两次电线积冰过程气象条件实时观测研究

刘丹,牛生杰

(南京信息工程大学1.江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室;2.大气物理学院,江苏 南京 210044)



两次电线积冰过程气象条件实时观测研究

刘丹1,2,牛生杰1,2

(南京信息工程大学1.江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室;2.大气物理学院,江苏 南京 210044)

摘要：根据湖北地区2008年2月和2009年1月500 kV高压输电线实时观测资料,结合MICAPS常规气象资料和NCEP再分析资料,研究了湖北张恩高压输电线上电线积冰形成的天气形势和气象条件。结果表明:两次积冰过程中500 hPa深厚的低压槽和850 hPa低涡配合切变线靠近湖北促使积冰加重;气温和风速在两次积冰过程的形成阶段起到主要作用。

关键词：高压输电线;积冰;气象条件

0引言

雨淞、雾淞凝附在导线上或湿雪冻结在导线上的现象,称为电线积冰。输电线路覆冰会导致倒杆、倒塔等现象,带来巨大的经济损失。湖北电网是三峡电力外送的起点、西电东送的通道,其中部分线路位于山区,海拔较高,当环境气温较低,并出现雨雪天气时,容易导致电线积冰。针对电线积冰天气过程的研究已经取得一些成果。欧建军等(2011)对冻雨、寒潮天气过程的影响天气系统和成因进行了分析。李登文等(2009)、孙建华和赵思雄(2008)认为准静止锋是雨雪冰冻天气的重要影响系统。

国内外学者自20世纪50年代以来,探讨了气象要素与电线积冰之间的关系(Mckay and Thompson,1969;谭冠日,1982;Sundin and Makkonen,1998;吴息等,2012;周悦等,2014)。蒋兴良和易辉(2002)对电线积冰与各气象和地理要素之间的关系进行了研究。Zhou et al.(2011)指出高压输电线与模拟电线积冰发生和脱落时气温阈值的不同。

随着对电线积冰问题的深入研究,对云雾微物理量的变化特征的分析越来越重要。国内外学者对导线覆冰的干湿增长临界条件,降水粒子碰撞导线的过程,雨、雾滴谱和雨、雾滴数浓度的演变规律等方面,也都进行了许多研究(罗宁等,2008;贾然等,2010;Niu et al.,2011;Yue et al.,2012;Zhao et al.,2012;张舒婷等,2013)。

以上研究主要是针对积冰架积冰模拟试验得出的结论,而对于实际高压输电线上的研究较少。本文针对湖北张恩2条500 kV高压输电线上的观测数据,分析了输电线上积冰厚度存在差异的原因以及与积冰过程的相关性较高的气象要素。

1资料

数据包括2008年2月和2009年1月华中电网电线覆冰在线监测系统对500 kV高压输电线路的实时观测资料,所选用的输电线路、观测时间、杆塔位置及杆塔海拔高度见表1。

在线监测系统观测的资料包括:积冰厚度、综合拉力、气温、相对湿度、风速和风向。NCEP/NCAR再分析资料选取水平分辨率1°×1°的格点数据,垂直分辨率26层,时间间隔为6 h。MICAPS资料包括2008年2月和2009年1月的常规气象资料。

2天气形势分析

2.1　高空及地面天气形势

500 hPa上,2008年2月24日08时(北京时间,下同),我国自蒙古至新疆东南部存在低压槽,东移过程中发展成为较深厚的低压系统。2月25—26日,湖北处于槽前西南气流控制,水汽条件充足,降温明显。由于系统移动较快,到26日20时,低压系统基本移过湖北。2009年1月4—8日,不断有短波槽向东传播,湖北处于槽前西南气流影响下,有充足的水汽从西南输送过来。到1月8日08时,湖北处于低压槽后西北气流控制区域,气温降低,有利于积冰形成。

在850 hPa上,两次过程较为相似,均为四川东部低涡沿切变线东移,影响湖北,带来降水,之后湖北受到偏北气流影响,降温明显。随着冷高压东移入海,寒潮过程结束。

地面形势分析可得,2008年2月24日,内蒙古东北部至青海东部存在冷锋,且向东南方向移动。25、26日,湖北处于冷锋前,受冷锋影响,地面温度降低。与2008年类似,自2009年1月3日08时起,不断有冷锋向东南方向输送,湖北南部一直处于冷锋影响下。

2.2　水汽来源

两次积冰过程中,850 hPa上都有水汽经西太平洋和南海进入我国南方地区(图1a、b),不同的是,2008年2月25日还伴随部分水汽从孟加拉湾向东输送到我国南方地区,其值可达16 g·cm-1·hPa·s-1以上,广西、云南出现了大于12 g·cm-1·hPa·s-1的水汽通量大值区(图1a);而2009年1月5日水汽通量主要来源于副高西侧,我国南方地区水汽通量值均低于10 g·cm-1·hPa·s-1(图1b)。

