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电线积冰及路面温度研究的新进展

发布时间:2021-07-13 16:17所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:2009年起,研究组开展了电线积冰野外观测试验及道路结冰规律的观测研究,将电线积冰观测研究从传统的积冰气象条件和积冰厚度观测提升到了积冰气象条件、积冰厚度加积冰天气云降水微物理综合观测研究的新高度,揭示了积冰发生的微物理机制,研究积冰增

  摘要:2009年起,研究组开展了电线积冰野外观测试验及道路结冰规律的观测研究,将电线积冰观测研究从传统的积冰气象条件和积冰厚度观测提升到了积冰气象条件、积冰厚度加积冰天气云降水微物理综合观测研究的新高度,揭示了积冰发生的微物理机制,研究积冰增长率及其影响因子,建立的积冰增长模型较好地模拟了积冰增长过程。对沥青、水泥、土壤三种下垫面温度进行了观测研究,观测高速公路和桥梁不同路基深度的温度变化,并对桥面比路面更易结冰的现象从能量平衡方面做了理论解释。本文以作者团队取得的成果为主线,不求大而全,学习梳理相关的代表性研究成果,主要包括积冰发生频次的时空分布、积冰天气微物理特征、积冰增长率及其影响因子、积冰气象条件、积冰增长模型构建、道路结冰及积冰数值预报等几个方面,并对电线积冰未来的研究提出了建议。

  关键词:电线积冰;微物理特征;积冰气象条件;积冰增长模型;路面温度;研究进展

电线积水

  2008年月日至月日,我国南方地区连续发生四次罕见低温雨雪冰冻天气,灾害范围广,强度大,持续时间长,造成了极其严重的经济损失和人员伤亡。冻雨、雨夹雪、过冷雾等造成严重的电线覆冰并发生次生灾害,造成输电线塔、通信塔等倒伏,造成供电、通信中断;造成道路结冰,使得公路交通中断。

  电线积冰为雾凇、雨凇在导线上凝附或湿雪在导线上冻结的现象(中央气象局,1979),通常发生在过冷雾、冻雨、湿雪三种天气条件下(Kringlebotnetal.2013),其严重时会给电力输送,造成极大损失,例如电缆舞动、断线、杆塔倒塌和绝缘子闪络等现象,严重危害国民经济(陈柏堃等,2009;Niuetal.2012)。20世纪70年代末以来,我国各地尤其是南方地区积冰事故时有发生。根据国家电网运行管理处的统计,2006年月至2007年6月,电线覆冰导致13次500kV电线跳闸,在总跳闸次数中占比8.8%;导致500kV电线次非计划停运,在总停运次数中占比11.1%(李庆峰等,2008)。

  2008年冬季由于适宜的大气环流形势、天气系统及温湿层结条件,月10日到月日我国南方地区发生了次大面积冰冻雨雪灾害(杨贵名等,2008),13个省遭遇电线覆冰事故,贵州、湖南两省大面积停电,216条重要输电线路损毁,公路因结冰导致交通中断,造成超过100亿元的直接经济损失(杜骦等,2019)。提高对积冰现象的认知,需要深入探索积冰期间气象要素变化规律以及雨雾滴微物理特征,揭示冰冻灾害形成机理,从而开发积冰模拟预报方法,提高预报预警水平。本文主要包括积冰发生频次的时空分布、积冰天气微物理特征、积冰增长率及其影响因子、积冰气象条件、积冰增长模型构建、道路结冰及积冰数值预报等几个方面,并对未来电线积冰的研究方向提出了建议。

  电线积冰发生频次的时空分布冰冻天气在中国的分布具有较强的区域性特征。王遵娅(2011)对中国1954—2009年雨凇和雾凇的空间分布及不同时间尺度的变率进行全面细致的分析后指出:中国的冰冻主要出现在江南、新疆、西北东部、内蒙古东部、东北、华北、淮河流域等地,年均冰冻日数一般有以上的重冰区主要分布在云南东北部、贵州、新疆北部、陕西南部、东北中部、华北东部、秦岭等地。

