电线积冰形成机理研究:观测和模拟

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本文利用2008—2009年湖北省西南部石板岭山顶恩施雷达站冬季积冰架积冰综合观测资料和湖北地区500kV高压输电线积冰综合观测资料,探讨了电线积冰的形成机理。着重分析了积冰架积冰期间冰厚的变化及其宏微观物理量的演变特征,并对积冰厚度进行了模拟;研究了高压输电线积冰期间冰厚和气象要素的变化特征,并与积冰架积冰过程进行了对比;探讨了冻毛毛雨对积冰过程的直接和间接影响;最后,使用中尺度模式WRF对积冰过程中的微物理特征量进行了模拟。主要结论如下:(1)积冰发生期间,地面形势场表现为冷锋过境,850hPa受冷高压和冷温度槽控制,500hPa槽前西南气流提供了充足的水汽条件。积冰的开始时间基本为傍晚或凌晨,而脱落时间为中午12点左右,脱落时的气温为-1-0℃。积冰过程中,当温度层结为“冷-暖-冷”结构时,降水主要为冻雨,而当整层气温小于0℃时,降水主要为冻毛毛雨或雪。积冰增长期的平均液水含量要明显大于积冰准备期、维持期和脱落期,且降水主要集中在增长期;液水含量与积冰厚度的增长率显著正相关;积冰厚度的模拟结果能较好反映实际冰厚变化。(2)通过恩施雷达站处的气温可以准确地推断出张恩#307杆塔处的气温。高压输电线表面温度比环境气温高2-4℃,且两者呈显著正相关;高压输电线积冰发生和脱落时的气温明显低于积冰架积冰发生和脱落时的气温,发生时气温约为-2℃,脱落时气温为-2--1℃。积冰厚度较大时,冰厚会长时间维持;而积冰厚度较小时,冰厚受气温影响显著;液水含量计算值与观测值的变化趋势基本一致,但计算值偏大。(3)冻毛毛雨过程中雨强、液水含量和雨滴粒径都较小,数浓度与液水含量的变化规律基本一致;过冷雾微物理量的发展受到冻毛毛雨的抑制,大雾滴数浓度明显减少,小雾滴数浓度则以起伏变化为主。阈值粒径可以区分受降水影响程度不同的大雾滴和小雾滴所属的粒径范围,其与雨强大小呈正相关。冻毛毛雨会影响过冷雾过程中各微物理量之间的关系,受影响较小的过程中,微物理量之间都为正相关关系,而受影响较大的过程中,雾滴同时受凝结活化、蒸发失活(“冰晶效应”的作用)以及碰并作用(雨滴碰并和湍流碰并)等机制不同程度的影响,微物理量之间呈现弱的正相关甚至负相关关系。冻毛毛雨对总积冰量的直接贡献约为14.5%,综合考虑冻毛毛雨对积冰的直接和间接影响,认为其是积冰增长的“催化剂”。(4)采用耦合hompson云微物理参数化方案的WRF中尺度数值模式模拟了四次积冰过程中各水成物质量浓度和云雾滴中值体积直径的变化规律,并与观测结果进行对比分析。模拟结果较好地反映了积冰期间恩施雷达站上空多逆温出现的特征;基本抓住了云水质量浓度和中值体积直径的变化规律,尤其是云水质量浓度极大值出现时间和降雨、降雪出现时间;恩施雷达站云水质量浓度出现极大值时,上空多存在一个0.3g m-3左右的高值中心,并且高值中心会逐渐下移接地,给积冰过程带来充足的过冷水。
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