孫 晶， 譚 超， 周毓荃， 劉 政， 黃 珺， 王澤林

(1.中國氣象科學研究院,北京 100081; 2.中國氣象局人工影響天氣中心，北京 100081; 3.哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責任公司，哈爾濱 150066; 4.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000; 5.中國飛行試驗研究院，西安 710089)

引 言

飛機積冰是指在飛機飛行過程中，飛機機體因過冷水滴凍結或水汽凝華而聚積冰層的現(xiàn)象[1]。飛機積冰通常發(fā)生在含有過冷水滴的云、霧、凍雨或濕雪中，多出現(xiàn)在突出部位。積冰影響飛機的穩(wěn)定性和操縱性，嚴重時甚至導致飛行事故。飛機積冰涉及多種飛行情況[2]：高速飛機在低速的起飛、進近、著陸階段，或航線穿越濃密云層或凍雨的環(huán)境中；一些低速飛機，如運輸機、直升機等，發(fā)生積冰的可能性也很大；人工增雨作業(yè)由于需要選擇過冷水豐沛的云層進行催化[3-4]，飛機更易發(fā)生積冰；在飛機進行試飛試驗時，要在積冰區(qū)域飛行，進行合格審定。

飛機積冰的強度與氣象條件和飛機空氣動力特性有關[5]。氣象因素主要包括大氣溫度、云中過冷水含量、過冷水滴的大小，飛機因素主要包括飛行速度和飛機積冰部位的曲率半徑。最易發(fā)生積冰的溫度范圍是-2～-10 ℃，0～-10 ℃時易出現(xiàn)輕度積冰，-2～-12 ℃時易出現(xiàn)中度積冰，-8～-10 ℃時易出現(xiàn)強積冰。云中過冷水含量越大，積冰強度也越大[6]，云滴的大小影響積冰的類型和強度，但影響程度比含水量和溫度的小[7]。大多數(shù)積冰發(fā)生在低云和中云中[8]。有利積冰云層條件的產(chǎn)生離不開天氣系統(tǒng)。李子良[9]分析了廣漢-貴陽和廣漢-洛陽航線上幾種有利于發(fā)生積冰的天氣系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在地面冷鋒和空中槽線、切變線附近容易出現(xiàn)積冰。遲竹萍[10]統(tǒng)計分析了山東春秋季增雨作業(yè)天氣系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)低壓倒槽和南方氣旋系統(tǒng)容易出現(xiàn)積冰。還有一些學者針對飛機積冰過程開展了天氣和微物理分析[11-14]。不同飛行速度下動力增溫值不同，如果動力增溫使機體表面溫度上升到0 ℃以上，則飛機不會積冰。直升機巡航速度一般為0～300 km·h-1，其云中飛行動力增溫最大值約為2.1 ℃。

新疆烏魯木齊地區(qū)在冬春季節(jié)常出的層積云及受冷空氣影響出現(xiàn)的鋒面云系[15]，易造成飛機積冰[16]。我國在冬春季節(jié)于烏魯木齊地區(qū)曾開展過多次飛機外場觀測試驗。例如，1982-1984年冬季中國氣象科學研究院在烏魯木齊開展了飛機與地面協(xié)同觀測的“新疆冬季層狀云研究”項目，對層積云結構進行了資料分析和模擬研究，結果發(fā)現(xiàn)，云頂高度較低的層積云中以過冷水為主[17-18]；1986-1987年冬季國產(chǎn)運12飛機在烏魯木齊進行飛機積冰環(huán)境探測飛行，陳躍等[19]分析了其中一次產(chǎn)生積冰的過冷層狀云微物理特征，發(fā)現(xiàn)云頂伸入逆溫層，過冷水含量(LWC)最大值在云頂附近，約為0.5 g·m-3，云中上部60%含水量的云滴直徑為23～32 μm。2012年3月，國產(chǎn)ARJ21-700客機在烏魯木齊進行自然積冰探測試驗，在一次鋒面云系中探測到了強積冰[20]。馮琬等[21]利用MODIS衛(wèi)星資料對2015年11月烏魯木齊一次飛機強積冰天氣進行了診斷分析。隨著我國各種類型飛機新機型的研制，在自然積冰適航驗證方面有迫切的需求，因此對我國不同地區(qū)飛機積冰氣象條件的研究具有重要意義。

