藺少龍，鄒永成，應(yīng)雨辰

（民航西南空管局氣象中心，四川 成都 610202）

飛機(jī)積冰是一種非常常見(jiàn)的危害飛行安全的天氣現(xiàn)象，當(dāng)航空器在存在過(guò)冷水液滴或者冰晶和過(guò)冷卻水混合的云層中飛行時(shí)，航空器的一些外部結(jié)構(gòu)存在發(fā)生積冰的風(fēng)險(xiǎn)，較多發(fā)生在航空器機(jī)體較為突出和迎風(fēng)的部位，如航空器機(jī)頭、風(fēng)擋玻璃、機(jī)翼和兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)等。

飛機(jī)積冰不但會(huì)嚴(yán)重影響航空器的某些部件表面的氣動(dòng)力性能，如果航空器較長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)在嚴(yán)重積冰區(qū)域，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害飛機(jī)的動(dòng)力性能，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致飛機(jī)安全事故的發(fā)生。根據(jù)美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)在過(guò)去30年間的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，整個(gè)美國(guó)由于航空器發(fā)生積冰引起的事故高達(dá)803 次。

相關(guān)研究表明積冰與地面氣團(tuán)性質(zhì)、地面天氣區(qū)、鋒面、高空槽、低渦、降水類(lèi)型、云的類(lèi)型及其覆蓋率以及雷暴等天氣尺度系統(tǒng)影響相關(guān)[1]。在暖鋒和錮囚鋒的下部1000～1500 m 高度積冰的危險(xiǎn)性最大，而在冷鋒云系中積冰區(qū)可伸展至很高的高度，其積冰強(qiáng)度也隨高度增大，但其水平延展尺度小于暖鋒，所以飛機(jī)在穿越冷鋒時(shí)發(fā)生積冰現(xiàn)象的時(shí)間尺度不長(zhǎng)[2]。HOBBS 等[3]在對(duì)中緯度氣旋的部分中小尺度空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，一般垂直運(yùn)動(dòng)速度不大，過(guò)冷卻水的含量不高的現(xiàn)象較為頻繁地出現(xiàn)在較寬冷鋒雨帶的低層。BERSTEIN 等[1]通過(guò)分析對(duì)比研究了發(fā)生在美國(guó)本土的37個(gè)航空器積冰天氣個(gè)例與具體天氣系統(tǒng)的關(guān)系，并分析了積冰相對(duì)于天氣系統(tǒng)的地理位置、降水出現(xiàn)的類(lèi)型、天空中的云量、積冰發(fā)生發(fā)展的水汽源地以及是否出現(xiàn)閃電、霧、雷達(dá)回波等對(duì)應(yīng)現(xiàn)象和天氣尺度動(dòng)力強(qiáng)迫機(jī)制，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)暖鋒前部250～600 km 范圍的凍雨區(qū)及陰天地區(qū)是更容易出現(xiàn)積冰的區(qū)域。

研究表明，地面觀測(cè)到凍雨時(shí)，空中就會(huì)有過(guò)冷大水大液滴[4]。在中國(guó)積冰區(qū)氣候分布特征研究方面，在大量積冰個(gè)例基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)發(fā)生積冰的云系進(jìn)行多尺度分不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行分析，對(duì)AMDAR 航空器觀測(cè)中積冰資料應(yīng)用其中的溫度、濕度和過(guò)冷卻水等進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)不斷積累分類(lèi)中國(guó)發(fā)生積冰的天氣系統(tǒng)，以及對(duì)積冰發(fā)生時(shí)的云量、云狀云高等云系特征在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行多尺度分析，有一些初步的研究結(jié)果。

依據(jù)多年儲(chǔ)存的歷史氣象資料，并根據(jù)不同的積冰強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算航空器積冰在中國(guó)的時(shí)空分布情況，利用多年氣象資料計(jì)算積冰指數(shù)在中國(guó)的分布情況，大大提升了對(duì)中國(guó)積冰氣候特征分布的研究進(jìn)展。雖然目前有部分學(xué)者對(duì)于西南地區(qū)的部分地區(qū)如貴陽(yáng)[5]、綿陽(yáng)[6]、廣漢[7]等局地積冰天氣個(gè)例進(jìn)行分析研究，但目前對(duì)于整個(gè)西南地區(qū)積冰的分布特征以及話(huà)音式航空器報(bào)告資料應(yīng)用較少。因此本文利用西南地區(qū)2015—2020年期間出現(xiàn)的航空器積冰空中報(bào)告，對(duì)其分布特征進(jìn)行研究，該研究結(jié)果可為西南地區(qū)航空器積冰預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)業(yè)務(wù)和西南地區(qū)民用航空器管制工作提供參考。