  中国冰冻、雨凇和雾凇日数在1954—2009年间出现了显著减少的变化趋势(王遵娅,2011)。2008年月突如其来的低温雨雪冰冻灾害席卷中国南方多省,此次冰冻灾害不是一个局地或地区性现象,它是同期发生的亚洲大范围冰雪灾害链中的一环,在影响范围和灾害程度上是最严重的一环(丁一汇等,2008)。随后,冰冻雨雪天气研究引起广泛关注,成为研究热点。

  由2011—2013年中国民航机场的例行观测、特殊观测资料得出的冰粒降水天气分布显示:冰粒降水天气集中分布在中纬度的黄河下游、长江中下游地区。冰粒降水发生的次数与其持续时间相关性不强;冰粒降水天气在—月比较常见,单次冰粒降水天气过程的持续时间比较短,一般不超过(李杰等,2016)。王颖等(2012)在综合考虑1960—2009年各种强度等级发生频率及其产生的危害强弱基础上,建立了一个积冰危险程度的量化指标。分析结果显示,中高危险区主要集中在南方地区,主要分布在长江中下游的山地丘陵地区,包括四川中南部、重庆、云南东北部、贵州、湖北西南部、湖南东南部、江西北部、安徽南部、浙江等地。

  由此可见,积冰发生频次的时空分布研究,需要使用更长时间序列的资料使其系统化,给出更高分辨率的积冰发生频次时空分布,揭示其形成的天气气候规律,评估不同地区不同温度湿度条件下电线积冰可能造成的灾害等级,要特别关注雪花中的含水量数值,雪花含水量影响雪花在电线表面的黏附性,进而影响积冰增长速度,这是目前积冰成灾研究中的盲点之一。电线积冰天气微物理特征研究积冰形成机制,离不开对过冷云雾降水宏微观特征的研究,过冷液滴、湿雪是否能够在电线表面碰冻是积冰发展的关键,因此探讨积冰发生、发展和维持阶段的微物理特征显得十分重要。

  2.1过冷雾

  过冷雾滴谱及其演变直接影响着积冰增长率及积冰属性的变化规律,且过冷雾滴谱微物理特征对云中积冰过程的影响更为复杂。目前,我国学者针对这一科学问题开展了一些观测试验,对造成云中积冰过程的山区云雾宏微观特征获得了一定的认识。邓雪娇等(2002)指出南岭山区的雾过程均以小滴为主,大部分液滴的粒径小于12μm,平流因素和地形作用对微物理量的起伏变化有重要影响。

  山顶的雾过程主要是冷锋过境带来的云系接地形成,受平流的作用,相对于山坡更易出现浓厚稳定的雾过程(史月琴等,2006;吴兑等,2007;邓雪娇等,2007)。Niuetal.(2012)对湖北恩施山区的过冷雾微物理特征进行了探讨,指出雾滴谱的微物理特征量变化范围均较小,与平流雾类似,液水含量与积冰厚度的增长率呈显著正相关关系。贾然等(2010)对湖北恩施雷达站处的一次积冰过程中雨天、雾天和雨夹雪天气条件下,雾滴谱和雨滴谱的微物理特征进行了初步的分析,发现在雨夹雪天气时积冰的增长速度要明显大于雨天和雾天。

  贵州山区雾过程的数浓度、液水含量和平均直径分别为234cm、0.2g和7.5μm,且以小滴为主,峰值直径为μm,峰值浓度占总浓度的63%,粒径大于14μm的雾滴对积冰增长的贡献明显大于小雾滴(罗 宁等,2008)。当存在充足水汽供应时,山区雾的液水含量会显著增加(HodgesandPu,2015),DrageandHauge(2008)对沿海山区的过冷雾液水含量进行了观测和模拟,在积冰快速增长期的液水含量达到了0.4左右。

