摘要
输电线路覆冰灾害随气候变化日益频发，覆冰类型及其天气学成因的差异直接影响电网防冰减灾策略的制定。然而，同一线路在短时间内连续发生不同类型覆冰（如雨凇与混合凇）的机制尚不明确，现有研究多聚焦单一覆冰过程，缺乏对连续覆冰事件中天气系统转换与局地气象要素协同作用的系统分析。鉴于此，本研究以2023年12月安徽省南部山区输电线路连续两次覆冰事件为例，结合ERA5再分析数据、探空观测和覆冰厚度监测数据，揭示了雨凇与混合凇的成因差异及其消融机制。研究发现：第一次覆冰以雨凇为主，由贝加尔湖横槽南下冷空气与前期暖湿气流交汇形成逆温层，过冷水滴冻结导致覆冰（最大厚度为14.2 mm）；第二次覆冰以混合凇为主，因蒙古高压快速东移与西太平洋副高北抬引发整层低温（＜0 ℃）和暴雪天气，冰晶直接附着（最大厚度为24.5 mm，峰值增速为17.1 mm·h-1）。研究明确了逆温层存在与否是覆冰类型分异的关键，并发现太阳辐射与涡度场调整对消融的协同控制作用：两次消融均伴随净太阳辐射骤增与“高空正涡度-低层负涡度”的涡度场，但第二次事件因覆冰过厚发生自然脱落。垂直运动分析表明，雨凇形成依赖逆温层诱导的对流，而混合凇则与下沉气流及低层辐合密切相关。
Abstract
With the intensification of climate change,icing disasters on power transmission lines have become increasingly frequent,particularly in mountainous regions where complex topography amplifies micrometeorological variability.Icing poses a significant threat to grid stability and power supply security.Although substantial progress has been made in understanding individual icing events,the physical mechanisms governing the rapid succession of different icing types—such as glaze ice and mixed ice accretion—on the same transmission line remain insufficiently understood.This study analyzes two consecutive icing events that occurred in December 2023 in the mountainous region of southern Anhui Province,China.Using ERA5 reanalysis data,radiosonde soundings,surface weather station observations,and tower-based ice thickness monitoring,we investigate the atmospheric conditions,micrometeorological drivers,and ice evolution patterns associated with each event.Particular attention is given to the roles of temperature structure,vertical motion,solar radiation,and vorticity dynamics in the formation and ablation of ice,as well as to the interactions between synoptic-scale circulation and terrain-induced microclimates.
The first event,dominated by glaze ice,resulted from the southward intrusion of cold air from the Baikal trough interacting with a warm,moist air mass ahead,producing a pronounced temperature inversion.A warm layer at 700 hPa above a sub-zero layer below 800 hPa facilitated the formation of supercooled water droplets that froze on contact with the conductors,reaching a maximum thickness of 14.2 mm and a peak growth rate of 9.1 mm·h-1.In contrast,the second event was characterized by mixed ice accretion,driven by the eastward displacement of the Mongolian high and the northward extension of the western Pacific subtropical high.This circulation pattern produced a fully sub-zero temperature column and widespread snowfall,allowing both ice crystals and freezing droplets to adhere directly to the conductors,with a maximum thickness of 24.5 mm and a peak growth rate of 17.1 mm·h-1.The presence or absence of a temperature inversion was identified as the key factor distinguishing the two icing types.Both ablation phases coincided with sharp increases in net solar radiation and the development of a characteristic vorticity structure,with positive vorticity aloft and negative vorticity near the surface,which enhanced atmospheric stability and radiative melting.The second event also involved spontaneous ice shedding due to excessive accumulation,emphasizing the need for timely manual intervention in severe cases.Vertical motion analysis revealed that glaze ice formation was linked to inversion-induced convection,while mixed ice accretion was associated with downdrafts and low-level convergence.
These results demonstrate that small-scale differences in atmospheric structure and terrain can lead to substantial variations in icing behavior.The study provides new insight into the dynamics of multi-type,multi-stage icing events in complex terrain and highlights the limitations of relying solely on standard meteorological indicators for prediction.The findings underscore the importance of combining mesoscale circulation analysis with real-time surface observations and tower-based monitoring to improve early warning systems and optimize de-icing operations.Future research should focus on integrating high-resolution numerical modeling,real-time sensor networks,and intelligent image analysis systems to better capture terrain-induced icing variability,enhance icing-type classification,and support predictive maintenance in critical grid regions.Such advancements will be essential for strengthening grid resilience under a warming climate with more frequent extreme weather events.
