基于常规气象资料的小时标准冰厚模型及验证

在综合考虑雨凇和雾凇积冰增长以及热力融冰和升华脱冰的基础上,建立了一个基于常规气象资料的小时标准冰厚模型。模拟2008年和2013年浙江省两次严重电网覆冰灾害期间的标准冰厚,并用事故线路调查资料、电线积冰观测站和模拟导线拉力监测点的观测资料进行验证分析。结果显示:事故线路的最大标准冰厚观测值与模拟值相关关系达到0.01显著性水平,电线积冰观测站的日标准冰厚观测值与模拟值的平均绝对偏差小于0.6 mm,模拟导线拉力监测点的小时标准冰厚模拟值与观测值的决定系数为0.8093,均方根误差为0.8 mm。说明模型比较准确地描述了天气过程对电线积冰的影响,能够较好地反映标准冰厚的空间分布规律和时间变化特征。     

北疆电线积冰的分布及区划

利用北疆8个气象站1986—2015年电线积冰观测资料对北疆电线积冰的时空分布及区划作了初步分析。分别采用极值I型和皮尔逊III型概率分布函数,推算了不同重现期的积冰厚度并进行了检验对比,根据最大积冰厚度重现水平,对北疆积冰进行了区划。结果表明:电线积冰大多发生在冬半年,1和12月出现频率最高;电线积冰出现最多的地区是福海,最少的是塔城;平均标准冰厚最厚地区为昭苏;精河30 a、50 a一遇的设计冰厚在中冰区,其他各站点30、50 a一遇的设计冰厚都在重冰区,100 a一遇所有站点都在重冰区。     

南方三个省电线积冰时空分布特征

基于1961—2019年贵州、湖南、江西191个气象站点电线积冰资料,统计分析了研究区域内电线积冰的日数、标准冰厚极值、最大连续积冰日数的时空分布特征以及电线积冰起止日的时间变化;构建电线积冰风险指数,评估了出现电线积冰的风险。结果表明:电线积冰日数整体呈下降趋势,在20世纪80年代达到最大值,月分布以1月出现最多,电线积冰以雨凇型积冰为主。标准冰厚极值集中在20～50 mm,极值大部分出现在湖南;大部分站点极值出现在2011—2019年。最大连续积冰日数集中在5～15 d,整体上贵州的最大连续积冰日数高于湖南和江西。电线积冰的起始日的年际变化整体上呈提前趋势,而终止日整体上呈推迟趋势。电线积冰风险指数年变化整体上呈减小的趋势;电线积冰的高风险区域主要位于贵州中西部、湖南中部和江西北部,风险指数大于0.6。     

江西省积冰特征分析及重冰区不同重现期最大标准冰厚推算

用江西境内85个国家气象站近30年雨凇、雾凇观测记录分析了江西省积冰日的年际、年代际变化及分布特点。结果表明江西地区的积冰天气事件近30年来总体呈现发生频次减少,强度增强的特征;高山气象站的积冰事件的发生频率显著高于平原、丘陵气象站。积冰高发区主要分布在西、北山区及中部环鄱阳湖及抚河流域以南。另外,充分考虑2011年前后气象部门观测导线线径的变化,利用建站至今16个观冰站电线积冰数据对全省范围的最大电线积冰最大标准厚度进行了推算,结果更符合电力行业对电线积冰工程气象数据的需求。结果表明,除赣北山区外,全省大部分地区2 m高度电线积冰最大标准冰厚度小于20 mm,“轻冰区”范围较多。应重点关注高海拔山区的电线积冰的致灾状况并加以预防。针对该区域架空输电线路电线积冰设计的实际需要,采用极值I型概率分布函数结合高山站-庐山站的观测数据进行了推算,20 m高度百年一遇的最大标准冰厚达到71.1 mm,在计算不同走向的导线设计冰厚时迎风向与非迎风向的比例系数推荐设定为1.2,该结果可为现阶段江西“重冰区”电力工程项目规划设计中预防冰灾提供有力支持,为有效节省项目建设成本和科学预防气象灾害之间寻求平衡点提供气象保障。     

