（大气物理学与大气环境专业论文）南方电线积冰观测及模式研究.pdf

摘要 电线积冰灾害给国民经济带来损失，为了研究电线积冰微物理结构，准确预报电线积 冰，此次观测深入海拔1 7 2 2 m 的积冰高发区湖北恩施，使用高时间分辨率仪器雾滴谱仪、 雨滴谱仪和自动气象站，对2 0 0 9 i 2 0 0 9 3 观测到的两次积冰过程、2 0 0 9 1 2 2 0 1 0 1 年观测 到的三次积冰过程进行了连续观测，获取了丰富的资料。本文分析了这五次积冰过程的气 象特征、微物理特征，并建立积冰模式，进行敏感性试验，模拟积冰厚度和积冰重量。主 要结论如下： ( 1 ) 根据本次观测资料，得到电线积冰发生的气象条件是：气温7 加，风速2 l o m s ， 相对湿度9 0 以上；其中- 4 o 5 的气温区间，3 7 m s 的风速区间，是积冰高发的气象条 件。当气温、风速条件适合积冰形成时，降水能够触发积冰的形成机制，但降水必须为小 雨或者小雪，且一小时内的降水小于2 m m 。 ( 2 ) 电线积冰发生时空气中液滴的微物理特征为： 雾凇型和雨凇型积冰的雾滴谱都是双峰型，湿雪型积冰的雾滴谱为单峰型。雾 凇型积冰的平均雾滴m v d 为1 2j 皿，平均含水量为o 1 9 m 3 ；雨凇型积冰的平均 雾滴g v d 为2 0 a m ，平均含水量为0 2 5 9 m 3 ；湿雪型积冰的平均雾滴m v d 为1 8 徊，平均含水量为o 1 8 9 m 3 。 雨凇型和湿雪型积冰的降水粒子谱都是单峰型，但雨凇型积冰的降水粒子数浓 度小于湿雪型积冰，且体积中值直径也小于后者。其中，雨凇型积冰的雨滴平 均数浓度为3 3 5 6 c m 3 ，平均含水量o 1 9 m 3 ：湿雪型积冰的降水粒子平均数浓 度为1 5 0 2 1 c m 3 ，平均含水量0 1 s g m 3 。 ( 3 ) 各种因子对积冰的影响： 在1 0 l 的范围内，气温较低时电线积冰增长速度快，但最大积冰重量低于 较高气温时的积冰重量；气温越接近o ，积冰越重。 积冰最先在电线迎风面形成，且迎风面的积冰最厚；当风向与电线走向垂直时， 积冰最重：风向与积冰平行时，积冰最轻；在5 2 0 m s 的范围内，较低风速 下的积冰增长速度快，但风速为l o m s 时，形成的积冰重量最大。 电线直径与积冰厚度的关系是：在同样条件下，粗电线上的积冰厚度小于细电 线的积冰厚度。 在浓雾和小雨天气下，液滴尺度越大，越有利于积冰，因此雨搬型积冰大于雾 凇型积冰。湿雪型积冰由于积冰中存在空隙，冰密度较低，并由于积冰厚度增 长较快，容易坍塌。因此，即使湿雪的液滴尺度大于雨滴，湿雪型积冰也一般 小于雨凇型积冰。 ( 4 ) 根据流体力学和热力学理论建立电线积冰模式，模拟积冰重量和积冰厚度，效果 良好。将使用m a k k o n e n & s t a l l a a b r a s s 密度公式的积冰模式与使用实测冰密度的积冰模式 模拟结果对比，发现m a k k o n e n & s t a l l a a b r a s s 密度公式模拟湿雪型积冰的效果较差。因此， 在电线积冰模式中冰密度的准确度直接影响模式的预报效果，如果冰密度准确度较高则模 式模拟效果良好，反之则否。 关键词：电线积冰模式，积冰重量，积冰厚度，雾滴谱，降水粒子谱 n a b s t r a c t i c i n go nw i r e sc a u s el a r g ee c o n o m i cc o s t s ，i no r d e rt os t u d yt h em i e r o p h y s i c a ls t r u c t u r eo f w i r ei c i n ga n df o r e c a s ta c c u r a t e l y , t h eo b s e r v a t i o n sw a ss e tu pa th i 曲i n c i d e n c eo fi c ea c c r e t i o n 17 2 2 ma l t i t u d ei ne n s h i ，h u b e ip r o v i n c e b a s e do nt h eo b s e r v a t i o n sf r o mt h ea u t o m a t i c m e t c o r o l o g i c a ls e n s o r , t h ef o gm o n i t o ra n dp a r s i v e ld i s d r o m e t e ri n s t r u m e n ：t t h i sp a p e r s t u d i e sf i v ei c i n gp r o c e s s e so nw i r e sf r o m2 0 0 9t o 2 0 1 0 ，a n a l y s e sm e t e o r o l o g i c a la n d m i c r o p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s i c i n gm o d e lw a su s e