李佰平 李靜 楊箏 倪洪波 呂青 王平

摘要 隨著我國航空工業(yè)的發(fā)展，特別是國產民機型號研制的不斷突破，飛機試飛氣象保障服務與技術研究不斷受到各界的重視。飛機試飛場景特殊性、高風險性、復雜性的特點，對氣象服務提出了全新的要求。本文闡述了試飛氣象保障服務的主要內容，結合在保障型號取證試飛過程中的里程碑事件和重點科目，分析了當前試飛氣象保障服務的發(fā)展現(xiàn)狀，并考慮到未來隨著飛機制造和試飛事業(yè)進一步發(fā)展的需求，以飛機結冰和顛簸為例，討論了下一階段試飛氣象保障技術研究的重點方向，希望能為將來更好地保障國產大飛機事業(yè)發(fā)展提供氣象參考意見。

關鍵詞飛機試飛;氣象服務;C919;飛機結冰;過冷大水滴;飛機顛簸

試飛是飛行試驗的簡稱，是在真實大氣條件下進行科學研究和產品試驗的過程。在飛機交付使用之前，飛機主制造商需對飛機進行飛行測試，采集飛機飛行數(shù)據(jù)，使飛機在交付之前處于最穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，保證飛機飛行結果的準確科學。因此，試飛被喻為“駕駛一輛性能不確定的車在懸崖上高速行駛”，因其危險性、艱巨性，又被喻為“刀尖上的舞蹈”。試飛是一款新機型取得型號合格證前的重要環(huán)節(jié)（歐陽亮，2021）。

試飛需要專門在最臨界預期環(huán)境或飛行條件下來表明或確認適航規(guī)章要求的符合性（歐陽亮，2021）。其中部分最臨界預期環(huán)境與極端氣象條件緊密相關，如高溫、高濕、高寒、自然結冰、大側風等（孫俊穎等，2021）。相應地，飛機試飛中的氣象保障工作可以分為特殊天氣和常規(guī)氣象保障（李佰平等，2017）。特殊天氣就是指為完成某些臨界氣象條件下的試飛科目所要求抓取和捕捉的天氣。常規(guī)氣象保障是指，在一些無特殊氣象要求的試飛科目中，氣象工作人員要為試飛提供氣象支持，幫助試飛團隊避開危險天氣，保證試驗科目的正常試飛。常規(guī)天氣保障類似于一般民航運行中的航空氣象服務，但運行標準有較大差異，如對風、能見度、云、強對流等高影響天氣更敏感，因此對天氣的監(jiān)測預報有更高的實時性與準確性要求，且對相關天氣影響閾值需要重新分析和評估。對于特殊天氣氣象保障，需要解決的關鍵問題包括：相關特殊天氣科目應在何時何地開展以及重現(xiàn)期如何、如何準確監(jiān)測和預報各種特殊天氣。在保障型號試飛的過程中發(fā)現(xiàn)，如何精準預測飛機結冰和顛簸的問題最為突出，因此在后續(xù)討論的過程中，多以上述兩個問題為主。

近年來，隨著我國航空工業(yè)的發(fā)展，特別是國產民機的進步，試飛氣象保障服務日益受到飛機主制造商和民航業(yè)的重視。自20世紀80年代以來，通過對運12、新舟60、ARJ21、C919等機型的試飛驗證工作，我國已經(jīng)逐步建立起完善的適航規(guī)章、管理程序和咨詢通告等適航文件體系，建立了分工合作的審定中心體系，在試飛方法、試飛技術等方面取得了長足的進步。在這個過程中，氣象保障服務也實現(xiàn)了突破，特別是在為型號試飛捕捉特殊天氣、確保試飛安全、保證試飛進度、保障試飛質量和特殊天氣氣象條件研究等方面。其中國產新支線飛機ARJ21是我國第一款完全按照中國民航局CCAR-25部運輸類飛機適航標準要求開展審定的民用客機，作為國產商用飛機“探路者”的摸索和積累，為C919適航取證積累了寶貴財富（賈遠琨，2022）。以往我國圍繞試飛氣象保障服務的研究多是圍繞某個特定科目或特定試飛區(qū)域的氣象需求和技術研究開展，尤以飛機自然結冰（孫晶和李想，2020;丁軍亮等，2023）和大側風試飛（呂碧江等，2017）最受關注，但未從飛機試飛對氣象服務總體需求的角度開展討論;此外雖然有部分工作較為系統(tǒng)地涉及了試飛氣象保障業(yè)務整體發(fā)展情況，但多停留在需求分析層面，且由于時間問題，未能涵蓋近幾年與國產民機事業(yè)發(fā)展相伴隨的試飛氣象業(yè)務所取得的突破性進展（李佰平等，2017）。因此，本文基于筆者長期參與試飛氣象服務的經(jīng)驗與認知，圍繞飛機試飛場景較為完整地討論了氣象服務的需求，分析了近幾年來我國試飛氣象保障服務的發(fā)展現(xiàn)狀和突出成果，并展望了將來試飛氣象保障技術研究的若干重點，以期能更好地為國產飛機研制和我國航空產業(yè)又好又快發(fā)展提供高質量的氣象保障服務。