随着全球气候变化的加剧，极端天气事件频发，如何科学应对已成为世界各国急需解决的重要问题。在电力系统中，输电线路的安全性和稳定性直接影响电力供应的可靠性，其安全稳定运行对保障社会经济活动至关重要。然而，恶劣的气象条件，尤其是在温度接近或者低于零摄氏度、环境湿度较高以及风速适宜的条件下，常常导致输电线路发生覆冰现象，严重影响电网的安全与稳定（龙立宏等，2006；霍志国等，2021；Zhou et al.，2024）。其中覆冰过程不但受到天气形势（北方寒潮和南方水汽）和微地形的控制，而且受到局地风速和液态水含量等多种微气象因素的影响（Cortinas et al.，2004；吴息等，2012；刘丹和牛生杰，2015；Schwarzwald and Lenssen，2022）。目前对于微地形区输电线路覆冰，其难点在于微气象灾害分析归类的不足、覆冰灾害等级划分标准的不统一，以及微地形区气象要素定量认识的缺乏（李大勇和李颖慧，2013；王志利等，2014；赵宏波等，2014；Zhang et al.，2020）。因此，研究覆冰过程期间的天气学成因及要素分布特征，讨论不同微地形下覆冰产生的机理，进而在减少经济损失和提高电力部门防冰减灾能力等方面提供支撑（Bendel and Paton，1981；Nygaard et al.，2013），具有十分重要的科学意义和实际应用价值。
随着覆冰事件逐渐严重，目前涌现了大量覆冰监测手段，主要分为人工观测、使用拉力传感器等设备间接测量以及图像识别三类方法（王黎明等，2013）。在观测初期主要使用传统的人工巡视监测方法，但该方法依赖于巡线人员对线路覆冰类型及覆冰厚度等信息进行经验判断和人工测量，具体实施难度较大、危险性较高。随着相关领域技术发展，一些间接测量的方法被应用到覆冰监测中，包括通过安装拉力传感器等额外装置来测量覆冰厚度的称重法（薛嘉和杨晓旭，2022）、利用导线的张力和倾角变化来监测覆冰情况的水平张力（倾角法）、通过监测导线的倾角和弧垂变化来判断覆冰状态的倾角（弧垂法）、通过测量导线的应力变化来评估覆冰厚度的应力测量法（程声烽，2019）。这些方法通过监测与覆冰相关的物理量变化（如导线拉力、倾角、弧垂等）来间接捕捉覆冰过程，虽可以实时获取覆冰厚度，但难以对覆冰的类型进行识别，在实际应用中存在一定的局限性。近年来，图像识别的方法通过在杆塔或其他监测设施上安装图像采集设备，实时采集和分析覆冰图像来判断线路的覆冰状态（冯智慧，2022；许胜贤，2024），结合相关算法得到覆冰厚度（燕正亮等，2020）并判断覆冰类型，具有较高的直观性和便捷性，但对于单一的覆冰图像，难以进行准确判断识别。随着安徽电力科学研究院在安徽地区易覆冰输电线路上安装大量的“观冰精灵”，已经实现对输电线路覆冰照片的实时采集。基于安徽省易覆冰杆塔的气象要素观测数据及多角度影像资料，本研究对输电线路覆冰增长-消融全过程进行了动态解析。
输电线路覆冰的类型主要包括雨凇、雾凇和混合凇，其中雾凇通常出现在我国北方地区以及江南中北部及其以北地区，且北方冬春季的覆冰发生频率较高（李文静等，2019；王帅等，2024）。雨凇则主要出现在南方地区（汪卫平等，2020；Zhou et al.，2025），主要集中在贵州省，特别是在云贵川三省交界处，湖南和安徽等地也偶有发生（赵珊珊等，2010）。在南方冬季降水时，气温往往接近0℃，易出现降水相态的转换（余金龙等，2017），从而形成逆温层（He et al.，2024），导致雨凇的发生。关于雨凇的形成，已有大量研究聚焦于中国南方冰冻雨雪的成因。孙晓娟等（2022）探讨了大气环流、水汽输送、局地气象要素以及涡度变化等方面的因素；王奇等（2021）研究发现覆冰受到准静止锋的影响；大尺度环流特征方面，在两槽一脊（刘军臣等，1999）、南支槽（柴灏等，2023）、乌拉尔阻塞高压型、小槽发展型、横槽型和低槽东移型（彭艳等，2010）等天气环流下均有覆冰发生。特别是在乌拉尔山高压脊强烈发展的情况下，冷空气被引导至南方，暖湿气流带来水汽，逆温层稳定存在，这些条件共同作用导致了雨凇的形成（丁一汇等，2008；Li and Gu，2010；Zuo et al.，2016）。雾凇的形成通常伴随寒潮发生，其形成受相对湿度、风速和地形等局地因素的影响（丁国香等，2018）。在我国中东部地区，寒潮期间的强北风和偏强南风交替，是导致持续冰冻雨雪灾害的关键因素。此外，涡度作为描述大气旋转运动的重要物理量，其变化直接反映了气旋、反气旋和冷暖气流交汇对大气稳定性和降水过程的影响，低层正涡度和高空负涡度的交替变化直接影响了冷空气和湿气的输送，为覆冰的形成和消融提供了关键的气象机制。除了受天气环流的影响，雾凇的形成受地形特征的影响尤为显著，尤其在地形复杂的山区，高低起伏的地形使得雾凇的分布产生较为明显的位置和厚度差异（李文静等，2019）。国外关于冰冻雨雪灾害的研究同样表明，大尺度环流系统是影响冰冻雨雪事件形成和分布的关键因素。在加拿大马尼托巴省，冻雨和湿雪事件主要受温带气旋、500 hPa槽等大尺度系统的控制（Tropea and Stewart，2021）。Stewart et al.（2015）研究发现，在冬季降水类型的形成机制中，暖锋环流和冷输送带等大尺度气流提供了基础条件，而融化层与冷层温度配置、粒子碰撞过程及地形强迫作用则共同决定了覆冰的关键物理过程。在欧洲地区，研究证实海平面气压模式与大尺度环流对冻雨的空间分布及季节变化具有决定性影响（Doan et al.，2021）。特别在东欧冻雨高频区，其覆冰特征不仅受西伯利亚高压等环流系统主导，还受到海陆热力差异和地形特征的综合调制，从而形成了独特的时空分布格局（Kämäräinen et al.，2017）。然而，现有研究多集中于单一覆冰过程的分析，对于雨凇和雾凇在同一线路上连续发生机制的研究则较为薄弱。在这种连续的覆冰过程中，两次不同覆冰类型有着不同的天气形势且间隔时间较短，能在短时间内完成第一次覆冰的消融和第二次覆冰的产生。因此，对两次或者多次不同连续覆冰过程的研究，可进一步加深对输电线路复杂天气学过程的理解。
