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。     

导线积冰的云雾特征观测研究

导线积冰在贵州山区是常见的气象灾害, 导线积冰增长率与气象云雾因子密切相关。研究选择贵州西部、北部、中部3个积冰区进行了专门外场观测, 观测项目有:云滴谱、含水量、气温、风向、风速、导线上积冰的长径、短径。观测分析表明:贵州云滴浓度、特征平均直径没有显著性地区差异; 云滴平均浓度140~312个/cm3, 云滴算术平均直径、均立方根直径、中值体积直径分别为7.5 μm, 11.3 μm和20 μm; 14 μm以上大云滴浓度平均占云滴总浓度的12.5%, 但对含水量的贡献高达78%, 大滴与导线碰撞效率高, 大滴是导线积冰的关键因子; 云雾含水量平均0.20 g/m3; 在0~-6 ℃之间, 含水量随温度的降低而降低; 南北向导线积冰比东西向的积冰多; 导线积冰增长率与含水量的大小成正比, 风速超过3 m/s时, 积冰增长率与风速有较明显的正比关系。     

兰州至关中电线积冰与导线线径及高度关系

对2006—2007年、2007—2008年冬季甘肃、陕西、宁夏多个测点不同线径、不同架线高度电线积冰观测资料分析可知,不同线径电线积冰的净直径、净厚度、等效厚度、积冰重量间存在显著线性关系。直径为26 mm导线电线积冰重量约为18 mm导线的1.2倍,是4 mm铁丝的1.3倍。直径为26 mm导线与直径为18 mm导线电线积冰间的各项关系都较26 mm导线与4 mm铁丝的线性关系更为显著;大直径导线电线积冰的净直径、净厚度、等效厚度均小于4 mm铁丝;26 mm导线与18 mm导线电线积冰的净直径、等效厚度基本相等。电线积冰等效厚度是架设高度比的幂函数;忽略水滴下沉速度,在假定捕获系数为常数、假定时间各物理量均衡不变情况下,电线积冰重量与电线导线线径成正比,且随架设高度的增加而增加。     

贵州输电线积冰数值研究

本文建立一个研究贵州输电线冬季积冰过程的时变数值模式。模式中考虑了低风速下非水平流场中过冷滴的下落对输电线积冰增长的贡献。应用该模式研究了实测的各种过冷却液滴直径、液水含量、气温、风速条件及不同导线直径下的积冰情况。计算结果表明：长时间积冰情况下，积冰的最终直径与初始线径关系不大．液滴的中值体积直径对积冰强度、积冰直径和积冰荷载影响较大。模拟的最大积冰直径为147mm，积冰荷载为0．43～14．98kg／m，积冰密度为0．28～0．92g／cm3。     

陕西省电线积冰特征

选用陕西省宝鸡、华山、洛川、吴旗、榆林5站1980—2005年电线积冰观测资料, 分析了陕西省雨凇、雾凇及混合凇的分布特征与物理特性。结果表明:陕西省华山电线积冰最多、最大、最重。电线积冰以雨凇最多, 雾凇次之, 混合凇最少, 分别占55.2%, 27.9%和16.9%。各地积冰日多出现在11月至次年3月。雨凇、雾凇、混合凇的平均等效直径为10~25 mm, 极大值为78 mm; 平均质量为86~236 g/m; 华山积冰质量极值最大, 为1290 g/m; 积冰平均密度为0.22~0.34 g/cm 3, 混合凇最大, 雾凇最小。南北向等效直径的平均值、积冰质量、密度均大于东西向。近26年, 年最大积冰质量有增加的趋势。     

两种导线观测的电线积冰资料的对比分析

应用直径26.8和4 mm两种导线平行观测的电线积冰资料,对比分析两种观测资料中电线积冰直径、厚度、重量和标准厚度的差异,并对不同天气现象和气象条件下两种电线积冰观测资料的差异进行了讨论.结果表明:总体上,2011年1-5月全国大部分台站观测的两种导线电线积冰直径、厚度和标准厚度值差异不明显,重量差异较明显,且差值较大的站点主要分布在长江以南地区;分析不同天气现象和气象条件下两种观测资料的差异后发现,两种电线积冰直径和厚度值差异在雾凇和混合凇条件下较显著,而重量值差异在雨凇、风力0～3级和气温-5～0℃的条件下时相对最大.     

