陜西秦嶺以北地區飛機積冰狀況研究

顧效斌,倪洪波,羅俊頡,宋繼萍

(1.中航工業試飛中心,西安 710089;2.陜西省人工影響天氣辦公室,西安 710014)

陜西秦嶺以北地區飛機積冰狀況研究

顧效斌1,倪洪波1,羅俊頡2,宋繼萍1

(1.中航工業試飛中心,西安 710089;2.陜西省人工影響天氣辦公室,西安 710014)

利用東勝、延安、平涼、西安 4站 1990年 1月— 2009年 12月每天 08時和 20時 1 000～100hPa標準等壓面探空資料,選用國際民航組織建議的 WAFS積冰指數 Ic作為診斷依據,計算、分析陜西秦嶺以北地區逐月飛機積冰率的垂直和水平分布特征,結果表明:該地區具有豐富的積冰試飛氣象資源;在垂直高度上,700 hPa及以下高度,飛機積冰主要發生在春季和冬季,700 hPa高度以上,飛機積冰主要發生在夏半年;飛機積冰多發期間,850hPa及以下高度積冰率水平分布表現為南北少、中部多的特點;850 hPa高度以上,飛機積冰率呈現出南部多、北部少的特點。

飛機積冰;積冰資源;積冰指數;積冰發生率

飛機積冰是指飛行中飛機表面某些部位及發動機進氣部件聚集出現冰層的現象,它會嚴重危及飛行安全,尤其對低速飛行 (V≤600 km/h)的中、小型飛機危害更大。以往的研究[1-5]中,均將飛機積冰作為航空危險現象予以討論。目前,我國以 ARJ21-700飛機為開端的大量民用飛機適航審定試飛,必須按照文獻 [6]的附錄 C(簡稱CCAR-25部附錄 C)的要求,實施并完成“自然結冰”(即飛機積冰)科目試飛,研究和掌握閻良機場主要試飛區域所在的陜西秦嶺以北地區飛機積冰氣象資源狀況顯得尤為必要。另外飛機積冰會對飛行安全構成威脅,據文獻 [2]統計顯示,即使在航空產業發達的美國,由于飛機積冰導致的等級飛行事故,仍然占因氣象原因導致的飛行等級事故的 13.7%,比例較高,國內這一比例為10.4%。

陜西是我國氣候高度敏感區[7],特殊的地理區位和地形特征,使陜西秦嶺以北地區飛機積冰具有明顯特殊性[8-9],文獻 [3-5,10]引述了采用非線性映像降維法對我國飛機積冰氣候區劃的結論,陜西秦嶺以北地區大部區域處于全國 4個飛機積冰區的Ⅱ區,為較易發生積冰區。王新煒[11]等采用 K均值聚類統計分析方法,將我國飛機積冰氣候區劃分為 5個區,陜西秦嶺以北地區處在以華北地區為主的Ⅲ區,即積冰少發區 (全年的積冰發生概率皆小于 10%,且夏季無積冰)。趙頌華[12]指出:西北地區飛機積冰主要發生在冬半年(11— 4月),積冰發生累積頻率達 85.4%。黃麗娟[13]指出:西北地區 (主要指陜西中北部)冬季(11— 2月)發生飛機積冰的概率達 66%。針對閻良機場主要試飛區域有關飛機積冰氣象條件的研究,文獻雖有涉及,但未形成較統一的觀點和結論。

1 資料及研究方法

1.1 資料及站點選取

鑒于研究區域高空氣象探測資料有限,為最大限度滿足計算結果的代表性和結論的擬合度,選取東勝 (內蒙古,53543站)、延安 (陜西,53845站)、平 涼 (甘 肅,53915站)、西安 (陜西,57036)作為代表站,利用 4站 1990年 1月— 2009年 12月每天 08時和 20時 (北京時)1 000～ 100 hPa標準等壓面探空資料,計算、分析陜西秦嶺以北地區飛機積冰發生率和飛機積冰等級。

