劉丹,牛生杰

(南京信息工程大學(xué)1.江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測與污染控制高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044)

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兩次電線積冰過程氣象條件實(shí)時觀測研究

劉丹1,2,牛生杰1,2

(南京信息工程大學(xué)1.江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測與污染控制高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044)

摘要：根據(jù)湖北地區(qū)2008年2月和2009年1月500 kV高壓輸電線實(shí)時觀測資料,結(jié)合MICAPS常規(guī)氣象資料和NCEP再分析資料,研究了湖北張恩高壓輸電線上電線積冰形成的天氣形勢和氣象條件。結(jié)果表明:兩次積冰過程中500 hPa深厚的低壓槽和850 hPa低渦配合切變線靠近湖北促使積冰加重;氣溫和風(fēng)速在兩次積冰過程的形成階段起到主要作用。

關(guān)鍵詞：高壓輸電線;積冰;氣象條件

0引言

雨淞、霧淞凝附在導(dǎo)線上或濕雪凍結(jié)在導(dǎo)線上的現(xiàn)象,稱為電線積冰。輸電線路覆冰會導(dǎo)致倒桿、倒塔等現(xiàn)象,帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。湖北電網(wǎng)是三峽電力外送的起點(diǎn)、西電東送的通道,其中部分線路位于山區(qū),海拔較高,當(dāng)環(huán)境氣溫較低,并出現(xiàn)雨雪天氣時,容易導(dǎo)致電線積冰。針對電線積冰天氣過程的研究已經(jīng)取得一些成果。歐建軍等(2011)對凍雨、寒潮天氣過程的影響天氣系統(tǒng)和成因進(jìn)行了分析。李登文等(2009)、孫建華和趙思雄(2008)認(rèn)為準(zhǔn)靜止鋒是雨雪冰凍天氣的重要影響系統(tǒng)。

國內(nèi)外學(xué)者自20世紀(jì)50年代以來,探討了氣象要素與電線積冰之間的關(guān)系(Mckay and Thompson,1969;譚冠日,1982;Sundin and Makkonen,1998;吳息等,2012;周悅等,2014)。蔣興良和易輝(2002)對電線積冰與各氣象和地理要素之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。Zhou et al.(2011)指出高壓輸電線與模擬電線積冰發(fā)生和脫落時氣溫閾值的不同。

隨著對電線積冰問題的深入研究,對云霧微物理量的變化特征的分析越來越重要。國內(nèi)外學(xué)者對導(dǎo)線覆冰的干濕增長臨界條件,降水粒子碰撞導(dǎo)線的過程,雨、霧滴譜和雨、霧滴數(shù)濃度的演變規(guī)律等方面,也都進(jìn)行了許多研究(羅寧等,2008;賈然等,2010;Niu et al.,2011;Yue et al.,2012;Zhao et al.,2012;張舒婷等,2013)。

以上研究主要是針對積冰架積冰模擬試驗(yàn)得出的結(jié)論,而對于實(shí)際高壓輸電線上的研究較少。本文針對湖北張恩2條500 kV高壓輸電線上的觀測數(shù)據(jù),分析了輸電線上積冰厚度存在差異的原因以及與積冰過程的相關(guān)性較高的氣象要素。

1資料

數(shù)據(jù)包括2008年2月和2009年1月華中電網(wǎng)電線覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)對500 kV高壓輸電線路的實(shí)時觀測資料,所選用的輸電線路、觀測時間、桿塔位置及桿塔海拔高度見表1。

在線監(jiān)測系統(tǒng)觀測的資料包括:積冰厚度、綜合拉力、氣溫、相對濕度、風(fēng)速和風(fēng)向。NCEP/NCAR再分析資料選取水平分辨率1°×1°的格點(diǎn)數(shù)據(jù),垂直分辨率26層,時間間隔為6 h。MICAPS資料包括2008年2月和2009年1月的常規(guī)氣象資料。