  2.2冻雨

  冻雨、冻毛毛雨滴谱的演变直接影响着降水积冰过程中积冰属性的变化规律,大雨滴受风速和电线直径(简称线径)影响较小,更易直接碰冻在导线表面;而小雨滴在风速较大、线径较小时,则易绕过导线无法碰冻,但同时较大的风速又可以吹来更多的雨滴,增加可能碰冻的雨滴个数(JonesandEylander,2017)。2008年初安徽潜山的一次冻雨过程雨滴谱与层状云降水类似,其雨强、雨水含量和雨滴粒径都较小,这次冻雨过程是由于小冰晶融化导致的(Chenetal.2011)。

  而山区过冷降水过程宏微观物理特征量的数值则明显小于平原地区的冻雨过程,其形态以冻毛毛雨为主,持续时间为1~3,雨强基本小于0.5mm,平均粒径则主要在0.4~0.6mm(Zhouetal.,2016)。黄钦等(2018)通过分析2014年月庐山地区的雨滴谱观测资料,发现存在低落速冻雨滴向冰粒和干雪转化的过程,Gamma分布对该种类型的降水过程拟合效果较好。

  2.3湿雪

  雪花下落过程中经过温度稍高于℃的层结时表面会融化,形成湿雪,湿雪引起的积冰密度较大,对输电线路影响较严重。李遥等(2019)给出了南京地区雪花谱的峰值下落末速度为1.1m/s,且存在小雪花碰并形成大雪花及雪花结霜增长等两种大雪花形成机制,并归纳得出南京地区稳定的层状云强降雪过程的关系为=17081.51。葛森等(2016)指出运用欧拉二维正定平流输送法可以合理地模拟出群粒子在凝华增长过程中纵横比的演变。

  徐戈等(2016)总结了产生冻滴的两个主要过程:半径大于80μm的液滴冻结形成冻滴;霰与半径大于100μm的液滴碰撞转化为冻滴。并发现霰的生成机制受到抑制,浓度减小;冻滴产生、繁生产生的冰晶增多;冰晶聚并形成雪,雪的浓度增加;冻滴消耗过冷水增长,导致液态水浓度减小。利用先进的高分辨率气溶胶云降水粒子观测设备,在积冰高发区观测了积冰过程中的微物理结构,研究了冰粒子产生及增长的规律,为研究影响积冰增长的气象和微物理因子,构建积冰增长模型奠定了基础。今后的积冰微物理研究,应当与宏观天气过程结合起来,提高积冰模型对积冰物理过程描述的准确性。

  3电线积冰与气象条件的关系

  3.1地面气象要素积冰过程的必要气象条件是:

  1)具有液滴可冻结的气温,即℃以下;)具有较湿润的环境空气,即相对湿度一般在85%以上;

  2)具有可使空气中液滴运动的动力条件,即大于m/s的风速(蒋兴良和易辉,2001)。20世纪70年代起,我国电线积冰气象条件研究取得了许多有意义的结果。滕中林(1978)讨论了风速、地形、导线直径、电场等对积冰的影响,并给出不同高度积冰的变化。谭冠日(1982)进一步探讨了积冰冰厚随距地高度的变化,并分析了风与电线交角、电线直径和冰厚之间的关系。江祖凡(1983)利用1978—1981年冬季庐山云雾试验资料对电线积冰增长率与气象条件之间的关系进行了较为定量的研究。

