電線積冰及路面溫度研究的新進(jìn)展

牛生杰 王天舒 呂晶晶 周悅 王元

摘要 2009年起，研究組開(kāi)展了電線積冰野外觀測(cè)試驗(yàn)及道路結(jié)冰規(guī)律的觀測(cè)研究，將電線積冰觀測(cè)研究從傳統(tǒng)的積冰氣象條件和積冰厚度觀測(cè)提升到了積冰氣象條件、積冰厚度加積冰天氣云降水微物理綜合觀測(cè)研究的新高度，揭示了積冰發(fā)生的微物理機(jī)制，研究積冰增長(zhǎng)率及其影響因子，建立的積冰增長(zhǎng)模型較好地模擬了積冰增長(zhǎng)過(guò)程。對(duì)瀝青、水泥、土壤三種下墊面溫度進(jìn)行了觀測(cè)研究，觀測(cè)高速公路和橋梁不同路基深度的溫度變化，并對(duì)橋面比路面更易結(jié)冰的現(xiàn)象從能量平衡方面做了理論解釋。本文以作者團(tuán)隊(duì)取得的成果為主線，不求大而全，學(xué)習(xí)梳理相關(guān)的代表性研究成果，主要包括積冰發(fā)生頻次的時(shí)空分布、積冰天氣微物理特征、積冰增長(zhǎng)率及其影響因子、積冰氣象條件、積冰增長(zhǎng)模型構(gòu)建、道路結(jié)冰及積冰數(shù)值預(yù)報(bào)等幾個(gè)方面，并對(duì)電線積冰未來(lái)的研究提出了建議。

關(guān)鍵詞 電線積冰; 微物理特征; 積冰氣象條件; 積冰增長(zhǎng)模型; 路面溫度; 研究進(jìn)展

2008年1月10日至2月2日，我國(guó)南方地區(qū)連續(xù)發(fā)生四次罕見(jiàn)低溫雨雪冰凍天氣，災(zāi)害范圍廣，強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，造成了極其嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。凍雨、雨夾雪、過(guò)冷霧等造成嚴(yán)重的電線覆冰并發(fā)生次生災(zāi)害，造成輸電線塔、通信塔等倒伏，造成供電、通信中斷;造成道路結(jié)冰，使得公路交通中斷。電線積冰為霧凇、雨凇在導(dǎo)線上凝附或濕雪在導(dǎo)線上凍結(jié)的現(xiàn)象（中央氣象局，2003），通常發(fā)生在過(guò)冷霧、凍雨、濕雪三種天氣條件下（Kringlebotn et al.，2013），其嚴(yán)重時(shí)會(huì)給電力輸送造成極大損失，例如電纜舞動(dòng)、斷線、桿塔倒塌和絕緣子閃絡(luò)等現(xiàn)象，嚴(yán)重危害國(guó)民經(jīng)濟(jì)（陳柏堃等，2009;Niu et al.，2012）。20世紀(jì)70年代末以來(lái)，我國(guó)各地尤其是南方地區(qū)積冰事故時(shí)有發(fā)生。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)行管理處的統(tǒng)計(jì)，2006年1月至2007年6 月，電線覆冰導(dǎo)致13次500 kV電線跳閘，在總跳閘次數(shù)中占比8.8%;導(dǎo)致500 kV電線4次非計(jì)劃停運(yùn)，在總停運(yùn)次數(shù)中占比11.1%（李慶峰等，2008）。2008年冬季由于適宜的大氣環(huán)流形勢(shì)、天氣系統(tǒng)及溫濕層結(jié)條件，1月10日到2月2日我國(guó)南方地區(qū)發(fā)生了4次大面積冰凍雨雪災(zāi)害（楊貴名等，2008），13個(gè)省遭遇電線覆冰事故，貴州、湖南兩省大面積停電，4 216條重要輸電線路損毀，公路因結(jié)冰導(dǎo)致交通中斷，造成超過(guò)1 100億元的直接經(jīng)濟(jì)損失（杜骦等，2019）。

提高對(duì)積冰現(xiàn)象的認(rèn)知，需要深入探索積冰期間氣象要素變化規(guī)律以及雨霧滴微物理特征，揭示冰凍災(zāi)害形成機(jī)理，從而開(kāi)發(fā)積冰模擬預(yù)報(bào)方法，提高預(yù)報(bào)預(yù)警水平。本文主要包括積冰發(fā)生頻次的時(shí)空分布、積冰天氣微物理特征、積冰增長(zhǎng)率及其影響因子、積冰氣象條件、積冰增長(zhǎng)模型構(gòu)建、道路結(jié)冰及積冰數(shù)值預(yù)報(bào)等幾個(gè)方面，并對(duì)未來(lái)電線積冰的研究方向提出了建議。