2018年3月，國產(chǎn)某型直升機在新疆昌吉地區(qū)開展自然結冰探測試驗，其中3月17日和27日進行了2個架次的試飛并均成功探測到積冰。本文對這兩次飛機積冰的氣象條件和多尺度結構特征進行分析。

1 觀測試驗簡介

2018年3月17日，試驗機在87.14°E、44.37°N附近2 km范圍內，于16:10-16:40期間在云中完成了首架次的積冰試飛。試飛期間，飛機由云底入云，云中無降水，飛行探測高度為1800～2100 m(海拔高度)，飛機速度為120～160 km·h-1，機上儀器實測溫度為0～-4 ℃(不考慮動力增溫影響)，云中液態(tài)水含量為0.1～0.6 g·m-3。積冰的類型是毛冰，積冰厚度<0.5 cm，屬于輕度積冰。

2018年3月27日，試驗機在86.77°E、44.45°N附近2 km范圍內，于11:00-11:45期間在云中完成了第二架次的自然積冰試飛。試飛期間，飛機由云底入云，云下有降水，飛行探測高度為2000～2200 m(海拔高度)，飛機速度為120～160 km·h-1，機上儀器實測溫度為0～-1 ℃(不考慮動力增溫影響)，云中液態(tài)水含量為0.3～0.6 g·m-3。積冰表面光滑、通體透明，屬于明冰。積冰厚度為1～2 cm，屬于輕—中度積冰。

2 天氣系統(tǒng)

3月17日白天，500 hPa高度在巴爾喀什湖以東、新疆西北側有冷渦逐漸加強(圖1a-b)，烏魯木齊由西北風轉為西南風，下午時段冷渦前部的上升運動區(qū)開始影響積冰探測區(qū)，垂直速度為-0.4 Pa·s-1。700 hPa巴爾喀什湖地區(qū)風場有氣旋性輻合，并于下午逐漸加強移進積冰探測區(qū)(圖1c-d)，探測區(qū)受輻合區(qū)前部偏南氣流水汽輸送影響，但水汽通量較弱。地面氣壓場上，冷高壓中心位于巴爾喀什湖北部(圖2a)，中心值大于1030 hPa，冷空氣逐漸南壓，冷鋒沿天山北側逐漸形成。3月26日夜間，500 hPa東亞高緯地區(qū)環(huán)流較為平直，有短波槽活動，3月27日上午，巴爾喀什湖以西有淺槽東移(圖1e-f)，烏魯木齊500 hPa為偏西風，風速為20 m·s-1，積冰探測區(qū)處于平直氣流里較為分散的上升運動區(qū)中。700 hPa探測區(qū)及其北部受偏西氣流影響(圖1g-h)，有水汽輸送大值區(qū)自27日凌晨至上午逐漸東移南壓，積冰探測區(qū)的水汽通量略有增強。地面氣壓場上，冷高壓中心位于巴爾喀什湖(圖2b)，27日08時北疆大部轉為偏北風，冷空氣南下越過天山。因此，3月17日積冰天氣受500 hPa冷渦和地面冷鋒影響，積冰時段(16:10-16:40)，處于低層的冷空氣開始南下，中高層低渦偏南氣流加強，系統(tǒng)處于發(fā)展前期階段。3月27日積冰天氣受500 hPa高空淺槽和地面冷鋒影響，積冰時段(11:00-11:45)，低層冷空氣已經(jīng)南下，系統(tǒng)處于發(fā)展中期階段。27日水汽輸送條件比17日的略好。