此外，不同微地形、微气象条件也会导致覆冰的类型和厚度出现差异。例如，垭口地区会由于狭管效应导致气压增大、风速陡增（高雁和杨靖波，2015；何相奎等，2020）。迎风坡可使每个山脊位置的局部降水增加2~3倍，从而增强冻结过程（Colle et al.，2008）。分水岭地形对冷暖气团具有明显阻挡作用（赵栋等，2016），使得局地发生对流运动，从而产生覆冰。稳定的低温气流流经湿度较大的水汽增大型地区时，便会形成线路的不均匀覆冰（陆佳政等，2013；李琪冉，2020；吴建蓉等，2023）。目前由于复杂山区输电线路气象观测次数较少，该方面的研究仍显不足。因此，本研究拟聚焦于安徽省南部复杂山区，重点分析2023年12月发生的连续两次覆冰事件，以探讨两次覆冰事件的天气学成因及局地气象要素差异。本研究拟利用不同高度层的位势高度场和风场分析天气系统、槽脊分布、高低压配置等，结合水汽输送条件和垂直运动特征得到两次覆冰事件的天气学成因，同时分析覆冰杆塔与附近国家站的温度、风速、湿度等局地气象要素特征，揭示不同类型覆冰发生的局地气象要素变化差异，探索影响覆冰类型转换的关键因素，以得到安徽南部地区的覆冰类型差异性和厚度差异性的特征。
1 资料与方法
1.1 研究区概况
安徽省地势是西南高、东北低，处于亚热带季风气候区，冬季（特别是12月到次年2月的寒冷时期）气温较低，常出现雨夹雪或冰冻降水天气。冬季湿度较大，加上受强冷空气的影响，空气湿润且温度接近冰点，容易形成覆冰。安徽省地形复杂，山区和丘陵地带受冷空气积聚作用影响，低洼地带的气温较低，湿气积聚，加剧了冰冻现象的发生。长江、淮河横贯省境，将全省划分为淮北平原、江淮丘陵和皖南山区三大自然区域。淮北平原地势低平，低温持续期长，主要形成低密度雾凇；江淮丘陵因地形起伏和逆温层作用，易形成混合凇；皖南山区丘陵山谷交错，地形起伏较大，受海拔和地形抬升影响严重，雨凇与混合凇并存。本研究主要选取皖南山区，这种地形分布对电力输送具有较大挑战。此外，安徽省冬季昼夜温差较大，白天气温回升后，夜间迅速下降，进一步促进了覆冰形成。图1为研究区概况图，以皖南地区覆冰监测杆塔A（海拔高度为326 m）为核心，选取其周边15~42 km范围内4个国家气象站（58420、58423、58427、58428）和1个探空站构成观测网络。站点海拔梯度显著（11~626 m），空间分布呈以杆塔A为中心的扇形格局，其中58427站距离最近（距离15 km，海拔高度为12 m），探空站距离最远（距离41.6 km，海拔高度为11 m），58423站海拔最高（距离29.8 km，海拔高度为626 m）。本研究中的高程数据来自ASTGTMv003（ASTER全球数字海拔模型第3版），是由NASA和日本经济产业省联合开发的高分辨率全球数字高程数据（https://www.earthdata.nasa.gov/data/catalog/lpcloud-astgtm-003）（分辨率为30 m），选取范围为115°~120°E、29°~35°N。行政边界数据来自国家地理信息公共服务平台“天地图”（https://cloudcenter.tianditu.gov.cn/administrativeDivision），审图号为GS（2024）0650号。
图1研究区概况
Fig.1Overview of the research area
1.2 覆冰厚度数据
本研究以安徽省南部地区出现连续两次覆冰过程中的一座800 kV特高压输电线路杆塔为典型案例。输电线路覆冰厚度数据来自安徽省电力科学研究院部署的输电线路覆冰观测系统提供的输电线路图像。对输电线路覆冰图像的连续时间序列分析可获得这两次输电线路覆冰过程的覆冰厚度与覆冰类型（图2a），其中，覆冰类型通过目视解译并结合天气过程来判断，覆冰厚度采用等值覆冰厚度。等值覆冰厚度是将不同密度、不同形状的覆冰统一换算为密度为0.9 g·cm-3的均匀裹覆在导线、地线表面且截面呈环状的覆冰厚度，采用长短径计算方法，图2b为长短径示意图（王天舒，2020）。输电线路覆冰厚度的计算涉及多个参数，包括覆冰密度、覆冰长径、覆冰短径、覆冰半径以及覆冰附着物半径等。覆冰密度是指单位体积冰的质量，会受到温度、湿度、风速等气象条件的影响。本研究使用的覆冰密度参考范围由安徽省电力科学研究院提供，如表1所示。覆冰长径a是描述输电线路覆冰形态的一个参数，它是指覆冰图形的最大长度。覆冰短径b指覆冰图形的最短直径，这个参数与覆冰长径一起，构成了覆冰形态的尺寸描述。覆冰半径r是描述输电线路覆冰程度的一个关键参数，通常是指导线或者输电线路元件上冰层的半径大小，直接影响线路的负载能力、弧垂变化以及导线间的间距。由覆冰长、短径计算标准冰厚的公式为：
(1)
其中：b0为等值覆冰厚度（单位：mm）；r为覆冰半径（单位：mm）；ρ为覆冰密度（单位：g·cm-3），其范围如表1所示；a为覆冰长径（含导线）（单位：mm）；b为覆冰短径（含导线）（单位：mm）。
Fig.2(a) Photograph of the ice accumulation on a transmission line (red areas indicate ice-covered sections) . (b) Schematic diagram of line lengths and diameters (adapted from Wang（2020) ）
表1覆冰密度范围
Table1Range of ice cover densities
