淺析凍雨形成原因及輸電線路、樹木的預防方法_風聞

      哈爾濱這次冬雨帶來的各種惡劣影響還未完全解除，街道上還留存有不少因凍雨而墜斷的樹枝殘骸。上一篇文章主要是主觀感受，從一個哈爾濱孩子的感性角度出發做了一些分享，但作為一名在讀的工科博士生，光傳達自己的感受肯定是不夠的，所以文尾我預告了要做一點凍雨相關的調研，彙總後給大家一些相關知識的普及和參考。

1) 凍雨的形成機制、在我國分佈及預報

外國氣象學專家將凍雨的形成機理問題總結出兩種機制，一種為暖雨機制(雨滴的形成過程中，基本無冰相粒子參與)，主要是指雲滴通過碰並過程增長成雨滴，雨滴下落到過冷層後，成為過冷水滴，落到地面凍結。一種是經典的融化機制，雲中的雪花和冰晶形成(雲頂伸展到-10℃層以上)後，先下落到中層融化層變為雨滴，然後下落到過冷層成為過冷水滴，最後落到地面凍結，即所謂的“冰晶層一暖層一冷層”模式。

暖雨機制不太好理解，我查閲了專業詞彙，冰相粒子指一種介於冰和水之間的狀態，水分子之間存在氫鍵，在凝結時受各種因素的影響下會形成不同的微觀結構，現在被證明的冰相就有17種之多，2016年大連理工趙紀軍教授課題組理論上預言了第18種冰相。無冰相粒子參與指的是水分子大量以純液態形式存在，結合自己粗淺的理解，暖雨機制用大白話解釋就是雨滴下落到底面前都還是液態，落到地面才凍結。融化機制比較好理解水在雲層已經凝結成雪花和冰晶了，下落時融化了，落到地面二次凍結。

        國內研究員幾十年的研究成果也證明我國的凍雨行程也存在上述兩種機制，尤其是在西南地區。根據2008年1月至2010年4月全國常規地面觀測資料和探空資料可以總結出凍雨温濕結構特徵和形成的物理機制類型，發現我國北方地區的凍雨形成機制以經典的融化機制為主，而南方地區則兩種機制均存在，其中高海拔地區以暖雨機制為主。儘管各地區觀測站的觀測密度和觀測頻次不同，各地區凍雨天氣次數不方便直接比較，但還是可以看出凍雨天氣主要分佈在我國西南地區東部(主要是貴州省)、江南中西部和江淮西部，華南北部、華北地區、東北地區、西北地區東部以及新疆的西北部也有少量凍雨發生。

        貴州、湖南地處東亞較低緯度地區，主體位於南嶺以北、長江以南、橫斷山脈以東，山河縱橫，地形、地貌極其複雜;內有海拔平均不足200米，號稱方圓400千米的洞庭湖，又有高達2~3千米的大婁山和南嶺。同時，高原(雲貴高原)、丘陵及平川白西南向東北方向延仲，形成一個獨特的温差明顯的氣候變動帶。由於西南高、東北低的喇叭口地形，造成冬季冷空氣可以順喇叭口地形爬升到該地區，同時由於緯度較低，暖濕空氣北上也完全可以達到該地區的上空，恰在隆冬季節造成冷暖空氣交綏，形成了天氣學上有名的雲貴準靜止鋒和南嶺準靜止鋒。在這兩條準靜止鋒天氣系統的直接影響下，貴州湖南一帶形成常見的具有明顯地方性的凍雨天氣。

        預報方法過於專業，我就很難表述清楚了，基本邏輯大致是可以通過處理氣象觀測站的高空觀測樣本和地面觀測樣本里的各種數據來得出凍雨天氣的探空特徵。關於凍雨天氣的分類主要參考雲頂高度與主要參考雲頂高度與-10℃線高度的相對高度和中空是否有暖層，-10℃線高度是區分雲中是否有冰晶的關鍵閾值。雲中是否有暖層則是區分融化機制和暖雨機制的重要參考。凍雨的診斷預測方法還有很多，包括動力因子法和三步判別法。目前貴州冬季就經常有凍雨天氣的預警預報。

        凍雨天氣在全國範圍內不算特殊，但在哈爾濱這種較高緯度內陸城市較為罕見，黑龍江省氣候中心高級工程師李永生在接受記者採訪時表示，今年冬季大概率會冷於常年。不過，影響我省氣候的因素比較複雜，李永生介紹，“其實拉尼娜對我國南方地區影響相對明顯一些，而對於咱們中高緯度地區來説，可能更多的還是中高緯環流的影響。”希望南方地區各級政府和氣象部門重視起來，提前預防，不要像哈爾濱一樣打無準備之仗了，其次再次我還要感謝東北各地的電力從業人員，雖然前段時間的斷電事件導致了居民生活的各種不便，但是這次面對凍雨和雪災，你們真的是好樣的，晝夜不分、冒着風險的搶修輸電線路所有老百姓都看見了，和他們同樣值得尊重的是清雪的環衞工人，沒有你們每一個人的付出，居民生活不會恢復的如此迅速。

2) 輸電線路和園林樹木應該如何預防和減輕受凍雨災害造成的影響

無論是08年春運的南方雪災，還是現在的東北和哈爾濱。凍雨一旦發生，特別是持續時問較長時，必造成重大影響:交通事故多發、甚至癱瘓;電力、水利設施受到嚴重破壞或中斷;農林作物、牛羊等牲畜都會遭到嚴重凍害;部分房屋倒塌，造成人員傷亡等。