圖1 2018年3月17日08時(a、c)、14時(b、d)和27日02時(e、g)、08時(f、h)NCEP再分析場

圖2 2018年3月17日14時(a)和27日08時(b)地面天氣圖

實況降水分布顯示(圖略)，17日14-20時，北疆西部博州、伊寧、烏蘇、石河子等地出現(xiàn)小雨或雨夾雪，6 h最大降水量為3 mm，昌吉積冰探測區(qū)沒有出現(xiàn)降水，蔡家湖、呼圖壁轉為陰天，五家渠某機場觀測到10成云底高度(距地高度，下同)為1200 m的蔽光層積云；27日08-14時，北疆西部博州、伊寧、烏蘇、莫索灣等地出現(xiàn)小雨，6 h最大降水量為5 mm，昌吉積冰探測區(qū)處于雨區(qū)邊緣，烏魯木齊及北疆大部為陰天，五家渠某機場觀測到10成云底高度為1500 m的蔽光層積云，并且云底高度在11-17時逐漸降低至1000 m。兩次過程在積冰發(fā)生時分別處于云系初始和發(fā)展階段，層積云云層開始變厚、云底高度逐漸降低。

3 云宏觀結構

了解積冰時段云的宏觀參量特征對積冰監(jiān)測和預報具有指示意義。利用中國氣象局人工影響天氣中心衛(wèi)星反演產(chǎn)品、黑體亮溫(TBB)、雷達回波、探空等實測資料對云系結構進行分析。

3月17日08-11時，冷渦云系呈南北走向分布，其前沿已進入北疆西部地區(qū)，之后自西向東移動，移速為30～40 km·h-1；14-17時(圖3a)，昌吉積冰探測區(qū)位于發(fā)展中的冷渦云系前沿，云頂溫度和高度有一定梯度變化，云頂溫度由-10 ℃下降至-25 ℃,云頂高度由3 km抬升至5 km左右(圖3c)；17時飛機探測到積冰現(xiàn)象之后，主云系開始移入昌吉積冰探測區(qū)。因此，昌吉積冰探測區(qū)域在積冰時段(16:10-16:40)處于冷渦主云系前沿的中低云云層中，云頂溫度為-25 ℃，云頂高度為4 km。

3月27日03-08時，高空淺槽云系呈東西走向分布，位于北疆大部地區(qū)，北部云頂溫度在-40 ℃以下，南部云頂溫度為-10～-20 ℃，自西向東移動，云頂移速為70～80 km·h-1；08-11時(圖3b)，昌吉積冰探測區(qū)位于高空淺槽云系的南部云帶中，云頂溫度為-10～-20 ℃,云頂高度為3～5 km(圖3d)；11時之后，云系特征無明顯變化，云層穩(wěn)定持續(xù)。17時后，云系有所減弱。因此，昌吉積冰探測區(qū)域在積冰時段(11:00-11:45)處于高空淺槽主云系南部的中低云云層中，云頂溫度為-15 ℃，云頂高度為4 km。

圖3 2018年3月17日16時(a、c)和27日11：30(b、d)衛(wèi)星觀測云頂亮溫(a、b)和反演云頂高度(c、d)

Bernstein 等[22]對單層云結冰報告的統(tǒng)計表明，飛機在位于云頂溫度為-12 ℃附近達到結冰頻率峰值；隨著云頂溫度的降低，結冰的可能性降低，因此將云頂溫度用于估計云中是否含有液態(tài)水，云頂溫度相對較高的云層主要由液態(tài)水組成；當云頂溫度下降到足夠產(chǎn)生冰粒子時，整層云可能均會冰相化。以往飛機積冰報告的云類統(tǒng)計結果表明大多數(shù)積冰發(fā)生在低云和中云中[8]。本文第一次發(fā)生毛冰時云頂溫度略低，為-25 ℃，第二次發(fā)生明冰時云頂溫度略高，為-15 ℃，也均為中低云，并且云頂溫度相對較高時積冰強度較強。