河南省一次冻雨过程中电线积冰厚度模拟

利用WRF中尺度数值模式并耦合Jones积冰厚度模型,对河南省2010年2月8—11日的冻雨过程进行了大气环流分析以及电线积冰厚度的模拟。研究结果显示:(1)在河南大部和安徽北部,冷暖气团在此交汇且出现强逆温层,满足了冻雨产生的天气条件:(2)模拟的降水场和10 m高度风向风速均与观测相当,但模拟降水中心强度略大:(3)模拟电线积冰在地面温度低于0℃时出现并快速增长。在积冰增长及维持阶段,垂直方向温度与水合物的模拟结果显示高低空配置与积冰厚度的变化趋势相吻合。积冰首先出现在伏牛山以北地区,随时间推移,积冰向伏牛山外围的东南部扩展。模拟的范围和积冰厚度演变大体上与观测值吻合,证明该模式可用于河南地区的积冰预测。(4)部分地区仍存在积冰厚度模拟值偏大的现象,其原因可能来自地形模拟精度较粗、模拟风速偏大、风向与电线夹角理想化以及Jones积冰模型阈值范围较小等因素,这表明耦合了Jones积冰厚度的WRF模式虽然有一定的模拟能力,但仍需要进一步改进。     

云中积冰过程微物理参量演变规律的数值模拟

利用耦合Thompson参数化物理方案的WRF（weather research and forecasting）中尺度数值模式,对发生在2008/2009年和2009/2010年冬季恩施雷达站处三次积冰过程的边界层特征和云雾微物理量进行了模拟,并与实测结果进行了对比分析.模拟结果较好地反映了恩施雷达站上空多逆温影响的温度层结特征;云水质量浓度和云雾滴中值体积直径的模拟值与观测值的平均绝对误差分别为10-2g·m-3和3.8μm;恩施雷达站上空存在一个质量浓度为0.3g ·m-3左右的高值中心,其逐渐下移接地,给积冰过程带来充足水汽,且此时通常也有降雨出现.     

一次输电线路覆冰舞动事故灾害性天气分析

利用WRF模式和Jones电线积冰模型对发生在2010年2月10—11日湖北地区的电线覆冰舞动事故的天气过程进行分析,并对灾害性天气的可预报性进行初步探讨。结果表明:Jones电线积冰模型基于观测降水数据计算积冰厚度在1.3~5.4mm,与观测量级相同。由于WRF模式对此次天气过程的降水量模拟偏大而高估了电线积冰厚度。WRF模式模拟的10m风速风向与观测的一致性较好,模拟本次过程的风速为5~10m·s-1,风向为偏北风,而湖北地区输电线路以东西走向为主,较容易发生舞动事故。     

华山电线积冰日气象条件

选用华山气象站1980—2008年电线积冰观测资料,将其转换为标准冰厚,并与每日4次温度、湿度、水汽压、风速、降水量等进行相关分析。结果表明:华山标准冰厚为0~20mm。积冰主要为5mm以下,出现频率达87.56%。风速为2.1~8m/s,积冰出现频率达75.72%。15mm以上积冰只出现在日平均风速为1.1~16m/s时,并以4.1~8m/s出现频率最大,为0.45%,占该厚度的60%。出现积冰时的水汽压(日4次水汽压中的最大值)多为3.1~7hPa,15mm以上积冰只出现水汽压为4.1~8hPa时。出现积冰的湿度多为81%~100%;15mm 以上积冰也出现在该湿度范围内。当20-08时降水量为5mm以下,华山积冰出现频率达91.03%;15mm以上积冰出现在降水量为0.1~20mm时,并以5.1~20mm频率最大。华山积冰时,14时气温主要为-9.9~5o C,积冰频率达88.24%。15mm以上的积冰也出现在该温度范围内,并以-4.9~0o C间频率最大,为0.45%。华山14时气温为-4.9~0o C、日平均湿度为90%~100%时,积冰出现频率最大,为25.41%,大于四分之一,其中出现5mm 以下积冰的频率为21.19%。15mm 以上积冰主要出现条件为-4.9~0o C、湿度90%以上,出现频率为0.45%,占该厚度的66%。
 

     

飞机积冰形势场数值模拟试验的参数化方案效果评估

利用WRF模式对飞机积冰时的形势场进行模拟,通过双线性插值法对模拟的要素进行降尺度处理,比较不同参数化方案时形势场的预报值和实况值之间的相关性,研究不同参数化方案对飞机积冰形势场的模拟能力。结果表明:不同参数化方案的选择影响模拟效果,当微物理过程方案采用WRF Single-Moment 3-class scheme及积云参数化方案采用Betts-Miller-Janjic scheme时,形势场预报值和实况值间相关系数最大,均方根误差最小,预报值与实况值之间变化趋势和特征最接近;且根据飞机积冰实测报告,利用假霜点温度经验法验证,此时积冰的预报效果和实际报告结果最相符。     