图3a为第一次覆冰过程中杆塔监测的雨凇图像，图中导线上的冰层透明、坚实、附着力强。图3b为第二次覆冰过程中混合凇的图像，图中导线上附着乳白色冰晶，质地疏松，结合时间序列的变化可以判断为混合凇。图3c为根据覆冰图像获得的覆冰厚度变化。它揭示了2023年12月13—23日安徽输电线路覆冰演变的完整过程，呈现两次典型的覆冰-消融循环。第一次覆冰过程主要发生在15—17日，主要由冻雨天气形成，覆冰类型以雨凇为主。此次过程最大覆冰厚度达到14.2 mm，最大增长速度达9.1 mm·h-1。第二次过程（18—21日）则因暴雪产生混合凇，最大厚度达24.5 mm，并出现覆冰脱落再生现象（再生增速为17.1 mm·h-1）。每个完整覆冰过程均呈现出明显的三阶段特征：水汽汇聚阶段以及降温覆冰阶段；消融阶段。其中，第二次覆冰过程由于冷暖空气交汇而变得更加强烈，表现出更为复杂的相变特征。
1.3 ERA5数据
本研究用于分析两次连续覆冰过程的大尺度环流与水汽输送的数据来自欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium Range Weather Forecasts，ECMWF）发布的ERA5逐小时再分析资料，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h，涉及的变量有位势高度（单位：gpm）、温度（单位：℃）、相对湿度（单位：%）、比湿（单位：g·g-1）、风速（单位：m·s-1）、垂直速度（单位：Pa·s-1）等。500 hPa位势高度场反映了中层大气的整体流动情况，槽脊的移动能够揭示大气环流的变化。这一层的低压槽通常与冷空气的入侵有关，当低压槽在某一地区形成时，冷空气将随之下降至地面，造成气温骤降，从而为覆冰的形成提供了必要的低温环境条件。与此同时，850 hPa高度层作为低层大气的重要层次，对水汽输送和降水过程至关重要。本研究通过分析850 hPa位势高度场和风场，评估了冷空气与水汽的交互作用是如何影响覆冰发生的。在雨凇和混合凇的覆冰过程中，700 hPa的相对湿度场和水汽通量变化将直接影响降水类型及强度，进而影响覆冰的厚度和分布。
图3（a）第一次覆冰过程雨凇图片; （b）第二次覆冰过程混合凇图片; （c）覆冰厚度随时间的变化（蓝色实线为覆冰厚度随时间变化曲线（单位：mm）；红色虚线为两次覆冰的时间范围）
Fig.3(a) Photograph of glaze ice during the first icing process. (b) Photograph of mixed rime ice during the second icing process. (c) Temporal variation in ice thickness.The blue solid line represents changes in ice thickness over time (units:mm) , and the red dotted line indicates the time periods of the two icing events
1.4 局地气象要素数据
为探究局地气象要素对覆冰厚度的影响，本研究使用2023年12月13—22日MICAPS4国家级气象站的站点数据，包括风速、温度、相对湿度、天气现象。在此基础上，结合安徽省电力部门覆冰监测系统搭载的气象观测仪器获取的风速、气温、相对湿度数据，进一步提升了数据的准确性和时效性。太阳辐射数据采用ERA5逐小时再分析资料（分辨率0.25°×0.25°）的地表净太阳辐射（surface net solar radiation）。地表净太阳辐射是指经过地球大气层后到达地表的太阳辐射减去地表向大气散射和反射的辐射部分，其直接决定了地表的热量输入，影响地表温度变化，进而对覆冰的形成与融化过程产生重要影响。在气温接近零摄氏度的情况下，地表净太阳辐射的变化可以显著影响冰层的厚度和稳定性。
1.5 探空数据
为研究输电线路覆冰发生时该区域的大气层结特征，本研究使用安庆气象站的探空数据进行分析。2023年12月的探空数据提供了该地区大气垂直结构的详细观测信息，包括温度、湿度、气压和风速等关键气象参数，数据的时间分辨率为1 h。其中，温度以℃为单位，数据记录了大气中不同高度的温度变化。
1.6 水汽通量与涡度
水汽通量定义为单位时间内，流经与水平风向成垂直的单位面积（水平距离ΔL=1 cm，垂直距离Δp=1 hPa）的水汽量（单位：g）。它表示水平的水汽通量强度。在强降水发生前，通常在其上风方（上游方向）存在较强的水汽通量带，它为暴雨区输送了大量的水汽。其计算公式为：
(2)
式中：g为重力加速度；q为比湿；V为风速。水汽通量是一个向量，风向即为其方向（单位：g·s-1·cm-1·hPa-1）。
涡度（ξ）是流体力学和气象学中一个非常重要的概念，用于描述流体（或大气）中的旋转运动，常用于分析大气环流、天气系统的发展和演变。涡度作为描述大气旋转特性的重要物理量，能够有效反映气旋和反气旋的生成、发展与移动过程。它的计算公式为：
(3)
其中：u是纬向风（东向为正，西向为负）；v是经向风（北向为正，南向为负）; x和y分别表示东西方向和南北方向的距离。对比涡度与天气系统（如气旋、反气旋、锋面等）的分布可得到涡度在天气系统演变中的特征。例如，气旋中心通常对应较高的正涡度值，而反气旋中心则对应负涡度值。此外，利用涡度的垂直输送来分析对流活动的触发机制，可探讨其在强对流等天气过程中的作用。
2 结果分析
2.1 大气环流对两次覆冰过程的影响
