基于指數計算積冰區強度域劃分

張宇馳，張 序，陳 琳

(1. 民航華北地區空中交通管理局天津空管分局，天津 300300；2. 中國國際航空股份有限公司運行控制中心西南分控中心，四川 成都 610202；3. 中國國際航空股份有限公司培訓部西南分部，四川 成都 610202；4. 中國民航大學空中交通管理學院，天津 300300)

基于指數計算積冰區強度域劃分

張宇馳1，張 序2，3，陳 琳4

(1. 民航華北地區空中交通管理局天津空管分局，天津 300300；2. 中國國際航空股份有限公司運行控制中心西南分控中心，四川 成都 610202；3. 中國國際航空股份有限公司培訓部西南分部，四川 成都 610202；4. 中國民航大學空中交通管理學院，天津 300300)

對基于指數積冰區強度域劃分的研究，首先在分析國內外飛機積冰指數方法的基礎上，具體研究分析了積冰的現狀和意義，通過積冰指數計算方法比較選取最佳計算方法，根據虹橋機場氣象資料進行計算分析各空域中的積冰強度。作圖分析，最后對積冰指數強度的研究進行總結，并提出建議措施，以便在實際飛行中將對此類狀況更好的去指揮飛機確保飛行安全。

飛機積冰；積冰指數；積冰強度；飛行安全

據資料統計，飛機在飛行中因結冰問題而導致發生空難事故的概率超過 15%，因此怎樣避免進入強積冰區和減小積冰帶來的影響一直是研究的重點 ,在前期的文獻查閱中發現蘇媛[1]開展了包括通過數值模擬方法獲取積冰飛機的氣動數據、完善積冰對飛機氣動導數影響的計算模型以及加強平尾失速方面的研究；卞少兵[2]對某型飛機積冰進行計算,并研究了機翼和平尾積冰對全機氣動特性的影響；卞雙雙[3]利用 WRF 模式對飛機積冰時的形勢場進行模擬，通過雙線性插值法對模擬的要素進行降尺度處理，比較不同參數化方案時形勢場的預報值和實況值之間的相關性，研究不同參數化方案對飛機積冰形勢場的模擬能力；邱瑞[4]采用的積冰算法準確判斷出潛在飛機積冰區的地理范圍、積冰發生的概率和積冰強度；鮑雨晨[5]針對傳統積冰探測裝置存在的不足與隱患提出了新的飛機積冰顯示系統的概念，但是針對積冰指數方面的研究還是偏少。本文則是根據積冰指數，運用指數計算技術，預測出積冰區域的積冰強度大小，根據積冰強度和積冰區域，有利的指揮飛機提前改變高度改變航向，為飛行安全提供有力保障。

1飛機積冰的概念

飛機積冰指冰層聚集在飛機機體表面的現象，積冰的形成主要是過冷水滴遇到機體后凝固凍結，或由水汽直接在機體表面凝華生成。飛機積冰會使飛機的空氣動力性能變化，使飛行過程中阻力增大，升力系數減小，從而對飛行的穩定性和操作性產生影響。

2飛機積冰指數計算

2.1 積冰指數的定義

一般用積冰指數來代表積冰的嚴重程度，它與部件外狀、云中液態水含量、飛行速度、部件表面結冰系數等因子有關。積冰的嚴重程度取決于云中液態水含量，結冰區域大小和結冰形狀與水滴直徑相關，結冰層厚度是由云層范圍決定。積冰預報指數有很多種，但是影響最大的是：云中過冷水含量和水滴的大小；其次飛行速度；還有機體積冰部位的曲率半徑。

