基于降水粒子相变过程的地面过冷却水预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种基于降水粒子相变过程的地面过冷却 水预测方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，世界各地电网冰灾频频发生，如1998年美加冰灾，造成40万户居民停电， 经济损失达35亿元。2008年，我国南方地区遭遇了特别严重的冰冻灾害，220kV及以上输 电线路倒塔1300多基，电网直接经济损失100多亿元。研究发现，地面过冷却水是形成冰 灾重要原因之一。因此，为了提高冬季电网安全性，迫切需要开展地面过冷却水预测计算， 支撑电网覆冰中短期预测。
[0003] 现有技术当中，地面过冷却水预测计算主要通过数值模式计算出大气逆温层，并 结合有无降水来判断地面是否有过冷却水。然而，基于这种方法的地面过冷却水计算，对于 逆温层中冷、暖层的具体特征分析不足，未能体现降水粒子在经过逆温层中暖层和冷层时 的相态转换过程，导致地面过冷却水预测出现偏差。此外，根据人工观冰哨监测发现，当大 气没有逆温层时，高海拔地区地面仍然存在过冷却水，引起输电线路发生覆冰。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是：针对当前现有技术的不足，提出一种基于降水粒子 相变过程的地面过冷却水预测方法，能够精确预测输电线路覆冰厚度增长。
[0005] 在开展电网覆冰中短期预测过程中，需要分析云底高度、海拔高度等因子，并根据 云微物理量、大气温度廓线特征等预测出降落到地面的过冷却水含量，从而更加精确计算 出导线覆冰厚度。
[0006] 本发明的解决方案是：所提供的这一种基于降水粒子相变过程的地面过冷却水预 测方法，系考虑了大气温度场的特征及降水相态的变化，并利用数值模式计算，预测输电线 路周围的过冷却水含量。该方法的具体步骤如下：
[0007] (1)基本数据库构建。
[0008] 将微地形区域的海拔高程数据和输电线路线路杆塔基础信息建立基本数据库。
[0009] (2)数值模式计算。
[0010] 选取数值模式，设计模式运行的参数方案、初始条件和边界条件。运行模式，预测 得到大气中不同类型降水粒子含量，地面至高空不同层次的温度场，云底高度。
[0011] ⑶海拔高度对比。
[0012] 在同一地面坐标点，根据步骤（2)中数值模式预测计算得到的云底高度结果与步 骤（1)建立的基本数据库中的海拔高度进行对比。
[0013] (3. 1)当云底高度<地面海拔高度，直接进行步骤（6)。
[0014] (3. 2)当云底高度>地面海拔高度，进行步骤（4)。
[0015] (4)温度层结判识。
[0016] 判断地面至云底之间的温度层结：
[0017] (4. 1)当地面至云底的温度层结中无0°C层，则不满足地面存在过冷却水的条件， 直接进行步骤（6)。
[0018] (4. 2)当地面至云底的温度层结中有(TC层，则记录(TC层的高度为H。当高度小于 H时，大气温度< 0°C，且高度大于H时，大气温度> 0°C，则记录为逆温层，并进行步骤（5)。
[0019] (4. 3)当地面至云底的温度层结中有0°C层，则记录0°C层的高度为H。大气温度 层结不满足（4.2)的温度层结判识条件时，则不满足地面存在过冷却水的条件，直接进行 步骤（6)。
[0020] (5)地面过冷却水判识。
[0021] 根据步骤⑷判识的结果，当满足步骤（4.2)时，需要根据温度层结的冷层 (< (TC )和暖层（> (TC )的属性进行分析。
[0022] (5. 1)暖层最高温度>4°C，且地面温度<0°C，则判断降落至地面的降水粒子为过 冷却水。
[0023] (5. 2)当不满足（5. 1)的判识规则时，则判断降落至地面的降水粒子为非过冷却 水。
[0024] (6)地面过冷却水含量计算。
[0025] 依据步骤（3)、步骤⑷和步骤（5)的判识规则，制定如下计算规则：
[0026] 规则A :当满足（3. 1)条件时，则从t。时刻开始，预测t i时刻单位面积的地面过冷 却水累计含量的预测计算公式为：
[0028] 其中，m为地面过冷却水质量，η为降水粒子相态的总数，Γι为地面小于0°C的单位 质量液态降水粒子与空气的混合比,V1为体积，P Jf1)为空气密度且为大气温度T1和气 压Pi的函数。
[0029] 规则B :当满足（3. 2)条件时，且满足规则（4. 2)和规则（5. 1)时，则从t。时刻开 始，预测^时刻单位面积的地面过冷却水累计含量的预测计算公式为：
[0031] 其中，m为地面过冷却水质量，η为降水粒子相态的总数，a i为相态转换系数，r i 为云中可降落到地面的且温度小于〇°C的单位质量降水粒子与空气混合比，1为体积，P P为气压场为P的空气密度。
[0032] 规则C :当满足（3. 2)条件时，但不满足规则（4. 2)或规则（5. 1)时，则地面过冷 却水含量为〇。
[0033] (7)导线覆冰厚度计算。
[0034] 根据步骤（6)中的规则A、规则B和规则C，计算的地面区域范围内的过冷却水含 量，并结合步骤（2)模拟计算得到的地面风速，温度等物理量和步骤（1)的线路信息，利用 导线覆冰厚度增长模型，计算输电线路导线覆冰厚度。
[0035] 本发明的有益效果是：
[0036] 1、本发明通过计算降水粒子降落过程中的相态变化物理过程来计算地面过冷却 水，准确率高、调理清晰、可操作性强、实用性强，填补了目前尚无基于降水粒子分析的地面 过冷却水计算技术空白。
[0037] 2、本发明适用性广，移植性好，采用本发明提出的计算方法能够计算不同区域的 地面过冷却水含量，特别是能够计算出高海拔微地形区域的过冷却水，并计算导线覆冰厚 度。
[0038] 3、本发明计算得到的地面过冷却水，为开展电网覆冰中短期数值预测提供了重要 的参考依据，可为电网抗冰部署、采取应对措施提供科学的、可靠的、全面的指导，保障电网 安全稳定运行。
【附图说明】
[0039] 附图1为本发明方法流程图。
【具体实施方式】
[0040] 实例 1
[0041] (1)基本数据库构建。
[0042] 将微地形区域的海拔高程数据和输电线路线路杆塔基础信息建立基本数据库。
[0043] (2)数值模式计算。
[0044] 采用WRF数值模式，设计模式运行的参数方案、初始条件和边界条件，预测得到大 气中云水、雨水、云冰、雪、霰的含量，地面至高空不同层次的温度场，云底高度。
[0045] (3)海拔高度对比。
[0046] 在同一地面坐标点，根据步骤（2)中数值模式预测得到的云底高度结果与步骤 (1)建立的基本数据库中的海拔高度进行对比。判断出云底高度<地面海拔高度。
[0047] (6)地面过冷却水含量计算。
[0048] 则从t。时刻开始，预测t i时刻单位面积的地面过冷却水累计含量的预测计算公式 为：
[0050] (7)导线覆冰厚度计算。
[005