2天氣形勢分析

2.1　高空及地面天氣形勢

500 hPa上,2008年2月24日08時(北京時間,下同),我國自蒙古至新疆東南部存在低壓槽,東移過程中發(fā)展成為較深厚的低壓系統(tǒng)。2月25—26日,湖北處于槽前西南氣流控制,水汽條件充足,降溫明顯。由于系統(tǒng)移動較快,到26日20時,低壓系統(tǒng)基本移過湖北。2009年1月4—8日,不斷有短波槽向東傳播,湖北處于槽前西南氣流影響下,有充足的水汽從西南輸送過來。到1月8日08時,湖北處于低壓槽后西北氣流控制區(qū)域,氣溫降低,有利于積冰形成。

在850 hPa上,兩次過程較為相似,均為四川東部低渦沿切變線東移,影響湖北,帶來降水,之后湖北受到偏北氣流影響,降溫明顯。隨著冷高壓東移入海,寒潮過程結(jié)束。

地面形勢分析可得,2008年2月24日,內(nèi)蒙古東北部至青海東部存在冷鋒,且向東南方向移動。25、26日,湖北處于冷鋒前,受冷鋒影響,地面溫度降低。與2008年類似,自2009年1月3日08時起,不斷有冷鋒向東南方向輸送,湖北南部一直處于冷鋒影響下。

2.2　水汽來源

兩次積冰過程中,850 hPa上都有水汽經(jīng)西太平洋和南海進(jìn)入我國南方地區(qū)(圖1a、b),不同的是,2008年2月25日還伴隨部分水汽從孟加拉灣向東輸送到我國南方地區(qū),其值可達(dá)16 g·cm-1·hPa·s-1以上,廣西、云南出現(xiàn)了大于12 g·cm-1·hPa·s-1的水汽通量大值區(qū)(圖1a);而2009年1月5日水汽通量主要來源于副高西側(cè),我國南方地區(qū)水汽通量值均低于10 g·cm-1·hPa·s-1(圖1b)。

在700 hPa上,水汽輸送的路徑與850 hPa上有很大的差別。由圖1c、d可以看出,風(fēng)向?yàn)槠鳉饬?兩次過程中,由印度半島、孟加拉灣經(jīng)云貴高原向東輸送的水汽均占水汽輸送總量的很大比重。2008年2月25日,湖南和江西部分地區(qū)水汽通量達(dá)到12 g·cm-1·hPa·s-1以上,我國南方大部分地區(qū)水汽通量在8 g·cm-1·hPa·s-1以上(圖1c)。2009年1月5日,廣西地區(qū)水汽通量高值可達(dá)13 g·cm-1·hPa·s-1,但大部分地區(qū)水汽通量值不超過6 g·cm-1·hPa·s-1,孟加拉灣地區(qū)的水汽通量低至2 g·cm-1·hPa·s-1(圖1d)。

3氣象要素特征

電線積冰是發(fā)生在一定的溫度條件、水汽條件和風(fēng)速條件下的天氣現(xiàn)象。當(dāng)環(huán)境溫度介于-10～0 ℃,相對濕度大于80%,風(fēng)速介于0～10 m/s時候容易形成積冰(蔣興良和易輝,2002)。我國西南地區(qū)常年平均氣溫幾乎都高于0 ℃,但是受到西伯利亞寒流和西南暖濕氣流的影響,冬季容易出現(xiàn)適宜覆冰的氣象條件。

表1高壓輸電線資料

Table 1Data of high voltage transmission lines

輸電線名稱時間位置海拔/m張恩2回線2008年2月25—26日109°15'24.87″E,29°51'0.71″N1170張恩1回線2009年1月4—8日109°16'10.86″E,29°51'58.19″N1243

圖1　850 hPa(a,b)、700 hPa(c,d)上風(fēng)矢量場(箭矢;單位:m/s)和水汽通量場(陰影;單位:g·cm-1·hPa·s-1)a.2008年2月25日00時;b.2009年1月5日00時;c.2008年2月25日06時d.2009年1月5日00時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　氣象要素分析

