强暴雨条件下110 kV硅橡胶绝缘子雷电冲击电弧发展过程与闪络特性

强暴雨常伴随雷电天气会导致输电线路、变电站和换流站绝缘子表面干、湿部位电场分布不均,易引发电场畸变,同时雷暴引起的雨柱会快速短接绝缘子伞间距,显著缩短电弧发展路径,致使线路跳闸并引起停电事故。为研究强暴雨条件下线路绝缘子雷电冲击放电特性和电弧发展过程,针对3种110 kV线路常用硅橡胶复合绝缘子开展了雷电冲击放电特性测试。结果表明:复合绝缘子雷电冲击电弧发展过程主要分为起弧、局部电弧发展、完全闪络,其放电发展时间及其持续时间均随降雨强度、雨水电导率的增大而降低;电弧平均发展速度随雨水电导率的增加呈幂指数关系上升,最大上升率高达43.8%,并随降雨强度增加呈指数式增大,且与绝缘子伞裙结构参数有关。复合绝缘子雷电冲击闪络电压随降雨强度增加呈负幂指数关系降低,伞间距较大的绝缘子闪络电压受降雨强度的影响愈加明显;雨闪电压随雨水电导率的增加而呈负幂指数下降。基于此,提出了降雨强度、雨水电导率综合影响的复合绝缘子雷电冲击闪络电压计算式,计算结果与试验结果一致性良好,偏差小于7%。研究结果为雷电活动频繁的强暴雨地区输电线路外绝缘设计、选择及防护提供了参考。

强暴雨条件下棒-板间隙雨柱断裂特征仿真与试验研究

强暴雨条件下高压导线与杆塔之间的雨柱易发生断裂,降低了导线-杆塔间隙的电气绝缘性能。为了研究强暴雨条件下空气间隙雨柱的断裂特性,该文建立层流-水平集-电场耦合的二维仿真计算模型,提取雨柱断裂过程中的形态特征量及受力情况,分析不同外施电压、雨柱流速下断裂特征参数的变化规律,并开展棒-板间隙雨柱断裂特性试验验证,在此基础上分析直流电压极性对断裂特征参数的影响规律。结果表明:棒-板间隙雨柱断裂过程受电场力、表面张力和粘性力的共同作用,经过射流区、过渡区、断裂区三个阶段,提高外施电压加速了过渡区的螺旋运动,并增加了雨柱断裂的次数和数量。雨柱临界断裂长度、断裂直径均随外施电压的增加而减小,并与雨柱流速呈正相关,且负极性电压下的雨柱临界断裂长度大于正极性的结果。随着外施电压的增加,雨柱最大径向表面张力略有减小,与流速呈负相关;而最大径向电场力随之增加,且流速越大其值越大。断裂直径、临界断裂长度的试验结果与计算值吻合良好,最大偏差均小于10%。

中尺度强暴雨云团云特征的多种卫星资料综合分析

针对2002年6月23—27日发生于江淮地区的一次中尺度强暴雨过程,利用FY-1D,EOS和NOAA卫星的可见光、红外、微波通道遥感观测、反演资料,从相态、光学厚度、垂直结构等各方面分析云特征,并将分析结果与同时段地面雨量观测进行对比分析,发现云光学厚度大且云顶粒子为大粒子、冰相态是此次降雨过程中云团的主要云特征,地面雨量的大小与云光学厚度密切相关,两者间基本呈正相关关系;稳定少变的大光学厚度云或云光学厚度显著增大均可带来强的地面降水。微波资料可以很好地体现降雨云团的垂直结构。分析结果显示,卫星遥感对揭示中尺度强暴雨云团的云特征,具有很好的指示作用。

