電線積冰特征及其對調(diào)整能見度儀方向的啟示

易建平，劉美玉，李雪蓮，葉成志，蔣云飛

1.湖南省衡陽市南岳區(qū)氣象局，湖南衡陽 421900

2.湖南省衡陽市祁東縣氣象局，湖南衡陽 421600

3.湖南省氣象臺，湖南長沙 410118

4.江蘇無線電科學(xué)研究所，江蘇無錫 214073

0 引言

散射能見度儀由發(fā)射器、接收器、處理器等組成，南岳從2013年12月13日開始安裝好前向散射能見度儀，其發(fā)射器、接收器基本成南-北向，15日開始即出現(xiàn)了雨凇積冰天氣，隨后發(fā)射器、接收器鏡筒被積冰覆蓋，尤其接收器鏡筒前端積冰偏多，采集能見度出現(xiàn)了許多65535異常數(shù)據(jù)，筆者分析，是由于接收器鏡筒迎北風(fēng)，雨凇在鏡筒前端積聚增多，擋住了光線，影響散射系數(shù)的測量，從而影響氣象光學(xué)視程的計算。為了減少數(shù)據(jù)缺測，筆者把發(fā)射器、接收器鏡筒積冰與電纜積冰特征作類比，從對能見度儀采樣鏡頭造成遮擋或干擾的各種因素進(jìn)行分析，得出鏡筒要避開凍雨霧滴迎風(fēng)面即北面，不要朝向日出、日落方位，不要朝向盛行風(fēng)方向，做到這三點，就能減少能見度缺測數(shù)據(jù)。

1 電線積冰概況及一般特征、規(guī)律

1.1 電線積冰概念

電線積冰是指雨凇、霧凇凝附在導(dǎo)線上或濕雪凍結(jié)在導(dǎo)線上的現(xiàn)象[1]。積冰直徑是指垂直于導(dǎo)線的切面上冰層積結(jié)的最大數(shù)值線，導(dǎo)線直徑包括在內(nèi)；積冰厚度是指在導(dǎo)線切面上垂直于積冰直徑方向上冰層積結(jié)的最大數(shù)值線，厚度一般小于直徑，最多與直徑相等。

1.2 電線積冰與風(fēng)力、凍雨強(qiáng)度等的關(guān)系

雨凇在水平面、垂直面上均可形成，但水平面和迎風(fēng)面上增長快，霧凇在物體的突出部分和迎風(fēng)面上[1]。凍雨雨凇為主的積冰危害性大；冰凍天氣因吹偏北風(fēng)，對于雨滴而言，雨滴受北風(fēng)和重力、阻力等合力作用，以一定角度降落聚集在導(dǎo)線上部迎風(fēng)面的部位，但由于雨滴凍結(jié)的滯后性，雨滴受到重力作用流到稍下的部位才會凍住，故偏北風(fēng)較大時雨凇主要是在東西向?qū)Ь€頂靠北集結(jié)增長最嚴(yán)重，而南側(cè)積冰相對少些；但是凍雨雨量大或風(fēng)力小形成雨凇時，積冰還會在近乎垂直方向向下集結(jié)，形成緊握的“拳”形，導(dǎo)線下面呈梳子狀，這時最大積冰直徑沿垂直方向。

由于偏北風(fēng)風(fēng)向與南北向?qū)Ь€交角比與東西向?qū)Ь€交角要小，故積冰增長階段，南北向?qū)Ь€積冰直徑增長率一般小于東西向?qū)Ь€的積冰直徑增長率，南北向積冰直徑、重量明顯＜東西向積冰直徑、重量，平均來講，東西向厚度＜南北向厚度（見表1、表2）。但有時會出現(xiàn)南北向積冰重量＞東西向重量，因為未達(dá)到極值前或第一次達(dá)到極值時，東西向積冰面積大，厚度小，故見陽光后東西向積冰受陽光照射面積大，接收的光能多，造成東西向?qū)Ь€積冰融化或崩塌嚴(yán)重些，而南北向積冰融化、崩塌要輕些，過后積冰發(fā)展，則南北向積冰重量可能超過東西向積冰重量。

1.3 非SN、EW向電線積冰特征、規(guī)律

根據(jù)雨凇易于在迎風(fēng)面增長的特征、規(guī)律，對于26.8毫米NE-SW向、NW-SE向?qū)Ь€積冰直徑、重量是哪一向增加快，取決于積冰過程中是盛行偏NW風(fēng)還是偏NE風(fēng)，如果是偏NW風(fēng)，則NE-SW向積冰增長快，如果是偏NE風(fēng)，則NW-SE向積冰增長快。但26.8毫米NE-SW向、NW-SE向電纜積冰直徑、厚度、重量一般在26.8毫米SN向與EW向電纜之積冰直徑、厚度、重量之間（見表2）。