2008年2月25日18時張恩2回線上,當(dāng)氣溫低于-2.00 ℃時,開始出現(xiàn)積冰(圖2a)。2月26日03時,積冰厚度達(dá)到最大值3.90 mm;06時氣溫降至此次過程最低溫度(-2.99 ℃)。此次積冰過程溫度在-3.00～-2.00 ℃之間。積冰厚度最大值并沒有出現(xiàn)在溫度最低的時候,這可能是由于氣溫為-2.00 ℃左右時,高壓輸電線表面的溫度降至0 ℃左右(Zhou et al.,2011),過冷水與導(dǎo)線碰撞時導(dǎo)線的捕獲效率增大,易于產(chǎn)生積冰。之后隨著氣溫上升至0 ℃以上,積冰脫落。2009年1月7日05時出現(xiàn)最大積冰厚度,厚度可達(dá)2.94 mm。最低氣溫(-3.99 ℃)出現(xiàn)時間比積冰厚度最大值的出現(xiàn)滯后1 h左右。此次積冰過程中出現(xiàn)多次明顯的峰值,且均與氣溫極低值對應(yīng)(圖2b)。

由兩次積冰過程的濕度數(shù)據(jù)(圖2c、d)可以看出,環(huán)境相對濕度都超過90%,積冰厚度最大值均出現(xiàn)在相對濕度達(dá)到95%以上時。2008年2月25日18時起,隨著相對濕度的增加,積冰厚度也隨之增長。在積冰增長期間,相對濕度維持在95%以上,最高時可達(dá)97%,相對濕度最大值與積冰厚度最大值均出現(xiàn)于2月26日03時。相對濕度降低至90%以下,積冰開始脫落。2009年1月4—8日張恩1回線環(huán)境相對濕度一直較大,大部分時間維持在95%以上,積冰厚度也達(dá)到最大值出現(xiàn)在相對濕度達(dá)到最高值(98%)時。

自2008年2月25日16時起,隨著風(fēng)速增大,風(fēng)將過冷水滴碰撞到導(dǎo)線表面凍結(jié),積冰開始出現(xiàn),到17時,風(fēng)速達(dá)到0.94 m/s,積冰開始增長。到26日05時,風(fēng)速達(dá)到另一個大值,為0.96 m/s,對應(yīng)是積冰脫落期。2009年1月的積冰過程中,風(fēng)速平均值為0.14 m/s,最大值為1.1 m/s,最大值也出現(xiàn)在積冰的脫落階段。在積冰過程中,積冰厚度存在多個峰值,且均對應(yīng)于風(fēng)速的大值區(qū),但平均風(fēng)速較小。

圖2　2008年2月25—26日張恩2回線(a,c,e)和2009年1月4—8日張恩1回線(b,d,f)的積冰厚度與溫度(a,b)、相對濕度(c,d)、風(fēng)速(e,f)的時間變化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　積冰厚度與氣象條件的相關(guān)關(guān)系

灰關(guān)聯(lián)分析主要是通過灰關(guān)聯(lián)度來分析各個因素之間的相關(guān)關(guān)系和對參考因素的貢獻(xiàn)程度。通過對選定序列之間各因子宏觀或微觀的幾何接近程度的分析,來判斷各個因素之間的緊密程度。在線監(jiān)測系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)量有限,且由于儀器精度原因,數(shù)據(jù)灰度較大,因此,針對樣本數(shù)少、灰度大等特點(diǎn),本文采用灰關(guān)聯(lián)分析方法,對湖北張恩實(shí)時氣象觀測資料進(jìn)行處理,分析積冰厚度與氣溫、相對濕度和風(fēng)速之間的相關(guān)關(guān)系。

