形态发生(Thigmomorphogenesis)。但是向触性形态发生也无法抵御暴雪冻雨天气、土地污染盐碱化沙化、行人踩踏导致的土地板结、不当剪枝、病虫真菌侵害等极端情况。极端情况下会导致树木各种缺失导致树木强度的损失，当带有损失的树木再次面对冰雪灾害就极易引发断裂倒伏等情况发生，观察后可以发现破坏的起始位置到部分位于树木的原始缺陷处。所以鉴别树木缺陷并提前保护是冰雪灾害下的树木预防重要手段。

不同的树木会因为其固有的遗传性状存在不可逆的缺陷例如桉树较脆风雪下容易断裂，根浅、叶密的刺槐、杨树相比根深、叶少的乌桕更易在风雪下断裂倒伏，此外树木常见的强度缺陷还有树洞、腐朽、干枯和裂纹，都会导致树木整体强度降低。树木的结构缺陷要分为严重偏冠、严重倾斜、分叉缺陷、枝粗干细、大枝平延过长和裸根6类。以上的缺陷都可以通过专业的方法和工具进行检测。对具有缺陷的树木可以通过拉纤和支撑两种方案进行强度加固。

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关于冻雨及冻雨影响下的输电线路和树木防治，我利用国内文献能做的调研就大概是这么多了，由于本专业和气象、电力及树木相关实在是不大，所以啃文献的难度比较大，介绍的内容也一定会有很多不准确的地方，希望有专业人士能够指正和补充，希望中国人防治极端天气的手段越来越多，老百姓受灾的情况越来越少，山河无恙。

[1]漆梁波.我国冬季冻雨和冰粒天气的形成机制及预报着眼点[J].气象,2012,38(07):769-778.

[2]高守亭,张昕,王瑾,杜小玲,邓涤菲.贵州冻雨形成的环境场条件及其预报方法[J].大气科学,2014,38(04):645-655.

[3]谢云云,薛禹胜,文福拴,董朝阳,赵俊华.冰灾对输电线故障率影响的时空评估[J].电力系统自动化,2013,37(18):32-41+98.

[4]田哲. 电网冰灾防治及冰灾风险评价技术研究[D].长沙理工大学,2013.

[5]吴贻军. 风雪灾害下树木断裂机制及风险评估与防护[D].安徽农业大学,2016.