引言

导线积冰在贵州山区是常见的气象灾害。由雨雾凇形成的架空导线积冰对电力输送危害大。1984, 2004年贵州电网曾因导线积冰造成局部崩溃。

研究表明^[1-2], 影响导线积冰的主要因子是云雾含水量、云雾滴谱、风向、风速和温度。由于架空高压输电线途经十分复杂的地理环境, 各地气象因子复杂多变且时空分布差异极大, 使积冰研究十分困难。少数发达国家及我国曾建立观冰站^[3], 在长期积累资料的基础上总结出积冰直径随海拔高度变化的规律。这些研究对选择导线架空路径有一定意义, 但这仅仅反映积冰产生的气候特征, 未涉及积冰形成机理的实质研究。Makkonen^[4]以云雾滴谱分布、风速、风向、捕获系数及冻结系数为主要参数, 探讨积冰的形成机理, 导出了积冰重量的理论公式, 研究较为深入。此外, 还有一些研究对积冰增长进行了数值模拟^[5], 并通过风洞试验进行比较和验证^[6], 揭示了这些因子对积冰产生的相对重要性, 但毕竟只反映理想条件的规律, 而实际积冰产生的大气条件比模拟风洞条件复杂得多。还有一些历史资料和外场观测研究对雾的形成机理进行探讨^[7-12]。

导线积冰事故多发生在重积冰区。云雾多是重积冰区重要天气气候特征。为更准确揭示贵州高原山区导线积冰的产生规律, 选择贵州省有代表性的3个重雾区进行了专门外场观测, 分别为西部水城县的马落菁 (电力部门的观冰站)、北部遵义娄山、中部贵阳云雾山。海拔高度分别为2128 m, 1780 m, 1659 m。观测时间为1988, 1989, 1990, 1991, 1994年冬季。观测项目包括云雾中的云滴谱、含水量、气温、风向、风速、能见度、导线上积冰的长径、短径。云滴谱和含水量均用国产三用滴谱仪水平抽吸法采集。积冰观测设有专门的雾凇观测架, 在东西、南北方向离地面1.5 m高各架设1 m长的8#铁丝。

1.   云雾的微物理结构特征

1.1   云滴谱特征

根据西部水城和北部娄山的云滴谱资料, 计算了贵州重冰区过冷云雾的微观特征 (表 1)。

表  1  贵州重冰区过冷云雾的微观特征

Table  1.  Micro Characteristics of super-cooling cloud fog in heavy ice region

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由表 1可知, 西部不同年份之间云雾滴谱特征有一定的差异。西部、北部两地的云雾特征也有差异, 但差异不大。滴谱分布的基本特征是:若云滴浓度小, 滴谱的特征直径偏大 (如1991年, 西部); 而云滴浓度大, 则滴谱的特征直径偏小。大多数云滴谱的分布是单峰谱型, 且在众数峰值直径以下, 直径愈大, 滴浓度愈大; 而在峰值直径以上, 直径愈大, 则滴浓度愈小。这一规律满足Khrgian-Mazin给出的滴谱表达式^[13]:

式 (1) 中, n′(r) 为半径在r+dr间的滴浓度; c和b为常数, 不同云滴谱可以用不同的c和b值 (可根据实测资料解出c, b值) 来区别。

由表 1的资料, 可求出不同年份不同测点的云雾滴谱表达式^[14], 如表 2所示。

表  2  云雾滴谱表达式

Table  2.  Cloud and fog droplet formulae

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从表 2得出贵州省雨雾凇天气的云雾滴谱平均表达式为:

1.2   云滴谱中的大滴特征及大滴对含水量的贡献

导线积冰主要是过冷云雾滴在导线上的碰撞冻结, 有关碰撞效率试验研究表明:碰撞效率与流体粒子的半径成正比^[13]。雾滴越大, 与圆形导线的碰撞率越高, 导线积冰量也越多。因此, 研究导线积冰主要关注云滴谱中的大滴浓度。云滴谱的中值体积直径^[14]是一个代表大滴的特征直径, 贵州实测云滴资料计算的中值体积直径最低值是14 μm。因此本文将14 μm以上的云滴作为云雾中的大滴, 统计各年14 μm以上的云滴浓度占总浓度的百分率:1988年为15%, 1989年为6.3%, 1990年为12%, 1991年为18.6%。统计中发现:云滴中最大尺度云滴直径介于35~50 μm之间, 且浓度仅占总浓度的1%左右。图 1给出了西部、北部两地区云滴尺度对含水量的贡献。14 μm以上的大滴平均在云滴谱中的比率只占百分之十几以下, 但对含水量的贡献却高达75%~81%。因此, 研究云雾滴谱更应该重视能代表大滴特征直径如中值体积直径、均立方根直径等。

图  1  各云滴尺度对含水量的贡献百分率

(阴影部分是14 μm以上云滴对含水量的积分值)

Figure  1.  Contributing percent of different cloud droplet scale with water content

(more than 14 μm of integral value for cloud droplet to water content with shaded)

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1.3   含水量

含水量是研究积冰的关键因子, 将几年内用滤纸法测得的394份含水量资料列于表 3中。由表 3可知:西部海拔高度最高, 含水量平均最低; 中部海拔最低, 但由于探测时温度较低, 含水量并非最高。含水量不仅与地形的海拔高度有关, 还与温度分布有关。将西部、北部、中部3地区的实测含水量资料按温度区间统计, 得到其平均值列于表 4中。

表  3  含水量W特征值

Table  3.  Eigenvalue of water content W in different area

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表  4  不同高度温度区间内的含水量分布 (单位:g/m³)

Table  4.  Distribution of water content in different height and temperature (unit:g/m³)

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由表 4可知:在0~-6 ℃之间, 含水量有随温度降低而降低的趋势。同时还表明:在同一温度区间内, 海拔高度愈高, 含水量愈低, 反之亦然。这一现象主要与几个测点地理位置、环境和云贵高原冬季静止锋区位置的云层高度有关。中部地区因探测时的温度区间窄、样本少, 温度与含水量的关系难以确定。

2.   积冰期的温度分布

根据贵州几个气象站积冰期的温度历史资料^[15], 对积冰期温度分布进行分析, 研究表明:贵州积冰期逐日各时次温度分布范围主要是0~-8 ℃。选择贵州东、西、北、中几个气象站1976, 1984, 1985年积冰期的平均温度分布与重积冰区观测点的温度分析得出:海拔高度愈高, 负温区分布愈宽。山区马落菁与水城气象站相距8 km, 马落菁1976, 1984年的温度是用水城气象站温度作线性回归反推而得。

回归公式T_马=1.03T_水-2.17, 统计样本数69, 相关系数r=0.89。T_马是马落菁的温度, T_水是水城气象站的温度。

贵州大部分山区的海拔高度在1~2 km之间, 它们的温度分布一般不低于水城马落菁的温度。由此推断:贵州积冰期大多数地域的温度在0~-5 ℃之间。积冰密度与温度的高低密切相关, 即温度高, 积冰密度大; 温度低, 积冰密度小。属较高温度条件下的积冰, 冰密度大, 冰对导线的粘附力强, 冰不易脱落, 这是处于低纬山区的贵州省导线积冰易出现冰害事故的主要原因。本项工作在西部、中部曾测到4次积冰密度介于0.79~0.89 g/cm³。

3.   风向与积冰厚度

圆柱体捕获云雾滴与风向密切相关。当风向与圆柱体正交时, 云滴捕获量最大, 积冰增长速度最快。风向与圆柱体平行时, 理论上云滴不发生动力学意义上的捕获。为显示风向对积冰量的影响, 取南北向为零度 (东西向为90°), 若风向与南北向导线交角θ>45°, 表明偏东或偏西风, 反之偏南或偏北风。