强暴雨系统中湿位涡异常的诊断分析

从动力上推导了热力、质量强迫下的湿位涡方程 ,阐明了在暴雨系统中引起的强降水会造成热力、质量强迫下的湿位涡异常。并用NCEP 1°× 1°的分析资料对 1 999年 6月 2 3日到6月 2 6日引起长江流域暴雨的对流系统进行了湿位涡诊断分析 ,分析结果表明湿位涡异常高度主要出现在 70 0～ 5 0 0hPa之间 ,中心最大值可超过 1 .4PVU。从动力和资料诊断两个方面均揭示出湿位涡异常区与强降水区有很好的对应关系。

江西区域强暴雨的热力和动力条件诊断分析

通过对江西１９次强暴雨过程的物理量合成分析，得出江西产生强暴雨物理背景场的热力条件和动力条件，归纳出江西区域强暴雨的预报着眼点。

河南特强暴雨β中尺度流场发展机理的数值模拟研究

采用宇如聪等研制开发的η坐标有限区域中尺度暴雨数值预报模式AREM,对2004年7月16—17日发生在河南的一次特大暴雨过程进行了数值模拟。模拟结果表明:凝结潜热促使对流层中层大气在β中尺度水平范围的气柱内得到加热,中高层大气的等压面抬高并形成β中尺度高压,中低层大气的等压面降低并形成β中尺度低压,上下层的共同作用促进了垂直运动的迅速发展。当上升运动强烈发展时,在其四周有明显的补偿下沉气流出现:在强上升运动南侧,对流层高层辐散气流向南回流导致对流层高层出现中尺度垂直环流圈,它的下沉支融入上升运动区南侧的补偿下沉气流中,并将高空的水平动量带到对流层低层形成一支新的β中尺度急流;在强上升运动北侧,对流层低层发展出了一支中尺度垂直环流圈,其下沉支向南的辐散气流与低层西南暖湿气流汇合,形成β中尺度辐合线,加强了暴雨区上空低层的辐合;在强上升运动东侧,对流层低层也有一支中尺度垂直环流发展,其下沉支中向西的辐散气流使该区域原来较为一致的西南气流出现向东的偏转,从而在西南气流中形成气旋性弯曲,更进一步加强了β中尺度辐合线上的辐合。对流层低层非地转涡度的强烈发展是β中尺度气旋形成的重要原因。最后给出了强暴雨β中尺度流场发展机理的三维空间示意图。

强暴雨下瓷、玻璃绝缘子串交流闪络特性研究

全球气候日益变暖,暴雪、重冰和强暴雨等极端恶劣天气频发,输电线路绝缘子(串)在其极端恶劣天气下的电气闪络特性对于中国电网防灾减灾显得尤为重要,亦是国家电网公司建设坚强的智能电网的重要支撑。然而,强暴雨下输电线路绝缘子雨闪事故时有发生,国内外学者对其电气闪络试验的研究尚显不足。因此,笔者以XP-160瓷绝缘子、LXY4-160玻璃绝缘子为试品,开展了人工模拟强暴雨条件下绝缘子串的交流放电试验研究,对强暴雨下污秽绝缘子串的电气闪络试验的试验结果进行了详细分析,研究表明:在强暴雨条件下,绝缘子串雨闪电压与绝缘子下表面污秽无关,并且与串长大致成线性关系;绝缘子串雨闪电压随着雨水流量、雨水电导率的增大而降低,满足负幂函数关系;同时雨帘下落方向不同也会导致绝缘子串雨闪电压不同。文中提出,防治绝缘子串雨闪事故的关键在于防止绝缘子串的雨帘形成及增大淋雨时绝缘子表面电阻,希望研究结果可以指导工程应用实践。

“2001.9.18”华西突发性强暴雨的中尺度分析

利用地面、高空和卫星观测等资料,分析了2001年9月18～20日发生在青藏高原东侧的强暴雨天气过程,揭示了暴雨的激发机制和若干中尺度特征。主要结果是:(1)导致本次突发性强暴雨天气的中尺度系统是在一天内,在同一区域重复新生的2个中—β尺度对流云团。(2)边界层东南低空急流的不断加强和非地转变化对强降水天气起积极作用。(3)在强降水天气发生的每一时段,散度变化均较涡度变化对强降水天气的指示性好,前者与暴雨的关系更为密切。(4)大气运动非平衡强迫激发气流辐合增长是强降水天气的主要激发机制,未来12h强降水发生的区域、降水强度、中心变化与非平衡强负值区变化相一致。

