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基于过程判别的雨雾凇导线覆冰气象模式

引言

2008年初发生在我国南方地区的持续低温雨雪冰冻灾害导致了极其严重的冰灾,南方电网大面积损毁、多地电力供应中断,直接经济损失达上千亿元。2008年以来,国内针对该次历史罕见的冰冻灾害从气候学、天气学、灾害学等方面进行了大量研究,针对导线覆冰及其机理的研究却鲜见报道。导线覆冰机理复杂,涉及到大气物理学、气象学、流体力学、热力学等多学科交叉领域。自1982年第1次国际结构物大气积冰研讨会(IWAIS)以来,描述覆冰机理的动力学和热力学模型有了很大发展。如Lozowski等[1]建立了描述固定圆柱导线覆冰的二维理论模型,Makkonen[2]建立了圆柱导线均匀覆冰理论模型并进行了数值模拟研究,Jones[3]提出简化的雨凇覆冰模型得到广泛应用。我国学者谭冠日[4]较早提出了分析导线覆冰应遵循的理论公式,蒋兴良等[5]分析了三峡地区导线覆冰的特性并提出了雾凇覆冰的理论模型,刘和云等[6]在借鉴国外覆冰模型的基础上提出了一个雨淞覆冰的简单模型,孙才新等[7]通过导线表面热平衡方程分析了覆冰干湿增长转变的临界条件,林锐等[8]从流体力学和热力学原理出发建立了基于碰撞特性的雾凇覆冰模型并进行了仿真计算,刘春城等[9]分析了输电线路覆冰机理并提出了雨淞覆冰的预测模型。这些研究主要以理论模型分析和试验室数据仿真为主,由于覆冰理论模型参数众多、计算复杂,加之缺乏覆冰过程详细观测数据,导致对自然条件下导线覆冰过程的数值模拟较为困难。国内近年也开展了这方面的一些尝试,如牛生杰等[10]利用在湖北恩施雷达站观测的电线积冰及相关气象数据,应用理论模型对导线覆冰厚度进行了数值模拟试验;吴息等[11]采用常规气象资料拟合理论模型参数方法对电线积冰观测资料进行模拟;邓芳萍等[12]综合考虑雨雾凇积冰增长以及热力融冰和升华脱冰影响,建立了基于常规气象资料的标准冰厚计算模型。另外还有一些学者基于统计方法分析了各地电线积冰的特征并建立了相应的冰厚估算模型[13-15]。但以上研究采用的覆冰资料均为人工观测获取,人工观测误差较大且难以获得覆冰过程变化的详细观测资料,给实际覆冰过程的模拟研究带来了困难。在公益性行业科研专项支持下,贵州省山地环境气候研究所与中国科学院电工研究所合作,研制成功了适用于野外观测试验的导线覆冰重量自动观测设备,利用该设备配合自动气象站、激光雨滴谱于2011年1月起在贵州重冰区连续开展导线覆冰自动观测试验,获取了大量导线覆冰过程演变的详细资料。

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