雨雾共生天气对积冰增长影响及积冰模型改进

With the rapid development of economic in China, the demand to the security of electricity supply is increasing greatly. The wire icing will be harmful to the normal operation of the transmission lines, especially those erected in mountainous area which are suffered serious damage caused by the combined effect of precipitation icing and in-cloud icing. The thickness and weight of icing are dependent on the transportation of supercooled liquid water, so the analyses of microphysical characteristics of supercooled cloud/fog and rain should be the key to explore the complex icing processes. In this project, based on the dataset of ice accretion from field observations, the macro-microphysical properties of icing and freezing fog/drizzle droplets size distributions will be studied. The effects of freezing drizzle on collision efficiency, coalescence efficiency, and accretion efficiency are investigated, achieving the conversion from the study of microphysical characteristics of wire icing to the research of ice formation mechanism, and obtaining the concept based on both direct and indirect effects of freezing drizzle on ice accretion. The influence of shortwave radiation on the break-off of ice load will also be analyzed. Finally, the effects of freezing drizzle and shortwave radiation are added into the supercooled-fog icing model which is established in former research, making the simulations of icing model can agree with observations fairly well. The achievements will provide scientific basis to disaster evaluation and monitoring/warning of ice accretion.

随着我国经济的迅速发展，对电力供应安全的要求越来越高，而电线积冰会危害到输电线路的正常运行，尤其是架设在山区的输电线路受云中积冰和降水积冰共同作用下的复合型积冰过程影响严重。积冰量的大小依赖过冷液水的输送，分析过冷云雾降水的微物理特征是深入探讨复合型积冰过程的关键。本项目通过对已获得的积冰量、气象要素、过冷滴微物理特征和短波辐射等观测资料进行深入分析，揭示过冷雾和冻毛毛雨滴谱特征的演变规律，探讨冻毛毛雨的出现对碰撞率、捕获率和冻结率的影响，实现从过冷云雨微物理特征研究到电线积冰成冰机理分析的转换，得到冻毛毛雨对积冰过程的直接和间接影响；进一步结合短波辐射对积冰破碎脱落的作用，在电线积冰模型中加入冻毛毛雨作用项和辐射效应作用项，实现对已有过冷雾积冰模型的改进，使之能更准确地反映复合型积冰过程的观测事实，为有关部门有针对性的应对复合型积冰过程提供科学依据。

在项目执行过程中，项目组成员围绕项目研究计划开展了项目研究工作。对于我国不同地区的冻雨过程进行了梳理和分类，对比分析了不同地区冻雨天气的时空分布规律、气象要素区间和典型温度层结廓线特征，并基于降水粒子所经过正、负温度层的厚度和强度，定量给出了判别冻雨是否发生的正、负能量面积匹配阈值，并进一步结合湖北地区500kV高压输电线路积冰过程的逆温层特征进行了探讨。分析了山区冻雨过程的滴谱和下落末速度分布特征，发现山区冻雨过程主要为以冻雨为主体的混合相态降水，与常规液态降水存在差异，下落末速度粒径分布偏离G-K曲线，低落速的冻雨滴随降水过程会逐渐向冰粒和干雪转化，混合相态降水因混有干雪或冰粒而使得下落末速度粒径谱分布表现出不同程度地向大粒径小落速方向或小粒径大落速方向延展的趋势。同时，山区导致积冰过程出现的降水以1~3h的短时降水为主，雨强较小为冻毛毛雨降水；雾滴谱基本表现为双峰分布，峰值分别位于3μm和11-13μm，冻毛毛雨的出现会增加3μm处数浓度的大小，减少11-13μm处的数值，而固态降水的出现则会使得雾滴谱显著拓宽。雾滴谱谱型在降水的抑制作用下呈现有规律性的稳定演变，随着雾滴粒径的增大，滴谱从尖峰态向低峰态，从正偏态向负偏态分布转变。而对于海拔相对较低的山区，导致积冰形成的过冷雾形态主要表现为团块特征，且此时观测点高度带来的气温和风速差别，是影响积冰持续时间和冰厚大小的重要因素。项目组对积冰融化脱落过程的影响因子进行了一定的探索，发现积冰脱落主要发生在08:00~14:00，脱落时间主要为1-5h；冰厚递减率在气温小于-3℃时增长缓慢，而当气温处于-3~-1℃时，递减率显著增加；风速对积冰脱落的作用显著，尤其对于雾凇型积冰过程，而对于雨凇和混合凇积冰过程而言，短波辐射的影响更大，日最大短波辐射与冰厚递减率最大值的相关性显著，且随着日最大短波辐射的增加，混合凇积冰脱落速率的增速要大于雨凇积冰的数值。