1 數(shù)據(jù)介紹

所使用數(shù)據(jù)為2015—2020年話(huà)音式航空器報(bào)空中報(bào)告，其來(lái)源于機(jī)組人員以話(huà)音的通信方式向地面空中交通管制人員傳遞的航空器信息報(bào)告，其內(nèi)容包括具體報(bào)告的時(shí)間、航空器發(fā)生的天氣現(xiàn)象及其強(qiáng)度、報(bào)告時(shí)的具體位置和高度、航空器具體型號(hào)、所屬航空公司及其航班號(hào)等信息。近年來(lái)，隨著中國(guó)航空運(yùn)輸業(yè)不斷發(fā)展，目前中國(guó)的大部分運(yùn)營(yíng)航空公司均采用A330、A320、B737 和B747 等服役時(shí)間較短且相關(guān)功能配套較為先進(jìn)的航空器飛行，這些新型飛機(jī)在全球各大航空公司廣為應(yīng)用，久經(jīng)驗(yàn)證，其能夠在飛行中遇到危險(xiǎn)天氣的抗干擾能力較強(qiáng)，再結(jié)合管制部分的及時(shí)通報(bào)，所收到的話(huà)音式航空器報(bào)告有較高的可靠性和較低的誤報(bào)，精準(zhǔn)可靠的航空器報(bào)告資料為研究西南地區(qū)的航空器積冰現(xiàn)象提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 航空器積冰分布特征分析

航空器發(fā)生積冰的直接影響氣象因素主要有大氣中的溫度、云中的過(guò)冷卻水含量以及過(guò)冷水液滴的形態(tài)和大小。﹣10～﹣2 ℃是最容易發(fā)生積冰的溫度區(qū)間，其中輕度積冰最容易出現(xiàn)在﹣10～0 ℃之間，中度積冰出現(xiàn)的溫度更低，在﹣12～﹣2 ℃之間，嚴(yán)重積冰容易出現(xiàn)得到溫度范圍最低，在﹣10～﹣8 ℃之間[8]。雖然大部分地區(qū)航空器發(fā)生積冰的溫度范圍基本一致，但對(duì)于不同地區(qū)的不同高度出現(xiàn)不同嚴(yán)重程度積冰的溫度范圍仍有所區(qū)別。云中過(guò)冷水含量越大，積冰強(qiáng)度也越大，云滴的大小影響積冰的類(lèi)型和強(qiáng)度，但影響程度比含水量和溫度小[9-10]。云中溫度露點(diǎn)差值越小，相對(duì)濕度就越大，越有利于積冰的形成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)積冰一般發(fā)生在云中溫度露點(diǎn)差小于7 ℃范圍內(nèi)，以0～5 ℃發(fā)生積冰最多，強(qiáng)積冰多發(fā)生在溫度露點(diǎn)差為0～4 ℃范圍內(nèi)[9]。

云中過(guò)冷水的含量越大，發(fā)生積冰的強(qiáng)度就越嚴(yán)重。云中過(guò)冷水含量主要依賴(lài)于氣溫，溫度越低，云中的過(guò)冷水含量越小，大水滴更易于被機(jī)體捕獲。液滴的直徑和水滴大小分布的實(shí)際形狀確定了飛機(jī)的有效沖并效率。以小水滴為主的云中，高液態(tài)水含量只能產(chǎn)生微量或者忽略不計(jì)的積冰，而主要由大水滴組成的云中，相對(duì)低的液態(tài)水含量也可能形成中等以上的積冰[9]。積冰強(qiáng)度的定義通常是指在單位時(shí)間內(nèi)航空器機(jī)身表面形成的冰層的厚度[11]。

目前，依據(jù)積冰對(duì)航空器運(yùn)行的危害程度將積冰分為4 個(gè)等級(jí)。如表1 所示，即微量積冰、輕度積冰、中度積冰和嚴(yán)重積冰。微量積冰和輕度積冰被認(rèn)為一般不會(huì)對(duì)飛行器運(yùn)行造成危害，而中度積冰或嚴(yán)重積冰發(fā)生時(shí)則會(huì)對(duì)飛行器正常運(yùn)行造成較大影響和危害。

表1 積冰強(qiáng)度分類(lèi)