图4给出了500 hPa位势高度场在覆冰事件关键阶段的演变过程：1）第一次覆冰前兆阶段（12—14日）；2）第一次覆冰发生阶段（15—16日）；3）两次覆冰间歇期（17—18日）；4）第二次覆冰增长阶段（18—19日）；5）第二次消融阶段（20日之后）。 12—14日，我国东北地区受弱高压脊控制，同时贝加尔湖地区有小槽东移发展。伴随西太平洋副热带高压的强盛发展，大量海洋水汽被输送至南方地区。小槽在移动过程中逐渐增强为深厚低压槽，并完成由纬向型向经向型的转变，促使冷空气南下，引发显著降温。17日，乌拉尔山以西的低压槽持续东移发展，高压脊向贝加尔湖地区移动。18日，随着高压脊东移和东亚大槽加深，形成了典型的“两槽一脊”环流形势。这种配置导致欧亚大陆出现“北高南低”的位势高度场分布，有利于东西伯利亚冷空气持续稳定地向中国南方输送。槽后脊前的偏北气流成为冷空气南下的主要通道。与此同时，活跃的南支槽和低空西南急流促使南海和孟加拉湾的水汽持续北上。冷暖气团在安徽地区交汇，形成降水并导致第二次覆冰。20日后，“两槽一脊”环流形势发生调整，高压脊减弱东移。随着冷空气完全南下和暖湿气流耗尽，覆冰过程最终结束。
图42023年12月14—21日（a—h）08时（北京时，下同）500 hPa位势高度场（单位：gpm; 绿色标记处为覆冰位置；黑色箭矢为合成风，单位：m·s-1）
Fig.4（a—h) 500 hPa geopotential height field at 08:00 BST from 14 to 21 December 2023 (units:gpm) .The green marker indicates the icing location, and black arrows represent the composite wind field (units:m·s-1)
图5给出了850 hPa位势高度场在整个覆冰过程中的演变特征及其对天气系统的影响。在第一次覆冰前兆阶段（12—14日），西太平洋副热带高压系统持续将大量暖湿气流输送至安徽上空，同时东北冷涡逐渐东移。15—16日，随着东北冷涡东移入海，第一轮冷空气南下，安徽地区位于锋区前沿，北方干冷空气与滞留的暖湿空气交汇导致急剧降温并产生降雨，过冷水滴的形成直接引发了电线积冰。16—17日，阻塞高压南下并消散，安徽地区转为受高压控制，大气层结稳定，天气转晴，促使覆冰逐渐消融。18—19日，西太平洋副高持续向安徽输送暖湿气流，贝加尔湖地区发展的蒙古高压向东南移动，引导第二轮冷空气南下。虽然主锋区位于朝鲜半岛附近，但安徽地区处于冷暖平流交替影响的过渡带，强烈的雨雪天气和大雾条件共同导致了第二次覆冰的形成。从动力机制来看，第一次覆冰主要源于冷空气南下与前期积聚的暖湿气流相遇；而第二次覆冰则是在区域基础温度已降低的背景下，由持续的冷暖空气交汇所引发。20—21日，随着高压系统东移南下，冷空气完全占据主导地位，覆冰过程最终结束。这一系列天气系统演变过程充分体现了高低空环流配置对覆冰形成的关键控制作用。
图52023年12月14—21日（a—h）08时850 hPa位势高度场（单位：gpm; 绿色标记处为覆冰位置；黑色箭矢为合成风，单位：m·s-1）
Fig.5（a—h) 850 hPa geopotential height field at 08:00 BST from 14 to 21 December 2023 (units:gpm) .The green marker indicates the icing location, and black arrows represent the composite wind field (units:m·s-1)
图6给出了700 hPa水汽通量与相对湿度在覆冰关键阶段的分布特征。在第一次覆冰前兆阶段（12—14日），皖南地区维持较高相对湿度，特别是14日观测到了显著的水汽通量高值区，大量水汽经安徽地区输送，为后续覆冰形成提供了充足的水汽条件。进入覆冰增长阶段（15日），随着冷空气占据主导，水汽通量明显减弱。至17日间歇期，该区域出现了明显干区，水汽输送中断，晴朗天气和强太阳辐射共同促使覆冰消融。值得注意的是，17日晚间开始出现暖湿气流的向北输送。在第二次覆冰增长阶段（18—19日），皖南地区再次出现高相对湿度区，水汽条件显著改善。这一阶段的水汽输送与相对湿度分布特征与第一次覆冰前兆阶段相似，但强度更大、范围更广。待21日覆冰完全消融后，区域相对湿度显著降低，重新转为干区特征。这种水汽条件的阶段性变化与覆冰过程的形成、发展和消亡表现出良好的对应关系，特别是水汽通量的强弱变化直接影响了覆冰的相态转变过程。
图62023年12月14—21日（a—h）08时700 hPa相对湿度（阴影，单位：%）与水汽通量（绿色标记处为覆冰位置；红色箭矢为水汽通量，单位：g·s-1·cm-1·hPa-1）
Fig.6（a—h) 700 hPa relative humidity （shaded areas, units:%） and water vapor flux at 08:00 BST from 14 to 21 December 2023.Green markers indicate the location of icing, and red arrows show water vapor fluxes (units:g·s-1·cm-1·hPa-1)
2.2 局地气象要素对覆冰厚度的影响
图7对比分析了覆冰杆塔实时观测数据与周边国家气象站的风速、温度和相对湿度观测结果。在两次覆冰过程中，气象要素表现出显著差异：第一次覆冰期间（15日起），风速呈现明显上升趋势，伴随强对流活动，气温骤降至0℃以下并出现降水，形成典型的雨凇；而第二次覆冰过程的温度与风速相对稳定，但是湿度上升迅速，以降雪天气为主，均匀的风速条件更有利于混合凇的形成。观测数据显示，第一次覆冰前兆阶段维持高湿度环境（相对湿度≥90%），充足的水汽条件为覆冰形成奠定了基础；17日干冷空气侵入导致湿度下降，促使覆冰消融。相比之下，第二次覆冰过程的湿度上升更为迅速，缺乏明显的前期积累阶段。综合分析表明，当杆塔周边环境温度处于-5~0℃、相对湿度≥90%、风速约为2 m·s-1时，最易发生覆冰。对比这两次过程可发现，雨凇形成需要更强的风速条件，而混合凇则对持续高湿度环境更为敏感。