衛(wèi)星反演的光學厚度是指在整個路徑上云消光的總和，反映了云的密實程度。從云光學厚度來看，17日14-17時(圖4a)，昌吉積冰探測區(qū)光學厚度為12～16，其西側冷渦主云系光學厚度局部在24以上；27日10-12時(圖4b)，光學厚度大值區(qū)對應高空淺槽云系南部云頂高度在3～5 km的區(qū)域，昌吉積冰探測區(qū)光學厚度為24～36，位于云帶南部光學厚度大值區(qū)內。從新疆石河子、烏魯木齊C波段天氣雷達探測結果來看，17日16時(圖4c)，昌吉積冰探測區(qū)基本沒有明顯回波；27日11:37(圖4d)，昌吉積冰探測區(qū)(黑色圓點)有非常弱的回波，強度為5～10 dBZ。光學厚度和雷達回波分布特征表明，在兩次飛機探測時段內云層發(fā)展較為密實，光學厚度大于12，雷達回波較弱，回波強度小于10 dBZ。

圖4 2018年3月17日16時(a、c)和27日11：30(b、d)衛(wèi)星反演光學厚度(a、b)和雷達回波(c、d)

利用烏魯木齊單站探空分析云系垂直結構，本文把相對濕度≥80%的大值區(qū)近似看作云區(qū)。17日20時(圖5a)，烏魯木齊上空4 km以下有相對濕度大值區(qū)，云層厚度為3 km，云頂溫度為-11 ℃，0 ℃層高度為1500 m，無明顯逆溫現(xiàn)象。烏魯木齊探空站位于昌吉積冰地區(qū)東南方向70 km處，由于此次冷渦云系自西向東移動，移速為30～40 km·h-1，因此烏魯木齊探空站20時的云層狀況可近似代表昌吉積冰地區(qū)17時左右的云層狀況(由烏魯木齊探空資料確定的云頂高度和云底高度與前面分析的衛(wèi)星探測的昌吉云頂高度為4 km和地面觀測云底高度為1200 m的結果比較一致)；17日16:10-16:40飛機在2 km高度探測到積冰，該高度位于云層中下部，溫度為-3 ℃。27日08時(圖5b)，烏魯木齊2～3 km有相對濕度大值區(qū)，云層較薄,厚度為1 km，0 ℃高度為2000 m，3 km高度有鋒面逆溫，云層恰分布于逆溫層下；此次高空槽云系東西向分布且范圍寬廣(圖3b)，因此烏魯木齊探空站08時的結果可以近似代表昌吉地區(qū)11時左右的云層狀況；27日11:00-11:45飛機在2.2 km高度左右探測到積冰，該高度位于云層下部，溫度為-1 ℃。

圖5 2018年3月17日20時(a)和27日08時(b)烏魯木齊探空圖

從兩次積冰區(qū)域的云宏觀結構來看，積冰云層均為中低云云層，云頂高度為4 km，云頂溫度為-15～-25 ℃，云底高度為1.5 km，云層厚度為1～3 km，光學厚度大于12，雷達回波特征不明顯，無回波或者回波強度在10 dBZ以下。3月27日鋒面過程云頂有逆溫。

4 云微觀結構模擬分析

利用中國氣象局人工影響天氣中心云降水顯式預報系統(tǒng)(CPEFSv1.0)對這兩次過程進行模擬，該系統(tǒng)是以WRF中尺度模式動力框架為基礎耦合了中國氣象科學研究院CAMS微物理方案[23]。模擬使用初始場為6 h一次1°×1°的NCEP再分析格點資料，模式最高水平分辨率為3 km。每一網(wǎng)格在垂直方向上總水成物含水量達到0.001 g·kg-1時最頂層溫度為模擬云頂溫度。將模擬的昌吉積冰探測區(qū)20 km范圍內云頂溫度和1 h雨量變化與觀測值進行了比較，利用模式模擬的各水成物場分析了兩次積冰過程的微物理特征。