2.2 RAOB 積冰方案

RAOB積冰方案是由美國空軍全球天氣中心提出的。根據每個探空層上的溫度（T)、露點溫度 (Td）及在本層與上層間的溫度遞減率 ,從而確定此層的積冰強度和積冰類型。積冰層的上下限根據積冰判據由溫度、露點在高度上的插值得到。積冰層內最嚴重的積冰強度和類型被視為整層的強度和類型。積冰強度劃分為 8 個等級 :0-無積冰 1- 微量毛冰（TRC-RIM） 2- 輕度混合冰（LGT-MXD） 3- 輕 度 毛 冰（LGT-RIM） 4- 輕度明冰（LGT-CLR） 5- 中度混合冰（MDT-MXD）6- 中度毛冰（MDT-RIM） 7- 中度明冰（MDT-CLR）

由于RAOB的指數較少，因此該方法計算更加簡便，取值也比較簡便，最重要的比較清楚，不像矩陣那么復雜[6]。現在根據 RAOB 的指數計算方法，從國家氣象網站上下載數據如下圖以及表格，通過分析積冰指數，運用下表中的數據，算出積冰指數的大小，從而判斷積冰區域強弱。

2.3 實例分析

表1 是 2013 年 12 月 17 日世界協調時點上海機場的觀測數據。

2.3.1 積冰和積冰強度計算

根據大氣數據，把有用的指數溫度、露點溫度、遞減率等帶入RAOB計算方法來繪制下面表格得知相應高度的有無積冰和積冰強度，見表2。

利用下述方法計算云頂和云底的高度：

表1 2013 年 12 月 17 日世界協調時點上海機場的觀測數據

850.0 1507 -2.3 -3.4 92 3.52 50 12 283.7 293.9 284.3 700.0 3046 -4.5 -5.6 92 3.62 230 10 297.5 308.5 298.1 500.0 5660 -13.7 -15.1 89 2.38 255 62 316.3 324.3 316.7 400.0 7330 -22.5 -24.5 84 1.32 225 84 325.7 330.4 325.9 300.0 9390 -36.1 -39.3 72 0.42 225 111 334.4 336.1 334.5 250.0 10630 -47.1 -53.1 50 0.11 230 128 335.9 336.4 335.9 200.0 12080 -54.3 -64.3 28 0.03 235 152 346.6 346.8 346.6 177.0 12844 -59.3 240 131 350.7 350.7 150.0 13880 -66.1 235 150 356.0 356.0 122.0 15106 -74.9 235 128 361.6 361.6 100.0 16270 -71.7 245 89 388.9 388.9 70.0 18400 -67.5 245 49 439.6 439.6 50.0 20450 -62.3 250 31 496.2 496.2 30.0 23670 -55.7 260 14 592.2 592.2 20.0 26290 -47.9 125 6 688.8 688.8 10.0 30890 -44.7 330 21 851.6 851.6

表2 按照 RAOB 指數計算方法判斷積冰

1）云厚度可按照上層云與下層云亮溫差除以 0.65℃ /100m 估算，

|（ 上 層 云 色 標 溫 － 下 層 云 色 標 溫 ）|/ 0.65×100= 云厚度

2）根據色標溫和地溫確定云頂高

|（色標溫－地溫）/0.65 丨 ×100= 云頂高

3）根據云頂高和云厚度確定云底高

云頂高－云厚度=云底高

2.3.2 云層高度計算

通過分析紅外云圖、可見光云圖可以確定厚度大云系；根據云亮溫值，則可以確定溫度低云系范圍。圖中圈定區域紅色云亮溫約 -25℃，低層綠色云亮溫約 -5℃，以上述方法來算計，圈定區域云厚為：

|(-25+5)|÷0.65×100=3076 米

按照云頂高按照標準大氣估計云頂亮溫值（約 -25℃），由探空資料可知地面溫度為 6.6℃，則得，

|（-25-6.6）|÷0.65×100=4862 米

云頂高度為 4862 米，則云底則為

4862-3076=1786 米

經過上述計算，在 1786m ～ 4862m 厚度上有云層，氣溫區間為 -2.7℃～ -10.9℃構成積冰的溫度條件。當飛機在飛行時飛機在云層不一定會結冰，這是跟飛機駐點增溫率有關。