1 飛機試飛場景及對氣象服務的需求

在我國，試飛場景是隨著大飛機事業(yè)發(fā)展應運而生的需求。一般航空氣象保障的對象是擁有較大用戶群的空管、航司或通航等用戶，而試飛氣象服務作為航空氣象服務的一個分支，對象主要是飛機主制造商，在國內和國外均屬于較為冷門的個性化、定制化用戶需求，與一般的航空氣象服務既有差別又有共同點。如試飛場景與航空場景均對天氣預報的準確性與實時性要求更高，特別是時空尺度小、發(fā)展演變快、預報難度大的強對流天氣，因其常伴有強雷暴與下?lián)舯┝鞯?，對飛行安全的保障工作至關重要（楊波等，2021）。

從不同點來看，試飛場景與一般航空氣象服務場景相比，其對氣象條件要求更為嚴苛，對高影響天氣的關注閾值不同，且與民航運行需要避開危險天氣不同，試飛還需要捕捉特殊天氣，因此對高影響天氣預報的精準程度要求更高，尤其是對空報的容忍度低。

具體而言，與民航運營相比，常規(guī)試驗飛行時，運行標準一般偏高。試飛本身是一種高風險飛行，試驗機的成熟度不夠，不允許多種風險疊加，需要比民航航線運行更加寬松和安全的氣象環(huán)境;試驗機的構型完整性也會對氣象條件提出更高要求，比如氣象雷達是否安裝到位會影響對雷暴天氣的探測能力，儀表著陸系統(tǒng)的驗證會影響低云、低能見度條件下的著陸能力，照明系統(tǒng)的完善會影響飛機的穿云能力等;此外試驗機的飛行包線是一個逐步擴展的過程，如雨天、夜間、大側風等條件下的飛行限制都需要通過試飛試驗逐步放開。因此試飛對風、能見度、云、強對流等高影響天氣的監(jiān)測預報有更高的實時性與準確性要求;同時由于前述運行標準的差異，對風、能見度和云底高度等高影響天氣監(jiān)測預報的關注閾值需要重新分析和評估。如C919首飛時，對當天浦東機場的云和能見度都提出了更高的要求;某些特定的科目也會對試驗期間的天氣（如風向風速）提出要求。

氣象環(huán)境是飛機在飛行過程中最直接的運行環(huán)境。為了保證航線商業(yè)運營的安全性、舒適性和經(jīng)濟性，一款新型號飛機需要考慮各種極端氣象條件下的運行能力。因此，如何高效捕捉特殊天氣是試飛氣象保障中的一個重要課題。特殊天氣具有適航標準要求高、極端性強等特點，在某種程度上，甚至成為限制飛機完成適航取證的關鍵因素之一。以自然結冰試飛為例，以往由于受限于我國民機事業(yè)的發(fā)展和飛機自然結冰氣象條件的研究，國內飛機自然結冰試飛受到極大的影響，國產ARJ21飛機曾在烏魯木齊試飛4 a未果，直至2014年遠赴北美才完成試驗;而運12F則于2017年直接在北美完成試驗。針對飛機結冰，以往的研究都是防止航線飛機進入可能的結冰環(huán)境。但對于自然結冰試飛，則必須反其道而行之。氣象服務最重要的工作就是提供云中過冷水的精準預報，不僅要引導飛機通過穿云飛行，使得飛機非防護表面產生結冰，而且對于結冰的厚度、時間均有嚴格的要求，同時云層液態(tài)水含量（Liquid Water Content，LWC）、中值體積直徑（Medium Volume Diameter，MVD）、周圍空氣溫度等云層的物理特征均需滿足相關適航條款的要求。此外對于其他大部分特殊天氣科目的試飛而言，也都存在找天氣難、風險高、組織復雜這三大難點。相應地，對氣象保障的“監(jiān)測精密、預報精準、服務精細”都提出了更高、甚至是新的要求。