從3月17日昌吉積冰探測區(qū)平均的云頂溫度隨時間變化圖(圖6a)可以看出，14-17時云頂溫度持續(xù)下降，地面尚無降水，16-17時實況云頂溫度為-20～-30 ℃，模擬云頂溫度比實測的略偏低。從模擬的平均水成物垂直分布隨時間變化可以看出(圖6c)，14-17時，模擬0 ℃高度位于850 hPa(約為1.5 km)，有高層冰相粒子(最大含量為0.1 g·kg-1)，但由于模擬云頂高度比實測的偏高，所以模擬的冰相粒子分布高度可能比實際的偏高，而低層800 hPa(約為2 km)附近模擬存在1 km厚度的過冷水，這與實際積冰高度和層積云分布高度一致，模擬過冷水最大含量為0.1 g·kg-1，與飛機觀測的云中液態(tài)水含量量級相當，說明飛機積冰主要由該層過冷水云層所致。其后19-23時，低渦云系主體過境并出現(xiàn)降水，模擬的高層冰相粒子含量增加至0.3 g·kg-1，而低層過冷水層減弱并逐漸消失。

從3月27日昌吉積冰探測區(qū)平均的云頂溫度隨時間變化圖(圖6b)可以看出，09-12時云頂溫度處于持續(xù)穩(wěn)定維持階段，實況和模擬結果均顯示地面無降水，11-12時實況云頂溫度為-10～-20 ℃，模擬云頂溫度與實測的基本一致。從模擬的平均水成物垂直分布隨時間變化可以看出(圖6d)，09-12時, 模擬0 ℃高度位于750 hPa(約為2 km)，在750-650 hPa高度模擬出少量冰相粒子(小于0.1 g·kg-1)，暖區(qū)未出現(xiàn)雨水，低層為750-650 hPa(約為2.5-3.5 km)附近模擬出1 km厚度的過冷水，模擬過冷水最大含量為0.21 g·kg-1，與飛機觀測的云中液態(tài)水含量接近，說明飛機積冰主要由該層過冷水云層所致。

圖6 2018年3月17日(a、c)和27日(b、d)昌吉積冰探測區(qū)20 km區(qū)域平均物理量隨時間變化

從模擬的兩次積冰區(qū)域的云微觀結構來看，積冰發(fā)生云層主要為低層1～3 km存在的過冷水層，模擬的過冷水含量為0.1～0.2 g·kg-1，其上可能有冰相粒子，但冰相粒子在過冷水層高度含量較少(小于0.1 g·kg-1)。

5 積冰指數(shù)

積冰指數(shù)對積冰氣象條件具有一定指示意義[24]。目前，積冰指數(shù)大多利用大氣溫度、濕度等環(huán)境變量來計算。美國近20年來發(fā)展了積冰潛勢(CIP)算法[22]。該算法基于衛(wèi)星、雷達、地面、閃電觀測和飛行員報告并結合數(shù)值模式輸出等數(shù)據(jù)，利用多個物理量的模糊邏輯相關關系而綜合判斷得到積冰潛勢。這些相關關系是根據(jù)云物理原理、美國飛機積冰試驗經(jīng)驗和飛機報告分析得到；其穩(wěn)定云層初始積冰潛勢計算方法為

CIPini=Tmap×CTTmap×RHmap

(1)

其中，Tmap為溫度相關關系，CTTmap為云頂溫度相關關系，RHmap為相對濕度相關關系。

本文參考CIP算法中的相關關系和初始積冰潛勢計算方法，考慮直升機飛行特性對溫度相關關系略作調整，在CIP算法中，當-10 ℃≤T≤-3 ℃時Tmap設為最大值1，但由于直升機飛行速度較低，從而動力增溫很小(160 km/h速度下為0.6 ℃)，從本文兩次積冰探測來看直升機為-1～-2 ℃時也可以產(chǎn)生積冰現(xiàn)象，所以調整為當-10℃≤T≤-1 ℃時Tmap設為最大值1，具體相關關系如圖7所示。

圖7 用于穩(wěn)定云層初始積冰潛勢計算的溫度(a)、云頂溫度(b)、相對濕度(c)的相關關系圖

利用NCEP再分析資料，按照穩(wěn)定云層初始積冰潛勢計算方法：

CIPini-s=Tmap×CTTmap×RHmap×100%

(2)