2.3.3 駐點增溫積冰層計算

飛行時，機翼前沿的氣流受到阻滯，流速降低到零的點成為駐點，此時動能完全轉換為熱能同時局部溫度快速升高，這就是阻滯溫度。當飛行速度低于1馬赫數時，阻滯增溫溫度約為飛行馬赫數的平方的 100 倍。馬赫數越大，阻滯溫度升高得越快。如表3所示，當飛行M數為1時，阻滯溫度約 100℃；當馬赫數大于 1 時，這個增溫率還要加大，例如M數為3時，阻滯溫度就會超過 500℃。

表3 飛行馬赫數與駐點增溫率

目前民航窄體客機航線飛行速度通常在0.7 ～ 0.82 馬赫之間，機體溫度可達 49 ～ 64℃。然而實際飛行中還得根據不同空域中駐點增溫來判斷飛機飛到積冰條件下是否會積冰[7]。所以假設計算取機體和大氣平均溫度為0℃，而且平均音速為 625 節，按不同階段飛行上限溫度計算，不同飛行階段駐點增溫率粗略估算分別可達：起飛階段 0.2Ma、爬升階段 0.45Ma、巡航階段 0.75Ma、進近階段 0.45Ma、著陸階段時 0.2Ma。

事實飛機機體的邊界層與外界有熱量交換會損失一些能量，在云中飛行時水滴的蒸發也會消耗熱量，所以駐點實際增溫相當于云外飛行時增溫的 60% 左右，而駐點以外的機體表面的增溫值則是駐點處增溫值的 80%。

經過計算相應駐點增溫為：起飛階段增溫 t1為 2.4℃；爬升階段增溫 t2 為 12℃；巡航階段增溫 t3 為 33.3℃；進近階段增溫 t4 為 12℃；著陸時增溫 t5 為 2.4℃。而除駐點以外的機體增溫為：起飛階段增溫 t1'為 1.9℃；爬升階段增溫 t2'為9.6℃；巡航階段增溫 t3'為 26.6℃；進近階段增溫 t4'為 9.6℃；著陸時增溫 t5'為 1.9℃。

2.3.4 計算飛機積冰的空間點及開關防 /除冰設備建議

1）起飛階段：T1=T+t1=6.6+2.4=9℃

T2 =4.6+t1'=6.6+1.9=8.5℃ 。

T1 為飛機駐點邊界層溫度 ,T2 為飛機駐點外機體邊界層溫度 ,T 為外界大氣溫度。因為 T1 和T2 都大于 0℃，所以飛機在上海機場起飛時一般不會積冰。

2）爬升階段：假設 T1 和 T2=0℃，T+t2=0,且 T'+t2'=0, 已 知 t2=12 ℃ ,t2'℃ =9.6, 則 得 T=-12℃ ,T'=-9.6℃。

利用插值法可得 T、T'所對應的高度層分別為 5177 米，4495 米，這 4495 高度層都在 1786-4862 米的云區范圍，所以飛機在爬升到 4495 米以上駐點外機體部分可能會積冰。應此，在到達4495 米這個高度之前，應該打開發動機、尾翼、風擋、傳感器等部位的防/除冰裝置。對應的，當飛機爬升達到云層頂部 4862 米以后就沒有積冰條件，則可以關閉防/除冰設備，節約推力，全力爬升。

3）巡航階段：巡航階段飛行高度一般大于6000 米，我們在前面章節已經討論 ,6000 米以上高空飛機飛行馬赫數比較大，所以對應的駐點增溫率就大，則發生積冰的概率是很小的，除遇到積冰云系，一般不會積冰。