表2为两次覆冰增长过程的部分气象参数。由表2可见，两次覆冰过程呈现显著差异。第一次覆冰过程最大厚度达14.2 mm，平均气温为-3.5℃、最高气温为-1.7℃的温度条件配合98.1%的相对湿度，形成了过冷水滴快速冻结的有利环境，8.4 h的连续低温时长和-0.23℃·h-1的降温速率共同促成了雨凇的快速累积。第二次覆冰过程最大厚度达24.8 mm，平均-4.7℃的持续低温（最高气温始终低于-3℃阈值）与92.6%的高湿构成了冰晶沉积主导条件，16.9 h的超长低温持续期和0.6 m·s-1的平均风速（极大风速为1.5 m·s-1）为覆冰持续增长提供了有利条件。
图72023年12月13—22日的温度（a; 单位：℃）、风速（b; 单位：m·s-1）、相对湿度（c; 单位：%）变化曲线（黑色曲线为杆塔记录数据，蓝色曲线为覆冰厚度，其余为国家站记录数据
Fig.7Temporal variation in (a) temperature (units:℃) , (b) wind speed (units:m·s-1) , (c) relative humidity (units:%) , and ice thickness from 13 to 22 December 2023.Black lines represent data recorded at the pole tower, blue lines indicate ice thickness, and the rest represent data from the national stations
表2两次覆冰增长过程的部分气象参数
Table2Selected meteorological parameters during the two icing events
图8给出了地表净太阳辐射（surface net solar radiation）在覆冰过程中的变化特征及其对覆冰消融的影响机制。观测数据显示，15日覆冰发生时净太阳辐射显著降低，反映出持续的阴雨天气导致太阳辐射减弱，这一条件有利于覆冰的形成和维持。在随后的消融阶段（16—17日），净太阳辐射呈现明显的上升趋势，尽管气温变化不大，但增强的太阳辐射成为驱动第一次覆冰消融的主要能量来源。第二次覆冰期间（18—19日），净太阳辐射再次降至低值，与强雨雪天气过程相吻合。21—22日辐射强度快速回升，此时冷高压控制下的晴朗天气提供了充足的日照条件，高强度的太阳辐射与稳定的天气系统共同作用，促使第二次覆冰进入快速消融阶段。这一观测结果初步体现了太阳辐射在覆冰消融过程中的作用：当净太阳辐射持续低于200 W·m-2时，有利于覆冰维持，而超过300 W·m-2的辐射强度则能有效加速覆冰消融。
2.3 两次覆冰过程的垂直运动对比
图9给出了两次覆冰过程的温度探空曲线（探空站数据）。图9a为2023年12月15日12时（第一次覆冰发生期间）的探空数据。它显示，800 hPa以下中低层温度均低于0℃，而在接近700 hPa的对流层中层出现了明显的逆温层（温度＞0℃）。这种温度垂直分布导致高层冰晶和雪花下落时，先经过暖层融化为液态水滴，随后在近地面冷层中形成过冷却水滴，当这些过冷却水滴与低于0℃的输电线路接触时即发生冻结，形成典型的雨凇覆冰。图9b为2023年12月19日12时（第二次覆冰期间）的探空曲线。它显示，从地表至对流层高层整层大气温度均低于0℃，形成了深厚的低温等温层结构。这种热力特征表明冷空气已完全占据主导地位，其中700 hPa附近温度维持在-8℃左右，配合高湿条件（相对湿度≥90%），为过冷水滴的持续存在提供了理想环境。在这种整层低温的配置下，水汽主要通过直接凝华过程增长，导致形成白色疏松的混合凇。与浅层低温结构相比，深厚的等温冷层结合同期稳定的冷高压天气形势和适中的风速条件，这种热力-动力配置共同促进了混合凇的高效增长。两次过程的探空特征差异直观解释了覆冰类型的不同：第一次为典型的“暖-冷”层结导致的雨凇；第二次为全层低温条件下的混合凇。
图10a—d分别给出了15日12时、19日12时温度的垂直剖面以及14日08时、18日08时的相对湿度的垂直剖面（ERA5数据）。14日，覆冰区域低层为高湿环境，积聚了大量水汽。15日，覆冰区域南边有暖湿空气进入安徽上空，北边有干冷空气进入安徽低空，由此产生了强烈的对流运动和降水活动。图中红色表示暖平流，黑色表示冷平流，冷暖气流交汇，存在大量的垂直运动，进而导致冻雨产生。此时存在明显的大气逆温层结，有一个较明显的逆温层，形成了冷-暖-冷的逆温结构。云层高于暖层，云中产生的冰晶在降落地面的过程中，经过暖层加热融化为水滴，再由低层冷层冷却形成过冷水滴，降落到表面后冻结，形成雨凇。18日，低层相对湿度较低，天气晴朗，太阳辐射强烈，覆冰快速融化。19日，第二次覆冰发生时，冷空气已占据主导，与前期输送的暖湿空气相遇，迅速凝结降温，造成了整个覆冰区域的大范围降雪天气，同时低温与高湿度的环境使得混合凇快速增长。
图82023年12月13—22日的地表净太阳辐射变化曲线（蓝色曲线为覆冰厚度；黑色曲线为该杆塔处地表净太阳辐射，单位：W·m-2）