df o rt h es e n s i t i v i t yt e s t ，s i m u l a t e di c e t h i c k n e s sa n d w e i g h t t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h eo b s e r v a t i o n a ld a t a , t h em e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n st h a tw i r ei c i n g o c c u r r e di s ：- 7 o ，2 l o n g s ，r e l a t i v eh u m i d i t ym o r et h a n9 0 ；w i r ei c i n go c c u r r e d m o s tf r e q u e n t l yw h e na i rt e m p e r a t u r ei s - 4 0 5 ca n dw i n ds p e e di s3 7 m s w h e n m ea i rt e m p e r a t u r ea n dw i n ds p e e dc o n d i t i o n sa r eg o o df o rw i r ei c i n gf o r m a t i o n , p r e c i p i t a t i o nc a nt r i g g e rt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fi c ea c c r e t i o n , b u tm u s tb el i g h t r a i no rs n o w , a n dp r e c i p i t a t i o ni n t e n s i t yi sl e s st h a n2 m m h ( 2 ) t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f w i r ei c i n g ： t h ef o gd r o p l e ts p e c t r u m s ，w h i c ha r eb o t hb i m o d a lo f r i m ea n d g l a z e ，i su n i m o d a l o fw e ts n o w t h em e a nm e d i a nv o l u m ed i a m e t e ro fr i m ei s1 2 徊，a n dt h ew a t e r c o n t e n ta v e r a g ei so 1 9 m 3 ；t h em e a nm e d i a nv o l u m ed i a m e t e ro fg l a z ei s2 0 脚， a n dt h ew a t e rc o n t e n ta v e r a g ei s0 2 5 9 m 3 ；h em e a nm e d i a nv o l u m ed i a m e t e ro f w e ts n o wi s18 皿a n dt h ew a t e rc o n t e n ta v e r a g ei so 1g g m s ； t h ep r e c i p i t a t i o np a r t i c l es p e c t r u m so fg l a z ea n d w e ts n o wb o t ha r eu n i m o d a l t h e c o n c e n t r a t i o na n dm e d i a nv o l u m ed i a m e t e ro f g l a z ei sl e s st h a nt h a to fw e ts n o w b e s i d e s ，t h em e a nn u m b e rc o n c e n t r a t i o no fg l a z ei s3 3 5 6 e r a 3a n do fw e ts n o wi s 1 5 0 2 1 c m s t h ew a t e rc o n t e n ta v e r a g eo fg l a z ei s0 1 9 m 3 ，a n do fw e ts n o wi s o 1 5 9 m s ( 3 ) v a r i o u sf a c t o r so nt h ei m p a c to fi c ea c c r e t i o n ： m l o w e rt h ea i rt e m p e r a t u r e ，t h ef a s t e rg r o w t ho f t h ew i r ei c i n gu n d e r i o - - i c ； b u tt h em a x i m u m w e i g h to fi c ed o e s n ti n c