电线积冰特征及其对调整能见度仪方向的启示

易建平，刘美玉，李雪莲，叶成志，蒋云飞

1.湖南省衡阳市南岳区气象局，湖南衡阳 421900

2.湖南省衡阳市祁东县气象局，湖南衡阳 421600

3.湖南省气象台，湖南长沙 410118

4.江苏无线电科学研究所，江苏无锡 214073

0 引言

散射能见度仪由发射器、接收器、处理器等组成，南岳从2013年12月13日开始安装好前向散射能见度仪，其发射器、接收器基本成南-北向，15日开始即出现了雨凇积冰天气，随后发射器、接收器镜筒被积冰覆盖，尤其接收器镜筒前端积冰偏多，采集能见度出现了许多65535异常数据，笔者分析，是由于接收器镜筒迎北风，雨凇在镜筒前端积聚增多，挡住了光线，影响散射系数的测量，从而影响气象光学视程的计算。为了减少数据缺测，笔者把发射器、接收器镜筒积冰与电缆积冰特征作类比，从对能见度仪采样镜头造成遮挡或干扰的各种因素进行分析，得出镜筒要避开冻雨雾滴迎风面即北面，不要朝向日出、日落方位，不要朝向盛行风方向，做到这三点，就能减少能见度缺测数据。

1 电线积冰概况及一般特征、规律

1.1 电线积冰概念

电线积冰是指雨凇、雾凇凝附在导线上或湿雪冻结在导线上的现象[1]。积冰直径是指垂直于导线的切面上冰层积结的最大数值线，导线直径包括在内；积冰厚度是指在导线切面上垂直于积冰直径方向上冰层积结的最大数值线，厚度一般小于直径，最多与直径相等。

1.2 电线积冰与风力、冻雨强度等的关系

雨凇在水平面、垂直面上均可形成，但水平面和迎风面上增长快，雾凇在物体的突出部分和迎风面上[1]。冻雨雨凇为主的积冰危害性大；冰冻天气因吹偏北风，对于雨滴而言，雨滴受北风和重力、阻力等合力作用，以一定角度降落聚集在导线上部迎风面的部位，但由于雨滴冻结的滞后性，雨滴受到重力作用流到稍下的部位才会冻住，故偏北风较大时雨凇主要是在东西向导线顶靠北集结增长最严重，而南侧积冰相对少些；但是冻雨雨量大或风力小形成雨凇时，积冰还会在近乎垂直方向向下集结，形成紧握的“拳”形，导线下面呈梳子状，这时最大积冰直径沿垂直方向。

由于偏北风风向与南北向导线交角比与东西向导线交角要小，故积冰增长阶段，南北向导线积冰直径增长率一般小于东西向导线的积冰直径增长率，南北向积冰直径、重量明显＜东西向积冰直径、重量，平均来讲，东西向厚度＜南北向厚度（见表1、表2）。但有时会出现南北向积冰重量＞东西向重量，因为未达到极值前或第一次达到极值时，东西向积冰面积大，厚度小，故见阳光后东西向积冰受阳光照射面积大，接收的光能多，造成东西向导线积冰融化或崩塌严重些，而南北向积冰融化、崩塌要轻些，过后积冰发展，则南北向积冰重量可能超过东西向积冰重量。

1.3 非SN、EW向电线积冰特征、规律

根据雨凇易于在迎风面增长的特征、规律，对于26.8毫米NE-SW向、NW-SE向导线积冰直径、重量是哪一向增加快，取决于积冰过程中是盛行偏NW风还是偏NE风，如果是偏NW风，则NE-SW向积冰增长快，如果是偏NE风，则NW-SE向积冰增长快。但26.8毫米NE-SW向、NW-SE向电缆积冰直径、厚度、重量一般在26.8毫米SN向与EW向电缆之积冰直径、厚度、重量之间（见表2）。

1.4 非SN、EW向电线两端积冰特征、规律

观测积冰的导线为长1米、直径26.8毫米，根据雨凇、雾凇在迎风面增长快，侧向次之，后面（背风面）积冰减弱的特征、规律，对于南北向导线，靠北迎风一端切面积冰厚度（垂直于电缆切面的冰层厚度）增加较快，而靠南背风一端积冰增厚较慢，对于东西向导线，左右两端积冰厚度比南北向的北端积冰厚度均要小。即导线与偏北风夹角越小，则导线两端积冰厚度相差越明显，其中靠北一端积冰较厚；导线与偏北风夹角逐渐增加（最大90°），则靠北一端积冰厚度逐渐减小，导线两端积冰厚度相差减小。

1.5 不同高度相同线径导线积冰特征

对同一线径，2.2米高导线积冰比1.6米高导线积冰要严重些，2.2米高导线东西向迎北风，故最大直径、重量一般是在2.2米高东西向导线测得。

1.6 不同部位积冰消融与光照的关系

受到阳光照射的部位，其积冰消融速度要快于未受到阳光照射的部位。

2 探寻能见度接收器、发射器安装的最佳方向

2.1 前向散射能见度仪简介及积冰时实际工作效果

前向散射能见度仪是测量散射系数从而估算出气象光学视程的仪器，由发射器、接收器和采集器等组成（见图2-1）。发射器镜筒与发射器-接收器支撑点连线在水平面相交锐角约13°，接收器镜筒与发射器-接收器支撑点连线在水平面相交锐角约20°，因此，发射器与接收器光轴在水平面相交钝角约147°。能见度传感器安装高度为2.8米[2]，以保证采样数据具有代表性；只有将测量误差控制在允许范围内，测量的准确性才具有可比性[3]。前向散射能见度仪应尽量减少发射器、接收器镜筒前端雨凇积冰。但是，能见度传感器发射镜头与接收镜头初次安装成南北向，接收镜头朝北，仿照上述电线积冰特征“1.4”，接收器镜筒迎北风，容易形成最强的积冰，镜头被覆盖，则能见度数据65535增多。为了尽量减少缺测数据，可在发射器、接收器安装方向上作一些调整。