Fig.8Temporal variation in surface net solar radiation and ice thickness from 13 to 22 December 2023.The blue curve indicates ice thickness, and the black curve shows net solar radiation at the tower (units:W·m-2)
图92023年12月15日12时（a）与19日12时（b）的温度探空曲线（蓝色为温度探空曲线，单位：℃；红色为0℃线；数据来源为气象探空站）
Fig.9Temperature sounding profiles at 12:00 BST on (a) 15 December 2023 and (b) 19 December 2023.Blue lines indicate temperature sounding curves (units:℃) , and red lines denote the 0℃ isotherm.Data are from radiosonde observations
图102023年12月15日12时（a）与19日12时（b）的温度垂直剖面（单位：℃；a中红色空心箭头为暖平流，黑色空心箭头为冷平流）；2023年12月14日08时（c）与18日08时（d）的相对湿度垂直剖面（单位：%）；黑色箭矢为v和w合成风（单位：m·s-1），w放大至20倍；红色直线为覆冰位置纬度线，黑色阴影为地形剖面；数据来源为ERA5逐小时再分析资料
Fig.10Vertical temperature profiles at 12:00 BST on (a) 15 December 2023 and (b) 19 December 2023 (units:℃) . Red hollow arrows indicate warm advection, and black hollow arrows indicate cold advection; Vertical profiles of relative humidity at (c) 08:00 BST on December 14, 2023 and (d) 08:00 BST on December 18, 2023 (units: %) . Black arrows represent the composite wind of v and w components (unit: m·s-1) , with the w component magnified 20 times. The red line indicates the latitude line of the icing location, and the black shading denotes the topographic profile. Data source: ERA5 hourly reanalysis dataset
图11为2023年12月13—23日期间不同气压层的涡度变化情况。图中蓝色区域代表正涡度，指示该区域大气中存在逆时针旋转的气旋性运动，而白色区域代表负涡度，表明存在顺时针旋转的反气旋性运动。在15日覆冰开始时，低层（900~1 000 hPa）出现正涡度，受低压系统影响，伴随冷空气南下或湿度增加。高空（200~500 hPa）负涡度增强，高空冷空气侵入，导致近地面温度降低，有利于过冷水凝结。低层水汽充足且气温接近0℃时，发生冻雨过程，形成覆冰。至16日，覆冰增长，低层正涡度继续维持，冷湿空气依然存在，为覆冰提供了有利条件。高空涡度变化明显，正负涡度交替出现，冷暖气流交汇进一步增强。由于风速和气流辐合作用，水汽不断输送至该地区，使覆冰加剧。17日覆冰消融，高空正涡度显著增强，高空槽东移，导致冷空气减弱，气温回升。同时低层风场调整，暖湿空气输送增强，冰层逐渐融化。18日晚，第二次覆冰过程开始，高空负涡度增强，高空冷槽再次加强，为地面冷却创造了条件，低层（800~1 000 hPa）正涡度重新发展，冷空气回流，地面受新一轮冷空气影响。21日后，高空（200~500 hPa）大范围正涡度逐渐加强，高空槽东移，带来较强的下沉气流，大气稳定度增强。下沉气流导致大气增温，同时抑制水汽输送，地面冷却效应减弱，导致覆冰开始消融。21日前低层（800~1 000 hPa）正涡度较强，有低压或气旋活动，有利于水汽凝结，促进覆冰形成。21日后，低层正涡度开始减弱，部分转换为负涡度，地面受到高压或西风带控制，低层气旋性抬升运动被抑制，冷空气势力减弱，温度回升，水汽供应减少，导致覆冰消融。从涡度演变来看，覆冰的形成主要受低层冷湿空气侵入、高空冷槽影响以及地表冷却的共同作用，而消融过程则与高空正涡度加强等因素有关。
3 讨论
探究这两次不同类型的覆冰过程对进一步了解覆冰的机理与天气过程至关重要，丰富了连续时间发生不同类型覆冰的相关研究，为理解不同类型覆冰增长过程提供了新视角。本研究以2023年12月安徽省南部地区两次连续的覆冰事件为研究对象，从短时间内两次不同类型覆冰过程的差异化特征角度出发，对比了大气环流、水汽输送、垂直运动以及局地要素的差异性。不同于以往研究聚焦于一次输电线路覆冰过程（柴灏等，2023）或者两次相同类型的输电线路覆冰过程（王奇等，2021），本研究更加关注在同一条线路上连续两次天气过程发生不同覆冰类型的原因。
图112023年12月13—23日的涡度时间剖面（蓝色代表正涡度，白色代表负涡度，单位：10-6 s-1；红色虚线为覆冰时间范围；数据来源为ERA5逐小时再分析资料）
Fig.11Vorticity time series from 13 to 23 December 2023.Positive vorticity is shaded in blue and negative vorticity in white (units:10-6 s-1) .The red dotted line marks the periods of the two icing events.Data source:ERA5 hourly reanalysis dataset