1 電線積冰發(fā)生頻次的時(shí)空分布

冰凍天氣在中國(guó)的分布具有較強(qiáng)的區(qū)域性特征。王遵婭（2011）對(duì)中國(guó)1954—2009年雨凇和霧凇的空間分布及不同時(shí)間尺度的變率進(jìn)行全面細(xì)致的分析后指出：中國(guó)的冰凍主要出現(xiàn)在江南、新疆、西北東部、內(nèi)蒙古東部、東北、華北、淮河流域等地，年均冰凍日數(shù)約有1～5 d，5 d以上的重冰區(qū)主要分布在云南東北部、貴州、新疆北部、陜西南部、東北中部、華北東部、秦嶺等地（圖1）。中國(guó)冰凍、雨凇和霧凇日數(shù)在1954—2009 年間出現(xiàn)了顯著減少的變化趨勢(shì)（王遵婭，2011）。2008 年1月突如其來(lái)的低溫雨雪冰凍災(zāi)害席卷中國(guó)南方多省，此次冰凍災(zāi)害不是一個(gè)局地或地區(qū)性現(xiàn)象，它是同期發(fā)生的亞洲大范圍冰雪災(zāi)害鏈中的一環(huán)，在影響范圍和災(zāi)害程度上是最嚴(yán)重的一環(huán)（丁一匯等，2008）。隨后，冰凍雨雪天氣研究引起廣泛關(guān)注，成為研究熱點(diǎn)。

由2011—2013 年中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)的例行觀測(cè)、特殊觀測(cè)資料得出的冰粒降水天氣分布顯示：冰粒降水天氣集中分布在中緯度的黃河下游、長(zhǎng)江中下游地區(qū)。冰粒降水發(fā)生的次數(shù)與其持續(xù)時(shí)間相關(guān)性不強(qiáng);冰粒降水天氣在1—2月比較常見(jiàn)，單次冰粒降水天氣過(guò)程的持續(xù)時(shí)間比較短，一般不超過(guò)1 h（李杰等，2016）。

王穎等（2012）在綜合考慮1960—2009年各種強(qiáng)度等級(jí)發(fā)生頻率及其產(chǎn)生的危害強(qiáng)弱基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)積冰危險(xiǎn)程度的量化指標(biāo)。分析結(jié)果顯示，中高危險(xiǎn)區(qū)主要集中在南方地區(qū)，主要分布在長(zhǎng)江中下游的山地丘陵地區(qū)，包括四川中南部、重慶、云南東北部、貴州、湖北西南部、湖南東南部、江西北部、安徽南部、浙江等地。

由此可見(jiàn)，積冰發(fā)生頻次的時(shí)空分布研究，需要使用更長(zhǎng)時(shí)間序列的資料使其系統(tǒng)化，給出更高分辨率的積冰發(fā)生頻次時(shí)空分布，揭示其形成的天氣氣候規(guī)律，評(píng)估不同地區(qū)不同溫度濕度條件下電線積冰可能造成的災(zāi)害等級(jí)，要特別關(guān)注雪花中的含水量數(shù)值，雪花含水量影響雪花在電線表面的黏附性，進(jìn)而影響積冰增長(zhǎng)速度，這是目前積冰成災(zāi)研究中的盲點(diǎn)之一。

2 電線積冰天氣微物理特征

研究積冰形成機(jī)制，離不開(kāi)對(duì)過(guò)冷云霧降水宏微觀特征的研究，過(guò)冷液滴、濕雪是否能夠在電線表面碰凍是積冰發(fā)展的關(guān)鍵，因此探討積冰發(fā)生、發(fā)展和維持階段的微物理特征顯得十分重要。

2.1 過(guò)冷霧

過(guò)冷霧滴譜及其演變直接影響著積冰增長(zhǎng)率及積冰屬性的變化規(guī)律，且過(guò)冷霧滴譜微物理特征對(duì)云中積冰過(guò)程的影響更為復(fù)雜。目前，我國(guó)學(xué)者針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展了一些觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)造成云中積冰過(guò)程的山區(qū)云霧宏微觀特征獲得了一定的認(rèn)識(shí)。鄧雪嬌等（2002）指出南嶺山區(qū)的霧過(guò)程均以小滴為主，大部分液滴的粒徑小于12 μm，平流因素和地形作用對(duì)微物理量的起伏變化有重要影響。山頂?shù)撵F過(guò)程主要是冷鋒過(guò)境帶來(lái)的云系接地形成，受平流的作用，相對(duì)于山坡更易出現(xiàn)濃厚穩(wěn)定的霧過(guò)程（史月琴等，2006;吳兌等，2007;鄧雪嬌等，2007）。Niu et al.（2012）對(duì)湖北恩施山區(qū)的過(guò)冷霧微物理特征進(jìn)行了探討（表1），指出霧滴譜的微物理特征量變化范圍均較小，與平流霧類(lèi)似，液水含量與積冰厚度的增長(zhǎng)率呈顯著正相關(guān)關(guān)系。賈然等（2010）對(duì)湖北恩施雷達(dá)站處的一次積冰過(guò)程中雨天、霧天和雨夾雪天氣條件下，霧滴譜和雨滴譜的微物理特征進(jìn)行了初步的分析，發(fā)現(xiàn)在雨夾雪天氣時(shí)積冰的增長(zhǎng)速度要明顯大于雨天和霧天。貴州山區(qū)霧過(guò)程的數(shù)濃度、液水含量和平均直徑分別為 234 cm-3、0.2 g·m-3和7.5 μm，且以小滴為主，峰值直徑為4 μm，峰值濃度占總濃度的 63%，粒徑大于14 μm的霧滴對(duì)積冰增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)明顯大于小霧滴（羅寧等，2008）。當(dāng)存在充足水汽供應(yīng)時(shí)，山區(qū)霧的液水含量會(huì)顯著增加（Hodges and Pu，2016），Drage and Hauge（2008）對(duì)沿海山區(qū)的過(guò)冷霧液水含量進(jìn)行了觀測(cè)和模擬，在積冰快速增長(zhǎng)期的液水含量達(dá)到了0.4 g·m-3左右。