r e a s ew i t ht h ei c eg r o w t hr a t e w h e n t h ea i rt e m p e r a t u r ei sc l o s et o0 ，t h eg r e a t e rt h em a x i m u m w e i g h to f i c e i c ew a sf i r s tf o r m e di nt h ew i r e ，sw i n d w a r d , a n dt h ei c ei st h i c k n e s s w h e nt h e w i n dd i r e c t i o ni sp e r p e n d i c u l a rt ot h ew i r e ，t h e i c i n gi sh e a v y ；w h e nt h ew i n d d i r e c t i o na n dt h ew i r ea r ep a r a l l e l ，t h ei c i n gi sl i g h t t h el o w e rt h ew i n ds p e e d ，t h e f a s t e rg r o w t ho ft h ew i r ei c i n gu n d e r5 2 0 州s w h e n t h ew i n ds p e e di sl o m s ， t h eg r e a t e rt h em a x i m u m w e i g h to fi c e t h er e l a t i o n s h i p 协嘲li c et h i c k n e s sa n dw i r ed i a m e t e ri s ：i c et h i c k n e s s 锄t h e r o u g hw i r e si ss m a l l e rt h a nt h a to nt h et h i nw i r eu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ， l a r g ed r o p l e ti sc o n d u c i v et oi c ea c c r e t i o ni nh e a v yf o g g yd a y sa n dl i g h tr a i n y d a y s ，s ot h ei c i n go fg l a z ei sb i g g e l t h a nr i m e b e c a u s eo ft h e r ei sa i ri nt h ew e t s n o wi c i n g ，t h ei c ed e n s i t yi sl o w e v e ni f t h ew e ts n o wi sb i g g e rt h a nr a i nd r o p l e t s ， w e ts 盯i o wi c i n ga r es m a l l e rt h a nt h e g l a z ei c i n g ( 4 ) mw i r ei c i n gm o d e lw a ss e tu p a c c o r d i n gt ot h e o r yo fh y d r o m e c h a n i c sa n d t h e r m o d y n a m i c s s i m u l a t i o no fi c ew e i 日l ta n dt h i c k n e s s ，t h er e s u l t sa r eg o o d c o m p a r i s o no f m em o d e lu s e dm a k k o n e n & s t a l l a a b r a s s si c ed e n s i t yf o r m u l aa n dt h e m o d e lu s e dm e a s u r e di c ed e n s i t y , t h er e s u l t t h a tm a k k o n e n & s t a l l a a b r a s s ，si c e d e n s i t yf o r m u l as i m u l a t e sw e ts n o wi c i n gi sb a d t h ep r e d i c t i o nr e s t a t so ft h em o d e l a l ea f f e c t e db yt h ei c ed e n s i t ya c c u r a c yd i r e c t l y i ft h ei c ed e n s i t yu s e di nm o d e lh a v e l l i 曲a c c u r a c y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i l lb eg o o d ，v i c ev e r s a k e yw o r d sw