對這兩次過程的積冰指數(shù)進行了計算。結果顯示，3月17日11-17時，在700-800 hPa高度存在積冰指數(shù)大值區(qū)(圖8a)，最大在90%以上，而飛機在下午16:10-16:40于1800-2100 m高度試飛探測到了積冰，積冰指數(shù)高值與該高度層有較好的對應。3月27日11-20時，在600-700 hPa高度存在積冰指數(shù)大值區(qū)(圖8b)，最大在80%以上，而飛機在上午11:00-11:45于2000-2200 m高度試飛探測到了積冰，積冰指數(shù)大值區(qū)的所在高度比飛機實際結冰高度偏高，在時段上基本對應。以上說明該算法積冰指數(shù)可以較好地反映這兩次過程的積冰潛勢。

圖8 2018年3月17日(a)和27日(b)昌吉積冰探測區(qū)積冰指數(shù)垂直分布隨時間變化

除利用溫濕條件計算積冰指數(shù)外，還可結合飛行速度、飛行高度等參量分析積冰強度。積冰強度的計算公式為[16]

(3)

式中,I為每分鐘形成冰層的厚度，單位為mm·min-1；飛行速度V的單位為km·h-1;捕獲系數(shù)E在0～1之間變動，一般對高積云和高層云取0.2，層積云取0.3，雨層云取0.6，濃積云和積雨云取0.8，在過冷雨區(qū)中取1;含水量W的單位為g·m-3，其計算公式為

(4)

式中，PH、fH分別為飛行高度上的氣壓和相對濕度，k為訂正系數(shù)。一般情況下k=0；飛行高度在逆溫層以下0～600 m時，k=0.3；飛機在濃積云和積雨云中飛行時，k=0.4；當云層處于消散階段時，k=-0.3。積冰強度分類標準如下(單位：mm·min-1)：

(5)

利用3月17日20時探空結果(圖5a)對積冰強度進行計算，通過前面分析可知積冰云層為層積云，E=0.3，V=120～160 km·h-1，PH=813 hPa，fH=92，k=0，則積冰強度I=0.49～0.65，基本屬于輕度積冰，實際探測為輕度毛冰。利用3月27日08時探空結果(圖5b)對積冰強度進行計算，通過前面分析可知積冰云層為層積云，云頂有逆溫，E=0.3，V=120～160 km·h-1，PH=784 hPa，fH=85，k=0.3，則積冰強度I=0.56～0.76，基本屬于輕—中度積冰，實際探測為輕—中度明冰。計算結果與實際探測結果基本吻合。

6 結 論

2018年3月17日和27日某型國產(chǎn)直升機在我國新疆昌吉州進行了積冰試飛，并兩次探測到積冰。本文利用衛(wèi)星、雷達、探空等觀測資料和NCEP再分析資料，以及云場數(shù)值模擬結果，對這兩次積冰試驗的云系特征和飛機積冰氣象條件進行了分析，得出以下主要結論：

(1)兩次直升機積冰過程影響系統(tǒng)分別為500 hPa低渦和500 hPa淺槽，地面有冷鋒配合。積冰時段處于低渦系統(tǒng)發(fā)展前期階段和低槽系統(tǒng)發(fā)展中期階段。

(2)從兩次積冰區(qū)域云宏觀結構來看，積冰云層均為中低云云層，云頂高度為4 km，云頂溫度為-15～-25 ℃，云底高度為1.5 km，云層厚度為1～3 km，光學厚度大于12，雷達回波特征不明顯，無回波或者回波強度在10 dBZ以下。3月27日低槽鋒面過程云頂有逆溫。CPEFS模式模擬云微觀結構表明，積冰云層是以過冷水為主，冰相粒子含量很少。

(3)積冰指數(shù)分析表明，根據(jù)直升機特性修改后的CIP初始積冰潛勢算法較好地體現(xiàn)了這兩次層積云飛機積冰特征，對于穩(wěn)定性云層的積冰潛勢具有指示意義。結合飛行速度等參量計算的積冰強度與實況基本吻合。