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。     

华山电线积冰日气象条件

选用华山气象站1980－2008年电线积冰观测资料,将其转换为标准冰厚,并与每日4次温度、湿度、水汽压、风速、降水量等进行相关分析。结果表明：华山标准冰厚为O～20mm。积冰主要为5mm以下,出现频率达87．56％。风速为2．1～8m／s,积冰出现频率达75．72％。15mm以上积冰只出现在日平均风速为1．1～16m／s时,并以4．1～8m／s出现频率最大,为0．45％,占该厚度的60％。出现积冰时的水汽压（日4次水汽压中的最大值）多为3．1～7hPa,15mm以上积冰只出现在水汽压为4．1～8hPa时。出现积冰的湿度多为81％～100％;15mm以上积冰也出现在该湿度范围内。当20—08时降水量为5mm以下,华山积冰出现频率达91．03％;15mm以上积冰出现在降水量为0．1～20mm时,并以5．1～20mm频率最大。华山积冰时,14时气温主要为-9．9～5℃,积冰频率达88．24％。15mm以上的积冰也出现在该温度范围内,并以-4．9～0℃间频率最大,为0．45％。华山14时气温为-4．9～0℃、日平均湿度为90％～100％时,积冰出现频率最大,为25．41％．大于四分之一．其中出现5mm以下积冰的频率为21．19％。15mm以上积冰主要出现条件为-4．9～0℃、湿度90％以上,出现频率为0．45％,占该厚度的66％。     

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。     

导线积冰重量模拟方法探讨

根据导线积冰的物理模型框架以及对导线积冰的主要影响气象因子相关分析,构造与导线积冰增长有关的水汽输送量指标,建立了导线积冰的预测模型;利用贵州省9个气象站1951—2010年的积冰观测资料和同期气象观测资料,采用非线性回归分析等方法,拟合了预测模型中效率因子系数的经验函数。建立的模型中各因子均为可预报气象要素,因而具有更好的预报可操作性,历史资料的拟合效果比较理想。     

基于气象规范的电线积冰自动监测系统的研究

针对目前气象领域内电线积冰人工观测工作强度大、效率低、准确率差,而且观测数据不连续、无实时性等现状,提出了以气象规范中使用的电线架为基础而构建的电线积冰自动监测系统。系统不仅能实时连续地监测并显示积冰的重量,而且具有防水、防冻、易装配等特点。经过贵州省威宁县野外场地实测后,系统监测到了连续的积冰重量数据,达到了预期的日的。这将有助于气象部门降低电线积冰观测的劳动强度、提高观测效率以及准确率。     

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。     

飞机积冰过程的诊断分析及强度预报建模

利用NCEP再分析数据和观测数据,对2000年6月6日甘肃省人工增雨作业时的一次飞机积冰过程进行诊断分析,利用WRF模式对72个飞机积冰实例的天气过程进行了数值模拟,在此基础上结合飞机飞行速度建立了积冰强度预报模型,通过统计分析和拟合得到预报模型的参数,并利用飞机实测报告对该模型的预报效果进行了回报检验。结果表明,该模型对飞机积冰强度的预报准确率为69.44%,强度预报结果偏弱占比25%,偏强占比5.56%。     

中国电线积冰灾害研究进展

电线积冰灾害是导致电力系统发生事故的重要自然灾害之一。基于已有研究成果,从电线积冰相关概念与分类出发,对电线积冰的影响与危害、时空分布、成因、影响因子、预报模型、风险评估以及预防措施等方面进行归纳。我国电线积冰灾害以雾凇型积冰和雨凇型积冰为主,主要环境成因包括准静止锋、大气垂直结构和逆温层,同时还受到地形、高度和导线自身特性等的影响。电线积冰灾害总体上呈现北方多雾凇而南方多雨凇的分布特征,20世纪80—90年代的积冰日数较多,90年代后呈下降趋势。为更好地实现电线积冰灾害的模拟与预测,预报模型也在不断完善,包括物理数值模型和统计预测模型;而对于电线积冰灾害风险评估的研究较少,主要集中在电线积冰灾害的危险性和线路的脆弱性。基于多学科指标构建的电线积冰综合性指标、基于灾变过程的综合风险评估及气候变化对电线积冰的影响将是今后重点研究方向。     

乌鲁木齐地区飞机积冰综合分析

积冰是影响飞机安全航行的重要天气现象之一.在航行中,飞机如遇到积冰,能使飞机的空气动力学性能变差,阻力增大,升力减小,仪表失灵,通讯中断,甚至导致机毁人亡的恶性事故.例如:1986年12月15日,一架安-24,3413号飞机,执行兰州-西安的航班任务时,在3600m高空遇到严重积冰.由于发动机进气口严重积冰,引起进气道气流不畅,使气压机工作不稳定,从而导致发动机喘振、右发停车.飞机速度由338km/h,降到195km/h,飞机高度从3675m,掉到2450m.飞机被迫返航中川,降落阶段,又在积冰单发飞行的情况下进行复飞,结果在中川机场跑道头延长线1345m处,撞断15棵树和一根电线杆后触地失火,造成机上6名乘客不幸身亡.