一、电线覆冰的形成条件

电线覆冰现象多发生在冬季，其形成与温度、湿度、风速、地形、海拔高度等很多因素有关。但是必要条件只有两个且缺一不可，一是低温，即气温必须在0℃以下；二是湿度，即空气相对湿度一般在90%以上。根据成因，电线覆冰可分为三种类型，分别是雾凇、雨凇和湿雪(包括冻结雪)。

1、雾凇

常见的雾凇有粒状雾凇和晶状雾凇。

粒状雾凇通常在气温-2～-8℃，有雾或小风的情况下，由过冷却雾滴在寒冷的电线或其他物体上冻结而成。这些细小的过冷却雾滴同物体接触时冻结极快，以致来不及失去原形就变成了颗粒积冰，其间留有气泡空隙，白色不透明，质地疏松似雪，比重0.3～0.6 g/cm³。在山区低达-20～-30℃仍有粒状雾凇出现，群众称之为霜凌。

晶状雾凇多形成在约-10～-20℃之间，在雾或轻雾中很小的过冷却水滴冻结在电线上，形成晶状雾凇积冰，无风时冻结在电线整个表面，有风时冻结在电线迎风面。空气中水汽在电线凝华也可结成晶状雾凇，呈白色结晶，质地疏松如霜，因气温低、空气中含的液态水甚少，晶状雾凇增长慢，比重小，约为0.01～0.08 g/cm³。

我国雾凇多出现在北方，高山、林区尤为常见，如吉林长白山的天池平均每年有180d可见雾凇。湖北省雾凇多发区域大都位于海拔1000m以下，因此将绿葱坡和其他测站在雾凇发生时的气象条件分开统计(表12.1)。

表12.1 不同海拔高度雾凇发生时气象要素条件统计表

从表12.1可知，雾凇发生时气温较低，尤其是最低温度基本均在0℃以下；相对湿度较高，低海拔台站平均值为86%，大部分时间在90%以上，高海拔的绿葱坡平均值达到90%以上，最大值可达100%，说明低温高湿是其形成的先决条件。

2、雨凇

雨凇是一种呈透明或毛玻璃状的密实冰层。通常气温在0～3℃时，过冷却雨滴、毛毛雨或较大的雾滴碰到0℃以下的电线结成雨淤积冰。由于气温较低，过冷却水滴来不及铺开就冻结成为透明密实的冰层，比重在0.6～0.9 g/cm³之间。有时当气温低到-16℃时也可形成雨凇。

雨凇多发生在我国南方地区，其中又以山地湖区最多。如四川峨眉山的雨凇每年有135d之多。湖北省雨凇多发区域大部位于海拔1000m以下，因此将绿葱坡和其他测站在雨凇发生时的气象条件分开统计(表12.2)。

表12.2 不同海拔高度雨凇发生时气象要素条件统计表

从表12.2可见，雨凇发生时气温较低，尤其是最低温度基本均在0℃以下，与雾凇发生条件相比，其平均温度和最低温度均相应略高一些；相对湿度较高，低海拔台站平均值为87%，但均大部分时间在90%以上，高海拔的绿葱坡平均值及达到90%以上，最大值可达100%，这些特征与雾凇发生时的特征相对较一致，说明低温高湿也是其形成的先决条件。

3、湿雪和冻结雪

雪或雨夹雪降落到温度略高于0℃的近地气层，稍稍融化变湿便是湿雪，可黏附在电线上。当气温降到0℃以下时，可能冻结成冻结雪。严重的冻结雪会压断电线。

由于湿雪没有相应的观测记录，故未对其形成时的气象条件作统计分析。

积冰在增长过程中可能有几种积冰交替地在电线上积聚，形成混合积冰。如先积聚雾凇，温度升高后略微融化，但未滴落，气温降低又冻结成冰层，它外面又可能积聚雾凇，形成多层的混合积冰。

二、电线覆冰的物理过程

认识覆冰在电线上形成的物理过程是研究覆冰变化规律的基础。下面介绍描述覆冰形成物理过程的几个有代表性的模式。

1、雾凇覆冰的物理模型

假定单位长度电线的截面为，单位体积空气中的过冷却(0℃以下)液态水滴的重量是W，风速是V，风与电线的交角是。水滴在气流中自由下沉的速度远小于V可忽略不计。如果气流不被电线干扰，单位时间内水滴经过单位长度电线截面的量是。但是，气流在抵达电线之前就分岔，水滴有一部分随之越过电线，只有一部分截面积为A的小股气流中的液态水，凭着惯性撞击在电线上。在单位时间内，水滴实际聚积在电线上的量是。两个量之比，定义为捕获系数：，它反映水滴因惯性前进而聚积在电线上的效率，是水滴运动的惯性参数和空气运动的雷诺数的函数，与水滴半径、水滴运动速度(大致上等于风速)、空气的密度、粘性和电线直径有关。

被捕获的液态水只有冻结成冰，其余的蒸发掉了，称为冻结系数，与风速、电线的直径、空气的含水量、温度和覆冰的持续时间有关。为简便计，在时段内取各变量的时间平均值。在单位长度电线上的覆冰重量(又称为“线密度”)。

为了简化最终结果的形式，不失精确的假定电线的表面积展开成平面，平铺在它上面的覆冰厚度是b，则冰重，式中，是覆冰的密度(数值上等于比重)。最后得到雾凇覆冰的物理模型：

(12.1)

该模型经实测资料验证相当准确。

2、雨凇覆冰模式

查尼-斯开弗斯(Chaine-Skeafes)模式可以有效地估算雨凇的增长。其基本步骤是先分别估算水平面上和铅直面上冻雨的厚度，再换算为等效的圆筒形覆冰的厚度。

水平面上覆冰的积聚量(深度)，R是降(冻)雨的速率()，t是降雨时数。

铅直面上覆冰的积聚量，与风速和降雨速率及降雨时数有关。假定捕获系数为1(偏大而安全)，有经验关系：，是风速。式中的常数还调整了几个不同变量的单位的量级差异。

以上的覆冰积聚量如果换算成圆筒状裹覆半径为的电线，等效厚度为

(12.2)

式中K是冰在不同尺度圆柱体上实际积聚量与理论计算量之比值，与圆柱体直径和温度有关，由实验确定，已制备曲线可查。