2 飛機試飛氣象服務的主要內容

由于試飛場景獨特的保障需求，決定了氣象服務需要涵蓋以下幾個方面，包括預報預測服務、氣候條件分析、觀測方案設計、適航標準氣象解釋等。具體而言，預報預測服務即從決策服務的角度出發(fā)，氣象服務需要為試飛團隊提供從氣候、中短期到短時臨近監(jiān)測的無縫隙預報服務。氣候條件分析主要是為選擇特殊天氣試飛機場、空域或時間窗口期提供前置的氣象評估意見，試飛團隊再綜合型號研制進度、機場保障條件、空域申請等因素綜合確定試驗時間和區(qū)域。此外，氣候條件分析也可以為選擇日常試飛的基地機場提供參考意見。觀測方案設計主要指針對特定的試飛科目（如自然結冰、大側風）設計特定的氣象觀測方案，以提高氣象支持水平進而提升試飛效率。隨著航空事業(yè)的發(fā)展和新需求的涌現(xiàn)，圍繞與試飛相關的特定研究對象，開展觀測方案設計，組織開展相應的觀測研究試驗，正不斷得到各方的關注。適航標準氣象解釋是指針對相關適航大綱中的與氣象相關的條款從氣象專業(yè)角度給出解釋，并從氣候條件分析、預報預測、觀測方案設計等方面提供具有較強操作性的、有效的氣象解決方案。一般而言，適航標準僅給出原則性的、簡單的說明，如與自然結冰有關的CCAR-25部附錄C僅利用六張圖給出了連續(xù)最大和間斷最大情況下云中液態(tài)水、中值體積直徑、溫度、高度、飛行距離的相關關系，國內幾乎沒有其他可供自然結冰試飛參考使用的結冰氣象條件標準，而附錄C是根據(jù)五大湖的氣象條件制定的，那么國內是否有相似的結冰氣象？如何準確地預測結冰氣象？是否需將該標準進行本土化處理？這些在當時都是未知的（張曉和王學良，2022）。氣象專業(yè)需要深入了解附錄C的來源與發(fā)展歷程，評估當前氣象預報業(yè)務對飛機結冰相關參數(shù)的預報水平，并圍繞試飛場景建立飛機結冰的監(jiān)測預報方法，將其轉化為當前天氣預報預測業(yè)務中的一部分。

3 我國飛機試飛氣象服務的發(fā)展現(xiàn)狀

在我國承擔型號飛機試飛任務的機構主要是中國飛行試驗研究院（以下簡稱試飛院）和中國商飛民用飛機試飛中心。試飛院，又稱航空工業(yè)試飛中心，創(chuàng)建于1959年，是我國唯一經(jīng)國家授權的軍民用飛機、航空發(fā)動機、機載設備等航空產品國家級鑒定試飛機構，是國家級的飛行試驗技術研究機構，同時也是國家“飛機適航認可實驗室”。中國商飛民用飛機試飛中心成立于2012年9月，是中國商飛公司專業(yè)的民用飛機試飛研制實施機構，主要負責民用飛機飛行試驗的實施規(guī)劃和能力建設，建立飛行試驗工作的制度、程序、標準和規(guī)范，承擔公司研制飛機的科研試飛、取證試飛、生產交付試飛及客戶支援試飛等實施工作。在我國航空事業(yè)創(chuàng)立和初步發(fā)展時期，氣象服務以保障試飛安全為主，受到的關注度并不高。隨著我國航空事業(yè)的蓬勃發(fā)展，尤其是以ARJ21和C919為代表的民機成功獲得型號合格證并實現(xiàn)商業(yè)化運營，試飛氣象服務逐漸受到各方關注，并在相關型號研制過程中得到了進一步發(fā)展。在此期間，氣象部門與相關試飛任務承擔單位精誠合作，逐漸形成了全方位、一體化的試飛氣象保障服務解決方案和工作機制，并在保障相關型號試飛的過程中不斷取得突破，基本實現(xiàn)國內試飛氣象服務的自主可控。由于飛機試飛科目眾多，本節(jié)選擇試飛氣候資源、飛機結冰和陣風載荷試飛為例，簡要闡述我國飛機試飛氣象服務的發(fā)展現(xiàn)狀。