2.1 飛機(jī)積冰的強(qiáng)度分布

根據(jù)2015—2020年共6年的飛機(jī)積冰報(bào)告資料，將飛機(jī)積冰按強(qiáng)度劃分，如圖1 所示，從圖中可以看出中度飛機(jī)積冰的報(bào)告數(shù)量最多，共268 個(gè)，占總數(shù)的40.85%；其次是嚴(yán)重積冰，共243 個(gè)，占總數(shù)的37.04%；輕度積冰所占比例最低，僅38 個(gè)，占5.79%，其中中度及以上（包括中度積冰、中到嚴(yán)重積冰和嚴(yán)重積冰）積冰的報(bào)告數(shù)共有555 個(gè)，共占84.60%，因此中國(guó)西南地區(qū)飛機(jī)積冰主要集中在中度及以上強(qiáng)度，同時(shí)在相同天氣背景條件下遭遇中度及以上的飛機(jī)積冰天氣概率較大。不同的民航機(jī)型在飛行階段，對(duì)于飛機(jī)積冰的強(qiáng)度判別擁有不同的判斷方法，在實(shí)際情況下機(jī)組也會(huì)根據(jù)機(jī)載積冰探測(cè)系統(tǒng)和實(shí)際觀察去判斷積冰強(qiáng)度，所以在航空器積冰報(bào)告資料中，機(jī)載的相關(guān)設(shè)備和機(jī)組報(bào)告人員的主觀判斷都會(huì)對(duì)航空器積冰報(bào)告資料的精度和準(zhǔn)確程度有所影響，從而導(dǎo)致在部分航空器遭遇較輕程度積冰時(shí)未引起機(jī)組注意或主觀判斷無(wú)需報(bào)告從而導(dǎo)致報(bào)告資料與實(shí)際情況出現(xiàn)一些差異；而在航空器遭遇中度及以上的積冰時(shí)，由于其對(duì)于航空器的影響和危害較大，所以對(duì)于中度及以上強(qiáng)度的積冰報(bào)告數(shù)據(jù)更為全面和詳細(xì)。

圖1 不同強(qiáng)度飛機(jī)積冰數(shù)量及其比例

2.2 飛機(jī)積冰的時(shí)間分布

對(duì)西南地區(qū)航空器積冰報(bào)告資料逐年分強(qiáng)度分析，如圖2 所示，從圖中可以看到總體航空器積冰報(bào)告年變化，總數(shù)逐年呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，尤其在2017年及其以后的積冰航空器報(bào)告頻率明顯多于2015—2016年，這與航空器報(bào)告制度的完善和中國(guó)航空業(yè)發(fā)展以及中國(guó)機(jī)場(chǎng)旅客吞吐量逐年以10%左右的速度遞增密切相關(guān)[12]。其中在2015年航空器積冰報(bào)告次數(shù)最少，共出現(xiàn)了27 次，2020年航空器積冰報(bào)告次數(shù)呈現(xiàn)出最多的特征共193 次；中度積冰的報(bào)告次數(shù)在圖2 中呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2016年中度積冰報(bào)告次數(shù)最少，共8次，2020年中度積冰報(bào)告次數(shù)最多，共83 次；而嚴(yán)重積冰和中到嚴(yán)重積冰在時(shí)間特征上呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，在2015年嚴(yán)重積冰和中到嚴(yán)重積冰報(bào)告次數(shù)共為12 次，報(bào)告次數(shù)最少，2018年嚴(yán)重積冰和中到嚴(yán)重積冰報(bào)告次數(shù)共為83 次，報(bào)告次數(shù)最多；總體來(lái)看2015—2020年的積冰航空器報(bào)告中，中度積冰和嚴(yán)重積冰均為該年度中報(bào)告次數(shù)較多的積冰類(lèi)型，中度及以上積冰（包括中度積冰、中到嚴(yán)重積冰和嚴(yán)重積冰）的報(bào)告次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于輕度積冰和輕到中度積冰的次數(shù)，且中度及以上積冰報(bào)告次數(shù)呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖2 西南地區(qū)飛機(jī)積冰逐年強(qiáng)度變化特征

中國(guó)西南地區(qū)主要包括四川、重慶、云南、貴州和西藏西南地區(qū)，其面積遼闊、地形復(fù)雜，涵蓋了高原、山地、盆地、丘陵等多種地形，導(dǎo)致西南地區(qū)各季節(jié)氣候不一，氣候上涵蓋溫度季風(fēng)氣候、亞熱帶季風(fēng)氣候、高原山地氣候等多種氣候類(lèi)型特征，甚至在不同地區(qū)的不同月份都呈現(xiàn)出截然不同的氣候現(xiàn)象，氣候差異巨大，因此對(duì)于西南地區(qū)航空器積冰報(bào)告按照季度、強(qiáng)度進(jìn)行劃分，如圖3 所示。從圖中可以看出，冬季積冰報(bào)告次數(shù)最多，共455 次，占總數(shù)的69.36%；秋季的積冰報(bào)告次數(shù)次之，為133 次，占總數(shù)的20.27%；夏季的積冰報(bào)告次數(shù)最少，為15 次，占總數(shù)的2.29%；嚴(yán)重積冰和中度積冰占總積冰報(bào)告數(shù)的比例總體在20%～60%之間波動(dòng)，但中度積冰占總積冰報(bào)告數(shù)的比例明顯在春、冬季節(jié)大于夏、秋季節(jié)，而嚴(yán)重積冰占總積冰報(bào)告次數(shù)的比例在夏季顯著高于其他3 個(gè)季節(jié)，達(dá)到了60%；另外在中度和嚴(yán)重積冰的比重呈現(xiàn)出不完全一致的變化規(guī)律，在夏季積冰報(bào)告總次數(shù)較少的背景下出現(xiàn)嚴(yán)重積冰報(bào)告的比例大于出現(xiàn)中度積冰的報(bào)告比例，這與夏季出現(xiàn)積冰時(shí)多與強(qiáng)對(duì)流天氣有關(guān)；在其余季節(jié)中嚴(yán)重積冰占總積冰報(bào)告次數(shù)的比例略低于中度積冰總積冰報(bào)告次數(shù)的比例，嚴(yán)重和中度的飛機(jī)積冰在季節(jié)上的分布與總的飛機(jī)積冰報(bào)告在季度上的分布大體一致。