1.4 非SN、EW向電線兩端積冰特征、規(guī)律

觀測積冰的導(dǎo)線為長1米、直徑26.8毫米，根據(jù)雨凇、霧凇在迎風(fēng)面增長快，側(cè)向次之，后面（背風(fēng)面）積冰減弱的特征、規(guī)律，對于南北向?qū)Ь€，靠北迎風(fēng)一端切面積冰厚度（垂直于電纜切面的冰層厚度）增加較快，而靠南背風(fēng)一端積冰增厚較慢，對于東西向?qū)Ь€，左右兩端積冰厚度比南北向的北端積冰厚度均要小。即導(dǎo)線與偏北風(fēng)夾角越小，則導(dǎo)線兩端積冰厚度相差越明顯，其中靠北一端積冰較厚；導(dǎo)線與偏北風(fēng)夾角逐漸增加（最大90°），則靠北一端積冰厚度逐漸減小，導(dǎo)線兩端積冰厚度相差減小。

1.5 不同高度相同線徑導(dǎo)線積冰特征

對同一線徑，2.2米高導(dǎo)線積冰比1.6米高導(dǎo)線積冰要嚴(yán)重些，2.2米高導(dǎo)線東西向迎北風(fēng)，故最大直徑、重量一般是在2.2米高東西向?qū)Ь€測得。

1.6 不同部位積冰消融與光照的關(guān)系

受到陽光照射的部位，其積冰消融速度要快于未受到陽光照射的部位。

2 探尋能見度接收器、發(fā)射器安裝的最佳方向

2.1 前向散射能見度儀簡介及積冰時實際工作效果

前向散射能見度儀是測量散射系數(shù)從而估算出氣象光學(xué)視程的儀器，由發(fā)射器、接收器和采集器等組成（見圖2-1）。發(fā)射器鏡筒與發(fā)射器-接收器支撐點連線在水平面相交銳角約13°，接收器鏡筒與發(fā)射器-接收器支撐點連線在水平面相交銳角約20°，因此，發(fā)射器與接收器光軸在水平面相交鈍角約147°。能見度傳感器安裝高度為2.8米[2]，以保證采樣數(shù)據(jù)具有代表性；只有將測量誤差控制在允許范圍內(nèi)，測量的準(zhǔn)確性才具有可比性[3]。前向散射能見度儀應(yīng)盡量減少發(fā)射器、接收器鏡筒前端雨凇積冰。但是，能見度傳感器發(fā)射鏡頭與接收鏡頭初次安裝成南北向，接收鏡頭朝北，仿照上述電線積冰特征“1.4”，接收器鏡筒迎北風(fēng)，容易形成最強(qiáng)的積冰，鏡頭被覆蓋，則能見度數(shù)據(jù)65535增多。為了盡量減少缺測數(shù)據(jù)，可在發(fā)射器、接收器安裝方向上作一些調(diào)整。

2.2 年中需兩次變更接收器、發(fā)射器鏡筒朝向的調(diào)整方法

我們假設(shè)把接收器-發(fā)射器支撐點連線安成86.5°-266.5°走向，則發(fā)射器鏡筒朝向106.5°（即東偏南16.5°），接收器鏡筒朝向253.5°（即西偏南16.5°），與南北向?qū)ΨQ，根據(jù)“1.2”條、“1.3”條關(guān)于電纜積冰特征、規(guī)律和“1.4”條關(guān)于電纜兩端積冰特征、規(guī)律，雖然兩個鏡筒北側(cè)迎風(fēng)面積冰稍多些，但接收器鏡筒前端（朝偏南一側(cè)）積冰厚度減小，同時接收器與發(fā)射器鏡筒前端積冰厚度差值減小。通過OSSMO 2004地面氣象測報業(yè)務(wù)軟件-工具，經(jīng)查算，11月19日-1月25日日出、日落太陽光不能照射鏡頭，此時段正是嚴(yán)重積冰期，因此，此時段接收器-發(fā)射器支撐點連線安成86.5°-266.5°走向是最佳的。但是，按照儀器的安裝要求，發(fā)射器鏡筒和接收器鏡筒不能朝著強(qiáng)光源（如太陽光）[1]，考慮太陽光對鏡頭有10°的直射區(qū)域[4]，通過地面氣象測報業(yè)務(wù)軟件-工具，經(jīng)查10月21日～11月18日、1月26日～2月23日101.5°～111.5°日出方位太陽直射發(fā)射器鏡頭，248.5°～258.5°日落方位直射接收器鏡頭（見表3），因此，1月25日左右可按“2.3”條方法調(diào)整接收器、發(fā)射器鏡筒方向，11月19日左右再把接收器、發(fā)射器調(diào)整成現(xiàn)在的方向。