2.2 凍雨

凍雨、凍毛毛雨滴譜的演變直接影響著降水積冰過(guò)程中積冰屬性的變化規(guī)律，大雨滴受風(fēng)速和電線直徑（簡(jiǎn)稱(chēng)線徑）影響較小，更易直接碰凍在導(dǎo)線表面;而小雨滴在風(fēng)速較大、線徑較小時(shí)，則易繞過(guò)導(dǎo)線無(wú)法碰凍，但同時(shí)較大的風(fēng)速又可以吹來(lái)更多的雨滴，增加可能碰凍的雨滴個(gè)數(shù)（Jones and Eylander，2017）。2008年初安徽潛山的一次凍雨過(guò)程雨滴譜與層狀云降水類(lèi)似，其雨強(qiáng)、雨水含量和雨滴粒徑都較小，這次凍雨過(guò)程是由于小冰晶融化導(dǎo)致的（Chen et al.，2011）。而山區(qū)過(guò)冷降水過(guò)程宏微觀物理特征量的數(shù)值則明顯小于平原地區(qū)的凍雨過(guò)程，其形態(tài)以?xún)雒隇橹鳎掷m(xù)時(shí)間為 1～3 h，雨強(qiáng)基本小于 0.5 mm·h-1，平均粒徑則主要在 0.4～0.6 mm（Zhou et al.，2016）。黃欽等（2018）通過(guò)分析 2014年2月廬山地區(qū)的雨滴譜觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)存在低落速凍雨滴向冰粒和干雪轉(zhuǎn)化的過(guò)程，Gamma分布對(duì)該種類(lèi)型的降水過(guò)程擬合效果較好。

2.3 濕雪

雪花下落過(guò)程中經(jīng)過(guò)溫度稍高于0 ℃的層結(jié)時(shí)表面會(huì)融化，形成濕雪，濕雪引起的積冰密度較大，對(duì)輸電線路影響較嚴(yán)重。李遙等（2019）給出了南京地區(qū)雪花譜的峰值下落末速度為1.1 m/s，且存在小雪花碰并形成大雪花及雪花結(jié)霜增長(zhǎng)等兩種大雪花形成機(jī)制，并歸納得出南京地區(qū)穩(wěn)定的層狀云強(qiáng)降雪過(guò)程的Z-I關(guān)系為Z=1 708I1.51。葛森等（2016）指出運(yùn)用歐拉二維正定平流輸送法可以合理地模擬出群粒子在凝華增長(zhǎng)過(guò)程中縱橫比的演變。徐戈等（2016）總結(jié)了產(chǎn)生凍滴的兩個(gè)主要過(guò)程：半徑大于80 μm 的液滴凍結(jié)形成凍滴;霰與半徑大于100 μm 的液滴碰撞轉(zhuǎn)化為凍滴。并發(fā)現(xiàn)霰的生成機(jī)制受到抑制，濃度減小;凍滴產(chǎn)生、繁生產(chǎn)生的冰晶增多;冰晶聚并形成雪，雪的濃度增加;凍滴消耗過(guò)冷水增長(zhǎng)，導(dǎo)致液態(tài)水濃度減小。

利用先進(jìn)的高分辨率氣溶膠云降水粒子觀測(cè)設(shè)備，在積冰高發(fā)區(qū)觀測(cè)了積冰過(guò)程中的微物理結(jié)構(gòu)，研究了冰粒子產(chǎn)生及增長(zhǎng)的規(guī)律，為研究影響積冰增長(zhǎng)的氣象和微物理因子，構(gòu)建積冰增長(zhǎng)模型奠定了基礎(chǔ)。今后的積冰微物理研究，應(yīng)當(dāng)與宏觀天氣過(guò)程結(jié)合起來(lái)，提高積冰模型對(duì)積冰物理過(guò)程描述的準(zhǔn)確性。