2.2 年中需两次变更接收器、发射器镜筒朝向的调整方法

我们假设把接收器-发射器支撑点连线安成86.5°-266.5°走向，则发射器镜筒朝向106.5°（即东偏南16.5°），接收器镜筒朝向253.5°（即西偏南16.5°），与南北向对称，根据“1.2”条、“1.3”条关于电缆积冰特征、规律和“1.4”条关于电缆两端积冰特征、规律，虽然两个镜筒北侧迎风面积冰稍多些，但接收器镜筒前端（朝偏南一侧）积冰厚度减小，同时接收器与发射器镜筒前端积冰厚度差值减小。通过OSSMO 2004地面气象测报业务软件-工具，经查算，11月19日-1月25日日出、日落太阳光不能照射镜头，此时段正是严重积冰期，因此，此时段接收器-发射器支撑点连线安成86.5°-266.5°走向是最佳的。但是，按照仪器的安装要求，发射器镜筒和接收器镜筒不能朝着强光源（如太阳光）[1]，考虑太阳光对镜头有10°的直射区域[4]，通过地面气象测报业务软件-工具，经查10月21日～11月18日、1月26日～2月23日101.5°～111.5°日出方位太阳直射发射器镜头，248.5°～258.5°日落方位直射接收器镜头（见表3），因此，1月25日左右可按“2.3”条方法调整接收器、发射器镜筒方向，11月19日左右再把接收器、发射器调整成现在的方向。

2.3 全年固定发射器、接收器镜筒朝向的调整方法

2.3.1 全年发射器、接收器镜筒朝向应避开日出、日落方位

根据发射器朝偏南的要求，发射器镜筒方向应在116.7°～243.3°选择，则接收器镜筒方向应在296.7°～63.3°选择。

2.3.2 镜筒尽量不要朝向盛行风方向

发射器和接收器镜筒朝向盛行风方向时，一个是带污染物的雾水滴会随风吹向镜头，水滴蒙上镜头后，影响和削弱发射、接收光的强度，二是留下的污渍难以清除。根据南岳历年最多风向频率、最大平均风速为SSW～SW、次多风向频率为N～NNE的特点（见表4），应避开镜筒朝向SSW～SW（即191°～236°）及N～NNE（即349°～34°）。

2.3.3 类比电线积冰特征，综合其它因素，全年固定发射器、接收器镜筒方向的调整方法

南岳高山初次安装时，接收器-发射器支撑点连线成S-N向，因此，其发射器镜筒指向193°（SSW），接收器镜筒指向340°（NNW），2013年12月15日开始即出现了雨凇积冰天气，随后两镜头被雨凇覆盖，其中接收器镜筒前端积冰厚度偏大，能见度出现了许多65535异常数据。再者，发射器镜筒朝向了盛行风方向SSW～SW（即191°～236°），需要避开。因此，发射器镜筒朝向应在116.7°～190°及237°～243.3°选择，如果在237°～243.3°选择，则接收器镜筒朝向处于24～30.3°，此正好处在次多风向349°～34°，最好避开。因此，发射器镜筒朝向只能在116.7°～190°选择，对应接收器镜筒朝向应在296.7°～337°选择，还考虑太阳光对镜头有10°的直射区域，也为了尽量减少接收器镜筒前端的积冰量，经过综合选择，把接收器-发射器支撑点连线成142°-322°走向，即接收器镜筒朝向大约302°，相应发射器镜筒朝向155°。根据“1.4”条关于电缆两端积冰特征、规律，结合南岳积冰时风向以349°～34°为多的特点，接收器镜筒指向大约302°，其镜筒前端积冰厚度比指向340°时的积冰厚度要小些，同时接收器镜筒前端与发射器镜筒前端积冰厚度差值缩小，而且根据“1.6”条“不同部位积冰消融与光照的关系”，日落之前一段时间太阳处于接收器镜筒截面前向，接收器镜筒前端积冰消融加快。因此，南岳站把接收器-发射器支撑点连线安成142°-322°走向是合适的。

3 结论

3.1 调整镜筒方向后的采样效果

考虑能见度缺测数据多，故于2014年2月21日按照“2.3”条方法调整了发射器、接收器镜筒的方向，经过之后几次冰冻过程，在同等冰冻天气情况下，接收器镜筒前端积冰量减少，出现65535异常数据减少。

3.2 镜筒朝向的调整原则

第一是避开强太阳光，第二是尽量减轻镜筒前端积冰，第三是避免朝向盛行风方向。当前面三条发生冲突时，首先考虑前两条。当然，积冰不严重，虽湿度大但盛行风风速不大的地方，发射器、接收器方向仅按正常安装即可。

3.3 减少能见度缺测数据的最好办法

严重冰冻时，要大幅度减少65535类缺测数据，需要给发射器、接收器开启加热融冰功能，以便及时融化发射器和接收器镜筒内的积冰。

[1]宗曼晔，王晓辉，杨志彪，等.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2003：20-92.

[2]张雪芬，雷勇，刘达新，等.前向散射能见度仪观测规范[M].北京：气象出版社，2011：1-10.

[3]张玉存，等.气象仪器试验鉴定技术[M].北京：国防工业出版社，2004：168-180.

[4]朱乐坤，李林.2013.前向散射能见度仪校准技术[J].气象科技，2013，41(6)：1003-1007.