3.1 我國試飛氣候資源

分析試飛氣候資源對于提高試飛計劃任務安排的合理性和科學性具有重要意義。特殊天氣的再現(xiàn)周期一般以“年”為單位計，出現(xiàn)在一年特定的季節(jié)里。其一旦錯過，將會延誤型號的試驗進度，影響飛機交付，從而增加飛機研發(fā)成本。

由于我國航空工業(yè)和試飛事業(yè)起步較晚，所以對于試飛天氣氣候資源的評估亦存在較多的認識偏差，甚至一度有種觀點認為國內沒有適合進行自然結冰試飛的氣象條件（歐陽亮，2022）。從國際航空制造巨頭的試飛來看，由于民用飛機的研制考慮經(jīng)濟效益優(yōu)先，所以他們多采用現(xiàn)成的經(jīng)驗和體系在全球適宜的地方開展，如巴航工業(yè)ERJ-170和ERJ-190系列的結冰試飛在北美五大湖區(qū)域完成（Bernstein et al.，2006），波音MAX8在俄羅斯雅庫茨克開展高寒試飛、在澳大利亞達爾文開展高溫試飛（馬援，2018），空客A320的高寒試驗也在俄羅斯完成，大側風試驗試飛則在冰島完成。這一方面是由于部分國家的自然資源條件所限，另一方面與當?shù)貦C場的基礎設施條件有關，如大側風試驗對風相對于跑道的方向有嚴格的要求，因此大部分機場難以捕捉到較大量級的側風。

無論是從實現(xiàn)試飛保障自主可控考慮，還是從提高經(jīng)濟效益考慮，對國內試飛氣候資源開展摸底評估，并合理規(guī)劃、優(yōu)先在國內完成相關試飛任務都是最優(yōu)選擇。因此，本小節(jié)結合飛機適航審定試飛中特殊天氣的要求（包括大風、側風、高溫、高溫高濕、高寒以及飛機自然結冰等），基于若干年的全國機場觀測報文、站點氣象探空資料、再分析資料等，采用特定的算法分析評估了上述特殊天氣出現(xiàn)的機場和空域以及出現(xiàn)的時間、伴隨的天氣現(xiàn)象等，為特殊天氣條件試飛尋找合適的機場、空域和時間窗口期提供了重要的決策依據(jù)。

總體而言，我國的試飛氣候資源相對比較豐富（圖1），如高寒科目可以選擇以海拉爾為代表的高緯度機場在冬季實施、高溫科目可以選擇吐魯番機場在夏季實施、高原或高高原試飛可以選擇以青海格爾木和四川稻城亞丁為代表的高海拔機場進行、大側風（地面試驗和起降飛行）可以選擇以內蒙古錫林浩特為代表的我國北方機場、高溫高濕試驗可以選擇以南昌瑤湖為代表的我國南方機場。即使是難度較大的自然結冰試飛，基于相關的算法和資料分析，發(fā)現(xiàn)以西南地區(qū)為中心，我國大部分地區(qū)冬半年也常有中度以上的結冰條件發(fā)生（倪洪波等，2023）。事實上，C919歷經(jīng)5 a時間克服了“新冠”疫情等復雜環(huán)境的不良影響，基于國內的天氣氣候資源完成了取證所需的全部特殊天氣試飛科目（賈遠琨，2022）。這些都說明在我國境內有較為豐富的特殊氣象條件科目試飛氣候資源。