3 電線積冰與氣象條件的關(guān)系

3.1 地面氣象要素

積冰過(guò)程的必要?dú)庀髼l件是：1）具有液滴可凍結(jié)的氣溫，即0 ℃以下;2）具有較濕潤(rùn)的環(huán)境空氣，即相對(duì)濕度一般在85%以上;3）具有可使空氣中液滴運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力條件，即大于1 m/s 的風(fēng)速（蔣興良和易輝，2001）。20世紀(jì)70年代起，我國(guó)電線積冰氣象條件研究取得了許多有意義的結(jié)果。滕中林（1978）討論了風(fēng)速、地形、導(dǎo)線直徑、電場(chǎng)等對(duì)積冰的影響，并給出不同高度積冰的變化。譚冠日（1982）進(jìn)一步探討了積冰冰厚隨距地高度的變化，并分析了風(fēng)與電線交角、電線直徑和冰厚之間的關(guān)系。江祖凡（1983）利用1978—1981年冬季廬山云霧試驗(yàn)資料對(duì)電線積冰增長(zhǎng)率與氣象條件之間的關(guān)系進(jìn)行了較為定量的研究。劉雪靜和牛生杰（2016）指出氣溫和風(fēng)速是影響積冰過(guò)程的關(guān)鍵氣象要素。高壓輸電線出現(xiàn)積冰時(shí)的環(huán)境氣溫約為-2 ℃，而脫落時(shí)氣溫為-2～-1 ℃（圖2），明顯低于積冰架積冰發(fā)生和脫落時(shí)的氣溫（Zhou et al.，2012）。

由于風(fēng)速計(jì)在冰凍天氣下極易凍結(jié)，風(fēng)速作為影響積冰過(guò)程的重要?dú)庀笠?，在早期的研究中相?duì)較少。一方面，在積冰的發(fā)生和發(fā)展階段，風(fēng)將大量過(guò)冷液滴不斷地輸送向電線，與電線碰凍，加速積冰的增長(zhǎng);另一方面，過(guò)大的風(fēng)速（尤其是瞬時(shí)風(fēng)速）會(huì)破壞冰層的結(jié)構(gòu)，加速積冰的脫落，這一現(xiàn)象主要發(fā)生在積冰的維持和脫落階段，對(duì)于霧凇積冰過(guò)程最為顯著。Jones（1998）建立的凍雨積冰物理模型則直接給出了風(fēng)速對(duì)積冰增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)項(xiàng)，其對(duì)凍雨積冰的模擬效果良好，并得到了Degaetano et al.（2008）的驗(yàn)證和應(yīng)用。Savadjiev and Farzaneh（2004）則認(rèn)為風(fēng)速對(duì)云中積冰過(guò)程中冰厚的增長(zhǎng)作用強(qiáng)于降水積冰過(guò)程中的數(shù)值。

相對(duì)濕度對(duì)積冰過(guò)程的直接影響較弱，主要表征了積冰環(huán)境中的水汽特征。通常情況下云中積冰過(guò)程的出現(xiàn)和發(fā)展階段過(guò)冷云霧長(zhǎng)時(shí)間籠罩在觀測(cè)點(diǎn)，相對(duì)濕度維持在100%左右，飽和的水汽條件使得小液滴能夠不斷生成，為積冰過(guò)程提供足夠的過(guò)冷液水，而在維持和脫落階段云霧通常開(kāi)始消散，相對(duì)濕度也會(huì)逐漸減小。降水積冰過(guò)程則與相對(duì)濕度的變化關(guān)系較小。當(dāng)相對(duì)濕度較小且氣溫低于0℃時(shí)，積冰的升華作用很可能是導(dǎo)致積冰脫落消失的重要原因之一，且這一現(xiàn)象多出現(xiàn)在北美的外場(chǎng)觀測(cè)中（Druez et al.，1995;Ryerson and Kenyon，1998）。

3.2 大氣層結(jié)

大氣層結(jié)特征也與凍雨天氣的形成密切相關(guān)。按照大氣層結(jié)特點(diǎn)，凍雨形成途徑分為“冰相融化”和“過(guò)冷雨滴”（Roberts and Stewart，2008;陶玥等，2012，2013）。“冰相融化” 過(guò)程中，冰粒子從高空下落到溫度在0 ℃以上的大氣層中，融化為雨滴，隨后下落到近地面再凍結(jié)層成為過(guò)冷雨滴，碰撞到物體上即發(fā)生凍結(jié)。 “過(guò)冷雨滴” 過(guò)程為地面至高空氣溫均低于0 ℃，凍雨由液滴碰并形成。

發(fā)現(xiàn)兩種凍雨形成機(jī)制后，凍雨層結(jié)特征成為凍雨研究的重要方面。Zerr（1997）分析了美國(guó)和加拿大南部34次凍雨、凍雨及冰丸、冰丸個(gè)例的雷達(dá)和無(wú)線電探空儀資料，地面降水類(lèi)型對(duì)融化特性更為敏感，并用兩種熱傳遞模型模擬融化和再凍結(jié)，模擬結(jié)果較符合地面降水觀測(cè)事實(shí)。Thériault et al.（2006）用一維云模式調(diào)整大氣溫濕廓線模擬冬季不同類(lèi)型降水，增加地面溫度、融化層溫度和厚度，同時(shí)減少再凍結(jié)層厚度，導(dǎo)致凍雨累積降水量增加，冰丸量減少。2008年初我國(guó)南方冰災(zāi)期間傾斜的鋒區(qū)造成我國(guó)從北向南逆溫層和融化層高度、厚度、強(qiáng)度的差異，依次形成了雪、凍雨和雨（曾明劍等，2008），可見(jiàn)逆溫層高度、厚度和強(qiáng)度對(duì)降水類(lèi)型的決定性（Bourgouin，2000;Kovacik et al.，2011）。凍雨形成中逆溫層對(duì)聚集水汽起到重要作用，探空曲線表明逆溫層以上相對(duì)濕度隨高度快速下降，濕度大值區(qū)位于逆溫層以下（李登文等，2009）。

