高压输电线路覆冰的微物理特征观测及成冰机理研究

Early researches on ice accretion on high voltage transmission lines focused on the relationships between the meteorological elements and ice thickness. After that, it is turned to study the ice formation mechanisms based on microphysical characteristics of cloud/fog. Recently, some numerical simulations were conducted. In China, the study on ice accretion is still limited, at the level of early researches overseas, which falls behind the world advanced level. In addition, the ice formation mechanisms could not be investigated just by the meteorological elements; some observations of microphysical characteristics of cloud/fog are needed. In order to achieve the world advanced level, it is required to combine the study on meteorological elements with microphysical characteristics of cloud/fog during the icing processes. We will obtain the data of ice mass, ice thickness, microphysical properties, instantaneous three-dimensional winds and meteorological elements during ice accretion around Enshi in this project; the data will be collected from an ice detector instrument, a total precipitation sensor, a fog droplet spectrometer, a precipitation particle disdrometer, an ultrasonic anemometer, and other routinely recorded meteorological data will also be used. Furthermore, we will cooperate with Hubei Power Transmission Engineering Company to obtain the observational data of icing，duration of ice accretion and meteorological elements on the 500 kV high voltage transmission lines. The data will be used to investigate the microphysical mechanisms and meteorological conditions of ice accretion and to understand the effect of supercooled droplets spectra on growth rate of ice accretion; a new ice accretion model of high voltage transmission lines will be established; new cloud microphysical parameters which are suitable for the icing research of our country will also be advanced. The achievements will provide scientific basis to disaster evaluation, electrical repair, and monitoring/warning of ice accretion.

国际上高压输电线路覆冰的研究已从传统的气象要素与电线积冰之间的关系演变到了以云雾微物理特征为主的成冰机理，进而在其基础之上的模拟研究。然而目前我国仍处于前者，同世界先进水平存在较大的差距。另外常规的气象观测要素并不能深入地探讨实际的高压输电线路积冰的成冰机制，它需要非常规的云雾微物理特性的观测。为追赶世界先进水平，必须将常规的气象、高压输电线和特种云雾微物理过程观测有机地结合。本项目拟在高压输电线路覆冰严重的湖北省恩施附近架设自动气象站、雾滴谱仪、雨滴谱仪、热盘式雨量计、全天候在线冻雨传感器、三维超声风速仪，加上华中电网湖北地区500kV高压输电线监测系统提供的实时在线监测的温、湿、风速、风向、冰厚度和冰重量，揭示高压输电线积冰成冰机理，建立新的电线积冰增长模型，并建立一套适合我国自己的基于积冰研究和模拟的云雾微物理参数，为有关部门有针对性的进行灾情评估和电力抢修工作提供有力的科学支撑。

项目组2014年12月1-31日，在南京信息工程大学观测场进行南京冬季雾霾观测；2015年12月29日至2016年2月2日、2016年12月15日至2017年1月19日连续两年在江西省庐山气象局进行电线积冰与云雾物理化学观测。对电线积冰冰厚、冰重、积冰期间气象条件、雾滴谱、气溶胶谱、降水粒子谱等进行了连续观测，获得了时间分辨率较高的电线积冰、气溶胶、雾滴谱等资料。项目组成员对观测得到的气象要素、雾滴谱、雨滴谱、冰厚、冰重资料进行了分析，研究了不同气象要素条件下积冰增长特征，探究了积冰期间过冷水滴微物理特征，揭示了成冰机理。.主要研究结果为：（1）积冰的高空环流形势主要是小槽发展型、横槽型和低槽东移型3 类，分别占43.8%、31.2%、25%；电线积冰主要发生在每年的1 月、2 月、11 月、12 月，月平均积冰时数分别为65、42、11、9；（2）用中尺度数值模式WRF中的Thompson参数化物理方案，对发生在2008年—2010年冬季恩施雷达站（109o 16’E、30o 17’N，海拔1722 m）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，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10-2 g m-3 和3.8 μm；（3）冻雨阶段积冰增长迅速（1.3mm·h-1），干雪阶段积冰增长缓慢（0.1mm·h-1），过冷雾密集出现、温度下降及风速增大提高了干雪过程中的积冰增长率（0.5mm·h-1）。（4）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。（5）发表论文25篇，其中SCI(E)8篇，培养研究生18名，获奖3人次，参加学术交流会议并做报告11人次。