图12为两次覆冰过程的示意图，其中高空为500 hPa位势高度场，影响这两次输电线路覆冰过程的主要环流形势分别为阻塞高压与两槽一脊。过往研究表明，阻塞高压与两槽一脊的环流形势都使得冷空气扩散南下与暖湿气流相遇，从而引发雨雪天气，导致覆冰的发生。这与本研究显示的稳定的大气环流形势是导致安徽地区这两次严重覆冰过程的重要原因相一致（刘军臣等，1999；马明亮和张国庆，2007；朱君等，2011；柴灏等，2023）。例如，对河南1951—1980年电线积冰气候特征的研究表明，阻塞高压建立后，亚洲中高纬为东西向低压带区，中纬度环流平直，贝加尔湖向西有横槽，不断分裂小槽东移，带动冷空气扩散南下，青藏高原到孟加拉湾东部盛行西南气流，使得雨凇形成并维持（刘军臣等，1999）。在云贵高原的一次大范围覆冰过程中，两槽一脊的稳定环流形势促使了雨凇+雾凇的覆冰类型发生（柴灏等，2023）。贵州2008—2011年电线积冰资料显示，低温雨雪天气的大气环流形势通常呈西高东低、两槽一脊分布（朱君等，2011）。在青海东部一次积冰过程中，500 hPa欧亚环流形势为两槽一脊型，地面图上冷空气分两股进入青海东部并相遇，从而形成降水（马明亮和张国庆，2007）。
在第一次覆冰阶段，较高的相对湿度和降水相态的变化促进了雨凇的形成，而风速的变化则加速了冰层的形成和增长。这与覆冰过程中的气象条件一致（霍治国等，2021），特别是在温度接近0℃的情况下，过冷水滴的积累迅速形成了覆冰。在第二次覆冰过程中，尽管风速变化不大，但较高的湿度与持续的低温环境为混合凇提供了适宜的条件，且降雪的强度更大，导致了覆冰厚度的急剧增加（Colle et al.，2008；高雁和杨靖波，2015；赵栋等，2016；何相奎等，2020）。此外，以往的研究发现，太阳辐射在覆冰消融过程中起决定性作用，晴朗天气时较强的太阳辐射促进了覆冰的快速融化（Zheng et al.，2024）。在第一次覆冰消融阶段，这一现象进一步印证了日照在覆冰过程中的关键影响。这两次覆冰过程最大的区别在于雨凇发生时存在一个逆温层，图12在第一次覆冰过程中，逆温层顶为冰晶雪花，经过暖层加热融化，又在地表冻结为过冷水滴。这与以往有关逆温层的研究相符合，如1980—2004年贵阳出现的雨雪冰冻天气，850~700 hPa多有逆温层出现，700 hPa附近存在较暖大气层（何玉龙等，2007）。2008—2011年贵州电线积冰期间存在锋面逆温，逆温层厚度为500~1 000 m，逆温层底较低，多在1 500 m以内，逆温层抬高后积冰开始融化（李登文等，2011；朱君等，2011）。而后续发生的混合凇过程中并无逆温层。研究表明，在湿度大的地区，一般先出现雾凇，再出现雨凇，随着雾、雨的产生，导线增加了捕获大气中悬浮过冷却雾滴和水滴的面积，导线上堆积的冰不断增加，冰将导线包裹起来，在风和一定温湿条件下如果不融化脱落，就形成了混合凇（中国气象局，2016）。在本研究的第二次覆冰过程中，图像显示的雾凇特征较清晰，能较明显地发现雨雪交替天气，且湿度条件较高，第二次覆冰过程符合混合凇的形成过程。安徽地区易发生雨凇与混合凇，这可能与其独特的地理位置与气候条件有关，因此在后续的研究中需要考虑更多影响因素。
图12第一次（a）和第二次（b）覆冰过程概念图
Fig.12Conceptual diagrams of (a) the first and (b) the second icing processes
此外，对覆冰数据集的研究发现，该地区不仅存在同一条线路发生两次不同类型的覆冰，也存在同一次天气过程中，不同线路发生不同类型覆冰的情况。因此，未来研究可通过高分辨率的数值模拟结果来分析微地形对覆冰的影响（包括覆冰厚度与覆冰类型），对比同一次过程中不同线路发生不同类型覆冰的特点，以深入探讨微地形对输电线路覆冰的影响，从而进一步加深对安徽地区输电线路不同类型覆冰机理的理解。
4 结论
1）本研究聚焦2023年12月安徽省南部山区输电线路连续两次覆冰事件，通过对比分析大尺度环流、局地气象要素及垂直运动特征，揭示了不同类型覆冰的成因差异与消融机制。两次覆冰事件在天气学成因上呈现明显差别。第一次覆冰过程以雨凇为主，前期水汽充足（12月12—14日），与贝加尔湖横槽南下冷空气在逆温层（800 hPa 以下为冷层、700 hPa为暖层）内交汇；低层正涡度与高空负涡度交替，持续引入冷湿空气。第二次覆冰过程以混合凇为主，在持续低温基础上（-4~-3℃），蒙古高压东移与西太平洋副热带高压北抬导致冷暖气流强烈汇合，暴雪与大雾并发，覆冰更厚（最大厚度达24.5 mm）。
2）在两次覆冰过程局地要素的研究中发现，当杆塔周边环境温度处于-5~0℃、相对湿度≥90%、风速约为2 m·s-1时，最易发生覆冰。雨凇形成需要更强的风速条件，而混合凇则对持续高湿度环境更为敏感。两次消融均发生在辐射增温与环流相对稳定期：第一次（12月16—17日）冷高压控制下晴空辐射增强，快速融冰；第二次（12月20日后）亦依赖辐射升温，但因覆冰过厚出现自然脱落。两次消融阶段均伴随高空正涡度增强、低层负涡度发展。
3）第一次覆冰过程中逆温层触发的垂直对流使高层融化—再过冷成滴，利于雨凇附着；第二次覆冰过程中强下沉气流与低层辐合加速冷暖湿空气混合，降雪加强，快速形成混合凇。探空显示第二次事件低层整层 ＜0℃抑制相态转换，促成冰晶直接固态附着，逆温层与整层低温是两次覆冰类型差异的关键。在未来的安徽地区输电线路覆冰研究中，应结合天气学成因，进一步加深对不同类型覆冰成因的了解，为电网安全运维提供决策依据。
