雨凇、雾凇是一种分布广泛的自然现象。当气温在-3~0℃时, 凝固过程较为缓慢, 天空降下的雨滴或过冷却水滴可以在电线或其他附着物上展开, 从而冻结密实且透明, 成为雨凇。雨凇密度较大, 在0.6~0.9g/cm³之间。气温在-8~-3℃时, 毛毛雨或冷雾滴冻结迅速, 虽能附着, 但来不及展开便已形成颗粒冰。这使得积冰由细小的冰粒组成, 因冰粒之间的间隙充满空气而使冻结的冰层呈白色, 这就是粒状雾凇。粒状雾凇密度较小, 一般在0.3~0.6 g/cm³之间。当温度在-20~-10℃时, 雾或轻雾的雾滴遇强冷的附着物而凝华, 形成晶状雾凇, 其密度最小, 只有0.01~0.08g/cm³。雪降落时, 当遇到近地面气温略高于0℃的有利条件时, 先是表层融化得以粘附着电线或地物, 又因平衡能量使表层水再度凝结, 从而在电线上不断增长, 这就是所谓湿雪积冰, 其密度为0.1~0.7g/cm^3[1]。

雨凇、雾凇的研究有多个方面, 有的对其现象、观测进行研究^[2-4], 有的对积冰的成因与规律进行研究^[5-9], 应用研究则主要集中在电力^[10-15]和航空^[16-18]等部门。本文对陕西省电线积冰的分布特征与物理特性进行了统计分析, 并给出了不同地区电线积冰的极端质量, 为架空输电线路的设计提供参考。

气象站积冰观测通常在电线积冰架上进行。电线积冰架一般由两组支架组成, 一组呈南北向, 一组呈东西向, 两组之间距离以互不影响、方便操作为宜。每一组支架, 包括两根支柱和两根导线。采用直径约4 mm (又称8号)、长100 cm铁 (钢) 丝作为导线。有电线积冰观测任务的气象站, 须视机测定每一次积冰过程的最大直径和厚度, 取整数。当所测的直径达到以下数值时, 尚须测定一次积冰最大重量, 取整数:单纯的雾凇15 mm, 雨凇、湿雪冻结物或包括雾凇在内的混合积冰8mm^[19]。气象站观测的电线积冰现象有雨凇、雾凇, 本文将同时记有雨凇和雾凇的记录归为混合凇。

陕西省具有5年以上电线积冰观测记录的气象站共有10个, 但观测年代差别很大, 为了统一起见, 本文选用1980—2005年宝鸡、华山、洛川、吴旗、榆林5站 (图 1) 连续电线积冰观测资料进行计算分析。

图 1

图 1. 陕西省 5 个电线积冰测站位置及海拔 Fig 1. The location and altitude of 5 observatories with wire icing item in Shaanxi

假定电线积冰的截面为椭圆形^[19], 其长径为a, 短径为b, 其等效直径为D, 积冰的质量为M、导线的直径为 Φ时, 密度ρ可表示为

(1)

由于实际观测中, 电线积冰的形状是近似椭圆, 计算会有一定误差。

积冰日是指出现电线积冰的天数; 连续积冰日是指连续出现电线积冰的天数。

表 1是陕西省5测站1980—2005年积冰日统计。表 1表明, 华山各年积冰日最多, 平均为40.3 d, 年最多达56 d; 其他地区年积冰日较少, 平均为0.5~4.2 d, 年最多积冰日为4~12d。最长连续积冰日为华山, 达15 d。宝鸡最短, 只有2 d。从陕西省积冰的类型来看, 雨凇最多, 雾凇次之, 混合凇最少, 所占比例分别为55.2%, 27.9%和16.9%。陕西省年积冰日近26年有明显减少的趋势, 平均每年约减少1 d。

表 1

表 1 1980—2005年陕西省5测站积冰日统计(单位: d) Table 1 The characteristic of icing days of 5 observatories in Shaanxi from 1980 to 2005 (unit: d)

表 1 1980—2005年陕西省5测站积冰日统计(单位: d) Table 1 The characteristic of icing days of 5 observatories in Shaanxi from 1980 to 2005 (unit: d)

表 2是陕西省5测站各月平均积冰日。表 2表明, 陕西省积冰日出现在10月至次年5月, 11月至次年3月较多。华山3月积冰日最多, 平均有8.15 d, 宝鸡、吴旗以12月最多, 分别为0.27 d和0.63d, 洛川、榆林则以1月最多分别为1.19 d和0.62 d。

