四種飛機積冰預報方法的比較與分析

葛思源

摘要： 飛機積冰是對航空飛行安全危害最嚴重的氣象要素之一。本文利用2013年無錫等地的飛機積冰報告資料，對目前常用的四種飛機積冰診斷預報方法進行檢驗，比較這四種方法對飛機積冰個例預報的準確性。結果表明，僅考慮溫濕條件的霜點法對云中過冷水滴含量的影響估計不足，預報效果差，漏報率偏高。修正霜點法對飛機積冰的預報效果明顯改善，預報準確率達70.0%以上。假霜點判別法和積冰指數法對飛機積冰有無預報效果均較好，準確率達88%，漏報率也較低。但積冰指數法對積冰強度預報明顯偏強，空報率也略偏高。

Abstract： The aircraft icing is one of the most serious meteorological factors to aviation safety. By using the aircraft icing reports of Wuxi etc. in 2013， this papaer takes an inspection of the four commonly used methods of aircraft icing diagnosing and forecasting， and the accuracy of the four methods are compared for the case of aircraft icing prediction. The results show that the frost point method， which only considers the temperature and humidity conditions， is not enough to estimate the influence of the supercooled water droplets in the cloud， and the prediction effect is poor， the missing report rate is high. Modified frost point method for aircraft icing forecast effect is improved obviously， and the forecast accuracy rate can achieve over 70.0%. False frost point discrimination and icing index method for aircraft icing prediction all have a good effect， whose accurate rate is 88%， and the missing rate is lower. But the icing index method for forecasting icing intensity is stronger， and vacancy rate is slightly higher.

關鍵詞： 飛機積冰；效果檢驗；霜點法；假霜點判別法

Key words： aircraft icing；effect test；frost point method；false frost point method

中圖分類號：V321.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）14-0226-03

0 引言

飛機積冰對航空飛行安全危害非常嚴重。飛機發生積冰能使飛機的空氣動力性能變差，升力減小，阻力增大，影響飛機的穩定性和操縱性，甚至導致飛行事故。從40年代起，共有126起因飛機積冰造成的飛行事故。例如，1980年4月15日，一架設備先進的“超黃蜂”直升飛機在我國某地云中飛行，進入了積冰區，造成旋翼積冰，三臺發動機停車，引起旋翼揮舞顫抖打壞尾梁，切斷尾動軸，導致飛機空中解體。1994年10月31日，美國一架ATR72飛機在芝加哥國際機場下降高度時，因機翼積冰而失速墜毀，機組和乘客共68人全部遇難。2004年11月21日，一架CRJ-200在包頭起飛，因沒有落實地面除冰霜制度，致使飛機帶冰、霜起飛，離地后飛機機翼失速臨界迎角減小，無法控制，引發墜機空難[1、2]。隨著航空技術的快速發展，盡管現代飛機的防冰、除冰裝置日趨完善，在一定程度上減輕了積冰對飛行的危害，但是無論什么飛機，不論其有何種防冰裝置，它只能在結冰前或結冰初期起到預防或除冰的作用。一旦發生強的飛機積冰，任何防冰或除冰裝置都是無能為力的。因此，飛機積冰仍是影響飛行安全的關注重點。

1 積冰預報方法

飛機積冰是指飛機機體表面某些部位聚積冰層的現象，它主要由云中過冷水滴或降水中的過冷雨滴碰到飛機機體后凍結形成的，也可由水汽直接在機體表面凝華而成[3]。飛機積冰通常在溫度0～-20℃、溫度露點差小于5℃范圍內發生較多，強積冰多發生在溫度-5～-10℃、溫度露點差小于4℃的范圍內。飛機積冰一般與過冷水滴的含量、大小，飛機的飛行速度、云中飛行時間，積冰部位的曲率半徑等因素有關，但目前對于云的微物理結構作大范圍的定量測量還有一定的困難，飛機積冰預報主要依靠統計、數值預報模式輸出或診斷等方法。本文選取霜點法、修正霜點法、假霜點判別法及積冰指數預報法等四種診斷方法，通過實際飛機報告，檢驗四種方法預報的準確性。

1.1 霜點法

在溫度低于0℃的云中，如果有過冷水滴存在，則過冷水面的飽和水汽壓應該是飽和的，過冷水滴所在區域溫度T就必然低于其霜點溫度Tf。因此，通過比較云中的溫度與霜點溫度，就可以判斷云中水汽壓相對冰面是否飽和，進而判斷是否有過冷水滴存在。飛機在含過冷水滴的云中飛行易產生積冰。判別法為[3]：

Tf=-8D=-8（T-Td）？叟T有積水

1.2 修正霜點法

由于霜點法在實際應用時效果較差，有人又對其進行了改進，給出了修正經驗公式[3]。

Tf=-kD，其中k=8exp[-（T/D）1/2]。當Tf≥T，有積冰，否則無積冰。

1.3 假霜點判別法

綜合考慮飛機的動力增溫及飛行高度上的溫濕條件，假霜點判別法給出了假霜點溫度 Tfi[3]：

1.4 積冰指數法

利用美國國家環境預報中心和國家大氣研究中心聯合處理的全球大氣40年（1958-1997）再分析資料，王新煒等在飛機積冰指數的基礎上，構建一個新的積冰指數VV[4]：