在700 hPa上,水汽输送的路径与850 hPa上有很大的差别。由图1c、d可以看出,风向为偏西气流,两次过程中,由印度半岛、孟加拉湾经云贵高原向东输送的水汽均占水汽输送总量的很大比重。2008年2月25日,湖南和江西部分地区水汽通量达到12 g·cm-1·hPa·s-1以上,我国南方大部分地区水汽通量在8 g·cm-1·hPa·s-1以上(图1c)。2009年1月5日,广西地区水汽通量高值可达13 g·cm-1·hPa·s-1,但大部分地区水汽通量值不超过6 g·cm-1·hPa·s-1,孟加拉湾地区的水汽通量低至2 g·cm-1·hPa·s-1(图1d)。

3气象要素特征

电线积冰是发生在一定的温度条件、水汽条件和风速条件下的天气现象。当环境温度介于-10～0 ℃,相对湿度大于80%,风速介于0～10 m/s时候容易形成积冰(蒋兴良和易辉,2002)。我国西南地区常年平均气温几乎都高于0 ℃,但是受到西伯利亚寒流和西南暖湿气流的影响,冬季容易出现适宜覆冰的气象条件。

表1高压输电线资料

Table 1Data of high voltage transmission lines

输电线名称时间位置海拔/m张恩2回线2008年2月25—26日109°15'24.87″E,29°51'0.71″N1170张恩1回线2009年1月4—8日109°16'10.86″E,29°51'58.19″N1243

图1　850 hPa(a,b)、700 hPa(c,d)上风矢量场(箭矢;单位:m/s)和水汽通量场(阴影;单位:g·cm-1·hPa·s-1)a.2008年2月25日00时;b.2009年1月5日00时;c.2008年2月25日06时d.2009年1月5日00时Fig.1　Wind vector(arrows;units:m/s) and water vapor flux(shadings;units:g·cm-1·hPa·s-1) fields at (a,b)850 hPa and (c,d)700 hPa　　a.00:00 BST 25 February 2008;b.00:00 BST 5 January 2009;c.06:00 BST 25 February 2008;d.00:00 BST 5 January 2009

3.1　气象要素分析

2008年2月25日18时张恩2回线上,当气温低于-2.00 ℃时,开始出现积冰(图2a)。2月26日03时,积冰厚度达到最大值3.90 mm;06时气温降至此次过程最低温度(-2.99 ℃)。此次积冰过程温度在-3.00～-2.00 ℃之间。积冰厚度最大值并没有出现在温度最低的时候,这可能是由于气温为-2.00 ℃左右时,高压输电线表面的温度降至0 ℃左右(Zhou et al.,2011),过冷水与导线碰撞时导线的捕获效率增大,易于产生积冰。之后随着气温上升至0 ℃以上,积冰脱落。2009年1月7日05时出现最大积冰厚度,厚度可达2.94 mm。最低气温(-3.99 ℃)出现时间比积冰厚度最大值的出现滞后1 h左右。此次积冰过程中出现多次明显的峰值,且均与气温极低值对应(图2b)。

由两次积冰过程的湿度数据(图2c、d)可以看出,环境相对湿度都超过90%,积冰厚度最大值均出现在相对湿度达到95%以上时。2008年2月25日18时起,随着相对湿度的增加,积冰厚度也随之增长。在积冰增长期间,相对湿度维持在95%以上,最高时可达97%,相对湿度最大值与积冰厚度最大值均出现于2月26日03时。相对湿度降低至90%以下,积冰开始脱落。2009年1月4—8日张恩1回线环境相对湿度一直较大,大部分时间维持在95%以上,积冰厚度也达到最大值出现在相对湿度达到最高值(98%)时。

自2008年2月25日16时起,随着风速增大,风将过冷水滴碰撞到导线表面冻结,积冰开始出现,到17时,风速达到0.94 m/s,积冰开始增长。到26日05时,风速达到另一个大值,为0.96 m/s,对应是积冰脱落期。2009年1月的积冰过程中,风速平均值为0.14 m/s,最大值为1.1 m/s,最大值也出现在积冰的脱落阶段。在积冰过程中,积冰厚度存在多个峰值,且均对应于风速的大值区,但平均风速较小。

图2　2008年2月25—26日张恩2回线(a,c,e)和2009年1月4—8日张恩1回线(b,d,f)的积冰厚度与温度(a,b)、相对湿度(c,d)、风速(e,f)的时间变化Fig.2　Temporal variations of ice thickness and (a,b)temperature,(c,d)relative humidity and (e,f)wind speed on (a,c,e)Zhang-En line 2 during 25—26 February 2008 and (b,d,f)Zhang-En line 1 during 4—8 January 2009