安徽省电线积冰标准冰厚的气象估算模型

基于逐步多元线性回归和人工神经网络两种方法,利用安徽省有电线积冰观测的15个气象台站建站至2008年的观测资料,建立了安徽省3个不同区域电线积冰标准冰厚的气象估算模型。结果表明:相比人工神经网络模型,逐步多元线性回归模型预测效果较好;在覆冰机理认识上,印证了影响标准冰厚主要是气温、湿度和风速3个因子的配置,其中气温是影响覆冰的最重要因子;平原和丘陵地区的标准冰厚受当日气象条件影响更多,而高山地区与前几日及当日的气象条件均密切相关,且26个气象因子 (1987—2008年资料) 构建的模型的预测效果好于24个气象因子长序列 (建站—2008年资料) 效果。最后利用最优模型推算各区域非观冰站电线积冰标准冰厚,为冰冻灾害的评估以及风险区划的开展提供了基础。     

山西省不同重现期下电线覆冰厚度空间分布及区划

利用山西省18个积冰站电线积冰观测资料和91个气象站常规观测资料,采用逐步回归分析方法,针对不同气候区分别构建电线覆冰设计冰厚的气象估算模型,推算各站30 a、50 a、100 a重现期下的设计冰厚。在此基础上,结合DEM数据和电网运行覆冰观测资料,对设计冰厚进行地形订正和易冰区微地形运行经验修正,最终得到山西省电网电线覆冰厚度空间分布及区划结果。结果表明:(1)山西省电线覆冰的设计冰厚整体与气温、相对湿度、风速、水汽压等密切相关,其中高山区的设计冰厚还与降水量、日照时数关系密切,且受连续3 d的气象条件影响,而丘陵和平原区则与当日和前一日或前二日的气象条件密切相关;(2)构建的分区设计冰厚气象估算模型对各气候区的覆冰厚度模拟效果较好,估算偏差五台山前约2 mm,其余地区小于1.2 mm;(3)地形订正后的结果更为合理地反映山西省各重现期下电线覆冰厚度的空间特征,即覆冰厚度随纬度降低而减小,中、重冰区主要分布在恒山、五台山、管涔山、吕梁山、太岳山和太行山等高海拔地区,而沿黄河一带和盆地为轻冰区,且盆地覆冰最轻;(4)易覆冰区经运行经验修正后,其覆冰厚度能够更加精确表达局部微地形区覆冰真实情况,这对电力部门具有实际参考价值。     

湖南电线覆冰厚度估算模型研究

基于湖南省97个地面气象观测站（其中28个站有电线积冰观测业务）自建站至2008年的日气象观测资料,雪峰山、东山峰高山站的部分电线积冰观测资料,NCEP/NCAR再分析资料及地理信息资料,开展了气象要素、温度垂直结构、地理信息等环境因子对电线覆冰厚度的影响分析;利用逐步回归方法建立了电线覆冰厚度与环境因子的回归模型;在对回归模型进行统计检验的基础上,开展了自建模型与其他两种相关模型的比对分析。检验及比对结果表明,自建模型具有可用性。     

近年来关于电线积冰的一些研究

电线积冰是电力、通讯等架空线路的一种垂直荷载。线路积冰不仅形成很大的垂直荷载,还增加了受风面积,承受较大的水平的风力。通过重冰地段的线路,如果缺乏准确的积冰数据而没有按照不同的积冰厚度设计,则投资可能相差百分之几十,其结果或者是浪费了资金,或者是不能保证安全。例如,据武汉电力设计院的研究,华中某输电线路若按冰厚10毫米设计(导线溶冰,按冰厚15毫米验算),每百公里投资63万元;若按冰厚15毫米设计(不溶冰,按冰厚35毫米验算),每百公里需投资102万元。     