  由于风速计在冰冻天气下极易冻结,风速作为影响积冰过程的重要气象要素,在早期的研究中相对较少。一方面,在积冰的发生和发展阶段,风将大量过冷液滴不断地输送向电线,与电线碰冻,加速积冰的增长;另一方面,过大的风速(尤其是瞬时风速)会破坏冰层的结构,加速积冰的脱落,这一现象主要发生在积冰的维持和脱落阶段,对于雾凇积冰过程最为显著。Jones(1998)建立的冻雨积冰物理模型则直接给出了风速对积冰增长的贡献项,其对冻雨积冰的模拟效果良好,并得到了Degaetanoetal.(2008)的验证和应用。SavadjievandFarzaneh(2004)则认为风速对云中积冰过程中冰厚的增长作用强于降水积冰过程中的数值。

  4电线积冰模型及预报

  基于野外观测资料的研究,揭示了积冰增长的基本物理过程。基于对成冰基本原理的掌握,众多学者开始尝试建立数学物理模型实现电线积冰模拟,逐步完善冰冻雨雪灾害预报预警方法。依据积冰形成机制,可将积冰分为冻雨型积冰、湿雪型积冰和综合型积冰,根据三类积冰形成机制,分别建立了三种不同类型的致冰模型。

  4.1冻雨积冰模型

  冻雨积冰出现条件为湿球温度低于0℃、有液态降水发生(Makkonen2000)。Jones(1998)将冻雨积冰的物理过程简化,以降水率和风速为参数提出了冻雨型积冰增长模型,并讨论了与其他模型的差异及差异的原因。该模型计算简便,在冻雨积冰预报时使用较广泛。

  温华洋等(2011)通过人工神经网络和逐步多元线性回归两种统计方法对电线积冰资料进行了分析,资料为安徽有电线覆冰观测的15个气象站自建站至2008年的观测资料,为安徽省电线积冰灾害建立了三个区域的标准冰厚估计模式,相比人工神经网络方法,逐步多元线性回归方法对建立安徽省电线积冰标准冰厚估算模式更为合适,对非高山站具有较好的模拟效果。Abdelaaletal(2019)选取不同电缆倾斜角度进行风洞结冰试验,指出电缆倾斜度影响冰厚及冰钉长度,考虑电缆的倾斜度、积冰增长方向和形状,开发了冻雨积冰模型,通过美国托莱多的两次积冰事件对模型进行了评估,模拟与观测结果较为一致。

  4.2湿雪积冰模型

  湿雪积冰出现条件为有降雪发生、湿球温度在0℃以上(Makkonen2000)。PootsandSkelton(1995)对雪粒下落轨迹与电线夹角以及积冰形状进行了研究,用余弦定理计算雪质量增长率,对湿雪积冰过程进行了模拟。Makkonen(1989)以湿球温度作为判断湿雪出现的指标,基于湿雪积冰增长的基本物理过程,以能见度等作为输入量,计算湿雪质量增长率,提出了湿雪型积冰增长模型。MakkonenandWichura(2010)对Makkonen(1989)模型进行了改进,在计算雪浓度时分白天和夜间两种情况来讨论,并将判断湿雪出现的标准由湿球温度大于0℃变为湿球温度大于0.2℃。

  用改进后的模型对2005年11月德国西北部湿雪积冰灾害进行了模拟,取得了较好的效果。Kringlebotnetal(2013)利用冰岛南部50湿雪积冰观测资料和WRF输出量对Makkonen(1989)湿雪模型进行了改进和讨论,用WRF输出量中液态降水和固态降水的比例来判断湿雪,并对比了三种捕获率的计算方法,模拟取得了较好的效果。

  5道路结冰及路桥温度观测试验

  道路结冰和电线积冰为伴生灾害,道路结冰亦可参考电线积冰的研究方法和形成原理。道路结冰严重影响交通运输安全(舒斯等,2019),准确预报路面温度和路面状况对降低冬季道路维护成本和预防减少交通事故发生具有重要作用,这就需要研究影响路面温度变化的因素,揭示下垫面特性对道路结冰气象条件的影响机制(李蕊等,2011;牛生杰等,2011;吕晶晶等,2013)。牛生杰等(2011)以水泥、土壤和沥青三种下垫面温度作为研究对象,在结冰预报模型中充分考虑三种不同下垫面特性,研究结果显示下垫面温度受不同材料性质引起的误差较小。

