北京市怀柔区气象台副台长 石鑫
国网河南省电力公司电力科学研究院高级工程师 梁允
黑龙江省黑河市气象局科技服务中心主任 赵山山
甘肃省酒泉市热力有限责任公司总经理 徐海明
编者按：凛冬至，朔风起。供暖季能源保供工作，新能源汽车低温环境适应性等话题再度引发世人关注。面对冬季寒潮低温天气的影响，供暖系统如何保障？电力系统面临哪些挑战？满街跑的新能源汽车能否适应高寒考验？本期科普看台带您一探究竟关乎民生冷暖的天气与能源相关话题。
风雪肆虐，电力线路如何应对覆冰舞动？
在恶劣的严寒天气下，雨雪冰冻和大风降温让高山峻岭中的电力线路和铁塔，摇身变为“山舞银蛇”——导线覆冰舞动，造成线路跳闸及电压不稳等情况，严重时会引发倒杆、断线，进而导致停电。
造成“电力瘫痪”的“罪魁祸首”与气象条件有何关系？成因有哪些气象因素？不同地区的覆冰舞动又有何不同？
电网安全运行的“覆冰顽疾”
晶莹剔透的冰凌雪花，镶嵌在草木山石之上，覆冰积雪是一种自然之美，但对输电线路而言，却是灾害。“覆冰是当前影响电网安全最严重的威胁之一。”国网河南省电力公司电力科学研究院高级工程师梁允说。
当气温在冰点以下时，雪或雨等水性物质与输电线表面接触，产生冻结并层层裹覆，最终形成线路覆冰，较为常见的便是雨凇、雾凇。
严冬或初春季节，当气温下降至－5℃至0℃，风速为3米／秒至15米／秒时，如遇大雾或毛毛雨，会在电线上形成雨凇，这时如果气温再升高，雨凇则开始融化，如天气继续转晴，则覆冰过程停止。“若此时天气骤然变冷，出现雨雪天气，冻雨和雪则在黏结强度较高的雨凇面上迅速增长，形成较厚的冰层。”北京市怀柔区气象台副台长石鑫介绍，如温度继续下降至－15℃至－8℃，原有冰层外会积覆雾凇。
“如果雨雪天气过程中出现冻雨，线路覆冰概率将会大大提高。”梁允强调，且覆冰厚度与冻雨的持续时间成正比。
雨凇一般发生在低海拔地区，环境温度接近冰点，冻雨伴随大风，积冰透明，在输电线路上的黏附力强，冰的密度比较高，但持续时间一般较短。而雾凇通常在极低的温度与风速较小情况下形成，覆冰白色不透明，在输电线路上的黏附力较弱。
图为输电线覆冰 国网河南省电力公司电力科学研究院供图
那么，覆冰厚度与电线直径有何关系？“输电线直径越小，其覆冰厚度增长越快。”梁允解释，在相同覆冰环境下，不同型号输电线路覆冰厚度随时间增长的关系有差异。这是因为输电线直径越大，其迎风面截面积增大，从流体力学角度出发，气流的黏滞力使小水滴偏离输电线路的加速度垂直来流方向的分量增大，偏离运动距离增大，因此小水滴对输电线的碰撞率减小，即输电线捕获水滴的概率减小，导致覆冰较少。
随风“舞动”的覆冰电线
“覆冰舞动”可理解为架空输电线路导线发生偏心覆冰后，在风的激励下，其形态上下翻飞，形如龙舞。具体而言，风对非圆截面输电线路会产生一种低频（约为0.1Hz至3Hz）、大振幅的输电线路自激振动，最大振幅可以达到输电线路直径的5倍至300倍。舞动多发生在冬春季节偏心覆冰的输电线路上，振动峰值最大可达10米。其中，雨凇是输电线路覆冰舞动最具威胁性的天气。
为什么会产生“舞动”？首先，线路上要有覆冰，且覆冰还不能太厚，通常观测到易舞动的覆冰厚度为3毫米至10毫米，风向要与输电线路的走向夹角大于45°。
可见，覆冰与舞动有一定关系。具体而言，影响输电线路舞动发生的覆冰因素主要体现在覆冰类型和形状上，包括覆冰偏心度、覆冰重量和覆冰空气动力特性等。“重覆冰区域发生舞动的概率很低。”梁允解释，因为一旦重覆冰区域线路开始结冰，增长较快，达到一定程度后无论风再怎么吹，都不会发生舞动。
在传统认知中，公众普遍认为山区覆冰舞动更为严重，但是实际上不是这样。在丘陵山区、丘陵地区向平原地区过渡地带，以及平原地区更容易发生舞动，这是因为山区更易形成重覆冰，反而不会发生舞动。