3.2 自然結冰試飛氣象服務發(fā)展現(xiàn)狀

自然結冰試飛，是在真實的結冰氣象環(huán)境中，使用科學的試飛方法、程序和準則，去刻畫、揭示結冰云層物理性質和飛行器技術特性的過程。由于自然結冰氣象條件動態(tài)變化及難以捕捉性、與適航規(guī)章附錄C規(guī)定最大結冰條件的差異性、結冰大氣參數(shù)的非穩(wěn)定性、試驗科目的綜合性、試驗的高風險性等原因，自然結冰試飛成為型號取證期間環(huán)境條件最為嚴苛、風險最大、技術復雜性最高、執(zhí)行實施難度最大的試飛科目，被認為是取證道路上最大的“攔路虎”（丁軍亮等，2023）。其中如何建立符合試飛場景需求的飛機結冰預報方法，提高預報準確率，并在短時臨近監(jiān)測預報及飛行實施時提供協(xié)同指揮，是需要解決的關鍵氣象問題。

在結冰條件診斷和預測方面，基于多源探測資料和（或）數(shù)值模式的飛機結冰診斷（預報）方法較多，如建立基于溫度和濕度閾值的數(shù)值模式結冰潛勢算法，以及結合垂直熱力結構對結冰區(qū)域預報識別。許多學者根據(jù)所收集的飛機結冰報告，分析了飛機結冰發(fā)生時的大氣環(huán)境條件統(tǒng)計特征，設計了分別考慮云中液態(tài)水含量、大氣溫度、濕度、冷暖平流、垂直速度、大氣穩(wěn)定度、降水類型、云狀等因素的多種積冰預報方法，如RAP積冰預報方案、NAWAU積冰預報方案、RAOB積冰方案，這些積冰預報方法均能在一定程度上指示飛機積冰的發(fā)生（Schultz and Politovich，1992;Thompson et al.，1997）。隨著數(shù)值模式云微物理方案的改進，直接引入模式輸出的云微物理參數(shù)構建飛機結冰潛勢算法成為一種有效的方式。Morcrette et al.（2019）基于Met Office Unified Model（MetUM）全球模式輸出的液態(tài)水含量、相對濕度、垂直速度和溫度，給出SFIP結冰指數(shù)（Simplified Forecast Icing Potential），在此基礎上利用模式云微物理方案中的LWC、IWC（Ice Water Content）以及云分量替代簡單的LWC和相對濕度，可以有效降低云發(fā)生頻率的預測誤差，提高結冰診斷準確率。Bernstein et al.（2005）發(fā)展了當前結冰潛勢（Current Icing Potential，CIP）分析方法，其方法是基于模糊邏輯（Fuzzy-Logic）概念將與結冰有關的溫度、濕度、云量、云水等與結冰的可能性相聯(lián)系，做成曲線，找出各種情況下結冰可能性和結冰強度，并發(fā)展為預報結冰潛勢（Forecasting Icing Potential，F(xiàn)IP），在NCAR（National Center for Atmospheric Research）開展業(yè)務應用。CIP通過云頂溫度的關系考慮了云相態(tài)對飛機結冰的影響，提高了診斷的準確率，減少了空報。李佰平等（2018）在CIP算法的基礎上，構建了一種改進的飛機自然結冰潛勢算法，并在國內型號結冰科目試飛等得到了有效應用（倪洪波等，2022;丁軍亮等，2023）。

由于飛機結冰是因為大氣中過冷卻水的存在，所以直接利用模式輸出的云微物理參數(shù)開展結冰診斷和預報也是一個常用的方法。以往利用WRF模式對天氣過程的數(shù)值研究多集中在氣溫、降水等氣象要素的模擬性能評估上，而對云量、云水含量等多尺度的云水物理過程關注較少（黃乾和錢悅，2021）。隨著雙參數(shù)云-氣溶膠微物理方案的應用，在模式預測水物質含量的基礎上，又增加數(shù)濃度的分布和變化預測，有效地改進了云和降水的預測技巧（Abel and Boutle，2012;Thompson and Eidhammer，2014;Grabowski et al.，2019）。Thompson et al.（2017）利用雙參數(shù)Thompson方案的WRF10年回算資料和FAA（Federal Aviation Administration，美國聯(lián)邦航空管理局）結冰數(shù)據(jù)集開展了對比分析，并指出模式顯式輸出的LWC、MVD、數(shù)濃度和溫度與飛機觀測具有較高的一致性。在飛機結冰的業(yè)務預報中，全球和區(qū)域數(shù)值模式提供的相關云微物理參數(shù)輸出也是一個重要的參考，如云中水物質的分布能為判別云層相態(tài)提供依據(jù)，特別是在冬季穩(wěn)定層狀云中，模式提供的云中液態(tài)水與飛機實際觀測在量級上以及表征飛機結冰嚴重程度上具有較好的一致性。