1.2 資料篩選及研究方法

1.2.1 資料篩選 在某站點、某月、某時次 (北京時 08時、 20時,下同)、某等壓面上,當溫度和露點同時有效時,認為資料有效。10 a某站點、某月、某時次、某等壓面最大有效資料數為 310(10 a× 31 d)。

1.2.2 研究方法 對某站點、某月、某時次、某等壓面飛機積冰強度的計算和判定,采用國際民航組織建議的 WAFS積冰指數 Ic作為診斷依據,即

Ic= {2(f-50)[T (T+ 14) /(-49)]}/10,其中,Ic為積冰強度指數,無量綱。f為計算高度層的相對濕度,當 f＞ 50%時,計算 Ic指數。T為計算高度層的溫度,單位為oC。積冰強度分為輕度積冰、中度積冰、重度積冰三個等級 (表 1)。

1.2.3 積冰發生率 積冰發生率用 10 a某站點、某月、某時次、某等壓面發生某等級積冰的次數占有效資料數的百分比表示 (當某站點、某月、某時次、某等壓面有效資料數＜200時,不計算積冰發生率)。積冰發生率按月統計計算,分 08時和 20時兩個時次。

1.2.4 資料統計計算 在對選定的 4個站點逐月 08時和 20時的 850、700、 500、 400 hPa積冰率進行計算的基礎上,運用統計方法分析陜西秦嶺以北地區飛機積冰的試飛氣象條件。

2 自然結冰試飛氣象條件

2.1 逐月飛機積冰率的垂直分布特征

圖 1給出的是陜西秦嶺以北地區 4站在850、 700、 500、 400 hPa的平均飛機積冰率。 受不同高度層各月溫、濕條件的影響,該地區飛機積冰率在垂直方向上呈現出冬半年(11— 4月)低層高、夏半年 (5— 10月)高層高的特點,同時,在飛機積冰多發的月份,各高度層輕度積冰最多,中度積冰次之,重度積冰發生率最低。

圖 1 秦嶺以北地區 850～ 400hPa逐月飛機積冰率垂直分布

850 hPa高度層,1月飛機積冰率最高,輕度、中度和重度積冰率累積達43.9%,2月次之為35.5%(圖 1a)。隨著高度升高,飛機積冰率最高值出現的時間也逐漸推遲,700 hPa高度層,輕度、中度和重度積冰率累積 3月最高達 35.5%,2月次之為 31.5%(圖 1b)。500hPa高度層,輕度、中度和重度積冰率累積 7月最高達 47.2%,且6— 9月積冰率均達 40%以上 (圖 1c)。400 hPa高度層主要是輕度積冰,僅在 7、8月存在小于3.5%的中度積冰的可能性,不同程度飛機積冰率累積 7月最高為 25.2%,8月次之為 21.1% (圖1d)。

比較各高度層飛機積冰率發現:最高積冰率出現在 7月的 500hPa高度層,400 hPa高度層飛機積冰率最低。比較飛機積冰多發的連續月份可以看出:隨著高度層的升高,飛機積冰的多發時段也逐漸由冬半年移向夏半年;從對流層低層到高層,積冰率大于 20%的時間段呈現出先升后降的特征,其中,850 hPa高度層飛機積冰率大于20%的連續月份為 4個月,700 hPa為 6個月,500 hPa為 4個月,400 hPa僅有 2個月。可見:陜西秦嶺以北地區飛機積冰主要發生在對流層中下層 (6 000 m以下)的高度。

2.2 逐月飛機積冰率的水平分布特征

圖 2給出的是 850、 700、 500、 400 hPa各高度層 4站的飛機積冰率。由于受不同下邊界條件的影響,陜西秦嶺以北地區低層各月飛機積冰發生率在南北分布上沒有相對穩定的規律,且在飛機積冰多發月份,各月 4站的積冰率較為接近。700～ 400hPa,在飛機積冰多發的月份,各月積冰發生率均呈現出南高北低的特征,即在相同的月份飛機積冰率自南向北是逐漸遞減的。