  吕晶晶等(2013)提出由于桥梁材质混凝土的比热容低于路面材质沥青,考虑到桥梁与空气的接触面大于路面,因此夜间桥梁以感热形式与空气进行热交换的能量应高于相同气象条件的路面,解释了桥面比路面更易结冰的现象,提出云量是影响路、桥面温度变化的主要因素之一,并根据总云量定义晴空、多云和阴天三种天空状况。路面温度与路面状况预报技术目前以统计分析法(牛生杰等,2011)和基于地表能量辐射平衡理论的物理模式预报方法(李蕊等,2011;吕晶晶等,2013)两种为主。李蕊等建立不同下垫面温度与气象要素的多元回归模型,针对路面温度取得了较好的预报效果,并指出路面℃低温与路面积水对结冰的产生和维持影响密切(李蕊等,011)。

  田华等(2019)指出统计方法虽然运算简便,预测结果比较精准,但受路面实测数据观测数量和时间长度的限制,存在地区适用性问题。基于地表能量辐射平衡理论的数值模式预报方法及其改进,本质就是以能量平衡方程为基础考虑太阳短波辐射、大气和地面的长波辐射、潜热、感热传输以及下垫面的热传导等能量之间的平衡,建立数值预报模型,从而探究路面温度和路面状况变化的物理规律。

  牛生杰等(2011)在基本能量平衡方程的基础上,考虑水汽、气溶胶、浮尘以及云等对太阳短波辐射的吸收和散射,建立了一种适用于实际预报冬季高速公路路面结冰状况的下垫面温度预报模型。吕晶晶等(2013)利用武英高速凤凰关水库自动气象站逐时路面、桥面温度和常规气象资料,分析了气温、路面温度和桥面温度的变化规律。

  在冬季典型天空状况晴空、阴天)和天气过程雾、降雨、降雪)中,将实测值与下垫面能量平衡模型计算值对比,验证模型计算的准确性和可靠性。应用该模型分析路面、桥面辐射能量收支变化,取得了较好的效果。由上可知,基于地表能量辐射平衡理论的数值模式预报方法具有较好的普适性和较高的时空分辨率,但是建立的模型形式复杂,输入参数多且不易获得(秦健和孙立军,2005);而统计分析法克服了参数多、计算繁琐等缺点,但存在地区适用性问题。因而,路面温度与路面状态预报技术研究以两者相辅相成为主(田华等,2019)。

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  6小结与展望

  本文从积冰发生频次的时空分布、积冰形成的温度湿度层结特征、积冰气象条件、微物理过程、积冰模型构建及数值预报试验、道路结冰规律等对已有成果进行了归纳总结,这些成果揭示了水凝物碰冻在电线表面并持续累积的机制,并建立了道路温度预报方法,在气象服务中发挥了较好的作用。目前的积冰观测研究,主要是在积冰多发地区的气象站开展的,实际上属于积冰模拟观测,主要目的是揭示积冰形成的宏微观气象条件和积冰演变规律。

  要进一步提高积冰研究针对性,提高积冰预警准确率,需要与电力公司密切合作,在高压输电线路上安装自动气象站、拉力器和摄像头,在真实电力输送环境下,针对积冰形成的不同气候背景、天气系统、微物理过程、地理环境等因子,进行多站点、长时间、高分辨率的智能化积冰增长观测研究,积累更多具有多方面代表性的资料,构建具有中国知识产权的积冰增长模型,建设符合我国天气气候条件、地理环境等因素的积冰数值预报系统,提高积冰灾害监测预警水平,为冰冻雨雪灾害防灾减灾服务,将科研成果运用在保障电力输送网安全稳定高效运行的服务系统中。

  作者:牛生杰1,,王天舒,吕晶晶,周悦,王元

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