3.3 積冰的梯度觀測(cè)

Wang et al.（2019）對(duì)廬山一次寒潮積冰過(guò)程（2016年1月19—25日）進(jìn)行了積冰梯度觀測(cè)，研究了不同距地高度（1.5、10 m）微環(huán)境差異及其造成的積冰差別（圖3）。1.5 m和10 m高度的氣溫T1.5、T10全過(guò)程均值分別為-6.2、-7.0 ℃。全過(guò)程1.5 m高度的風(fēng)速V1.5總體低于10 m高度的風(fēng)速V10，均值分別為 1.5、2.8 m·s-1。

對(duì)比低處、高處積冰的起步和演進(jìn)特征。太陽(yáng)輻射加強(qiáng)時(shí)，低處積冰受直接太陽(yáng)輻射、顯著提高的T1.5、地面長(zhǎng)波輻射和反射太陽(yáng)輻射的多重影響，冰厚顯著下降，夜晚冰厚回升，全過(guò)程冰厚最高達(dá)1.2 mm。高處積冰生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)明顯：積冰起步方面，高處適宜的低溫使積冰起步早于低處 6 h，為高處后續(xù)冰累積奠定了良好的基礎(chǔ)，冰筒有了更大的表面得以粘附更多降水粒子，逐漸加大了其與低處的冰厚差異;冰增長(zhǎng)方面，高處經(jīng)過(guò)兩個(gè)增長(zhǎng)階段冰厚達(dá)到 18.0 mm，兩個(gè)增長(zhǎng)階段都對(duì)應(yīng)著兩高度風(fēng)速差大值區(qū)，可見(jiàn)風(fēng)對(duì)高處冰增長(zhǎng)起到了關(guān)鍵作用;并且高處積冰在強(qiáng)太陽(yáng)輻射時(shí)的損失較少，有效保存了已有的積冰。對(duì)比低處、高處積冰的結(jié)束方式，停止增長(zhǎng)后，低處積冰直接脫落;高處冰厚維持14 h 后在強(qiáng)太陽(yáng)輻射和強(qiáng)風(fēng)影響下逐漸融化。

4 電線積冰模型及預(yù)報(bào)

基于野外觀測(cè)資料的研究，揭示了積冰增長(zhǎng)的基本物理過(guò)程?；趯?duì)成冰基本原理的掌握，眾多學(xué)者開(kāi)始嘗試建立數(shù)學(xué)物理模型實(shí)現(xiàn)電線積冰模擬，逐步完善冰凍雨雪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警方法。依據(jù)積冰形成機(jī)制，可將積冰分為凍雨型積冰、濕雪型積冰和綜合型積冰，根據(jù)三類(lèi)積冰形成機(jī)制，分別建立了三種不同類(lèi)型的致冰模型。

4.1 凍雨積冰模型

凍雨積冰出現(xiàn)條件為濕球溫度低于0 ℃、有液態(tài)降水發(fā)生（Makkonen，2000）。Jones（1998）將凍雨積冰的物理過(guò)程簡(jiǎn)化，以降水率和風(fēng)速為參數(shù)提出了凍雨型積冰增長(zhǎng)模型，并討論了與其他模型的差異及差異的原因。該模型計(jì)算簡(jiǎn)便，在凍雨積冰預(yù)報(bào)時(shí)使用較廣泛。溫華洋等（2011）通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和逐步多元線性回歸兩種統(tǒng)計(jì)方法對(duì)電線積冰資料進(jìn)行了分析，資料為安徽有電線覆冰觀測(cè)的15個(gè)氣象站自建站至2008年的觀測(cè)資料，為安徽省電線積冰災(zāi)害建立了三個(gè)區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)冰厚估計(jì)模式，相比人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，逐步多元線性回歸方法對(duì)建立安徽省電線積冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚估算模式更為合適，對(duì)非高山站具有較好的模擬效果。Abdelaal et al.（2019）選取不同電纜傾斜角度進(jìn)行風(fēng)洞結(jié)冰試驗(yàn)，指出電纜傾斜度影響冰厚及冰釘長(zhǎng)度，考慮電纜的傾斜度、積冰增長(zhǎng)方向和形狀，開(kāi)發(fā)了凍雨積冰模型，通過(guò)美國(guó)托萊多的兩次積冰事件對(duì)模型進(jìn)行了評(píng)估，模擬與觀測(cè)結(jié)果較為一致。

