一次飛機積冰條件下的云粒子結構分析

龐朝云

(1.甘肅省人工影響天氣辦公室,甘肅蘭州730020;2.成都信息工程學院,四川成都610225)

飛機積冰是指飛機機身表面某些部位聚集冰層的現象,它是由于云中過冷水滴或降水中的過冷雨滴碰到機體后凍結而成,也可由水汽直接在機體表面凝華而成[1]。在航行中飛機發生積冰,使飛機的空氣動力性能變差、升力減少、阻力增大,輕者影響飛機的穩定性和操縱性,重者使飛機通信中斷、儀表失靈、甚至會導致機毀人亡的惡性事故。飛機積冰的概率取決于很多因素,主要是：天氣條件、飛行高度上云的概率、云的含水量、氣溫、云中水滴和冰晶的大小及其在單位時間內落在單位面積上的數量、水滴的冰結速度、氣流繞過飛機各部位的特點(飛機的空氣動力特性)以及飛行速度。公寬平[2]認為就季節而言,不同季節飛機積冰頻率不同,在冬、春兩季積冰頻率比較高,運7飛機在3000～6000m,相對積冰機率要高。李子良[3]認為輕度積冰發生在0℃～-10℃,中積冰多在-2℃～-12℃出現,強積冰多在-8℃～-10℃出現,積冰多發生在高濕區位置。王洪芳等[4-5]認為云中過冷水含量越大,積冰強度也越大。陳躍等[6]認為過冷水含量超過1g/m3時,積冰最嚴重。曹麗霞等[7]就積冰預報中云微物理參數的應用前景進行了分析和討論,認為外場觀測是認識云物理過程最重要的途徑,其中機載資料作為直接入云獲得的探測資料,能提供準確可靠的實況數據,并真實地反映云層的微物理特性。

利用空中觀測資料和機載儀器采集資料分析影響飛機積冰的微物理條件,總結飛機積冰的一般規律,增強飛行安全保障能力。

1 探測儀器及資料來源

探測儀器為安-26型飛機和機載溫濕度儀、PMS粒子探測系統、GPS全球衛星定位系統。安-26型飛機為運輸機型,飛行高度在3500～6500m,飛行速度300～450km/h,每次均在云中飛行。溫濕度儀為北京大學研制,可安裝在飛機機艙外部,直接探測空中溫度和濕度,并安裝有GPS,對飛機所在位置和高度進行定位。并裝有美國粒子測量系統公司生產的機載PMS探測系統,裝備的3個探頭分別為 FSSP-100(量程：0.75μ m～47μ m)、OAP-2D-C(量程：25μ m ～ 800μ m)和 OAP-2D-P(量程：200μ m ～ 6400μ m),其中 FSSP 用于測量云滴譜,OAP-2D-C 用于測量云粒子譜和二維圖像,OAP-2D-P用于測量雨滴譜。這套系統能夠得到包括溫度、氣壓、高度、空速等資料,也能夠得到云粒子濃度、含水量、粒子的平均直徑等數據資料[8]。上述儀器分別裝于機翼中翼下部前緣和飛機外掛架下部。

計算微物理量使用如下方法[9-10]：

其中D為i等級云粒子的中值直徑;N(D)為單位體積內i等級云粒子的數濃度;N為單位體積內云粒子總數;V為有效取樣體積;n(Di)為1幀內i等級云粒子的個數;TAS為飛機的真空速;SE為儀器的有效取樣面積;T為每幀譜數據的取樣時間。

積冰強度(I)等級使用文獻[11]中的標準,單位：(mm/min),即I＜0.6為弱積冰;0.6≤I＜1.1為中度積冰;1.1≤I＜2.0為強度積冰;I≥2.0為極強積冰。

2 飛行探測情況

2.1 飛行概況及宏觀觀測

2003年9月19日08時54分,飛機從中川機場起飛,10時12分到達華亭上空進入云中,有輕微顛簸,10時15分出現積冰,飛行高度6300m左右,10時20分出現中度以上積冰,由于積冰嚴重,10時 28分,飛機降低高度除冰。12時09分飛機落地,飛機飛行速度約為380km/h。航線如圖1所示。

2.2 云中溫濕度

10時15分出現積冰時,由圖2知,相對濕度增加達85%左右,溫度為-6℃左右。事實與李子良等[3-4]分析一致。10時28分,飛機降低高度后,雖然相對濕度仍然在80%以上,但溫度上升到-5℃,飛機積冰明顯減弱,表明溫度低于-5℃時出現積冰的機率大。

圖1 2003年9月19日探測作業航線

圖2 高空溫度和相對濕度隨時間的變化

3 天氣形勢和云系宏觀特征

由于飛機積冰出現在溫度低于0℃過冷水滴的云層中,所以凡有利于形成云層的天氣形勢,如鋒、西風槽和切變線等,只要溫濕條件具備,都有利于產生積冰。由飛行報告可見,在鋒面系統和氣旋系統中,云中飛機積冰的可能性比較大。

2003年9月19日,受西北冷空氣和西太平洋副熱帶高壓外圍西南暖濕氣流共同影響,由圖3(a)知,08時500hPa高空槽線位于銀川-平涼-紅原一線,在甘肅黃河以東地區出現大范圍中低云為主的降水云系。積冰出現地點距平涼探空站僅40km左右,用平涼探空站資料分析,平涼站500hPa和700hPa溫度露點差均為0℃,空氣達到飽和,可見高低空濕度都很大,0度層高度在4500m,云層分為兩層,為As-Ac結構,積冰出現在As云中,上午10時平涼站出現降水。圖3(b)分析了19日08時平涼站上空水汽含量的垂直分布情況,平涼站整層水汽含量達到30.84mm,在700hPa至500hPa水汽含量最為豐富。