850 hPa高度層,整個陜西秦嶺以北地區在11— 3月飛機積冰率均≥15%,12— 2月 4站積冰率均≥27%。其中,1月最高 4站均達 38%以上,以平涼為代表的中部地區甚至高達 49.2%,略偏北的延安為 45.7%。2月西安和平涼積冰率相近,均超過 41%,延安次之,達到 31.9%。12月積冰率則以平涼最高為 40.6%,延安和東勝積冰率接近達 33%以上 (圖 2a)。700hPa高度層陜西秦嶺以北地區積冰率南多北少特征最為明顯,11— 3月南部飛機積冰率均為北部的 2倍以上,最高(12月)達 3.8倍。其中,以西安為代表的陜西秦嶺以北地區的南部,3月飛機積冰率最高達 50%(即使在北部地區的東勝附近,3月積冰率也達到20%),2月次之為 44.1%。另外,在延安以南地區,從 10月至 3月,逐月平均積冰率均在 22%以上 (圖 2b)。陜西秦嶺以北地區 500 hPa高度層各月飛機積冰率同樣呈南多北少的分布。但在飛機積冰多發的 4— 10月,盛夏積冰率南北差異小,春、秋季節積冰率南北差異大。該高度層 7月 4站積冰率均超過 40.6%,南部地區積冰率最大為55.3%。在該高度層的延安以南地區,即使在積冰率較低的 10月,平均積冰率也達 25.8% (圖2c)。在以 400 hPa為代表的對流層高層,陜西秦嶺以北地區在積冰多發月份飛機積冰率南北分布特征與中層相似,且多發期明顯縮短 (僅 7、8月4站平均積冰率≥10%),積冰率明顯降低 (僅延安 1個月、平涼和西安各 2個月積冰率≥20%),南北差異明顯加大 (積冰率最高的 7月,南部地區和北部地區之間積冰率相差達 32%,8月則相差 21.6%)(圖 2d)。

圖 2 秦嶺以北地區 850～ 400hPa逐月飛機積冰率地域分布

2.3 500 hPa高度層飛機積冰率

陜西秦嶺以北地區 500 hPa高度層,夏季具有較高的積冰率,這與傳統的利用實測個例研究結論略有不同。究其原因,一方面夏季有為數眾多的積云積冰,飛行過程中會有意規避在積云區飛行而缺乏實測個例,同時,該高度層一般為飛行穿越高度層,飛機快速上升階段造成的相對較強下沉氣流和飛機快速下降階段形成的較強上升氣流,均不易產生飛機積冰,但夏季經常具備形成飛機積冰的溫度、濕度條件,如果飛機在該高度層的云中以低速飛行,或者在穿云下降的過程中,產生飛機積冰的可能性仍較大[14-15]。分析 2000—2010年陜西省人工影響天氣辦公室開展增雨作業及中航工業試飛中心試飛過程中(V≤500 km/h)收集的 99個飛機積冰個例,飛機積冰高度最高為 5 770 m,積冰高度≥4 000 m的有 62次,積冰高度≥4 500 m的有 35次,積冰高度≥5 000 m的有 11次。可見,在對流層的中層發生飛機積冰的概率仍較大,與張振林[16]等的研究略有不同。

3 結論與討論

3.1 飛機積冰不僅是航空危險現象,同時也是運輸類飛機適航審定試飛重要的氣象條件。深化對不同地理環境條件下飛機積冰狀況的研究,既有助于確保試飛安全,亦有助于提高試飛效率。

3.2 陜西秦嶺以北地區具有豐富的自然結冰試飛氣象資源。采用W AFS積冰指數所計算的積冰發生率,較以往飛機積冰氣候區劃及利用飛機積冰實測個例所計算的積冰率更高。

3.3 陜西秦嶺以北地區低層飛機積冰主要發生在冬半年;高層主要發生在夏半年。隨著高度層的升高,累計飛機積冰發生率有先升后降的規律,其中,700～ 500 hPa高度層累計積冰率最高。

3.4 在飛機積冰的多發季節,積冰率地域分布基本呈現出南部地區多,北部地區少的特征。

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P468

A

1006-4354(2013)02-0023-04

2012-11-13

顧效斌 (1985—),男,山東臨沂人,漢族,學士,助理工程師,從事航空氣象研究及試飛氣象保障。