圖3 西南地區(qū)積冰季節(jié)強(qiáng)度分布規(guī)律

根據(jù)2015—2020 共6年的航空器積冰資料，將飛機(jī)積冰報(bào)告按照年份，逐月進(jìn)行劃分，如圖4 所示。從圖中可以看出，近6年的積冰報(bào)告月份規(guī)律基本一致，1、2、11、12 月發(fā)生積冰頻率最高，且1 月積冰航空器報(bào)告的頻率最高，12 月次之，2 月和11 月相對(duì)偏低；在6—9 月間的積冰報(bào)告次數(shù)相對(duì)較少，而6—8月的報(bào)告的頻次均在20 次以下；而在2018年4 月和2008年10 月積冰次數(shù)出現(xiàn)了較為明顯增長(zhǎng)的情況，在2020年12 月出現(xiàn)了積冰報(bào)告次數(shù)相對(duì)較少的情況，這與當(dāng)年該月份的具體天氣形勢(shì)存在密切聯(lián)系。

圖4 西南地區(qū)航空器積冰逐月分布規(guī)律

2.3 飛機(jī)積冰的空間分布

將整理好的飛機(jī)積冰報(bào)告資料與中國(guó)西南地區(qū)主要航路疊加在主要西南地區(qū)的省界地圖上，如圖5 所示，可以更加直觀地發(fā)現(xiàn)航空器積冰報(bào)告在西南地區(qū)的二維空間分布特征。中國(guó)西南地區(qū)2015—2020年的飛機(jī)積冰報(bào)告整體比較集中在四川中東部、重慶中部、云南東北部、貴州中東部和北部等地區(qū)，其中大部分航空器積冰報(bào)告出現(xiàn)在主要航路附近，另外其他部分積冰多發(fā)生在省會(huì)城市，如成都、重慶、貴陽(yáng)、昆明和拉薩附近，表明積冰的航空器報(bào)告資料與機(jī)場(chǎng)、航路的運(yùn)行流量存在一定的關(guān)聯(lián)。但是在不同省會(huì)之間，出現(xiàn)積冰報(bào)告的頻次有明顯差異，這與西南地區(qū)中成都、重慶區(qū)域航班流量最多，昆明和貴陽(yáng)次之，拉薩航班流量最少的特征相關(guān)。

圖5 西南地區(qū)主要航路與飛機(jī)積冰分布圖

3 小結(jié)

綜上所述，可以得到以下結(jié)論：①中度飛機(jī)積冰的報(bào)告數(shù)量最多，共268 個(gè)，占總數(shù)的40.85%；嚴(yán)重積冰報(bào)告數(shù)量次之，共243 個(gè)，占總數(shù)的37.04%；其中中度及以上積冰的報(bào)告數(shù)共有555 個(gè)，共占84.60%，中國(guó)西南地區(qū)飛機(jī)積冰主要集中在中度及以上強(qiáng)度。②航空器積冰報(bào)告數(shù)量呈現(xiàn)明顯的逐年上升趨勢(shì)，中度及以上積冰報(bào)告的增長(zhǎng)趨勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中度以下積冰報(bào)告次數(shù)。③2015—2020年中每一年的季節(jié)和逐月份變化規(guī)律基本一致，冬季積冰報(bào)告次數(shù)最多，發(fā)生積冰頻率最高的月份也集中在1、2、11、12 月，且發(fā)生中度及以上強(qiáng)度積冰主要集中在12、1、2 三個(gè)冬季月份。④中國(guó)西南地區(qū)航空器積冰報(bào)告與西南地區(qū)的主要航路的分布存在密切聯(lián)系，航空器積冰現(xiàn)象多發(fā)生在航班通行量較大、導(dǎo)航點(diǎn)和航路點(diǎn)較為集中和較為繁忙的航路航線地區(qū)，主要集中在四川中東部、重慶中部、云南東北部、貴州中東部和北部等區(qū)域。