i r ei c i n gm o d e l ，i c ew e i g h t , i c et h i c k n e s s ，f o gd r o p l e ts p e c t r u m ，p r e c i p i t a t i o n n ， 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新丹的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或 撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名：整丝 日 期：迎：厶：f 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有 权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版； 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查 阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题 和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：篮丝 日 期：业丛6j 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 电线积冰是气象常规观测项目之一。根据地面气象观测规范的定义f l j ：雨搬、雾 凇凝附在导线上或湿雪冻结在导线上的现象，称为电线积冰。附着在导线上的霜、干雪花 和沾附的雨滴，因气温下降至零下而冻结少量的冰，都不作为电线积冰。 电线积冰能够导致输电线路荷重增加，常常造成断线、倒杆、倒塔、闪络事故，严重 的电线积冰灾害甚至引起大面积输电线路瘫痪，影响电力、通讯事业和国民生计，造成巨 大的经济损失，因此电线积冰导致的故障一直是国内外电力系统的严重自然灾害之一。2 0 0 8 年初我国遭遇5 0 年的一遇的低温冰冻雨雪灾害，大量电线中断造成3 3 4 8 万户、l 亿多人 口停电【2 1 ，其持续时间之长、波及范围之广堪称罕见，造成的间接经济损失难以估计【3 】。 世界各国都有不同程度的电线积冰灾害，如加拿大、美国、芬兰、挪威、法国、英国、德 国等，我国的云南、贵州、四川、江西，青海、湖南、湖北、陕西、河南、山东等省积冰 也十分频繁，比较严重的是云南、贵州、四川、湖北西部的山区【4 】。表l 、表2 是根据各 参考文献总结的国内外电线积冰灾害【5 ，6 7 8 9 ，1 0 1 。 据武汉电力设计院的研究，华中某输电线路若按冰厚l o m m 设计( 导线溶冰，按冰厚 1 5 r a m 验算) ；每百公里投资6 3 万元；若按冰厚1 5 m m 设计( 不溶冰，按冰厚3 5 伽, - n 验算) ， 每百公里需投资1 0 2 万元【1 l 】。因此准确预报电线积冰，不但对指导输电线路上的冰冻灾害 防治具有重要意义，也能够根据气候资料对电线积冰进行风险区划，为输电线路走向提供 合理的方案，使输电线路设计更为合理，既节省开支又能够提供充足的保障。 研究电线积冰的微物理机制，除了需要常规气象资料外，还需要一些特殊的微物理参 数，如雾滴和雨滴的粒子尺度、含水量等。我国在2 0 世纪八九十年代对电线积冰微物理结 构的研究，多使用国产三用滴谱仪，采样频率低，观测资料有限。使用高时间分辨率仪器 对雾滴谱和雨滴谱的研究虽然众多【1 2 1 3 , 1 4 , 1 5 ，但很少与电线积冰相结合，因此对电线积冰 的微物理结构了解还不充分。另外，我国的气象业务系统还未进行电线积冰预报，电力、 通讯和交通等部门迫切需要得到电线积冰信息。 1 第一章绪论 表1 1 世界电线积冰灾害损失 时同地点损失 2 第一章绪论 1 2 国内外研究进展 自2 0 世纪5 0 年代以来，世界各国的学者在电线积冰领域积累了丰富的资料，取得了 有意义的成果【1 1 1 。为了加速积冰研究成果、经验的交流，美国电力科学研究院( e p r i ) ) 、 低温地带工程与研究实验室( c r r e i ，) 和加拿大魁北克水电公司于1 9 8 2 年组织召开了大 气结冰研讨会( i w a i s ，i n t e r n a t i o n a lw o r k s h o po na t m o s p h e r i ci c i n go f s t r u c t u r e s ) ，以后每 隔2 4 年在世界各地轮流召开。最近的第十三届i w a i s 会议于2 0 0 9 年9 月在瑞士与欧洲 科学技术合作组织( e u r o p e a nc o o p e r a t i o n i ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 联合举办，会议讨论 了欧洲的大气结冰研究进展。 