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中国南方输电线路覆冰事件的成因与预测综述与展望

期刊:AtmosphereDOI:https://doi.org/10.3390/atmos14121815

这篇文档属于类型b,即一篇综述类科学论文。以下是生成的学术报告内容:

本文由Luyao Wang等作者撰写,发表在2023年12月的《Atmosphere》期刊上。研究者来自南京信息工程大学大气物理学院、国网山西电力科学研究院、国网安徽电力科学研究院等机构。论文的主题是关于中国南部输电线路覆冰事件的原因与预测,主要从三个方面进行了综述和总结:大规模环流特征、微物理过程与地形-大气相互作用、以及覆冰事件的数值模拟与预测。

首先,论文介绍了中国南部输电线路覆冰事件的背景及其严重性。覆冰是冬季影响中国电力安全的主要灾害之一,尤其在云南、贵州等地区。覆冰不仅导致输电线路阻抗增加,还可能引发电压下降和电力传输能力受限,造成严重的经济损失。2008年初的冰冻雨雪灾害导致了4126条输电线路严重受损,直接经济损失超过1100亿人民币。因此,研究覆冰事件的天气成因、分布特征及其预测具有重要的科学意义和应用价值。

其次,论文从大规模环流特征的角度分析了覆冰事件的发生机制。研究表明,南方冰冻雨雪事件主要与大气环流异常、局地气象要素、热力学结构及水汽输送有关。例如,2008年南方持续低温雨雪冰冻灾害的主要原因是异常稳定的大气环流。高压系统的持续阻塞和南方槽的存在为冷空气和水汽的输送提供了条件,导致南方地区出现逆温层,促成了冰冻雨雪的形成。此外,研究还指出,热带季节内振荡和北方的强冷空气南下也是导致持续冰冻雨雪的重要因素。

第三,论文详细讨论了地形-大气相互作用和微物理过程对覆冰事件的影响。地形对传统气象要素如风速、风向、湿度和温度等有显著影响,因此识别微地形是研究微地形与微气象相互作用的关键。微地形包括马鞍型、山脊型、地形隆起型、水汽增强型、峡谷风道型和复合叠加型等。研究表明,复杂地形对局地风场有显著影响,尤其是在山区,地形抬升和狭窄通道效应会使平均风速显著增加。地形还会改变水汽循环的动力、热力和云微物理效应,从而影响降水的位置和强度。此外,地形与大气相互作用的阶段性研究也表明,微地形、微气象和地形-大气相互作用是研究导线覆冰的重要方面,可分为经验分析阶段、数值模型构建阶段和综合经验与数值模拟阶段。

第四,论文探讨了覆冰事件的微物理过程。覆冰发展的关键是过冷液态水滴和湿雪在导线表面的冻结能力。覆冰可分为降水引起的覆冰和云雾引起的覆冰两类。降水引起的覆冰主要包括冻雨,冻雨的形成机制包括融化机制和暖雨机制。融化机制是指雪花或冰晶落入融化层后完全融化成液态,随后在近地面的亚冻层中形成过冷状态。暖雨机制则是指过冷云滴通过碰撞和合并过程形成过冷雨滴,接触到地面物体后冻结。云覆冰则是指过冷状态的云或雾滴与物体表面接触后冻结,形成半透明、玻璃状或更密的冰。研究表明,云覆冰的冰晶宽度主要受环境温度影响,尤其在低风速条件下,液滴大小和液态水含量的影响较小。

第五,论文综述了输电线路覆冰的数值模拟与预测方法。覆冰预测方法的研究始于20世纪50年代,学者们基于现场观测、风洞试验和实验室模拟提出了多种数值预测模型。根据预测方法的不同,预测模型可分为经验统计预测模型、物理预测模型和人工智能预测模型。经验统计预测模型主要基于覆冰事件发生时的气象要素与覆冰厚度之间的经验关系,但由于早期观测手段的限制,这些模型忽略了一些关键气象参数和物理过程,导致预测结果与实测值存在偏差。物理预测模型则通过热力学和物理特性对覆冰过程进行参数化,能够更准确地描述气象要素、云微物理量和输电线路特性之间的关系。人工智能预测模型则利用机器学习技术,如神经网络、支持向量机、灰色关联和粒子群优化等方法,构建了一系列机器学习和预测模型,这些模型在覆冰厚度预测方面具有较高的准确性。

最后,论文总结了覆冰预测的未来发展方向。未来的研究需要在易覆冰地区进行加强观测实验,综合考虑多种微地形对气象要素分布和导线覆冰的影响,开发综合参数化方案,结合大尺度天气分型、导线覆冰增长模型和不同微地形对气象要素的影响模型,进行复杂微地形下的覆冰因果分析和预测研究,以实现物理机制的精细化分析,总结更准确的覆冰预测模型,提升电网应对覆冰灾害的能力。

这篇综述论文的价值在于系统地总结了中国南方输电线路覆冰事件的研究进展,提出了未来需要解决的科学问题和技术瓶颈,为覆冰事件的预测和应对提供了重要的理论支持。论文的亮点在于全面回顾了覆冰事件的多角度研究,特别是地形-大气相互作用和微物理过程的深入分析,以及覆冰预测模型的应用探讨,为相关领域的研究者和工程实践者提供了宝贵的参考。

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