2024-02-26 阅读次数:471次
低温雨雪冰冻灾害对交通运输、能源供应、电力通讯、农业及人民群众生活均会造成严重影响和损失。例如,2008年的低温雨雪冰冻灾害是自1954年以来最严重的冰灾,共有超过8000万人受灾,因灾死亡129人,直接经济损失超1500亿元。自今年1月底开始,我国湖北、湖南、武汉、安徽等多地再次出现大范围低温雨雪冰冻灾害,造成重大损失。据统计,湖北省武汉市汉口站仅2月5日一天的高铁退票数量达到5万张,严重影响了人们的正常出行。本文通过问答的形式,对低温雨雪冰冻灾害的原因进行了梳理,也提出了防治策略建议。
1、 什么是低温雨雪冰冻气象?
降雪或降雨后遇低温形成的积雪、结冰现象称为低温雨雪冰冻气象。日平均气温≤2℃,且有低温雨雪冰冻发生时,该日可记为一个低温雨雪冰冻日。
2、 低温雨雪冰冻灾害气象等级如何划分?
低温雨雪冰冻灾害气象等级各地划分标准不同。以河南省为例,该气象等级依据低温雨雪冰冻气象指数可划分为IV级(轻)、III级(中)、II级(重)、I级(特重)四个级别。日平均气温和最低气温越低,降水量、雪深和持续日数越大,低温雨雪冰冻气象指数越大,灾害气象等级越重。
3、 低温雨雪冰冻的危害有哪些?
低温雨雪冰冻灾害对交通运输、能源供应、电力通讯、农业及人民群众生活均会造成严重影响和损失。例如,道路积冰引发交通事故,高铁接触网积冰导致列车无法正常行驶,机场跑道积冰使得飞机无法正常起飞和降落,电网积冰引发冰闪、断线甚至倒塔,大棚及屋顶积冰引起结构垮塌等等。
4、 我国今年春运期间的低温雨雪冰冻灾害主要是由什么导致的?
2024年春运期间,我国南方出现大范围低温雨雪冰冻灾害,其主要由冻雨和积雪融化再冻结所导致,如图1所示。一般而言,除了暴雪和连续的大雪气象条件外,积雪密度小且与结合面之间的结合强度低,易清除而不会造成严重灾害。相比之下,积冰密度大、结合强度高,难清除而易引发严重冰冻灾害。
图1 2024年春运期间低温雨雪冰冻灾害的主要形成机制
5、 冻雨现象是如何形成的?
冻雨是指温度在0℃以下的雨水,亦称为过冷雨滴,冻雨与物体表面接触时会直接发生结冰现象。冻雨是在特定的天气背景下产生的降水现象,其形成机制如图2所示。
图2 冻雨的主要形成机制示意图
6、 为何冻雨形成的冰冻灾害影响更大?
相比于其他形式的冰冻灾害,冻雨形成的积冰现象具有范围广、速度快、附着强度高且往往伴随着大风的特点,一般的除冰措施无法跟上积冰速度。
7、 为何低温雨雪冰冻灾害常发生于晚冬和早春期间?
在晚冬和早春期间,气温通常较低,湿度较高,易出现降雪、降雨等天气现象。此外,由于季节交替,北方冷空气和南方暖湿空气交汇频繁,易形成大规模的雨雪天气,导致低温雨雪冰冻灾害的发生。
8、 为何我国南方比北方更容易出现低温雨雪冰冻灾害?
北方气候相对干燥,降雪后不易形成持续的冰冻。南方冬季气候温和少雨,地势相对平坦,山脉较少,缺乏阻挡冷空气的天然屏障。当冷空气南下与南方暖湿空气交汇时,导致气温骤降,极易形成低温雨雪冰冻灾害。
9、 常用的防除冰技术有哪些?
常用的防除冰技术主要包括机械除冰、化学除冰、热力除冰以及被动防冰:
①机械除冰技术主要通过力的方式将冰雪从表面清除,这种方法的优点是速度快,效果好,但对环境有一定的影响;
②化学除冰技术是利用化学物质(盐类、糖类)来降低冰的熔点,使其变成液体。这种方法适用于道路除冰和车辆除冰,除冰速率慢且需要注意剂量的控制;
③热力除冰技术主要通过热的方式将冰雪从表面清除,是最为常见的一种除冰方法,效果较好,但可能会增加能源消耗;
④被动防冰技术是通过构建具有防冰功能表面以达到阻止/延迟水滴结冰和降低冰层粘附力的目的。被动防冰技术的难点在于获得稳定高效的防冰表面,目前主要应用形式为超疏水功能涂层。
10、 为何超疏水材料的防冰应用效果不理想?