圖3 2003年9月19日08時500hPa高空圖及水汽含量垂直分布圖

4 云層微物理結構

4.1 水平分布

2003年9月19日由機載FSSP-100探頭1檔(2μ m～47μ m)探測云中粒子微物理結構。由圖4(a)知,10時12分飛機入云后,粒子總濃度迅速增大,粒子濃度在0.05～5.91個/cm3,濃度均值為0.93個/cm3,最大值出現在10時17分,為5.91個/cm3。由圖4(b)可見,10時 12分左右,云中含水量迅速增大,均值為 0.0043g/m3,最大值出現在10時23分,為0.0233g/m3。由圖4(c)可見粒子平均直徑為1.57μ m,10時39分出現平均濃度直徑最大值32.3μ m,探測結果與李淑日[12]、趙增亮等[13]在西北地區的探測結果量級上基本一致。分析二維探頭2DP資料(圖略)可見10時15分出現積冰時,雨滴總濃度達到229個/m3,平均粒子直徑為821.4μ m,雨滴總濃度最大值出現在10時26分58秒,達5204個/m3,且d＞400μ m的粒子總濃度達2858個/m3,最大總含水量和最大平均直徑都出現在 10時24分18秒,分別為0.975g/m3和1025.7μ m。

積冰出現在粒子總濃度和含水量較大區域,且雨滴濃度和平均直徑的增大對積冰的出現起重要作用。

圖4 粒子數濃度、液態含水量液態含水量變化和平均濃度直徑隨時間變化

4.2 垂直分布

10時12分至10時38分飛機由6340m下降到5220m,fssp-100探測粒子濃度和含水量的垂直分布如圖5所示,總粒子濃度在6316m出現最大值5.91個/cm3,含水量的最大值出現在6308m,為0.0233g/m3,平均粒子濃度直徑在6200m以上保持較大值,這正是飛機出現積冰的高度。可見在6200m以上,云中粒子濃度、含水量以及平均濃度直徑都較大,容易導致飛機出現積冰。分析2DP資料發現雨滴最大濃度、最大直徑和最大含水量也出現在6300m左右。

圖5 粒子數濃度、液態含水量和平均濃度直徑隨高度分布圖

4.3 積冰前后云粒子譜分布

由圖6知,10時12分02秒～10時12分 57秒未出現積冰時,共12組數據平均后粒子譜呈單峰型,譜寬窄,小粒子較多,含水量為 0.000164g/m3。10時 19分02秒～10時19分57秒出現積冰前期,共12組數據平均后粒子譜呈多峰,譜寬增大,大粒子增多,含水量為0.00424g/m3。而在10時22分02秒～10時22分57秒積冰嚴重時,共12組數據平均后粒子譜呈雙峰,大粒子突然增多,含水量為0.0115g/m3。從未出現結冰到結冰前期到結冰中期,D＞20μ m的云滴濃度占總云滴濃度分別為6.5%、46.9%、76.3%,大粒子所占比例明顯增大,含水量也呈量級增加,表明大粒子對發生積冰貢獻值較大。

圖6 積冰過程中的云粒子譜的演變

5 結論

由以上資料分析表明,2003年9月19日發生在甘肅東部的積冰天氣具有如下特征：

(1)通常飛機積冰形成于溫度低于0℃的云中水汽含量較大區域,而出現較強積冰的溫度低于-5℃。

(2)積冰出現在粒子總濃度和含水量較大區域。

(3)雨滴濃度和和平均直徑的增大對積冰的出現具有重要作用。

(4)大粒子對發生積冰貢獻值較大。

[1]伊藤博.航空氣象[M].北京：科學出版社,1981：121-143.

[2]公寬平.一次飛機嚴重積冰的分析計算[J].陜西氣象,1998,(2)：39-40.

[3]李子良.飛機積冰的氣象條件分析[J].四川氣象,1999,(3)：55-57.

[4]龐朝云,張逸軒.甘肅中部地區飛機積冰的氣象條件分析[J].干旱氣象,2008,(3)：53-56.

[5]王洪芳,劉健文,紀飛,等.飛機積冰業務預報技術研究[J].氣象科技,2003,31(3)：140-144.

[6]陳躍,馬培民,游來光.飛機積冰環境下的液態水含量及滴譜個例分析[J].氣象,1989,15(4)：24-28.

[7]曹麗霞,紀飛,劉健文,等.云微物理參數在飛機積冰分析和預報中的應用研究[J].氣象,2004,30(6)：8-12.

[8]魏強,高建春,錢越英.機載粒子測量系統及資料處理[J].氣象,1997,23(5)：38-41.

[9]李侖格,德力.格爾高原東部春季降水云層的微物理特征分析[J].高原氣象,2001,20(2)：191-196.

[10]李照榮,李榮慶,李寶梓.蘭州地區秋季層狀云垂直微物理[J].高原氣象,2003,22(6)：584-589.

[11]天氣學教程第三分冊[M].北京：中國人民解放軍空軍司令部,1975.

[12]李淑日.西北地區云和降水微物理特征個例分析[J].氣象,2006,32(8)：59-63.

[13]趙增亮,毛節泰,魏強,等.西北地區春季云系的垂直結構特征飛機觀測統計分析[J].氣象,2010,36(5)：72-77.