“风的激励会直接导致舞动发生，导线舞动时风速一般在4米／秒至25米／秒。”石鑫介绍，风向与线路走向的夹角越大越容易发生舞动，易发生覆冰且风速较大的地区更易发生舞动。
除覆冰舞动外，输电线路覆冰还会造成线路静载过载、脱冰跳跃等。
亮出防冰融冰科技利器
气候变化影响着电力系统的升级转型，同时，电力系统的转型也愈发依赖精准的气象数据分析。
“根据观测区域发生覆冰的历史数据与气象数据，我们绘制有30年、50年和100年一遇的覆冰区域分布图，并定期更新覆冰区域分布图和舞动区域分布图。”梁允说。
输电线路在设计建设时，会考虑覆冰承载力。不同地区的输电线路，设计的覆冰承载力不一样。以河南为例，西部三门峡、南部信阳设计的覆冰承载力比其他地区高，正常覆冰承载力为10毫米，高覆冰危险区域会提升至15毫米，甚至更高。
对于输电线路的覆冰舞动问题，电力部门不断强化监测、预测和融冰等科技手段，及时采取措施进行清理和修复，以保障电力供应的稳定和安全——
依靠安装在线路或铁塔上的在线监测装置，包括微气象监测装置、拉力传感器、全光纤监测装置等，综合利用多种类监测装置对线路覆冰进行综合监测，为覆冰监测再添“利器”。
综合利用数值天气预报结果、线路本体参数和线路所处地理位置等信息，构建线路覆冰预测模型，实现未来一段时间的覆冰预测，并与覆冰监测技术综合利用。
主流的融冰技术是直流融冰，通过对线路施加直流电压使线路末端短路，引发导线发热实现融冰，避免输电线路倒杆断线。（刘倩 陈争 单瑞娟 沈越婷 商泽扬 李雅洁）
寒潮来袭，供热系统如何调节？
近期，随着寒潮来袭，低温、雨雪、冰冻等灾害天气接踵而至，对供热系统造成了一定的影响。记者走进北京市顺义区城市管理委员会，以及甘肃省酒泉市热力有限责任公司，了解寒潮天气与供热系统之间的关系。
寒潮天气最明显的特征就是气温低，且比当地平日冬季的平均气温更低。在这种情况下，供热出水温度升高，使得供热系统负荷增大，持续高负荷运转对供热系统稳定性产生一定影响，有可能导致供暖设备出现故障和管道损坏，且部分顶层楼层有可能不易达到最低供暖温度。与此同时，寒潮所带来的雨雪天气会对交通造成不便，致使燃煤运输受阻，价格成本上升。
对于近期偶有发生的暖气管炸裂是否与寒潮天气有关等问题，甘肃省酒泉市热力有限责任公司总经理徐海明分析认为，在寒冷天气下，供热出水的温度较高，此时管道会升温升压，温差增大，导致管道的局部膨胀，可能出现管道变形等情况。如果管道建设年代长，一些老化管道就可能发生炸裂。此外，在低温天气下，部分居民楼道管道容易冻结，水循环不流畅，也可能造成管道冻裂。
面对如此低温，为保证广大人民的保暖需求，供热方面该如何调整和应对？事实上，供热的强度主要受用户端的室温决定。室温20℃至22℃为居民体感的最舒适温度，最低不低于18℃。而房屋室内的散热量大小，与室外温度等环境因素有很大关系。为了补偿房屋室内的散热量，保持室温的相对稳定，供热系统会根据需要供给适合的热量。“当室外温度降低，供给的热量就增多，相反室外温度升高，供给的热量就随之减少。”徐海明介绍道。因此，供热企业会根据天气变化、室外温度、面积大小及流量等计算出所需的热负荷，制定相应的调控方案，及时进行精准调控。在降温前，提前上调供热温度，待天气升温后，下调供热温度，避免出现室温忽冷忽热的现象，从而保持室温恒定、舒适。
图为大龙供热工作人员检查锅炉运行情况 北京市顺义区融媒体中心供图