3.2　积冰厚度与气象条件的相关关系

灰关联分析主要是通过灰关联度来分析各个因素之间的相关关系和对参考因素的贡献程度。通过对选定序列之间各因子宏观或微观的几何接近程度的分析,来判断各个因素之间的紧密程度。在线监测系统得到的数据量有限,且由于仪器精度原因,数据灰度较大,因此,针对样本数少、灰度大等特点,本文采用灰关联分析方法,对湖北张恩实时气象观测资料进行处理,分析积冰厚度与气温、相对湿度和风速之间的相关关系。

计算得到2008年这次积冰过程积冰厚度与气温的关联度为0.614 7,与相对湿度的关联度为0.592 1,与风速的关联度为0.598 6;2009年这次积冰过程积冰厚度与气温的关联度为0.724 0,与相对湿度的关联度为0.475 4,与风速的关联度为0.666 6。

由计算结果可知,2008年这次过程中,关联度最大的是气温,而风速和相对湿度的关联度依次小于环境气温,且这两个因素的关联度值非常接近。由图3a也可以看出,在输电线路积冰发生的初期,气温和风速的关联系数比较大,而相对湿度的关联系数比较小,在积冰过程发生的后期,其关联系数的趋势与初期正好相反。由此推断,在2008年这次输电线路积冰发生的初期,气温和风速对积冰发生的影响较大。

图3　2008年2月(a)和2009年1月(b)积冰厚度与气象要素的关联系数随时间的变化Fig.3　Temporal variations of correlation coefficients between ice thickness and meteorological elements in (a)February 2008 and (b)January 2009

针对2009年1月的输电线路积冰过程,3个因素中,关联度最大的仍然是气温,但是风速的关联度明显好于相对湿度,相对湿度的关联度小于0.5。从图3b可知,在积冰发生的前期,气温和风速的关联系数仍然处于高值,相对湿度关联系数比较小;在积冰过程发生的后期和脱落期,相对湿度的关联系数较前期明显增大,而气温和风速的关联系数有减小的趋势,但依旧处于较高值。由此推测,2009年张恩1回线上发生的积冰过程中,气温仍然是这次积冰过程的主要影响因素。在积冰发生前期,主要受到气温和风速的影响;积冰发生后期和脱落期主要受到相对湿度的影响。

4结论

1)500 hPa上,低压系统移过湖北,且湖北受其影响产生降温,槽的强度影响积冰过程的强弱;850 hPa上,低涡和切变线配合降水为积冰发生提供了必要的条件。地面天气形势较为相似,均为冷锋过境。850 hPa上从孟加拉湾东移的水汽和700 hPa上由西向东输送的水汽通量多少对积冰程度存在一定影响。

2)输电线路积冰发生的初期,气温和风速对积冰发生的影响较大;积冰发生后期和脱落期主要受到相对湿度的影响。气温为-2 ℃左右,相对湿度高于95%,风速在0～1 m/s之间易发生输电线路积冰。

参考文献(References)：

贾然,牛生杰,李蕊.2010.鄂西电线积冰微物理观测研究[J].气象科学,30(4):481-486.Jia Ran,Niu Shengjie,Li Rui.2010.Observational study on microphysical characteristics of wire icing in west Hubei[J].Scientia Meteorologica Sinica,30(4):481-486.(in Chinese).

蒋兴良,易辉.2002.输电线路覆冰及防护[M].北京:中国电力出版社.Jiang Xingliang,Yi Hui.2002.Transmission line regelation harm and protection[M].Beijing:China Power Press.(in Chinese).

李登文,乔琪,魏涛.2009.2008年初我国南方冻雨雪天气环流及垂直结构分析[J].高原气象,28(5):1140-1147.Li Dengwen,Qiao Qi,Wei Tao.2009.Analyses on the freezing rain and snow weather circulation and vertical structure of southern China in early 2008[J].Plateau Meteor,28(5):1140-1147.(in Chinese).

罗宁,文继芬,赵彩,等.2008.导线积冰的云雾特征观测研究[J].应用气象学报,19(1):91-95.Luo Ning,Wen Jifen,Zhao Cai,et al.2008.Observation study on properties of cloud and fog in ice accretion areas[J].Appl Meteor Sci,19(1):91-95.(in Chinese).

Mckay G A,Thompson H A.1969.Estimating the hazard of ice accretion in Canada from climatological data[J].J Appl Meteor,8:927-935.