2.3 全年固定發(fā)射器、接收器鏡筒朝向的調(diào)整方法

2.3.1 全年發(fā)射器、接收器鏡筒朝向應(yīng)避開日出、日落方位

根據(jù)發(fā)射器朝偏南的要求，發(fā)射器鏡筒方向應(yīng)在116.7°～243.3°選擇，則接收器鏡筒方向應(yīng)在296.7°～63.3°選擇。

2.3.2 鏡筒盡量不要朝向盛行風(fēng)方向

發(fā)射器和接收器鏡筒朝向盛行風(fēng)方向時，一個是帶污染物的霧水滴會隨風(fēng)吹向鏡頭，水滴蒙上鏡頭后，影響和削弱發(fā)射、接收光的強(qiáng)度，二是留下的污漬難以清除。根據(jù)南岳歷年最多風(fēng)向頻率、最大平均風(fēng)速為SSW～SW、次多風(fēng)向頻率為N～NNE的特點（見表4），應(yīng)避開鏡筒朝向SSW～SW（即191°～236°）及N～NNE（即349°～34°）。

2.3.3 類比電線積冰特征，綜合其它因素，全年固定發(fā)射器、接收器鏡筒方向的調(diào)整方法

南岳高山初次安裝時，接收器-發(fā)射器支撐點連線成S-N向，因此，其發(fā)射器鏡筒指向193°（SSW），接收器鏡筒指向340°（NNW），2013年12月15日開始即出現(xiàn)了雨凇積冰天氣，隨后兩鏡頭被雨凇覆蓋，其中接收器鏡筒前端積冰厚度偏大，能見度出現(xiàn)了許多65535異常數(shù)據(jù)。再者，發(fā)射器鏡筒朝向了盛行風(fēng)方向SSW～SW（即191°～236°），需要避開。因此，發(fā)射器鏡筒朝向應(yīng)在116.7°～190°及237°～243.3°選擇，如果在237°～243.3°選擇，則接收器鏡筒朝向處于24～30.3°，此正好處在次多風(fēng)向349°～34°，最好避開。因此，發(fā)射器鏡筒朝向只能在116.7°～190°選擇，對應(yīng)接收器鏡筒朝向應(yīng)在296.7°～337°選擇，還考慮太陽光對鏡頭有10°的直射區(qū)域，也為了盡量減少接收器鏡筒前端的積冰量，經(jīng)過綜合選擇，把接收器-發(fā)射器支撐點連線成142°-322°走向，即接收器鏡筒朝向大約302°，相應(yīng)發(fā)射器鏡筒朝向155°。根據(jù)“1.4”條關(guān)于電纜兩端積冰特征、規(guī)律，結(jié)合南岳積冰時風(fēng)向以349°～34°為多的特點，接收器鏡筒指向大約302°，其鏡筒前端積冰厚度比指向340°時的積冰厚度要小些，同時接收器鏡筒前端與發(fā)射器鏡筒前端積冰厚度差值縮小，而且根據(jù)“1.6”條“不同部位積冰消融與光照的關(guān)系”，日落之前一段時間太陽處于接收器鏡筒截面前向，接收器鏡筒前端積冰消融加快。因此，南岳站把接收器-發(fā)射器支撐點連線安成142°-322°走向是合適的。

3 結(jié)論

3.1 調(diào)整鏡筒方向后的采樣效果

考慮能見度缺測數(shù)據(jù)多，故于2014年2月21日按照“2.3”條方法調(diào)整了發(fā)射器、接收器鏡筒的方向，經(jīng)過之后幾次冰凍過程，在同等冰凍天氣情況下，接收器鏡筒前端積冰量減少，出現(xiàn)65535異常數(shù)據(jù)減少。

3.2 鏡筒朝向的調(diào)整原則

第一是避開強(qiáng)太陽光，第二是盡量減輕鏡筒前端積冰，第三是避免朝向盛行風(fēng)方向。當(dāng)前面三條發(fā)生沖突時，首先考慮前兩條。當(dāng)然，積冰不嚴(yán)重，雖濕度大但盛行風(fēng)風(fēng)速不大的地方，發(fā)射器、接收器方向僅按正常安裝即可。

3.3 減少能見度缺測數(shù)據(jù)的最好辦法

嚴(yán)重冰凍時，要大幅度減少65535類缺測數(shù)據(jù)，需要給發(fā)射器、接收器開啟加熱融冰功能，以便及時融化發(fā)射器和接收器鏡筒內(nèi)的積冰。

[1]宗曼曄，王曉輝，楊志彪，等.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003：20-92.

[2]張雪芬，雷勇，劉達(dá)新，等.前向散射能見度儀觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2011：1-10.

[3]張玉存，等.氣象儀器試驗鑒定技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004：168-180.

[4]朱樂坤，李林.2013.前向散射能見度儀校準(zhǔn)技術(shù)[J].氣象科技，2013，41(6)：1003-1007.