雨雾共生天气下积冰模型关键参量的研究

利用在2008—2016年冬季湖北恩施雷达站、金沙本底站、神农架大草坪和神农顶观测得到的30次持续时间超过24 h的完整电线积冰过程观测资料,分析了雨雾共生天气对积冰过程的宏观影响,根据积冰过程的物理模型探讨了过冷雾和冻毛毛雨天气下关键模拟参量的分布特征,最后给出了雨雾共生天气积冰厚度模拟的演变特征。结果表明:山区积冰的持续时间是影响其过程最大冰厚的关键因素,雨凇过程中冻毛毛雨的发生时次最集中,且其出现可能导致冰厚爆发性增长,有无冻毛毛雨出现时段的冰厚增长率平均值分别为1.26 mm·h-1和-0.11 mm·h-1;碰撞率是抑制过冷雾积冰的主要参量,其均值在0.1左右,而冻结率则是抑制冻毛毛雨积冰的主要参量,其均值在0.6左右;过冷雾积冰和冻毛毛雨积冰分别表现出阶段性增长和持续增长的变化特征,且冻毛毛雨积冰会抑制过冷雾积冰的发展。     

黑龙江省输电线路覆冰状况研究

本文利用31个气象观测站30a积冰观测资料分析黑龙江省的电线积冰现状,采用极值Ⅰ型概率分布计算了各重现期最大冰厚,对黑龙江省的冰区进行了划分,初步得出齐齐哈尔、富裕一带属于冰灾较严重的地区,其余为轻冰区的结论.     

2008年低温冰冻雨雪灾害天气过程中贵州电线积冰气象条件分析

利用气象电线积冰观测资料、探空观测数据、自动站资料以及NCEP再分析资料,分析2008年低温冰冻雨雪灾害天气过程中贵州电线积冰的分布特点,讨论了贵州电线积冰的气象条件,并对电线积冰的融冰条件进行了讨论.分析认为此次低温冰冻雨雪灾害天气过程中,贵州电线积冰严重,积冰范围广、时间长,相对而言贵州中东部地区积冰较厚;贵州电线...     

粤北地区导线覆冰气象特征与标准厚度推算

利用广东省乐昌高山气象站1972—1978年观冰资料和气候资料,分析了粤北地区导线覆冰的气象特征,建立了导线覆冰标准冰厚的气象推算模型。根据乐昌国家气象站的历史资料,对乐昌高山气象站的气候资料进行订正延长,构建了乐昌高山气象站覆冰年极值长年代序列,并推算出离地不同高度各重现期的标准冰厚值。结果表明,粤北地区导线覆冰主要发生在1月,其次为2月和12月,平均覆冰期在90天左右,最长覆冰期可达131天以上。主导风向、日最低气温、日降水量是影响导线覆冰厚度的主要气象因素。标准冰厚的年极值序列服从极值I型概率分布,历史上的最大导线覆冰值出现在2008年1月26日,2m高度标准冰厚达64.4mm,15m高度标准冰厚达92.7mm,与2008年冰灾实况调查的覆冰厚度(标准冰厚)115mm较为接近。     

2015年广西区北部超高压输电线路一次连续覆冰事件的天气学特征

广西区是我国南方电网西电东送输电的重要通道, 2015年1月26日—2月8日期间广西区北部桂林地区发生了一次大范围超高压输电线路的连续覆冰事件, 其最大覆冰厚度可达24.83 mm。利用ERA5再分析资料和气象观测资料结合南方电网超高压输电线路覆冰观测资料, 从天气形势、温湿垂直层结、局地气象要素以及大气环流指数等方面综合分析了此次电线覆冰的天气学成因。结果表明, 东亚大槽偏强, 阻塞高压引导脊前偏北气流南下, 冷空气入境与西太平洋副热带高压带来的暖湿气流汇合, 在北方寒潮与南方水汽的共同作用下, 地处高海拔的输电线塔杆易出现覆冰。冷暖气团在桂林北部山区上空相互对峙形成准静止锋时出现两种覆冰变化特征: 当冷空气强盛且水汽充沛时, 过冷却雨滴冻结或者雾滴凝华形成电线积冰; 而在暖气团主导下电线覆冰则自然融化。准静止锋的锋区移动在很大程度上影响着电线的覆冰增长过程, 特别地, 冷暖空气的交替主导是电线反复积冰的主要原因。      