倘若室外气温持续下降，供热强度会一直持续上升吗？对此，记者从顺义区城市管理委了解到，如超出供热系统设计能力，市民家中室温就会随着室外温度的降低而降低了。例如北京，根据《GB50736－2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》附录A《室外空气计算参数》表A中的“室外计算温、湿度”规定，房屋供热系统建设设计时的最低保障室外温度是－7.6℃。如果室外温度低于这个温度，基于供热系统安全运行的考虑，室内供热强度将达到上限。工作人员表示：“在极端寒潮天气期间，供热单位会在保障供热系统安全运行的条件下，按照供热系统可能达到的最大能力持续运行。”
供热公司能够及时调节供热强度，还少不了气象部门提供的支撑。对此，相关工作人员表示，供暖开始和结束的日期是由多部门会商，并根据天气预报来确定的。特别是遇到寒潮、强降温、降雪等天气过程时，需要气象部门提前预报降温幅度和持续时长、降雪量等信息；针对冬季安全稳定供热，气象部门可提供分区10天逐日、7天逐小时精细化预报产品和技术支撑，实现对能源供应量和气象要素关系的实时分析。同时，通过对未来24小时至48小时室外温度预测，以及未来7天或15天极端天气气象预测，可提前做出供热强度调整。（于桐 李斌年 虞海燕）
逐冷而行，汽车如何经受寒区考验？
雪广场、冰广场，ABS跑道、高速扬雪跑道、环湖跑道、操稳跑道、标准坡道、冰直道、冰雪环形道……1月8日至10日，黑龙江省黑河市迎来了2023—2024年度寒区试车节，40余种不同类型的场地上，一辆辆贴着彩色车衣的测试车在不同驾驶条件试验区内漂移、旋转、弯道加速，开展汽车性能高寒测试。
图为黑龙江省黑河市试车节现场 黑龙江省记者站供图
寒区汽车试验是汽车环境适应性试验中的重要组成部分。在高寒天气下监测整车、系统及零部件在极限载荷下的情况，是进行汽车性能标定、整车适应性和耐久性验证的主要手段，进而针对测试结果优化车辆性能。随着新能源车辆的不断兴起，其冬季续航能力也成为讨论热点，如今，来黑河做质检的新能源车辆已超过六成。
从1989年一汽集团的解放卡车率先在黑河开启寒区汽车测试至今，黑河俨然成为我国高寒区汽车测试的“金字招牌”。这得益于黑河得天独厚的气候地理条件——黑河地处中纬度高寒区，严寒持续时期长、冰雪覆盖地域广，路面结冰期长达200天以上，最低气温在－45℃左右，同时冬季大风天数少，当地干线基础设施完善，沿线地形平坦，对于车企来说气象条件和生活条件都是再方便不过的。
黑龙江省黑河市气象局科技服务中心主任赵山山介绍，每年11月中旬至来年3月中旬是黑河的火热“试车季”，天气因素对于试车至关重要。一般在气温降至－20℃以下时，适宜开展冷启动项目，而－25℃至－30℃是较为理想的低温环境；而冰雪环境测试对积雪深度和冰层厚度同样也有一定的要求。
黑河西沟汽车测试有限责任公司业务经理齐忠辉介绍，降雪量多，才能有足够积雪以设置不同硬度试验跑道；当积雪不够时，则需要开展人工造雪来满足路面测试需求。当江面冰层厚度达到80厘米以上时，低附着力的冰雪路面便成为测试车辆底盘、电子设备的最好选择。例如ABS等底盘刹车辅助功能和牵引力控制系统的好坏，都是在冰雪路面测试出来的。齐忠辉说，寒地试车离不开气象部门专业的预报和预测服务。每年9至10月，车企就会开始制定冬季试车计划，这就需要冬季气候预测作为依据，合理安排相关人员和流程；具体的操作则需要短期预报进行指导，每天的天气情况，也是试车需要记录参考的重要数据。针对试车企业需求，黑河市气象部门除提供冬季预测信息外，还会根据试车具体内容提供详细的预报服务。
近日，黑龙江省黑河寒区试车节开幕，参加高寒测试的汽车汇聚于此。于福庆 摄影
目前，黑河已成立12家寒区试验企业、21个试验基地、24个专属试验基地，120多条性能路。在试车场、公路、省道、国道加密建设气象站，并纳入当地“十四五”规划中；黑河市气象局还与相关车企签署合作协议，探索在应用智慧气象理念与黑河市试车产业融合发展方面的合作，为提升黑河市“寒地试车”品牌影响力赋能。（张艺博）