Niu Shengjie,Zhou Yue,Jia Ran,et al.2011.Preliminary study of the microphysics of ice accretion on wires:Observations and simulations[J].Sci Chin Ser D:Earth Sci,54(1):1-10.

欧建军,周毓荃,杨棋,等.2011.我国冻雨时空分布及温湿结构特征分析[J].高原气象,30(3):692-699.Ou Jianjun,Zhou Yuquan,Yang Qi,et al.2011.Analyses on spatial-temporal distributions and temperature-moisture structure of freezing rain in China[J].Plateau Meteor,30(3):692-699.(in Chinese).

孙建华,赵思雄.2008.2008年初南方雨雪冰冻灾害天气静止锋与层结结构分析[J].气候与环境研究,13(4):368-384.Sun Jianhua,Zhao Sixiong.2008.Quasi-stationary front and stratif ication structure of the freezing rain and snow storm over southern China in January 2008[J].Climatic Environ Res,13(4):368-384.(in Chinese).

Sundin E,Makkonen L.1998.Ice loads on a lattice tower estimated by weather station data[J].J Appl Meteor,37:523-529.

谭冠日.1982.电线积冰若干小气候的探讨[J].气象学报,40(1):13-23.Tan Guanri.1982.On the microclimatological characteristics of icing on wires[J].Acta Meteor Sinica,40(1):13-23.(in Chinese).

吴息,孙朋杰,熊海星,等.2012.利用常规气象资料建立的导线覆冰模型[J].大气科学学报,35(3):335-341.Wu Xi,Sun Pengjie,Xiong Haixing,et al.2012.A conductor icing model based on parameters of conventional meteorological observations[J].Trans Atmos Sci,35(3):335-341.(in Chinese).

Yue Yanyu,Niu Shengjie,Zhao Lijuan,et al.2012.Chemical composition of sea fog water along the South China Sea[J].Pure Appl Geophys,169:2231-2249.

张舒婷,牛生杰,赵丽娟.2013.一次南海海雾微物理结构个例分析[J].大气科学,37(3):552-562.Zhang Shuting,Niu Shengjie,Zhao Lijuan.2013.The microphysical structure of a sea fog event in the South China Sea[J].Chinese J Atmos Sci,37(3):552-562.(in Chinese).

Zhao Lijuan,Niu Shengjie,Zhang Yu,et al.2012.Microphysical characteristics of sea fog on the east coast of Leizhou Peninsula,China[J].Adv Atmos Sci,30(4):1154-1172.

Zhou Yue,Niu Shengjie,Lü Jingjing,et al.2011.Meteorological conditions of ice accretion based on real-time observation of high voltage transmission line[J].Chin Sci Bull,56:1-7.

周悦,周月华,牛生杰,等.2014.云中积冰过程微物理参量演变规律的数值模拟[J].大气科学学报,37(4):441-448.Zhou Yue,Zhou Yuehua,Niu Shengjie,et al.2014.Numerical simulation of microphysical properties evolution of the in-cloud icing process[J].Trans Atmos Sci,37(4):441-448.(in Chinese).

(责任编辑：张福颖)

Observational study on real-time meteorological conditions during two wire icing processes

LIU Dan1,2,NIU Sheng-jie1,2

(1.Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring and Pollution Control; 2.School of Atmospheric Physics,NUIST,Nanjing 210044,China)

Abstract:Based on the real-time observation data on 500 kV high voltage transmission lines in Hubei area in February 2008 and January 2009,MICAPS conventional meteorological data and NCEP reanalysis data,this paper studies the synoptic systems and meteorological conditions during the two wire icing processes.Results show that the deep low pressure trough at 500 hPa and low vortex with shear line at 850 hPa,which is close to Hubei area,have positive effects on ice thickness during the two icing processes.The air temperature and wind velocity play a leading role in the initial stage of the two icing processes.

Key words:high voltage transmission line;ice accretion;meteorological condition

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130313001

文章编号：1674-7097(2015)03-0428-05

中图分类号：P401

文献标志码：A

通信作者：牛生杰，博士，教授，博士生导师，研究方向为云雾降水气溶胶研究与人工影响天气，niusj@nuist.edu.cn.

基金项目:国家科技支撑计划项目(2008BAC48B01)；江苏省青蓝工程创新团队项目；国家自然科学基金资助项目(41275151)

收稿日期：2013-03-13；改回日期：2013-06-15

刘丹,牛生杰.2015.两次电线积冰过程气象条件实时观测研究[J].大气科学学报,38(3):428-432.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130313001.

Liu Dan,Niu Sheng-jie.2015.Observational study on real-time meteorological conditions during two wire icing processes[J].Trans Atmos Sci,38(3):428-432.(in Chinese).