目前对电线积冰的研究一般来说有三种方法【1 6 1 ：一是基于实地观测数据的统计分析， 建立积冰概率分布图，研究电线积冰的气象特征和微物理特征，并检验积冰模式效果；二 是模拟实验，建立模拟线路，分析各种气象因素以及电线参数对电线积冰的影响，研究电 线积冰的物理过程，得到理论公式；三是数学模型，根据流体力学和热力学原理，建立电 线积冰微物理模型，预报电线积冰的厚度和重量，如m a k k o n e n 模式【17 1 和f u 模式【1 8 】。 1 2 1 观测研究 过去的观测和实验，重在建立气象要素和积冰之间的关系f 5 】。如谭冠日i l l 】在1 9 8 2 1 9 8 3 年探讨了电线积冰的若干小气候特征，表明积冰厚度随高度的变化符合乘幂律，在同一高 度电线越粗冰厚越小。罗宁f 1 9 】和赵彩n o 等对贵州的电线积冰的云雾观测特征以及云层特征 迸行了长期的研究。江祖凡【2 l j l 9 8 3 年以一元回归法研究了电线积冰增长速度，得出6 4 1 时，雾凇增长速度最大。廖祥林【2 2 j 对几类积冰的性质进行分类并介绍了不同类型积冰的 实测密度。蒋兴良c 2 3 列1 研究了三峡地区的电线积冰气象条件以及积冰防护。 1 2 2 模拟实验 西南电力设计院在1 9 6 5 年1 月1 日至1 9 6 9 年3 月3 1 日子四川省会东县白龙山( 海拔 3 1 1 8 米) 建立了一架相当规模的模拟线路，在离地2 、6 、1 0 、1 5 米高度上装置了几种不 3 第一章绪论 同直径的电线，进行了四个冬季的积冰观测，这是我国规模较大的、系统的电线积冰观测。 一些观测研究为了了解电线积冰的微物理结构，建立了模拟线路，如美国低温地区工程与 研究实验室( c r r e l ) 在2 0 世纪8 0 年代于华盛顿山山顶建设了一条模拟输电线路，并安 装了各种检测设备，以检测各种覆冰情况。日本在一个风洞设施开展试验研究，监测单位 时间内围绕导线的雪花分量( 分布) 、风速、湿度、温度、雪花中的液态水含量、单位长度 导线积雪分量、导线旋转角度、试验持续时间以及运行导线表面温度等参量，并分析各种 气象参数对冰雪的影响。英国e a 技术公司于2 0 0 3 年- - - 2 0 0 4 年，在其严酷天气试验场搭建 了现场试验装置，尝试验证根据气象学模型预测冰载荷的有效性【2 习。 1 2 3 数学模型 自上世纪5 0 年代开始，电线积冰数学物理模型的建立引起了很多研究者的关注，开始 了积冰过程微物理机制的研究，从应用和研究层面提出了不同的物理模型和数值模式。电 线积冰模式的发展，经历了以下三个过程【2 q ： ( 1 ) 统计分析模式：采用简单的经验公式，不考虑积冰过程的细节，且只预报积冰重 量； ( 2 ) 简单数值模式：对积冰过程的物理细节进行了阐述，输入量有：含水量、气温、 风速等，但仍然使用了许多假设，简化计算； ( 3 ) 复杂模式：详细描述了积冰微物理过程，部分模式已经发展到了三维框架，能够 模拟积冰形状，使用w r f 等天气预报模式输出的气象要素作为背景场，预报电线积冰， 广泛应用于业务。 简单的积冰模式仅有一个或者两个变量。如张怀礼【2 7 1 2 0 0 7 年以k a t h l e e nf j o n e s 提出 的简易模型为基础，结合滇东及滇东北2 2 个气象站1 月份的气象观测资料，构建了积冰模 型，并通过积冰历史记录和调查资料对计算结果进行订正，从而应用于电线积冰区划。黄 万岗【2 8 1 1 9 9 4 年参考m a k k o n e n l 9 8 4 年的模式建立了一个研究贵州冬季积冰过程的时变数值 模式，模式考虑较高气温、低风速、较大液水含量下非水平流场中过冷滴的下落对电线积 冰增长的贡献，结果表明在长时间积冰情况下，积冰的最终直径与初始线径的关系不大， 第一章绪论 液滴的中值体积直径对积冰影响较大。模式尚未考虑湿雪粘附对导线积冰的影响作用。 2 0 世纪8 0 年代以后，积冰过程的计算机模拟开始发展，能在较大积冰环境条件范围 内从不同程度上综合考虑积冰微物理过程，较客观地说明了电线积冰的基本规律。美国研 究者j o n e s l 2 9 1 1 9 9 6 年发展了c r r e l l 模式，并于1 9 9 8 年为了简化积冰预报，发展出适用 于冻雨型积冰的简单模式，此模式仅以风速和降雨量作为输入值，预报积冰重量，结果与 其它精细的微物理模式相差不大，效果较好。芬兰的m a k k o n e n 3 0 - 3 1 ，3 2 芦, 3 4 1 ，自1 9 8 1 年起发 表了一系列研究积冰模式的文章，对积冰的碰撞率、表面热传递过程、积冰强度等进行了 深入、详细的研究，发展出适合降水型积冰和云内积冰的模式，并在最新的研究中加入凝 华积冰，进入业务应用。马明亮【3 5 2 0 0 7 年在青海东部一次电线积冰过程的模拟研究中使用 加拿大d g h a v a r d 等人推荐的电线积冰公式，它与风洞实验结果吻合度较好，但模型 未考虑风向对积冰密度影响的结果。模式结果表明：导线积冰重量南北向的模拟值大于实 测值，东西向则相反。 2 0 世纪9 0 年代后所建立的模式进一步趋于详细和复杂，加入了对计算能力要求较高 的流场动力学、降水粒子运动轨迹模拟，特别是利用局地热导率概念使得湿增长积冰形状 变化得以确定【3 6 1 ，如美国n a s a 的l e w i c e 模式、法国o n e r a 模式( h e d d e , 1 9 9 2 ) ，加拿 大c a n i c e 模式【3 7 】和法国f e n s a p - i c e 模式等。