4.2 濕雪積冰模型

濕雪積冰出現(xiàn)條件為有降雪發(fā)生、濕球溫度在0 ℃以上（Makkonen，2000）。Poots and Skelton （1995）對(duì)雪粒下落軌跡與電線夾角以及積冰形狀進(jìn)行了研究，用余弦定理計(jì)算雪質(zhì)量增長(zhǎng)率，對(duì)濕雪積冰過(guò)程進(jìn)行了模擬。Makkonen（1989）以濕球溫度作為判斷濕雪出現(xiàn)的指標(biāo)，基于濕雪積冰增長(zhǎng)的基本物理過(guò)程，以能見(jiàn)度等作為輸入量，計(jì)算濕雪質(zhì)量增長(zhǎng)率，提出了濕雪型積冰增長(zhǎng)模型。Makkonen and Wichura （2010）對(duì)Makkonen（1989）模型進(jìn)行了改進(jìn)，在計(jì)算雪濃度時(shí)分白天和夜間兩種情況來(lái)討論，并將判斷濕雪出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)由濕球溫度大于0 ℃變?yōu)闈袂驕囟却笥?0.2 ℃。用改進(jìn)后的模型對(duì)2005年11月德國(guó)西北部濕雪積冰災(zāi)害進(jìn)行了模擬，取得了較好的效果。Kringlebotn et al.（2013）利用冰島南部50 a濕雪積冰觀測(cè)資料和WRF輸出量對(duì)Makkonen（1989）濕雪模型進(jìn)行了改進(jìn)和討論，用WRF輸出量中液態(tài)降水和固態(tài)降水的比例來(lái)判斷濕雪，并對(duì)比了三種捕獲率的計(jì)算方法，模擬取得了較好的效果。

4.3 綜合積冰模型

綜合積冰模型可模擬多種類(lèi)型的積冰增長(zhǎng)。Makkonen （2000）在假設(shè)覆冰形狀為圓柱體的基礎(chǔ)上，考慮了水成物粒子與導(dǎo)線之間碰并的微物理過(guò)程與熱平衡過(guò)程，建立了一套適用于多種覆冰情況的覆冰預(yù)報(bào)模型，被大部分組織和學(xué)者推薦使用。Niu et al.（2012）計(jì)算積冰增長(zhǎng)中的碰撞率、捕獲率和凍結(jié)率等參量，在計(jì)算捕獲率時(shí)區(qū)別干增長(zhǎng)和濕增長(zhǎng)，模擬了湖北恩施積冰厚度，模擬結(jié)果能較好地反映實(shí)際冰厚變化。鄧芳萍等（2017）將雨凇、霧凇增長(zhǎng)模型與融化、升華模型相結(jié)合，建立了一個(gè)基于常規(guī)氣象資料的小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)冰厚模型，用其模擬浙江2008和2013年兩次電線積冰事件，并用事故線路調(diào)查資料、電線積冰觀測(cè)站和模擬導(dǎo)線拉力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證分析，模擬值與事故線路最大標(biāo)準(zhǔn)冰厚觀測(cè)值相關(guān)性通過(guò)0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，模型較準(zhǔn)確地抓住了天氣過(guò)程對(duì)電線積冰的影響。Szilder （2019）研發(fā)了新分析模型來(lái)預(yù)測(cè)電線積冰，對(duì)垂直、傾斜和水平電纜上凍結(jié)的積雪和凍雨的分析表明，兩個(gè)最有影響力的參數(shù)是風(fēng)速與粒子下落末速度之比以及冰筒圓柱體傾斜角。

4.4 基于中尺度數(shù)值模式的積冰預(yù)報(bào)

隨著對(duì)積冰形成的物理機(jī)制認(rèn)識(shí)的不斷深化，可以利用WRF等數(shù)值天氣診斷預(yù)報(bào)模式進(jìn)行冰凍雨雪天氣的模擬和積冰預(yù)報(bào)。Musilek et al.（2009）、Pytlak et al.（2010）、Hosek et al.（2011）將WRF模式與積冰增長(zhǎng)模型相結(jié)合，用WRF模式輸出量建立了凍雨判別指標(biāo)，發(fā)展了積冰增長(zhǎng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)（IAFS）。杜骦等（2019）、劉善峰等（2019）將IAFS積冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)分別應(yīng)用到我國(guó)河南省和貴州省積冰災(zāi)害模擬中，得到了初步應(yīng)用。Davis et al.（2014）將積冰增長(zhǎng)、融化模型與WRF模式相結(jié)合，并用其預(yù)測(cè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)風(fēng)力機(jī)積冰，發(fā)現(xiàn)該方法對(duì)積冰短時(shí)預(yù)報(bào)效果良好，微物理與邊界層方案的選擇對(duì)冰重模擬有較大影響。Lamraoui et al.（2014）將積冰增長(zhǎng)模型與電力損耗模型相結(jié)合，對(duì)電力損耗進(jìn)行了估計(jì)。結(jié)果表明，凍結(jié)比為0.88時(shí)對(duì)應(yīng)電力損失的峰值。Barszcz et al.（2018） 研究了加拿大氣象中心數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)嚴(yán)重低估的一次冰凍事件，該模式直接根據(jù)Milbrandt-Yau微物理方案對(duì)降水類(lèi)型進(jìn)行預(yù)報(bào)，凍雨量的低估主要是由于融化的雪和霰的過(guò)度再凍結(jié)，通過(guò)降低雨-霰收集效率和設(shè)置-5 ℃的溫度閾值，微物理方案中過(guò)度的雨-霰聚集和霰形成得到控制。Kmrinen et al.（2018）進(jìn)行了七區(qū)域氣候模型模擬，評(píng)估了歐洲中等（RCP4.5）和強(qiáng)（RCP8.5）未來(lái)排放背景下氣候變化對(duì)凍雨和冰凍事件的影響。在RCP8.5排放背景下，到本世紀(jì)末，西歐、中歐和東南歐的凍雨頻率下降了20%～55%，而該大陸的北部和東北部則增加了0～50%，在RCP4.5排放背景下變化相似但量級(jí)偏小。