1998年“二度梅”期间突发强暴雨系统的中尺度分析

采用实测资料,对造成7月20日至22日期间的特强暴雨过程进行了分析,认为,除去副热带高压南退且稳定维持这种有利的大尺度条件外,一系列β中尺度天气系统在长江中游(即鄂东河谷地区)的发生发展是造成本次强暴雨的最直接原因,这类系统的发生发展具有很大的局地性和突发性。分析表明,对流层中低层的水汽的大量集中以及对流不稳定条件的存在可能对此类系统发展提供了有利环境,对其启动的机制作了初步的讨论,认为地形的热力强迫及梅雨锋上的中尺度扰动可能对此类系统的发生发展起了触发作用。

“07.08”陕西关中短历时强暴雨水汽条件分析

利用T213资料和地面逐时加密观测资料,对2007年8月8-9日陕西关中短历时强暴雨过程的水汽条件进行了详细的分析。结果表明,关中短历时强暴雨水汽来源于关中周围的高湿区,暴雨期间暴雨区上空水汽浅薄,地面至低层风向快速变化使暴雨区地面到低空湿度经历了减小—突然增加—快速减小的过程,水汽的聚集是通过偏东气流输送实现的,东西向水汽辐合是暴雨区水汽辐合的主要贡献者,北边界水汽的输入、输出和东边界水汽输入的突然增大、减小对暴雨的发生、发展及其结束有一定的指示意义;暴雨中心位于水汽通量大值中心及其下风向的水汽通量辐合中心之间;暴雨区可降水量的大小主要取决于水平水汽通量辐合的大小,水平水汽通量辐合的大小关键在于水平风场形成的辐合大小,而强降水的发生、加强、减弱及消亡与水汽的局地变化和水汽平流的变化关系更加紧密;近地层充足的水汽供应和水汽垂直输送形成的反环流圈使暴雨区水汽、能量迅速增加和抬升,建立了不稳定大气并触发能量释放,强降水开始;反之,形成暴雨的水汽条件不复存在,强降水结束。

青藏高原东北部一次强暴雨过程环流特征分析

利用NCEP再分析资料,对2007年8月25日青藏高原(下称高原)东北部的强暴雨天气过程的影响系统、垂直环流特征、不稳定条件和水汽输送进行了分析和研究。结果表明:(1)强暴雨天气过程发生的主要影响系统是西伸到高原东部的副热带高压、生成于高原中部的热低压及自高原北侧移入的冷温槽。(2)高原东北侧的冷空气移上高原后,呈楔形插入高原南侧西南暖湿气流的下部,高低层之间产生的强风切变和暴雨区上空形成强盛上升气流是暴雨发生的有利环流条件。(3)热低压中的上升气流与冷锋后的下沉气流构成纬向(纬圈方向)闭合环流,经向(经圈方向)闭合环流是由高原热低压中的上升气流与副热带高压中的下沉气流构成的,垂直闭合环流的形成提供了稳定的上升气流和源源不断的暖湿气流,持续的降水造成了暴雨天气。(4)θse线的锋区进入暴雨区,配合强上升运动和高原中部热低压暖中心的加强伸展到高原东部,在暴雨中心区(36°N、102°E)附近上空的中低层之间产生了强的大气层结对流不稳定,是暴雨发生的稳定度条件。(5)由于高原中部热低压逐渐东移,在热低压东部和西伸副热带高压西部之间形成强暖湿气流带,将水汽源源不断地输送到高原东北部,同时冷空气通过祁连山进入高原东北部,在暴雨区上空形成偏南和偏西的强水汽辐合带,暖湿气流交汇造成强暴雨的发生。