加拿大电力协会推荐使用三种电线积冰预 测模式为i r m 模式、a c s 模式和c h a i n e 模式，加拿大学者m c c o m e r l 3 8 1 1 9 9 4 年对比了这 三种模式，表明i r m 模式对于冻雨型和湿雪型的积冰过程能够得到较理想的结果。f u 等【3 6 1 针对电线积冰给出一个二维积冰模型，在动力学模拟基础上表征了局地碰并效率和局地热 导率随积冰过程的变化，使不同条件下积冰形状得到较好再现。 刘和云等1 3 9 1 于2 0 0 1 年研究了导线雨凇覆冰预测的几个简单模型，介绍了i m a i 模式、 l e n h a r d 模式、g o o d w i n 模式、c h a i n e 模式、m a k k o n e n 模式，j o n e s 简单模式，并讨论了 这几个模式的差异，得出j o n e s 简单模式预测结果较好。蒋兴良、易辉胪，2 3 】自1 9 8 6 年始， 致力于三峡地区的电线积冰研究，对电线积冰的流体力学模型和热力学模型进行了综述， 并利用模式进行积冰重量估算。 2 0 0 9 年1 月1 5 日，由华东电力试验研究院有限公司负责开展的。导线覆冰预报及冰 情监测告警系统应用研究”项目通过了华东电网有限公司组织的验收，其中采用的覆冰监 5 第一章绪论 测方法属于国内首创，整体技术水平达到国内领先。目前该系统已经在浙江省金华地区进行 了试点安装，经过调试和试用，系统运行稳定、可靠受到了用户单位的肯定。 1 3 本文研究的内容 此次观测深入属于积冰高发区的湖北恩施( 海拔1 7 2 2 m ) 进行冰冻灾害的综合观测， 使用高时间分辨率仪器，对2 0 0 9 i - - 2 0 0 9 3 观测到的两次积冰过程、2 0 0 9 1 2 2 0 1 0 1 观测到 的三次积冰过程进行了连续观测，获取了丰富的资料。本文利用这些资料分析了五次积冰 过程的气象特征和微物理特征，并利用模式对电线积冰进行模拟。文章主要包括以下6 个 部分： 第一章绪论。简要介绍论文研究的目的及意义，总结电线积冰在观测研究和模式模 拟的研究进展和主要成果。 第二章资料来源。简要描述观测仪器及观测方法。 第三章电线积冰的观测研究。研究了恩施雷达站2 0 0 9 2 0 1 0 年五次积冰过程的积冰 特征、气象特征、微物理特征。 第四章电线积冰模式发展及应用。介绍电线模式的理论基础，对气温、风速、含水 量进行了敏感性实验。模拟五次积冰过程的积冰重量和直径，并与实测对比。 第五章鄂西一次电线积冰过程分析。详细分析了这次过程的气象要素演变，并按照 雾天、雨天、雨夹雪天三种天气状况，对电线积冰的微物理特征进行分析。 第六章主要结论和创新点。对全文进行总结，提出有待进一步研究的问题，展望今 后所要开展的研究工作。 6 2 1 观测时间和地点 第二章资料来源 2 0 0 8 年1 月。2 0 0 9 年3 月，2 0 0 9 年1 2 月 2 0 1 0 年1 月，我们在恩施雷达站进行了两 个冬季的野外观测。 恩施雷达站位于思施石板岭是恩施市与利川市交界的一座山岭山上，北纬3 3 0 1 7 ，东 经1 1 9 0 1 5 ，海拔1 7 2 2 米，位于湖北省西南部，与利川市交界，地处湘、鄂、渝三省市交 汇处，西连重庆市黔江区，北邻重庆市万州区，南面与湖南湘西土家族苗族自治州接壤， 东北端连本省神农架林区，东面与本省宜昌市为邻，为云贵高原的延伸部分。 2 2 仪器介绍 此次观测，使用电线积冰架人工观测电线积冰，使用雾滴谱仪器f m 1 0 0 、p a r s i v e l 激 光粒子谱仪、自动站、能见度仪器等仪器观测微物理特征。 观测电线积冰使用电线积冰架，其它辅助工具还有：合页箱( 用以截取导线上的积冰 物) 、量杯( 用以测定积冰重量) 、台称( 用以测定积冰重量) 、外卡钳( 用以测定积冰直径 和厚度) 、米尺( 用以测定积冰直径和厚度) ，另外还有手锯、鱼尾钳、三棱刮刀、喷灯等 用以切割和清除积冰。 电线积冰架按照地面气象观测规范架设在恩施雷达站的观测场。如图2 1 所示，电 线积冰架一般由两组支架组成，一组成南北向，一组成东西向，两组之间距离以互不影响、 方便操作为宜。采用直径约4 m m ( 又称8 号) 、长l o o c m 铁( 钢) 丝作为导线。另外在电线积 冰架一旁架设仿输电线设施，仿输电线直径2 7 m m 。 北向支架和东西向支架上的上导线，合称为“第一对”导线：两个方向上的下导线， 称为“第二对”导线。应有两根备份导线，供测定积冰重量时调换使用。 在积冰比较严重，设置两对导线不够使用的气象站，或者积冰架上有发生上下两根导 线上的积冰过于靠近、甚至相连情况的气象站，可根据情况在两个方向上多设置几组支架， 7 第二章资料来源 并将每组支架改为只挂置离地2 2 0 e r a 高的一根导线。 支柱 导线上导 地面 i l夕 ( 衡面) 导线 圈2 1 电线积冰架 雾滴谱仪( f m - 1 0 0 ) ，由美国d m t 公司生产。