Приложение D (справочное). Климатическая оценка ледовых классов по метеорологическим данным

Приложение D
(справочное)

Климатическая оценка ледовых классов по метеорологическим данным

D.1 Введение

Нарастание льда и снега на линиях электропередачи, телевизионных башнях и телекоммуникационных системах - один из важнейших параметров проектирования в холодных регионах. Результаты измерения отложений гололеда во многих регионах имеют слишком плохое пространственное и временное представление, для того чтобы их можно было использовать при оценке расчетных гололедных нагрузок. Расчеты климатических гололедных нагрузок могут также быть проведены на основе метеорологических данных метеостанций. В настоящем приложении рассмотрены методы климатической оценки ледовых классов на основании метеорологических данных для изморозевого обледенения, гололедного обледенения и мокрого снега. Преимущество таких данных заключается в том, что они собраны на протяжении длительного периода времени и имеют относительно хорошее пространственное распределение. Недостатком является плохая корреляция параметров обледенения с обычными метеорологическими данными; для разрешения данной проблемы требуются дополнительные наблюдения и использование моделей обледенения (см. приложение С).

D.2 Данные

Внутриоблачное обледенение может быть определено только по данным высоты основания облака. Тщательные наблюдения за нижней границей облачности ведутся в аэропортах, но нет гарантии, что такие наблюдения являются частью работы метеорологических станций. Поэтому для анализа лучше всего использовать информацию метеорологических станций аэропортов.

Анализ данных может быть проведен с помощью компьютера, однако для анализа гололедного обледенения и мокрого снега используются исходные листы наблюдений, для которых может понадобиться проверка вручную. Это объясняется тем, что продолжительность выпадения осадков часто короче периода наблюдения за количеством выпавших осадков. Точное время начала и окончания события можно определить по отметкам на листах наблюдений, если они представлены не в форме синоптических файлов. Если данные о количестве осадков отсутствуют, для их определения допускается использовать нормы климатических параметров.

D.3 Методы

D.3.1 Замерзание осадков

Случаи замерзания осадков можно выбрать из метеоданных с помощью следующего критерия:

- ледяной дождь или переохлажденная изморось, указанные в метеосводках, или

- дождь или изморось при t_w < 0 °С,

где - температура по влажному термометру.

Как было сказано выше, продолжительность события, интенсивность осадков, средняя температура воздуха и скорость ветра могут быть рассчитаны вручную на основании данных журналов метеонаблюдений.

Подробный анализ требуется только в особых случаях, которые выбирают исходя из зарегистрированной интенсивности и длительности осадков. К важным (для анализа) случаям, например, можно отнести сильный ледяной дождь на протяжении более 30 мин или слабый ледяной дождь на протяжении более 60 мин.

Гололедную нагрузку для каждого важного события можно вывести с помощью модифицированной версии модели обледенения Макконена [16], [21] (см. также приложение С). Контрольный объект, определенный в приложении В, используют как исходный объект обледенения.

D.3.2 Внутриоблачное обледенение

По определению, внутриоблачное обледенение может произойти в том случае, когда высота основания тучи Н_b находится ниже высоты рассматриваемой точки Н_i. Соответственно, при анализе используют критерий

и

,

где - температура воздуха.

Исходя из распределения наблюдаемой величины Н_b относительно H_i, события внутриоблачного обледенения могут быть определены на разных уровнях i.

Численные модели обледенения не используются для внутриоблачного обледенения в рамках данного метода, так как размерное распределение капель и содержание жидкой воды, необходимые для данных моделей, не измеряют на метеорологических станциях. Вместо этого количество нароста изморози M_i, в кг/м², для обледенения (или для одного интервала наблюдений) можно рассчитать с помощью простого эмпирического уравнения [2]:

,

где v - средняя скорость ветра, м/с, на высоте 10 м;

- длительность, ч, внутриоблачных условий в точке Н_i.

Выведенные таким образом значения могут быть трансформированы в килограммах на метр (кг/м), для чего M_i нужно умножить на диаметр контрольного объекта, т.е. на 0,03.

Месячный суммарный прирост гололеда можно рассчитать для нескольких уровней Н_i. При этом можно также определить уровни, на которых происходит превышение определенного значения для М. В частности, максимальные нагрузки из одного события для каждого года или месяца определяются с учетом того, что одно событийное обледенение заканчивается (суммарный расчет величины М снова начинается с нуля) при выполнении требований к наблюдению, для которых t_a > 0 °С. Другими словами, два последовательных события или больше, отвечающих условиям критерия, рассматриваются как одно, если между ними температура воздуха не превышала 0 °С.

Данный анализ применяют для уровней рядом с землей. Эти же данные могут быть использованы и для высокой мачты, но механизм расчета при этом будет модифицирован. Поэтому для каждого уровня H_i будет использоваться другая скорость ветра v_i, что можно сделать посредством аппроксимации соответствующего профиля ветра.

Возможные вертикальные градиенты температуры воздуха и содержания жидкой воды в облаке не могут, как правило, учитываться при расчете из-за отсутствия данных по этим параметрам в типовых условиях внутриоблачного обледенения.

D.3.3 Мокрый снег

События мокрого снега (только на уровне земли) выбираются из данных с помощью следующего критерия [20]:

- Наблюдается снегопад или снег с дождем, и

- t_w > 0 °С.

Аналогично случаю переохлажденных жидких осадков, анализ вручную с использованием регистрационных журналов также требуется для определения интенсивности и продолжительности данных событий.

Для каждой метеорологической станции в выражении эквивалентной толщины воды (или в кг/м²) на горизонтальной поверхности из расчета выводят среднее и максимальное количество мокрого снега. Это в значительной степени соответствует нагрузкам от мокрого снега, например на проводах [20], в рамках оценки рисков. В этом случае полученные значения умножают на диаметр контрольного объекта, с тем чтобы привести их к весу на единицу длины контрольного объекта.

D.4 Применение

Ледовый класс определяют для местностей, где расположены метеорологические станции, для высоты Н_i над поверхностью земли посредством статистического анализа, например моделирования ежегодных максимальных событий. Затем ледовый класс для рассматриваемой местности определяют с помощью экстраполяции для различных уровней над поверхностью земли. Пример такого расчета приведен в [28].