在持续风力涡轮机结冰过程中，水汽-气象相变的热力学-微观物理耦合机制

《Scientific Reports》：Thermodynamic-microphysical coupling mechanisms of hydrometeor phase transitions during persistent wind turbine icing

　　

摘要

2024年2月1日至7日，中国中东部地区发生了一次极端的冬季结冰事件，导致湖南古台山风电场的降水形态依次发生了变化（冻雾、冻毛毛雨、强冻雨和混合相降水）。为了研究其背后的物理机制，本研究利用了多源观测数据、ERA5再分析结果以及风力涡轮机的运行记录。南支槽和西太平洋副热带高压的共同作用使得来自西南方向的暖湿气流与来自东方的冷空气长时间交汇，从而维持了稳定的温度逆温层。在冻雾阶段，这种冷-暖-冷的逆温结构使得近地面湿气无法扩散，导致过冷水滴积聚，最终导致50%的风力涡轮机停止运行。冻毛毛雨阶段则受到暖雨机制的影响：由于浅层云中的冰相降水物（云顶温度＞-10°C）不存在，纯液态的毛毛雨滴穿过下方的冷空气层后变得过冷，进而导致整个风电场停机。强冻雨阶段则是由融化机制主导的：来自深层云（云顶温度＜-20°C）的丰富冰相降水物在明显的暖层（垂直温度逆温强度为10.0°C/km）中完全融化，随后在下方冷空气层中再次过冷，加速了叶片结冰过程。最后，混合相降水阶段是由融化-再冻结机制引起的：中层干冷空气的侵入削弱了暖层，使得下降的固态降水物仅部分融化，这些降水物在深层冷空气层中形成了混合相降水（冰粒与微量过冷雨共存），使得整个风电场持续处于停机状态。