根据大小不同的雾滴对激光散射强度的不同， 对雾滴进行分档、计数，分别计算出每一档内的雾滴数量。滴谱仪可以连续测量雾粒子数浓 度、谱分布，测量范围为2 5 0 p r o 。观测连续进行，每秒钟产生一组数据。 自动雨滴谱仪选用德国o t t 公司生产的麟i v e i ，( p a r t i c l es i z ea n d v e l o c i t y ) d i s c l r o m e t e r 。仪器通过激光系统测量降水粒子的形态( 冰雹、雨滴、霰、雪、霜和融化的粒 子) 、速度和直径。p a r s i v e l 分别有3 2 个粒径通道( 在实际测量中，前两通道无数据) 和3 2 个 速度通道，实际测量粒径范围和速度范围分别为o 2 5 2 6 n u n 和0 1 2 0 n g s ，取样间隔均为1 0 s 。 能见度观测采用江苏省无线电科学研究所有限公司制造的能见度仪( z q z - d n ) 进行自 动观测，每隔1 5 秒探测并记录一次数据，最低能见度分辨率为1 5 m 。该仪器利用测量前向散 射角3 3 。的散射光强度，进而转换成能见度值的原理研制而成。当能见度在1 0 0 0 m 之内时， 误差为1 0 9 6 ，大于1 0 0 0 m 时，误差为2 0 9 6 。 2 3 观测方法 积冰过程的观测依照地面气象观测规范： 1 ) 记下积冰开始、终止时间。 2 ) 视机测定每一次积冰过程的最大直径和厚度，以毫米( n u n ) 为单位，取整数。当 8 第二章资料来源 所测的直径达到以下数值时，尚须测定一次积冰最大重量，以克米( g m ) 为单位，取整 数：单纯的雾搬1 5 m m ；雨凇、湿雪冻结物或包括雾凇在内的混合积冰8 r n m 。 3 ) 积冰的形成和变化是复杂的，有时会出现一个方向导线上有积冰，另一个方向上没 有或两者起止时间早迟不一；或个方向达到测重标准，另一个方向末达到测重标准等等。 遇到这类情况，对两个方向的积冰应分别按测量规定照实记载。 4 ) 每次测定积冰重量之后，随即还应观测气温和风向风速( 2 分钟平均) 一次，记录 在观测簿当天“南北”向的相应栏中。 5 ) 积冰直径和厚度的测量：测积冰直径是指垂直于导线的切面上冰层积结的最大数值 线，导线直径包括在内；积冰厚度是指在导线切面上垂直于积冰直径方向上冰层积结的最 大数值线，厚度一般小于直径，最多与直径相等( 见图) 。准确到l m m 。 6 ) 积冰重量的测量：积冰重量是指l m 长导线上冰层的重量，单位克，即冰荷载。量 得2 5 e r a 长的冰层重量值( g ) ，再将此值乘以4 ，即得一米长导线的冰层重量。如果由于某 种原因，从导线上测定的完整冰层段的长度不足2 5 e r a 时，则应按公式换算成一米长导线 上的冰层重量。 度 度 图2 1 积冰厚度的测量 7 ) 电线积冰密度的测量有以下几种方法【l l 】： 长短径法：实测长径口，短径彦，冰重矽，电线直径，电线长度三， 夕= 4 w 翻r l ( a b 一) 9 乎 p。薛匿 第二章资料来源 周长法：实测电线积冰周长，： p - - - 4 万w 以，2 一万2 d 2 ) 横截面积法：用实测冰重、电线直径计算横截面积5 ： p = 4 i , , z , ( 4 s - 万d ：) 另外也有用排水法测得积冰的体积，然后计算积冰密度，但精度不高。由以上计算方 法可知，积冰密度的精度取决于各实测值的精度。 l o 3 1 积冰特征 第三章电线积冰的观测研究 雨凇【4 】：是一种呈透明的或毛玻璃状的密密冰层，通常在气温1 巧、有降雨的条件 下，由过冷却雨滴或毛毛雨滴在寒冷的物体表面上冻结而成。 雾凇脚：粒状雾凇是2 8 ，雾和风，由过冷却雾滴在寒冷的物体表面上冻结而成。 晶状雾凇多在1 5 以下、有雾、无风或弱风的条件下，由过冷却雾滴蒸发成的水汽在纤细 的物体上直接凝华而成。 电线积冰1 1 1 ：雨凇、雾凇凝附在导线上或湿雪冻结在导线上的现象，称为电线积冰。 附着在导线上的霜、干雪花和沾附的雨滴，因气温下降至零下而冻结少量的冰，都不作为 电线积冰。 电线积冰特征一般包括：积冰类型、积冰密度、积冰过程、积冰厚度和积冰重量。 3 1 1 积冰类型和积冰密度 雾凇型积冰【】：形成包含许多空隙或气泡的干燥的冰，这种冰的密度较小，对导线的 附着力较弱，轻微的振动就容易脱落。一般产生在风速o - - 4 m s ，气温2 8 的条件下，平 均密度为0 2g e r a 3 。一般情况下，雾凇积冰不大可能引起送电线路的重大设备事故。雾凇 型积冰一般在海拔较高的地区出现，海拔越高形成雾凇积冰的次数越多，冰重越大。其冰 密度随海拔升高而减小，原因在于海拔越商气温越低，过冷却水滴被冻结的速度越快，形 成的冰层越松散，孔隙越多( 图3 1 ) 。 雨凇型积冰【1 1 1 ：形成不含气泡的冰层，冰层中可能含有液态水，积冰表面被水膜覆盖 而光滑透明。这类冰的密度大，并牢牢附着在物体上，在其发展和保持期都不因振动而脱 落。一般产生在风速o - - 4 m s ，气温- 3 5 - - 0 1 2 的条件下，平均密度o 7 9 c m 3 。海拔越高，雨 凇积冰的冰重越小，密度基本上不随海拔变化。