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电线积冰灾害给国民经济带来损失,为了研究电线积冰微物理结构,准确预报电线积冰,此次观测深入海拔1722m的积冰高发区湖北恩施,使用高时间分辨率仪器雾滴谱仪、雨滴谱仪和自动气象站,对2009.1~2009.3观测到的两次积冰过程、2009.12~2010.1年观测到的三次积冰过程进行了连续观测,获取了丰富的资料。本文分析了这五次积冰过程的气象特征、微物理特征,并建立积冰模式,进行敏感性试验,模拟积冰厚度和积冰重量。主要结论如下:
(1)根据本次观测资料,得到电线积冰发生的气象条件是:气温-7~0℃,风速2~10m/s,相对湿度90%以上;其中-4~0.5℃的气温区间,3~7m/s的风速区间,是积冰高发的气象条件。当气温、风速条件适合积冰形成时,降水能够触发积冰的形成机制,但降水必须为小雨或者小雪,且一小时内的降水小于2mm。
(2)电线积冰发生时空气中液滴的微物理特征为:①雾凇型和雨凇型积冰的雾滴谱都是双峰型,湿雪型积冰的雾滴谱为单峰型。雾凇型积冰的平均雾滴MVD为12μm,平均含水量为0.1g/m3;雨凇型积冰的平均雾滴MVD为20μm,平均含水量为0.25g/m3;湿雪型积冰的平均雾滴MVD为18μm,平均含水量为0.18g/m3。②雨凇型和湿雪型积冰的降水粒子谱都是单峰型,但雨凇型积冰的降水粒子数浓度小于湿雪型积冰,且体积中值直径也小于后者。其中,雨凇型积冰的雨滴平均数浓度为335.6/cm3,平均含水量0.1g/m3;湿雪型积冰的降水粒子平均数浓度为1502.1/cm3,平均含水量0.15g/m3。
(3)各种因子对积冰的影响:①在-10~1℃的范围内,气温较低时电线积冰增长速度快,但最大积冰重量低于较高气温时的积冰重量;气温越接近0℃,积冰越重。②积冰最先在电线迎风面形成,且迎风面的积冰最厚;当风向与电线走向垂直时,积冰最重;风向与积冰平行时,积冰最轻;在5~20m/s的范围内,较低风速下的积冰增长速度快,但风速为10m/s时,形成的积冰重量最大。③电线直径与积冰厚度的关系是:在同样条件下,粗电线上的积冰厚度小于细电线的积冰厚度。④在浓雾和小雨天气下,液滴尺度越大,越有利于积冰,因此雨凇型积冰大于雾凇型积冰。湿雪型积冰由于积冰中存在空隙,冰密度较低,并由于积冰厚度增长较快,容易坍塌。因此,即使湿雪的液滴尺度大于雨滴,湿雪型积冰也一般小于雨凇型积冰。
(4)根据流体力学和热力学理论建立电线积冰模式,模拟积冰重量和积冰厚度,效果良好。将使用Makkonen& Stallaabrass密度公式的积冰模式与使用实测冰密度的积冰模式模拟结果对比,发现Makkonen& Stallaabrass密度公式模拟湿雪型积冰的效果较差。因此,在电线积冰模式中冰密度的准确度直接影响模式的预报效果,如果冰密度准确度较高则模式模拟效果良好,反之则否。