2001年8月初上海强暴雨中尺度对流系统的数值模拟研究

利用NCEP的ETA模式对 2 0 0 1年 8月 5～ 6日导致上海地区产生大暴雨的中尺度对流系统的发生发展过程进行了数值模拟。模拟结果基本再现了对流云团加强合并形成中尺度对流系统的过程 ,所模拟的降水分布、最大降水中心位置与实测结果基本一致。

一次强暴雨形成的动力机制

分析了1998年7月武汉强暴雨的天气演变特征,并从理论上探讨了强暴雨形成的动力机制。结果表明:低空急流先于暴雨生成,暴雨最强时低空急流也最强;高空急流入口区右侧及低空急流左侧非热成风梯度的存在,使得中尺度不稳定波的波振幅出现空间不稳定现象,高空急流右侧不稳定波的波振幅和低空急流左侧不稳定波的波振幅向暴雨区增加,暴雨区恰为这两支波叠加后振幅最大的区域,高低空急流耦合下的非热成风、中尺度对流—对称不稳定可能是这类强暴雨产生的动力原因之一。

一次低涡强暴雨的雷达回波特征

利用大气环流背景及物理量客观诊断和西峰新一代多普勒天气雷达回波资料,对2007年7月24日河套深厚低涡造成的甘肃环县短时强暴雨过程进行了分析,结果得到：河套低涡在铅直剖面上对应有深厚的正涡度场分布;强暴雨前天气雷达强度回波反射率因子大于等于50 dBz,随高度无明显＂跃增＂,回波强中心在0℃层附近;径向速度回波的水平辐合和大于等于±20 m/s的速度中心对在2~7 km高度上活跃;云顶高度＂跃升＂变化显著;垂直液态水含量大于等于45 kg.m-2大值中心面积迅速扩大,对监测预警短时强暴雨天气和实施人影防雹作业,具有一定指示意义。

石家庄市强暴雨的气候特征和环流形势分析

利用统计学方法对石家庄及各市 (县 )建站以来的强暴雨过程进行气候分析。普查了 5 9次强暴雨个例的历史天气图 ,将强暴雨过程分成 8个类型 ,归纳出各型强暴雨的发生时段和落区 ;找出各型的典型形势场特征 ,并制作了天气型模板 ,可在MICAPS平台上直接与天气图叠加 ,进行预报分析 ,力图以此提高预报强暴雨的能力。

一次陕西关中强暴雨中尺度系统特征分析

应用高分辨率中尺度数值模式WRF模拟了2007年8月8-9日陕西关中强暴雨过程,根据模式输出结果对强暴雨中尺度对流系统(MCS)的发生、发展规律、形成原因和三维结构,特别是暴雨过程中3个大暴雨中心的β中尺度对流系统(MβCS)的细微结构包括三维流场、动力和热力结构进行了分析。结果表明,此次强暴雨过程与一个α中尺度低涡的生成密切相关,其内部强烈发展的MβCS直接产生了岐山、礼泉、高陵3个强暴雨中心的对流降水;MβCS在850,700和500 hPa上分别表现为辐合(涡旋)系统、西北—东南向暖式切变线和阶梯槽。高空西风急流入口区右侧的动力强迫是对流层高层暴雨区辐散形成和加强的原因,动力强迫引起的非地转风是暴雨形成的原因之一;中空阶梯槽携带的干冷空气从后方流入雨团起到了对流不稳定的加强作用;低层和地面不同方向的风和风速形成的中尺度辐合以及中尺度西南急流和东南急流触发了强降水的发生,强降水的发生又激发了中尺度急流扰动,中尺度急流扰动对暴雨维持和加强起到了反馈作用;秦岭山脉的屏障作用和关中喇叭口地形的动力抬升作用有助于关中强暴雨的发生和加强。产生3个强暴雨中心的MβCS有不同的流场、动力、热力垂直结构:中低层不同方向和不同层次的气流流入β中尺度降水云塔,在不同高度上形成了不同的垂直环流支,云塔中的上升气流一直伸展到200 hPa(或150 hPa)后向东南、东北流出;歧山暴雨中心450 hPa以上为强辐散,450 hPa以下暴雨中心南侧为弱辐散和辐合、北侧为辐合和弱辐散,垂直上升运动先向南、后向北倾斜直至对流层顶;相当位温呈双高能中心形成的双重位势不稳定层结结构,温度则表现为中层两个暖中心、上下层冷中心的特征;礼泉和高陵暴雨中心为整层强上升运动柱与强散度柱和正涡度柱耦合,礼泉上升运动柱存在一个高、低层冷而中上层暖的特征,具有类似于地面气压场的鞍形结构,即中低层不稳定、中高层稳定、中层为中性的层结结构;高陵暴雨中心南缘550 hPa以下是高能量和温度离差锋区,其上空400 hPa以下为近饱和水汽柱。