已有的積冰研究按照積冰形成的三種機(jī)制即凍雨積冰、濕雪積冰和過(guò)冷霧積冰分別建立了積冰模型，在積冰監(jiān)測(cè)預(yù)警中發(fā)揮了一定的作用。影響積冰增長(zhǎng)的因子很復(fù)雜，首先要揭示有利于形成積冰的大尺度環(huán)流形勢(shì)天氣系統(tǒng)，對(duì)冰凍雨雪天氣成因的研究要把宏觀和微觀結(jié)合起來(lái)，還要考慮地理?xiàng)l件，輸電線路的物理屬性等因素，在具有代表性的積冰高發(fā)地區(qū)進(jìn)行多站點(diǎn)、長(zhǎng)時(shí)間、高分辨率的智能化積冰增長(zhǎng)綜合觀測(cè)，建立具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的積冰增長(zhǎng)模型，并進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)試驗(yàn)，以提高積冰預(yù)警水平;研究氣候變化條件下積冰災(zāi)害發(fā)生趨勢(shì)，為防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。

5 道路結(jié)冰及路橋溫度觀測(cè)試驗(yàn)

道路結(jié)冰和電線積冰為伴生災(zāi)害，道路結(jié)冰亦可參考電線積冰的研究方法和形成原理。道路結(jié)冰嚴(yán)重影響交通運(yùn)輸安全（舒斯等，2019），準(zhǔn)確預(yù)報(bào)路面溫度和路面狀況對(duì)降低冬季道路維護(hù)成本和預(yù)防減少交通事故發(fā)生具有重要作用，這就需要研究影響路面溫度變化的因素，揭示下墊面特性對(duì)道路結(jié)冰氣象條件的影響機(jī)制（李蕊等，2011;牛生杰等，2011;呂晶晶等，2013）。牛生杰等（2011）以水泥、土壤和瀝青三種下墊面溫度作為研究對(duì)象，在結(jié)冰預(yù)報(bào)模型中充分考慮三種不同下墊面特性，研究結(jié)果顯示下墊面溫度受不同材料性質(zhì)引起的誤差較小。呂晶晶等（2013）提出由于橋梁材質(zhì)混凝土的比熱容低于路面材質(zhì)瀝青，考慮到橋梁與空氣的接觸面大于路面，因此夜間橋梁以感熱形式與空氣進(jìn)行熱交換的能量應(yīng)高于相同氣象條件的路面，解釋了橋面比路面更易結(jié)冰的現(xiàn)象，提出云量是影響路、橋面溫度變化的主要因素之一，并根據(jù)總云量定義晴空、多云和陰天三種天空狀況。

路面溫度與路面狀況預(yù)報(bào)技術(shù)目前以統(tǒng)計(jì)分析法（牛生杰等，2011）和基于地表能量輻射平衡理論的物理模式預(yù)報(bào)方法（李蕊等，2011;呂晶晶等，2013）兩種為主。李蕊等（2011）建立不同下墊面溫度與氣象要素的多元回歸模型，針對(duì)路面溫度取得了較好的預(yù)報(bào)效果，并指出路面0 ℃低溫與路面積水對(duì)結(jié)冰的產(chǎn)生和維持影響密切。田華等（2019）指出統(tǒng)計(jì)方法雖然運(yùn)算簡(jiǎn)便，預(yù)測(cè)結(jié)果比較精準(zhǔn)，但受路面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)觀測(cè)數(shù)量和時(shí)間長(zhǎng)度的限制，存在地區(qū)適用性問(wèn)題。

基于地表能量輻射平衡理論的數(shù)值模式預(yù)報(bào)方法及其改進(jìn)，本質(zhì)就是以能量平衡方程為基礎(chǔ)，考慮太陽(yáng)短波輻射、大氣和地面的長(zhǎng)波輻射、潛熱、感熱傳輸以及下墊面的熱傳導(dǎo)等能量之間的平衡，建立數(shù)值預(yù)報(bào)模型，從而探究路面溫度和路面狀況變化的物理規(guī)律。牛生杰等（2011）在基本能量平衡方程的基礎(chǔ)上，考慮水汽、氣溶膠、浮塵以及云等對(duì)太陽(yáng)短波輻射的吸收和散射，建立了一種適用于實(shí)際預(yù)報(bào)冬季高速公路路面結(jié)冰狀況的下墊面溫度預(yù)報(bào)模型。呂晶晶等（2013）利用武英高速鳳凰關(guān)水庫(kù)自動(dòng)氣象站逐時(shí)路面、橋面溫度和常規(guī)氣象資料，分析了氣溫、路面溫度和橋面溫度的變化規(guī)律。在冬季典型天空狀況（晴空、陰天） 和天氣過(guò)程（霧、降雨、降雪） 中，將實(shí)測(cè)值與下墊面能量平衡模型計(jì)算值對(duì)比，驗(yàn)證模型計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性。應(yīng)用該模型分析路面、橋面輻射能量收支變化，取得了較好的效果。