超疏水材料表面具有微纳米级的凹凸结构以及低表面自由能,使得水滴在其表面的接触角超过150度,很难停留,且其与表面接触面积较小,热传递效率低,如图3(a)所示。上述特性一方面延缓了水滴的结冰过程,另一方面降低了冰与表面之间的粘附力。因此,超疏水表面具有一定的延缓水滴凝固及将液态水滴迅速滚落的效果。但当超疏水表面暴露在应用环境中时,环境中的灰尘颗粒物等易沉积在其微结构中,破坏其结构特征从而引发表面失效,如图3(b)所示。
图3 超疏水材料防冰机制及表面失效示意图
实际上,即便在清洁环境中,过冷水滴撞击在超疏水表面上时,液滴会发生迅速铺展和凝固,因此会在表面形成一层薄冰,破坏其结构特征从而引发表面失效,如图3(c)所示。此外,超疏水表面具有的微小凸起结构往往与铺展的冰膜相互交叉、紧密结合,这会让力学除冰变得比普通表面的结冰更加困难。因此,从原理上讲,任何化学类材料与加工技术制备的超疏水表面,都很难在冻雨类场景中起到防除冰的预期效果。
11、 超疏水材料在防冰方面的应用有何局限?
如图4所示,当超疏水表面在表面温度为0℃以上的时候,可以有效促进水滴滚离表面,具有良好的自清洁功能和防冰效果,属于有效防冰区I;当表面温度0℃以下的时候,如果液滴滚离表面的时间小于其凝固的时间,是对防冰有效的,属于有效防冰区II;反之,如果液滴滚离表面的时间大于其凝固时间,就会在表面上积冰,属于无效防冰区。
图4 超疏水材料表面防冰效果分区图
12、 低温雨雪冰冻灾害的防治手段有哪些?
Ø ①加强预警和监测:建立健全低温雨雪冰冻灾害的预警和监测体系。例如,加强对气象数据的分析和研究,提高预警的准确性和时效性;在重点路段/设施/线路等区域设置高精度的结冰探测器,实时发布预警信息。
Ø ②完善基础设施:加强城市基础设施建设,提高交通、电力、通信等基础设施的抗灾能力。例如,在道路、桥梁、隧道等交通设施重点路段处加装顶盖,或增加热泵加热装置使其表面温度维持在0℃以上,提高其防除冰能力,保证交通畅通。
Ø ③推广防灾减灾技术:积极推广先进的防灾减灾技术,如使用耐寒抗冻的建筑材料、研发高效的除雪除冰设备等。此外,开展相关技术的培训活动并建立反馈机制,以便对技术进行改进和完善。
Ø ④制定应急预案:针对可能出现的低温雨雪冰冻灾害,提前制定详细的应急预案,明确各部门职责和应对措施。例如,提前疏散低温雨雪冰冻灾害预警区域的车辆和人群,减少受灾群体。
Ø ⑤加强宣传教育:通过媒体、网络、宣传册等多种渠道,广泛宣传低温雨雪冰冻灾害的防灾减灾知识,提高公众的防灾减灾意识和能力。
Ø ⑥注重基础研究:冻雨导致高铁故障的三个主要原因分别是铁路接触网覆冰导电不良、道岔结冰转换不灵活、线路积雪列车降速运行,但根本问题是对结霜结冰机理的研究不足;建议从根本上厘清冻雨相关的诸多结霜结冰问题,以开发和优化新型防除冰技术及冰的预测探测技术。
综上所述,低温雨雪冰冻灾害问题成因复杂,与各自工程场景的气象、表界面物性参数等密切相关。尽管各行业在防冰防霜新技术及新材料方面已有诸多科研立项,且已取得诸多成果,但行业上存在“超疏水表面等于防霜防冰表面”等认知误区,以及面对冰雪成灾后交通运载领域“人工除冰扫雪”类被动无奈的窘迫现状。为避免今年春运期间冻雨这一极端气候成灾的反复再现,建议学术界和工业界对结霜结冰相关应用基础研究更加重视。
撰稿:张龙 北京制冷学会会员、北京理工大学结霜实验室特别副研究员、硕士生导师
审核:宋孟杰 北京制冷学会理事、北京理工大学结霜实验室主任、教授、博士生导师
编辑:王晓童