一新流函数诊断方程的推导及在江淮地区强暴雨分析中的应用

推导出了一个新的锋区横切环流(Y-P平面上)流函数诊断方程, 分析了诊断方程中强迫函数的物理意义及作用, 并用淮河流域能量与水分循环试验(HUBEX)所取得的加密观测资料进行了验证。基于这个诊断方程设计出能描述锋区垂直环流特征的二维空间剖面综合分析图, 总结出与锋区强暴雨发生有关的三类垂直环流概念模型, 对江淮地区汛期暴雨预报有较好的指导作用。

一次强暴雨过程地闪活动特征与中尺度对流系统和强降水的关系

利用2007年8月8日18时至9日02时发生在陕西关中强暴雨期间的地闪、卫星TBB、雷达回波和地面加密降水资料,通过统计和对比分析的方法,分析了地闪活动特征及其与中尺度对流系统(MCS)和强降水的关系。地闪活动特征分析显示,暴雨过程中负地闪占绝对优势,为总地闪的97.7%。负闪频数和总闪频数的逐时演变趋势完全一致且呈现两峰一谷的趋势,正闪频数的变化呈现三峰两谷的趋势,但是正闪频数最大值与总闪、负闪频数峰值时间一致。负闪活跃期正负闪6 min演变均表现为多峰结构,正闪的波峰提前于负闪的波峰12 min。负闪频数变化和MCS、雷达反射率因子演变对比分析表明,负闪发生区是未来对流云团和对流发展加强区,负闪频数密集区位于对流云团前部TBB等值线密集区,负闪频数的急剧增加意味着未来对流系统的猛烈发展;负闪主要出现在回波强度大于40 dBz的区域,正闪则落到强回波中心两侧30～40 dBz的回波区,中尺度对流系统快速发展加强期,负闪密集区位于回波单体的前沿,中尺度系统发展稳定少动期,负闪大部分集中在各对流单体的强回波中心附近。对比分析地闪与暴雨发生发展的关系可见,地闪的发生和急剧增加对暴雨发生和发展加强有很好指示意义,初闪的发生提前于强降水发生,地闪急剧增加与降水强度猛增密切关联,负地闪发生密集区是未来强降水发生区。

诱发山洪泥石流特强暴雨的中尺度雨团活动和雷达回波特征

山洪泥石流灾害具有突发性，按天气尺度划分属于中尺度系统。本文用中尺度分析的方法分析了诱发山洪泥石流特强暴雨雨团和雷达回波特征，从而揭示出山洪泥石流特强暴雨雨团的活动规律和雷达回波演变特征，寻找诱发山洪泥石流灾害的预报依据。

诱发山洪泥石流特强暴雨短时预报程序及其应用

1994年8月13～15日100hPa图上高压从华北向东北方向移入日本海(图2)。