由于飛機結冰天氣本身的特點和變化，在現(xiàn)場指揮保障方面如何基于多源氣象觀測和飛行反饋及時指揮飛機進入適合的結冰云層，是結冰試飛成敗的“最后一公里”。以往由于飛機結冰試飛氣象保障經(jīng)驗的不足以及對于飛機結冰發(fā)生的氣象條件和云微物理特征認識不深，導致不能給飛機追云提供有效的氣象決策支持。飛機探測是認識飛機結冰區(qū)域云物理特征最有效的手段之一，目前常用的是美國粒子測量公司（Droplet Measurement Technology，DMT）的機載云微物理測量系統(tǒng)，相關設備除了應用于云降水物理與人工影響天氣研究外，還為遙感技術、云模式等提供數(shù)據(jù)校驗以及為民機研發(fā)取證提供輔助（黃敏松等，2021;黃敏松和雷恒池，2022）。結合國內的飛機結冰探測試驗和型號試飛的典型個例評估（陳躍等，1989;仝建輝，2000;孫晶等，2019;倪洪波等，2022）和多源觀測資料分析，本文給出了我國冬季層狀云中飛機結冰發(fā)生時的典型云微物理參數(shù)特征，以及在地面、探空、衛(wèi)星、雷達等多種觀測上的主要特征（表1），可為飛機結冰試飛協(xié)同指揮現(xiàn)場保障提供重要參考，以彌補中短期內基于數(shù)值模式的飛機結冰預報產品精細化程度和預報偏差等問題造成的不足。

基于上述飛機結冰氣象研究成果，相關氣象團隊于2020年3月完成了國產某大型重點型號運輸機自然結冰試飛任務（倪洪波等，2022），并在2022年1—2月完成了C919國產大型客機適航審定自然結冰試飛任務（圖2；丁軍亮等，2023;倪洪波等，2023）。有賴于精準的飛機結冰氣象條件預測，C919結冰審定試飛在陜西地區(qū)僅耗時一個月，試飛效率與相關型號在北美試飛的效率基本相當（Bernstein et al.，2006），實現(xiàn)了飛機結冰氣象條件的精準監(jiān)測和預報，有力保障了型號研制進度。

此外，過冷大水滴下的結冰環(huán)境以及不同結冰環(huán)境之間的轉化、高空冰晶對發(fā)動機的影響等試飛氣象需求越來越受到業(yè)內的關注。過冷大水滴（Supercooled Large Droplet，SLD）的直徑超過100 μm，超出了附錄C結冰適航條款范圍。1994年美國一架ATR72飛機因遭遇凍毛毛雨而積冰墜毀，Marwitz et al.（1997）利用多種氣象觀測和模式資料開展了分析，并指出過冷大水滴的存在是此次事故的主要原因，其中-10～-15 ℃的云頂溫度、弱雷達回波、強垂直風切變均有利于強鋒區(qū)中凍毛毛雨的形成。此后，北美的學者們通過1995—1999年NASA、FAA 和加拿大環(huán)境部門等機構組織的北美飛機結冰外場試驗（如1995—1998年的加拿大凍毛毛雨觀測試驗（Canadian Freezing Drizzle Experiment，CFDE）、1999—2000年的聯(lián)合結冰研究（AIRS）），形成了過冷大水滴（>100 μm）結冰數(shù)據(jù)集（包含6個外場試驗、134次飛行、2 444個結冰環(huán)境）。他們根據(jù)最大粒子直徑（dmax）將SLD結冰環(huán)境分為凍毛毛雨（100～500 μm）和凍雨（>500 μm）兩種場景，而兩種場景又根據(jù)MVD大小（40 μm），再分為兩個子集，以上這4種結冰條件基本上包含了SLD結冰環(huán)境。由此他們基于極端值分析技術，給出了99％和99.9％閾值的SLD結冰限制包線（Cober and Isaac，2006，2012;Cober et al.，2009;Jeck，2010）。同時Cober and Isaac（2012）研究指出，88％凍毛毛雨的形成機制為碰并融合（collision-coalescence），而92％凍雨的形成是由于融化（melting）機制?！氨嗳诨边^程中，冰粒子從高空下落到溫度在0 ℃以上的大氣層中，融化為雨滴;“碰并融合”過程為地面至高空氣溫均低于0 ℃，凍雨或凍毛毛雨由液滴碰并形成（牛生杰等，2021）。2019年，F(xiàn)AA聯(lián)合相關機構組織了ICICLE（FAA-led In-Cloud ICing and Large drop Experiment）試驗。該試驗的目標為，觀測、記錄和分析凍毛毛雨、凍雨、小水滴結冰的環(huán)境場特征和云微物理特征，幾種結冰環(huán)境與非結冰環(huán)境的轉化，并評估當前模式預報水平（Rugg et al.，2022）?；谏鲜鲅芯砍晒?，F(xiàn)AA于2014年頒布了針對過冷大水滴試飛要求的附錄O，緊接著EASA（European Aviation Safety Agency，歐洲航空安全局）也發(fā)布了關于SLD結冰的適航規(guī)范修正案CS-25第16號修正案（https：／／www.gpo.gov／fdsys／pkg／FR-2014-11-04／pdf／2014-25789.pdf）。