因为形成雨凇的气温较高，一般在o c 左 右，这样的气温有利于水滴一面铺展一面冻结，形成不含气泡的冰层( 图3 2 ) 。 第三章电线积冰的观测研究 雾凇 空气 冰 液滴 图3 i 雾凇型积冰增长( 即干增长) 示意图2 6 】 图3 2 雨凇型积冰( 即湿增长) 示意图2 6 】 混合型积冰【1 l 】：以此种积冰最普遍，积冰量最大。一类是湿雪，即雪片表面有水膜存 在。湿雪片由于水的表面张力作用，不仅能附着在电线上，还因自重和风的作用而转动， 即沿着导线的周围一边滑动一遍逐渐增厚，形成较大的圆筒型覆雪。另一类是雨凇与雾凇 的混合冻结。雨雾凇冻结通常由过冷却水滴在导线的迎风面形成透明与不透明交替重叠的 冰层，或似毛玻璃的不透明冰层。这种冰层的形成是由于形成这类冰层的水滴以相互碰撞 与冻结大致相同的时间冻结，因而形成了包含有许多微小气泡的不透明冰层。这类积冰的 附着力强，在其发展和保持期都不易因振动而脱落。四川西南观测的资料显示，一般情况 下，这类积冰通常产生在风速o - 4 m s ，大气温度7 4 棚2 的条件下，平均密度0 4g ( i m 3 。 雨雾凇混合冻结积冰的密度随海拔升高而减小。这是由于海拔越高，形成的雨雾凇混合冻 1 2 第三章电线积冰的观测研究 结积冰中，雾凇所占的比重越多。下表是不同类型大气结冰的冰密度f 4 0 l ( i s 0 1 2 4 9 4 ：2 0 0 1 ) ： 表3 。1 不同类型电线积冰的冰密度 2 0 0 9 2 2 6 3 4 的积冰过程得到1 2 个电线积冰架上积冰重量样本，从而结合椭圆形假 设计算的积冰体积得到此次积冰的冰密度为：0 1 5 9 - - 0 5 2 2 9 c m 3 ，平均密度为0 3 6 2g c m 3 。 贵州在西部、中部曾测到4 次积冰密度在0 7 9 o 8 9 c m 3 之间【1 9 】。此次积冰的冰密度低 于贵州，是因为本次积冰的环境温度相对来说较低，积冰类型以混合型积冰为主，同时由 于海拔较高，形成的积冰中雾凇所占成为较多，这与廖祥林【2 2 】雨雾凇混和积冰的密度随海 拔升高而减小的观点一致。 3 1 2 积冰过程 从积冰架上的导线开始形成积冰起，至积冰消失止，称为一次积冰过程【1 】2 0 0 9 2 0 1 0 年两次恩施雷达站冬季观测，观测到五次积冰过程，分别是： ( 1 ) 2 0 0 9 年2 月1 6 日 2 月2 0 日，雨凇型积冰，未测积冰重量。 ( 2 ) 2 0 0 9 年2 月2 6 日 3 月4 日，雨凇湿雪混合积冰，冰密度o 3 6g 锄3 。 ( 3 ) 2 0 0 9 年1 2 月1 4 日1 2 月1 7 日，雨凇型积冰，冰密度o 6 4 o m 3 。 ( 4 ) 2 0 1 0 年1 月5 日1 月1 2 日，雨雾凇混合积冰，未测积冰重量。 ( 5 ) 2 0 1 0 年1 月2 1 日1 月2 6 日，雨凇型积冰，冰密度o 7 9 c m 3 。 1 3 第三章电线积冰的观测研究 量 d 量 o - 5 _ ，j _ _ 糟n - 丘, i r a t 味1 2 们o ) 图3 3 五次积冰过程的积冰厚度和积冰重量 这五次积冰过程的积冰都属于较轻的电线积冰，其中第二次积冰过程为积冰厚度最大 的一次过程，最大积冰直径达1 1 s m m 。第一次积冰过程中，出现降水则有电线积冰发生， 当降水结束，同时气温回升，则积冰消融，此次积冰厚度较小。第二次积冰过程的初始阶 段有雷雨发生，随后出现浓雾、雨夹雪天气，积冰先是雨凇型积冰，之后是湿雪型，积冰 中湿雪所占比例较大，形成的积冰有空隙，因此冰密度较小。第三次积冰的降水持续时间 长于第一次积冰，因此积冰消融较少，没有出现完全消融的情况，且由于积冰类型为雨凇 1 4 第三章电线积冰的观测研究 型，气温相对较高，积冰密度最大。第四次积冰过程的气温是五次中较高的一次，因此此 次积冰厚度为五次过程中的最小值。第五次积冰过程，前期降水比较均匀，因此积冰发展 比较稳定，期间消融阶段较少。 3 1 3 积冰厚度和积冰重量 假设积冰的横截面为理想椭圆型，积冰长径为口，积冰短径为易，电线直径为矿，则 1 米长导线的积冰体积为：k = 三( 彩一妒2 ) ，假设同样体积的积冰在导线表面形成积冰 厚度为。的均匀圆形瓶则可得t 米长导线的积冰体虢k = 穷 ( 。+ 妒针 令k = k ，得积冰厚度( 简称冰厚) ： 刃：委( 历一矿) ( 3 1 ) 公式( 3 1 ) 即谭冠日冰厚的计算公式【n 1 。本文使用此公式计算积冰厚度，不含电线直径。 电力部门一般进行高度订正后，使用有效积冰厚度。 冰厚随高度变化：根据谭冠日对会东站的资料研究表明，两个高度上冰厚的比，是高 度的之比的幂酬州：鼍= 喙厂，其中指数口反躲职y 随高度变化的情况，不 重 a i 憾协 tr 廿他r 酋m 墨- 霸 噙啪 第三章电线积冰的观测研究 善 若 上 翻- 卫 - 丑j 一捌葛 嘶1 2 0 1 研 图3 4 不同租细电线积冰厚度对比 在积冰过程中的某些时刻( 尤其是积冰保持阶段) ，当冰厚减小时，积冰重量并不减小， 这是积冰表面有部分融化，却没有滴落，而是再次冻结，形成比之前的冰密度更大的冰层。 m a k k o n e n 在芬兰的多次观测表明，最初形成的积冰类似海绵状，融化重新冻结的