用试验导线分别测出南北向和东西向导线上的积冰长径并以D_s和D_e表示。令K_d=D_s/D_e, 即南北向导线积冰长径与东西向导线上的长径值之比, 按不同风向和风速级别列出K_d, 结果列于表 5中。

表  5  不同风向、风速条件下K_d平均值

Table  5.  Mean K_d with different wind condition

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表 5表明:南北向导线的积冰比东西向积冰严重 (除风速小于2 m/s)。这与贵州冬季积冰天气地面盛行东-东北风有关, 有利于南北向导线积冰增长。当地面风向为偏北风时, 云雾较淡薄, 高山云雾含水量较小, 不利于东西向导线积冰的增长。

4.   导线积冰个例分析

在自然条件下, 导线积冰及其增长受大气中的气温、风向、风速、云雾中的液态含水量等因子共同影响, 并相互制约。理论上, 单位长度导线上的积冰质量M用下式计算:

式 (3) 中, E为导线直径由D₀变到D=D₀+2b时的平均碰撞效率, n为雾滴碰撞在导线上的冻结率, W为液态含水量, V为风速, D₀为原始导线直径, b为冰层厚度, t为积冰时间。式 (3) 表明:积冰质量随时间的变化与含水量和风速正相关。液态含水量是积冰的水源, 风速是输送水源的载体。E为风速和滴谱直径的函数, 由Langmuir给出的公式来计算, n与温度密切相关^[5]。E, n两项因子由一般野外试验研究很难确定, 下面给出两个积冰个例, 描述了与积冰增长同步的气象条件。

图 2是1991年在西部马落菁的观测实例:从积冰增长率的变化曲线趋势看, 积冰增长率与含水量的关系最密切。在积冰的初始0~4 h之内含水量上升, 积冰增长率上升, 6~24 h之内含水量下降, 增长率也随之下降。当含水量在24 h处于最低值时, 积冰增长率在24 h前后也处在最低值。其后含水量明显上升, 增长率也随之上升。风速与积冰增长率的关系中, 在积冰的前20 h之内, 风速上升, 增长率上升; 风速下降, 增长率也下降, 但不明显。两者的对应关系较好。20 h以后, 这两者的对应关系变得不确定了。

图  2  马落菁1991年2月2—4日积冰过程

Figure  2.  Ice accretion process over Maluojing from Feb 2 to 4 in 1991

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5.   结论

本文基于多年大量野外观测资料, 对导线积冰区的云雾特征进行了分析研究, 得出如下结论:

1) 贵州测到的云滴浓度, 特征平均直径没有显著地区差异, 其各值之间的差异变化应为云雾的自然变差。总的特征如下:云雾滴平均浓度140~312个/cm³, 云雾滴算术平均直径、均立方根直径、中值体积直径分别为7.5 μm, 11.3 μm和20 μm。众数峰值直径为4 μm, 其峰值浓度占总浓度的百分率平均63%。

2) 14 μm以上大云滴浓度占云滴总浓度的12.5%, 但对含水量的贡献平均高达78%, 由于大云滴对含水量的贡献大, 与导线碰撞效率高, 因而大滴特征是导线积冰的关键因子。

3) 云雾含水量在0.03~0.56 g/m³之间, 平均为0.20 g/m³。含水量与海拔高度、温度有很明显的关系。在0~-6 ℃之间, 含水量随温度的降低而降低。

4) 根据贵州重积冰年的历史资料普查:贵州积冰期的温度分布区间为0~-8 ℃, 其中温度在0~-5 ℃之间积冰出现率最高。

5) 导线积冰有非常明显的方向性, 南北向导线上的积冰比东西向强。其原因是贵州积冰期间处于静止锋区, 近地面风向为东-东北风, 而且此时含水量较大, 有较多的液水量吹附至南北向导线上。

6) 由导线积冰增长个例可知:导线上的积冰增长率与含水量的大小成正比, 当风速超过3 m/s时, 积冰增长率与风速有较明显的正比关系。