除由過冷水產生積冰外，還有由高含水量的冰晶粒子（HIWC，High Ice Water Content）引起的發(fā)動機積冰，其通常發(fā)生于熱帶對流系統(tǒng)附近，并在近幾年受到科學家的關注（孫晶和李想，2020）。相關研究機構在熱帶附近地區(qū)（如澳大利亞達爾文、法屬幾內亞、美國佛羅里達等）陸續(xù)組織開展了相關外場觀測試驗（Haggerty et al.，2019），并基于多源觀測資料利用機器學習方法開展了HIWC環(huán)境識別方法研究（Haggerty et al.，2020）。

3.3 陣風載荷（飛機顛簸）試飛氣象條件

陣風載荷指飛行器穿越陣風時，升力面產生的載荷增量，是大氣擾動的客觀表現(xiàn)。氣象學上把陣風載荷稱為飛機顛簸。顛簸特別嚴重時會破壞飛機結構，形成安全隱患，甚至造成飛行事故。民機陣風載荷測量試飛是為了拓展民機遭遇飛機顛簸時的飛行包線、提升飛機品質、完善民航適航取證大綱（閆文輝等，2022）。

在航空氣象預報業(yè)務中，利用數(shù)值模式輸出量計算飛機顛簸指數(shù)進行顛簸診斷和預報已經(jīng)成為主流，并建立了大量的飛機顛簸單一指數(shù)（胡伯彥等，2022）。Sharman et al.（2006）提出了GTG（Graphical Turbulence Guidance）方法，將幾種顛簸指數(shù)組合使用，其總體預報性能比使用單一指數(shù)診斷效果要好。集成指數(shù)預報的思路在顛簸的監(jiān)測和預報業(yè)務中得到了廣泛的應用（Lee et al.，2022;蔡雪薇等，2023）。出于航線運行安全的考慮以及對顛簸產生機制的研究不足，相關指數(shù)預報算法存在一定的“過度預報”現(xiàn)象（Kim et al.，2018）。例如受限于人們對大氣湍流現(xiàn)象的理解，飛機顛簸診斷方法的發(fā)展也受到了限制（Venkatesh and Mathew，2013），湍流的高瞬態(tài)和局地性意味著從根本上來說可預測性很低，提供有意義的確定性預報仍然很困難（Sharman and Pearson，2017）。在國內的陣風載荷試飛中，ARJ21飛機是首次，具有技術新、風險高及工作量大等特點，同時與飛機結冰等特殊天氣試飛類似，也存在“找風難”問題。上述問題與當前飛機顛簸監(jiān)測和預報水平距離在試飛場景中能較為準確地捕捉顛簸現(xiàn)象仍有差距密切相關。

此外，基于再分析資料的研究指出，在過去的40 a里，全球晴空顛簸特別是嚴重顛簸的發(fā)生頻率明顯增加（Prosser et al.，2023），因此提高飛機顛簸的診斷預報能力對于提升飛機航線運行保障能力具有重要意義。