由凍雨引起的輸電線路事故類型主要有以下三種：

1. 線路覆冰過重，電線覆冰超過設計承重後，在超重和風壓增加的雙重打擊下會發生機械事故和電氣故障。輕則發生五金件損壞、導線斷裂、絕緣件損壞、電線短路，重則導致基礎下沉、杆塔折斷倒塌。

2. 線路覆冰舞動，就是這個舞動，我沒打錯字。覆冰的導線會在風力作用下隨風舞動。覆冰導線舞動會造成導線、絕緣件、五金件和杆塔的疲勞損傷，降低其機械強度和使用壽命。

3.絕緣子覆冰閃絡，閃絡指的是絕緣子周圍的導電介質被放電擊穿，閃絡時伴有火花、電弧，爆燃擊穿碳化絕緣子表面絕緣層。

以2008年南方雪災為例，冰災罕見地持續了20多天，其中相繼的4次大範圍凍雨過程之間的間隔非常短暫。覆冰厚度每天增加5-10 mm，湖南、江西、浙江等電網的輸電線覆冰厚度普遍超過30mm，局部地區達到80mm，引發舞動、脱冰跳躍、倒塔、斷線、覆冰閃絡等多種災情。單以湖南冰災為例，持續23天，500kV線路倒塔182基、變形82基、斷線159處；220 kV線路倒塔633基、變形203基、斷線241處；110 kV線路倒塔1427基、變形421基、斷線646處；110 kV及以上杆塔上的光纜斷纜和受損65條。隨着災情的發展，電網結構越來越薄弱，但凍雨不但越來越強，而且越來越難預測。除了大面積停電外，電氣鐵路中斷，輸油管線停運，通信線路中斷，上億人口受到影響。

南方雪災後各單位部門及個人針對電網的冰災防治展開了研究，對各種電網能面臨的覆冰情況做了調研和建模，繼而提出了融冰、除冰方法，以及再次面對特大雪災冰災時的搶救資源分配預案。具體方案可以大致總結為三個方面強化輸電線路、快速提前預警、優化資源配置。

與輸電線路同樣受凍雨影響最大的是各種樹木，倒塌的樹木又再次砸損了樹下停靠的車輛和路過的行人。如何治理樹木才能兼顧樹木的自然生長、城市的綠化美觀和極端天氣下的安全防治，最終達到各方面的統一和諧並且為2060年中國碳中和目標貢獻力量，我可以通過幾篇相關論文的觀點幫大家介紹一下努力的方向。

樹木的強度缺陷是引起樹木斷裂倒伏的內在原因，會大大增加其在冰雪壓力下破壞的幾率。植物在生長過程中會因為外界的不同刺激而產生一些特異性反應，例如風雪環境下生長的樹木會增生增粗來抵禦環境的影響，這種適應性響應被稱為向觸性形態發生(Thigmomorphogenesis)。但是向觸性形態發生也無法抵禦暴雪凍雨天氣、土地污染鹽鹼化沙化、行人踩踏導致的土地板結、不當剪枝、病蟲真菌侵害等極端情況。極端情況下會導致樹木各種缺失導致樹木強度的損失，當帶有損失的樹木再次面對冰雪災害就極易引發斷裂倒伏等情況發生，觀察後可以發現破壞的起始位置到部分位於樹木的原始缺陷處。所以鑑別樹木缺陷並提前保護是冰雪災害下的樹木預防重要手段。

不同的樹木會因為其固有的遺傳性狀存在不可逆的缺陷例如桉樹較脆風雪下容易斷裂，根淺、葉密的刺槐、楊樹相比根深、葉少的烏桕更易在風雪下斷裂倒伏，此外樹木常見的強度缺陷還有樹洞、腐朽、乾枯和裂紋，都會導致樹木整體強度降低。樹木的結構缺陷要分為嚴重偏冠、嚴重傾斜、分叉缺陷、枝粗幹細、大枝平延過長和裸根6類。以上的缺陷都可以通過專業的方法和工具進行檢測。對具有缺陷的樹木可以通過拉縴和支撐兩種方案進行強度加固。

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關於凍雨及凍雨影響下的輸電線路和樹木防治，我利用國內文獻能做的調研就大概是這麼多了，由於本專業和氣象、電力及樹木相關實在是不大，所以啃文獻的難度比較大，介紹的內容也一定會有很多不準確的地方，希望有專業人士能夠指正和補充，希望中國人防治極端天氣的手段越來越多，老百姓受災的情況越來越少，山河無恙。

[1]漆梁波.我國冬季凍雨和冰粒天氣的形成機制及預報着眼點[J].氣象,2012,38(07):769-778.

[2]高守亭,張昕,王瑾,杜小玲,鄧滌菲.貴州凍雨形成的環境場條件及其預報方法[J].大氣科學,2014,38(04):645-655.

[3]謝云云,薛禹勝,文福拴,董朝陽,趙俊華.冰災對輸電線故障率影響的時空評估[J].電力系統自動化,2013,37(18):32-41+98.

[4]田哲. 電網冰災防治及冰災風險評價技術研究[D].長沙理工大學,2013.

[5]吳貽軍. 風雪災害下樹木斷裂機制及風險評估與防護[D].安徽農業大學,2016.