陕西省电线积冰区划

采用华山气象站1980—2007年的电线积冰观测资料和陕西省95个气象观测站资料,分析了电线积冰厚度与常规气象资料的相关性,并据此推算出各地距地面10m高度上历年标准的电线积冰厚度,用极值Ⅰ型推断30和50年一遇的最大积冰厚度。结合陕西省电力设计院设计经验、陕西省电网运行现状及历史电网冰灾事故调查情况,对陕西省电网冰区进行了初步划分。结果表明:最大积冰厚度与年雾凇日数、年雨凇日数有较好相关性;将全省分为6个积冰区,并分别绘制出全省不同区域30和50年一遇的1:500000积冰分布图。该结果已作为陕西省电力建设中电线积冰厚度设计的重要依据。     

华家岭2008年电线积冰的变化特征与气象条件分析

利用华家岭气象站不同高度、不同方向、不同导线直径的电线积冰观测资料,分析了电线积冰在不同高度、不同方向、不同导线的变化特征,以及与气温、水汽压、风速等气象要素的关系。分析表明,电线积冰量随高度增加而增加,随电线直径增大而增大;在相同高度、相同导线上,不同方向的积冰量与风向有关。电线积冰量与水汽压、风速分别呈正相关和反相关。在一定阈值内,电线积冰量和气温存在较好的相关性。     

电线积冰及路面温度研究的新进展

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。     

湖北省电线积冰微地形因子影响识别研究

电线积冰是影响电网正常运行的重要因素,研究电线积冰与微地形因子的关系对于电线积冰风险区划、电网建设可行性论证等具有重要指导意义。本文利用湖北省1：5万基础比例尺地形图数据和湖北省电网线路冰害故障调查统计数据,对电线积冰厚度与其对应的微地形因子进行相关性分析,识别对电线积冰有显著影响的微地形因子,分析电线积冰厚度与对其影响显著的微地形因子的定量关系,解析微地形因子对电线积冰敏感性等级。结果表明：地形起伏度、海拔高度、离水体远近程度、下垫面类型等是影响积冰厚度最显著的微地形因子;地形起伏度与积冰厚度呈乘幂函数关系,海拔高度与积冰厚度呈对数函数关系,离水体远近程度与积冰厚度呈分段函数关系,下垫面类型与积冰厚度无显式的函数关系,但积冰灾害发生点具有明显的随下垫面类型分布的特征;积冰厚度随地形起伏度、海拔高度的增加而增加,而其变化率和敏感性则逐渐减小;地形起伏度小于40 m时,其对积冰风险最敏感;海拔高度在25～100 m时,其对积冰风险最敏感;积冰厚度随离水体距离的增加呈先增后减的变化趋势,其变化率绝对值和敏感性也呈先增后减的变化趋势,当离开水体距离在2～2.7 km时,其对积冰风险最敏感;电线积冰灾害多发区域的下垫面主要为水体、林地,其次为农田和草地,水体对积冰风险的敏感性等级分别是林地、农田、草地的1.5、3.6和16.7倍。     

基于过程判别的雨雾凇导线覆冰气象模式

利用2011年1月—2013年3月在贵州开展导线覆冰自动观测试验获取的观测资料,分析了覆冰过程演变及其气象条件变化特征,提出一次完整的导线覆冰过程包括覆冰开始、增长、维持、减弱、消融5个阶段,并得到覆冰过程的气象条件判别指标;基于导线覆冰理论模型的改进并结合气象条件判别,建立了基于过程判别的雨雾凇导线覆冰气象模式,应用该模式对观测获取的多个导线覆冰过程进行数值模拟检验。结果表明:模式能够模拟自然环境下覆冰的增长,并能够正确模拟出覆冰的减弱、消融,模拟过程覆冰质量变化的最大相对误差小于20%。该模式具有较完整的理论基础和计算方案,主要以常规气象观测要素为输入,能够计算输出覆冰全过程逐小时覆冰质量、覆冰厚度及覆冰密度变化,具有较大的应用前景。