由上可知，基于地表能量輻射平衡理論的數(shù)值模式預(yù)報(bào)方法具有較好的普適性和較高的時(shí)空分辨率，但是建立的模型形式復(fù)雜，輸入?yún)?shù)多且不易獲得（秦健和孫立軍，2005）;而統(tǒng)計(jì)分析法克服了參數(shù)多、計(jì)算繁瑣等缺點(diǎn)，但存在地區(qū)適用性問(wèn)題。因此，路面溫度與路面狀態(tài)預(yù)報(bào)技術(shù)研究以?xún)烧呦嗷パa(bǔ)充為主（田華等，2019）。

6 小結(jié)與展望

本文從積冰發(fā)生頻次的時(shí)空分布、積冰形成的溫度濕度層結(jié)特征、積冰氣象條件、微物理過(guò)程、積冰模型構(gòu)建及數(shù)值預(yù)報(bào)試驗(yàn)、道路結(jié)冰規(guī)律等對(duì)已有成果進(jìn)行了歸納總結(jié)，這些成果揭示了水凝物碰凍在電線表面并持續(xù)累積的機(jī)制，并建立了道路溫度預(yù)報(bào)方法，在氣象服務(wù)中發(fā)揮了較好的作用。

目前的積冰觀測(cè)研究，主要是在積冰多發(fā)地區(qū)的氣象站開(kāi)展，實(shí)際上屬于積冰模擬觀測(cè)，主要目的是揭示積冰形成的宏微觀氣象條件和積冰演變規(guī)律。要進(jìn)一步提高積冰研究針對(duì)性，提高積冰預(yù)警準(zhǔn)確率，需要與電力公司密切合作，在高壓輸電線路上安裝自動(dòng)氣象站、拉力器和攝像頭，在真實(shí)電力輸送環(huán)境下，針對(duì)積冰形成的不同氣候背景、天氣系統(tǒng)、微物理過(guò)程、地理環(huán)境等因子，進(jìn)行多站點(diǎn)、長(zhǎng)時(shí)間、高分辨率的智能化積冰增長(zhǎng)觀測(cè)研究，積累更多具有多方面代表性的資料，構(gòu)建具有中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的積冰增長(zhǎng)模型，建設(shè)符合我國(guó)天氣氣候條件、地理環(huán)境等因素的積冰數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提高積冰災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警水平，為冰凍雨雪災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)，將科研成果運(yùn)用在保障電力輸送網(wǎng)安全穩(wěn)定高效運(yùn)行的服務(wù)系統(tǒng)中。

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New advances in research on power line icing and pavement temperature

NIU Shengjie1，2，WANG Tianshu3，L Jingjing2，4，ZHOU Yue5，6，WANG Yuan4

1College of Safety Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China;

2Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing 210044，China;

3China Meteorological Administration Training Centre，Beijing 100081，China;

4School of Atmospheric Physics，Nanjing University of Information Science& Technology，Nanjing 210044，China;

5Wuhan Regional Climate Center，Wuhan 430074，China;

6Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research，China Meteorological Administration，Institute of Heavy Rain，Wuhan 430205，China

From January 10th to February 2nd，2008，four rare low-temperature rain，snow and freezing weather events occurred consecutively in southern China.This disaster was characterized by a wide range，high intensity and long duration，thereby resulting in extremely serious economic losses and casualties.In addition，freezing rain，sleet，supercooled fog and other factors caused serious typical icing and secondary disasters，which in turn led to the lodging of electricity transmission and communication line towers，and interruption of power supply and communication and traffic transportation.Therefore，since 2009，the research team of this paper have carried out field experiments on wire icing and road icing，the results of which have progressed the research of wire icing from the traditional observation of icing meteorological conditions to a new highlight of comprehensive observation research regarding icing meteorological conditions and cloud and precipitation micro physics in icing weather events.The present paper reveals the micro physical mechanism of icing accretion，studies the icing accretion growth rate and its influencing factors，and establishes the icing accretion growth model，so as to better simulate the icing accretion growth process.Furthermore，observations on the temperature of the three underlying surfaces of asphalt，cement and soil and the temperature changes of different subgrade depths of expressways and bridges are carried out，and explanations are made from the perspective of energy balance.Based on the achievements of the research team，this paper studies and organizes the relevant representative research results，including the spatial and temporal distribution of ice accretion frequency，microphysical characteristics of icing weather，growth rate of ice and its influencing factors，meteorological conditions of icing，construction of ice growth model，and law of road icing growth and prediction，and proposes suggestions for the future research of wire icing.

power line icing;microphysical characteristics;icing meteorological factor;icing growth model;pavement temperature;research progress

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20210309001

（責(zé)任編輯：劉菲）