4 我國飛機試飛氣象保障技術研究展望

國內的試飛氣象保障服務在保障國產飛機型號研制中取得了長足的進步，但隨著民機事業(yè)的發(fā)展，飛機試飛、航線運營場景的不斷深化以及適航標準的發(fā)展，氣象保障能力仍有諸多不足，一些新需求的涌現(xiàn)對氣象保障和研究也提出了更高的要求。如在飛機取證之后，如果將客機更改為特殊型號，如醫(yī)療機、公務機等，則需要補充型號合格證，后續(xù)將按照新的型號合格證的適航要求進行試飛（楊春霞和劉皖媛，2022）。相應改裝機型的設計研發(fā)與試驗試飛均有可能對氣象條件研究提出新的需求。本小節(jié)以飛機結冰和陣風載荷試飛氣象條件研究為例，展望了未來一個時期的我國試飛氣象保障領域需要重點關注的問題。

4.1 飛機結冰氣象條件

如前文所述，飛機結冰適航標準的發(fā)展將對當前國內的飛機結冰氣象條件研究提出新的挑戰(zhàn)。目前我國大型客機在國際上主要取EASA適航證，無法回避附錄O條款的取證要求（陳勇等，2023）。因此加強過冷大水滴等不同飛機結冰環(huán)境的研究及其轉化機理分析，對于進一步推動國產民機走出國門，提升航線運行能力具有重要意義。從飛機結冰適航標準的發(fā)展歷程也可以看到，從事故的發(fā)生、事故原因的分析，到圍繞某種氣象條件開展試驗，到最終形成適航標準，需要漫長的周期，亦需要穩(wěn)定、持續(xù)的項目來支持相關觀測試驗的實施和技術研究的開展，這對于發(fā)展我國自有的飛機結冰相關適航標準亦是一個重要的參考。

4.2 陣風載荷（飛機顛簸）氣象條件

飛機顛簸的準確預報對于開展陣風載荷試飛以及在民航運行中減輕災害影響具有十分重要的意義。飛機顛簸預報系統(tǒng)的發(fā)展受到現(xiàn)有觀測技術的制約，缺乏充足的高精度觀測資料給模型的擬合和驗證帶來困難。在最新一代GTG3系統(tǒng)（Sharman and Pearson，2017）中，顛簸觀測資料已從主觀性較強且數(shù)量少的飛行員報告（PIREPs）發(fā)展為不受機型差異影響的客觀觀測值：湍能耗散率（Energy Dissipation Rate，EDR）。GTG3顛簸集成預報產品在命中率方面有了較大的提升，同時還開發(fā)了與實時觀測資料相結合的湍流臨近預報系統(tǒng)GTG-N（Pearson and Sharman，2017）。基于EDR單位量級的顛簸集成預報系統(tǒng)的誤差與對EDR強度的等級劃分標準不統(tǒng)一有關（Sharman et al.，2014），尤其是訓練集中大量重復的無顛簸個例會對系統(tǒng)的預報準確率產生影響（Lee et al.，2022）?？梢姡嫦蛟囷w場景，如何合理依托大量主觀報告及客觀觀測，完善預報方法，以規(guī)避顛簸空報、保證高效試飛，是陣風載荷氣象條件研究需要解決的問題。人工智能技術的發(fā)展為開展更深入的研究并用來提高飛機顛簸的預報準確率提供了條件。對于氣象預報和飛機湍流預報來說，把基于數(shù)據(jù)驅動的人工智能與以牛頓力學為基礎的物理定律相融合，是增強氣象大模型或湍流預報大模型的可解釋性、魯棒性并且提高預報準確率的重要途徑（朱玉祥等，2023）。

5 總結與討論

本文結合我國民機型號試飛取證的歷程，討論了飛機試飛場景對氣象服務的特殊需求，回顧了在保障國產大飛機適航取證歷程中我國試飛氣象保障取得的突破性成績，并展望了將來需要重點攻關的試飛氣象保障技術研究領域。

飛機試飛以及飛機產業(yè)鏈上下游對氣象服務的需求紛繁復雜，受篇幅和水平限制，本文未能一一列舉，僅就筆者參與程度較深的試飛氣象科目進行了闡述和展望，且對氣象研究如何深度融入適航標準的發(fā)展部分亦未涉及。此前，隨著我國大飛機事業(yè)的不斷發(fā)展，以及航空制造業(yè)綠色低碳化發(fā)展的趨勢，相應的氣象技術研究與服務需求將會不斷涌現(xiàn)，需要氣象行業(yè)給予更多的關注。

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