計(jì)算得到2008年這次積冰過程積冰厚度與氣溫的關(guān)聯(lián)度為0.614 7,與相對濕度的關(guān)聯(lián)度為0.592 1,與風(fēng)速的關(guān)聯(lián)度為0.598 6;2009年這次積冰過程積冰厚度與氣溫的關(guān)聯(lián)度為0.724 0,與相對濕度的關(guān)聯(lián)度為0.475 4,與風(fēng)速的關(guān)聯(lián)度為0.666 6。

由計(jì)算結(jié)果可知,2008年這次過程中,關(guān)聯(lián)度最大的是氣溫,而風(fēng)速和相對濕度的關(guān)聯(lián)度依次小于環(huán)境氣溫,且這兩個因素的關(guān)聯(lián)度值非常接近。由圖3a也可以看出,在輸電線路積冰發(fā)生的初期,氣溫和風(fēng)速的關(guān)聯(lián)系數(shù)比較大,而相對濕度的關(guān)聯(lián)系數(shù)比較小,在積冰過程發(fā)生的后期,其關(guān)聯(lián)系數(shù)的趨勢與初期正好相反。由此推斷,在2008年這次輸電線路積冰發(fā)生的初期,氣溫和風(fēng)速對積冰發(fā)生的影響較大。

圖3　2008年2月(a)和2009年1月(b)積冰厚度與氣象要素的關(guān)聯(lián)系數(shù)隨時間的變化Fig.3　Temporal variations of correlation coefficients between ice thickness and meteorological elements in (a)February 2008 and (b)January 2009

針對2009年1月的輸電線路積冰過程,3個因素中,關(guān)聯(lián)度最大的仍然是氣溫,但是風(fēng)速的關(guān)聯(lián)度明顯好于相對濕度,相對濕度的關(guān)聯(lián)度小于0.5。從圖3b可知,在積冰發(fā)生的前期,氣溫和風(fēng)速的關(guān)聯(lián)系數(shù)仍然處于高值,相對濕度關(guān)聯(lián)系數(shù)比較小;在積冰過程發(fā)生的后期和脫落期,相對濕度的關(guān)聯(lián)系數(shù)較前期明顯增大,而氣溫和風(fēng)速的關(guān)聯(lián)系數(shù)有減小的趨勢,但依舊處于較高值。由此推測,2009年張恩1回線上發(fā)生的積冰過程中,氣溫仍然是這次積冰過程的主要影響因素。在積冰發(fā)生前期,主要受到氣溫和風(fēng)速的影響;積冰發(fā)生后期和脫落期主要受到相對濕度的影響。

4結(jié)論

1)500 hPa上,低壓系統(tǒng)移過湖北,且湖北受其影響產(chǎn)生降溫,槽的強(qiáng)度影響積冰過程的強(qiáng)弱;850 hPa上,低渦和切變線配合降水為積冰發(fā)生提供了必要的條件。地面天氣形勢較為相似,均為冷鋒過境。850 hPa上從孟加拉灣東移的水汽和700 hPa上由西向東輸送的水汽通量多少對積冰程度存在一定影響。

2)輸電線路積冰發(fā)生的初期,氣溫和風(fēng)速對積冰發(fā)生的影響較大;積冰發(fā)生后期和脫落期主要受到相對濕度的影響。氣溫為-2 ℃左右,相對濕度高于95%,風(fēng)速在0～1 m/s之間易發(fā)生輸電線路積冰。

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(責(zé)任編輯：張福穎)

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

文章編號：1674-7097(2015)03-0428-05

中圖分類號：P401

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：牛生杰，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樵旗F降水氣溶膠研究與人工影響天氣，niusj@nuist.edu.cn.

基金項(xiàng)目:國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2008BAC48B01)；江蘇省青藍(lán)工程創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41275151)

收稿日期：2013-03-13；改回日期：2013-06-15

劉丹,牛生杰.2015.兩次電線積冰過程氣象條件實(shí)時觀測研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),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).