表 2

表 2 陕西省5测站1980—2005年月平均积冰日(单位: d) Table 2 The monthly average icing days of the 5 observatories in Shaanxi from 1980 to 2005(unit: d)

表 2 陕西省5测站1980—2005年月平均积冰日(单位: d) Table 2 The monthly average icing days of the 5 observatories in Shaanxi from 1980 to 2005(unit: d)

表 3为陕西省雨凇、雾凇、混合凇等效直径谱。从表 3可以看出, 雨凇、雾凇、混合凇的等效直径多集中在10 mm及以下, 其次集中在11~20 mm。南北向混合凇的平均等效直径最大, 为25 mm, 东西向雨凇的平均等效直径最小, 为10 mm; 南北向等效直径的平均值均大于东西向; 东西向雾凇等效直径极值最大, 为78 mm, 东西向雨凇等效直径极值最小, 为58 mm。除南北向混合凇等效直径的众数为6 mm, 15 mm外, 其余皆为5 mm。

表 3

表 3 1980—2005年陕西省雨凇 、雾凇 、混合凇不同等效直径频数分布 Table 3 The distribution of equivalent diameters of glaze, rime and glime in Shaanxi from 1980 to 2005

表 3 1980—2005年陕西省雨凇 、雾凇 、混合凇不同等效直径频数分布 Table 3 The distribution of equivalent diameters of glaze, rime and glime in Shaanxi from 1980 to 2005

陕西省雨凇、雾凇、混合凇质量谱见表 4。从表 4可知, 雨凇、雾凇、混合凇的质量多集中在50 g/m以下, 众数介于25~85 g/m之间, 平均质量为86~236 g/m; 南北向混合凇质量极值最大, 为1290 g/m, 平均值也最大, 为236 g/m, 南北向雨凇质量极值次之, 为1150 g/m, 南北向雾凇质量极值最小, 为640 g/m; 雨凇、雾凇、混合凇南北向的质量均值都大于东西向。

表 4

表 4 陕西省1980—2005年雨凇 、雾凇 、混合凇不同质量频数分布 Table 4 The distribution of mass of glaze, rime and glime in Shaanxi from 1980 to 2005

表 4 陕西省1980—2005年雨凇 、雾凇 、混合凇不同质量频数分布 Table 4 The distribution of mass of glaze, rime and glime in Shaanxi from 1980 to 2005

陕西省雨凇、雾凇、混合凇密度谱见表 5。从表 5可知, 电线积冰密度的众数在0.10~0.27 g/cm³之间, 平均密度在0.22~0.34 g/cm³之间, 且以混合凇平均密度最大, 雾凇最小; 南北向密度比东西向大。极端最小密度为雨凇, 密度为0.02 g/cm³。表 5中有3个数据大于冰的密度, 说明存在误差。与通常值相比, 陕西省雨凇平均密度偏小。

表 5

表 5 陕西省1980—2005年雨凇 、雾凇 、混合凇不同密度频数分布 Table 5 The distribution of density of glaze, rime and glime in Shaanxi from 1980 to 2005

表 5 陕西省1980—2005年雨凇 、雾凇 、混合凇不同密度频数分布 Table 5 The distribution of density of glaze, rime and glime in Shaanxi from 1980 to 2005

陕西省宝鸡、华山、洛川、吴旗、榆林1980—2005年最大电线积冰质量分别为13, 1290, 94, 25, 25 g/m。1982年5月12日华山出现积冰质量极值, 该日日平均水汽压为56 hPa, 其温度适宜, 为-0.8℃, 风速大, 为6.5 m/s, 湿度大, 为96%, 降水量多达29.6 mm, 有利于积冰的增长。趋势分析还显示, 近26年陕西省最大积冰质量有逐年增加的趋势

1) 对1980—2005年陕西省宝鸡、华山、洛川、吴旗、榆林5站的电线积冰资料分析表明:华山电线积冰日最多, 年均40.3 d, 持续时间也最长, 为15d。积冰日多出现在11月至次年3月。全省雨凇、雾凇、混合凇积冰日所占比例分别为55.2%, 27.9%和16.9%。

2) 陕西省雨凇、雾凇、混合凇的平均等效直径介于10~25 mm, 最大等效直径为78 mm; 雨凇、雾凇、混合凇的平均质量为86~236 g/m; 平均密度为0.22~0.34 g/cm³, 混合凇最大, 雾凇最小。雨凇、雾凇、混合凇的南北向等效直径、质量、密度的平均值均大于东西向。

3) 宝鸡、华山、洛川、吴旗、榆林近26年最大电线积冰质量分别为13, 1290, 94, 25, 25 g/m, 以华山最大。