2 積冰飛機報告資料

本文利用2013年無錫等地的19個飛機積冰報告個例（見表1），通過目前常用的四種計算飛機積冰的診斷判別方法，比較這些方法對飛機積冰個例預報的效果，探討四種預報方法的適用性，為飛機積冰預報提供參考借鑒。

3 飛機積冰預報效果檢驗

3.1 預報評定標準

①準確率。

預報有且實況有和預報無且實況無的為預報正確。

準確率=預報正確天數/總樣本數×100%

②空報率。

預報有，實況無即為空報。

空報率=空報天數/預報積冰天數×100%

③漏報率。

預報無，實況有即為漏報。

漏報率=漏報天數/出現積冰天數×100%

3.2 預報效果檢驗

由于霜點法與修正霜點法只能判斷是否有積冰出現，而不能判斷積冰強度。因此，本文利用霜點法、修正霜點法只對飛機積冰情況進行有無預報效果檢驗。而對假霜點判別法及積冰指數法進行積冰有無預報以及強度預報效果檢驗。驗證結果見表2、表3。

由表2、表3可知，利用霜點法對飛機積冰有無預報的效果很差，漏報率很高，25個檢驗高度出現的積冰全部漏報，準確率為24.0%，漏報率100%，空報率0%。霜點法漏報率偏高，主要是因為霜點法在對飛機積冰的預報中，僅考慮到一定的溫濕條件下，云中水汽壓對冰面不飽和時，冰的升華作用對飛機積冰的不利影響，而忽略了云中過冷水滴含量對飛機積冰的影響。

修正霜點法對飛機積冰有無預報的效果明顯改善。預報積冰正確18個，漏報4個，空報3個。準確率為72.0%，漏報率21.1%，空報率16.7%。

假霜點判別法對飛機積冰的有無預報及強度預報效果均較好，準確率明顯高于霜點法和修正霜點法。預報積冰正確22個，漏報2個，空報1個。準確率為88.0%，漏報率10.5%，空報率5.6%。而且，假霜點判別法對飛機積冰高度的預報也較準確，例如序號24、25，飛機報告3500～5500m高度有輕度積冰，利用實測探空資料計算，5500m高度預報有輕度積冰，而3000m高度預報沒有積冰，與飛機報告相符。

利用積冰指數法對飛機積冰的有無預報效果也較好。預報積冰正確22個，漏報1個，空報2個。準確率為88.0%，漏報率5.3%，空報率10.0%。可見，積冰指數法和假霜點判別法對飛機積冰的有無預報效果均較好，積冰指數法漏報率最低。如果在航行中，飛機機型對積冰要求很高，可使用積冰指數法預報積冰，寧空勿漏。但是對比飛機報告，積冰指數法預報的積冰強度明顯偏強了一個等級，漏報率雖然降低了，但空報率也提高了，在實際保障中可根據經驗做適當訂正。

4 飛機積冰防范措施

飛機積冰對飛行危害很大。因此，在飛行活動中應盡量規避它，不能在積冰區長時間飛行，一旦出現積冰，要正確處置設法消除。

①由于積冰主要發生在有過冷水滴的云中，因此，飛行前要預先了解航線及空域上的云層、降水和溫度的分布情況，結合飛行速度，大概判明可能發生積冰的區域以及高度，選擇繞航或調整高度的方式，避開積冰區。

②如果航線必須經過積冰區，就要提前打開防冰裝置，選擇強度最弱、時間最短的航線通過積冰區。

③如果積冰強度弱，對飛行影響不大，而且積冰區飛行時間不長時，可按既定航線和高度繼續飛行。

④如果積冰強度強，除冰裝置又不能把冰清除掉，應采取改變飛行高度或航向的方法，盡快脫離積冰區。

⑤高速飛機在飛行時發現有積冰，可采取加大飛行速度的方法來減輕或消除積冰。根據飛行經驗，某型飛機以最大速度平飛12分鐘，可消融10-15mm的冰層。

⑥防（除）冰裝置是防止和消除積冰的重要手段。飛行前，應檢查這些裝置是否處于良好的工作狀態。飛行中，提前打開防（除）冰裝置，防（除）冰效果更好。

5 結論

利用2013年無錫等地的19個飛機積冰報告資料，比較檢驗目前常用的四種飛機積冰診斷預報方法。結果得出：

①霜點法漏報率很高，預報效果最差。修正霜點法對積冰預報效果有所改善，準確率可達70%以上。

②假霜點判別法和積冰指數法對飛機積冰有無預報效果均較好，準確率達88%，漏報率也較低。但積冰指數法對積冰強度預報明顯偏強，空報率也略偏高。

③飛機積冰對飛行危害很大，因此在飛行活動中應正確處置預防和規避飛機積冰。

參考文獻：

[1]陳錦榮.氣象與飛行安全[M].北京氣象出版社，2006.

[2]白秋華.飛行與積冰[M].北京氣象出版社，1987.

[3]趙樹海.航空氣象學[M].北京氣象出版社，1994.

[4]潘玉萍，張曉強，韓銳，等.東南地區飛機積冰預報方法效果檢驗及規避措施.第30屆中國氣象學會年會，2013.