4） 進 近 階 段： 令 T1/T2=0 ℃ ，T+t2=0 ,且T'+t2'=0。

已 知 t2=12 ℃，t2'℃ =9.6， 則 得 T=-12 ℃，T'=-9.6℃。利用插值法可得 T、T'所對應的高度層分別為 5177 米，4495 米，這高度層只有 4495米在云區范圍，所以飛機從進入云系（頂高為4862 米）直到下降至 4495 米之間的高度層上飛機機體全部部位都可能發生積冰[8]，所以，飛機進近時在下降至云系頂高 4862 米之前應打開全部部位防 /除冰裝置直到下降至 4495 米以后則可關閉全部部位的防/除冰裝置。

5）著陸階段：T1=T+t1=6.6+2.4=9℃

T2=T+t1'=6.6+1.9=8.5℃

T1/T2 都大于 0℃，所以飛機在上海機場著陸階段一般不會積冰。

根據上面計算的繪制上海站點的積冰強度域圖，如圖1所示。

圖1 上海站點積冰區

根據氣象條件（溫度，露點溫度等）可能會積冰的高度層是 967m-6000m，然后計算云層厚度得知可能積冰厚度層條件為 1786m-4862m,但是由于飛機在飛行中還得考慮駐點增溫，根據不同空域馬赫數不一樣得出可能積冰高度層為4495m-5177m，最后與之前所得積冰條件取交集。所以上海站點的積冰層是 4495-4862m 如圖1 所示陰影部分即是積冰層，根據RAOB積冰指數計算方法，在這個高度層的積冰強度為6，屬于中度積冰。所以飛機在飛行時在爬升離場的時候在4495m 之前就得打開防除冰設備，過了 5177m 之后可以關閉防除冰設備。飛機在飛行下降進近階段在 5177m 之前就得打開防除冰設備，在下降至4495m 之后可以關閉防除冰設備。這樣可以更有效的節省油量，在保證飛行安全的前提下為航空公司賺取更多利潤。同樣的方式，利用國家氣象中心的氣象資料，計算上海站附近站點信息，如表4。

根據表格可以得出在嘉興站點的積冰區在4320-5120m，積冰強度是 4LGT-CLR 中度明冰；湖州站點的積冰區在 3300-4220m，積冰強度是輕度明冰至中度混合冰；蘇州站點的積冰區在 2783-4052m，積冰強度 3-5，3- 輕度毛冰（LGT-RIM）4- 輕度明冰（LGT-CLR）5- 中度混合冰（MDT-MXD）；杭州站點的積冰區在 2807-3600m，積冰強度是輕度毛冰至輕度明冰；無錫站點的積冰區4600-5371m積冰強度4-5，4-輕度明冰（LGT-CLR）5- 中度混合冰（MDT-MXD）；常州站點的積冰區3598-4790m，積冰強度輕度毛冰至輕度明冰；啟東站點的積冰區是 2980-4010m 積冰強度 3-5，3- 輕度毛冰（LGT-RIM）4- 輕度明冰（LGT-CLR）5-中度混合冰（MDT-MXD）。

表4 上海附近各站點積冰強度積冰區

通過上圖可以簡單的知道每個站點的積冰強度區積冰高度層，根據上海站點以及附近站點的積冰區和積冰強度畫出積冰區，通過一個站點可以知道飛行高度上的飛機積冰區和積冰強度，通過各個站點，可以知道這一塊區域的各個高度上的飛機積冰強度和積冰區，在這塊區域飛行時根據自身飛機型號以及防除冰設備以及高度層來選擇脫離積冰區的方法。

而且每個站點的高度層上的積冰強度不一樣，比如蘇州站點的積冰區在 2783-4052m，積冰強度 3-5，但是積冰強度記為最高強度 5，所以當不同高度層或同以高度層積冰強度不同時，預報積冰強度時應該為最高積冰強度，之所以要預報最強積冰強度，是因為對飛行安全最大的保障。飛行員和指揮員也會對積冰現象做出及時的處置。

結合圖1和表4能夠簡單的了解到上海站點附近積冰信息。每個站點的積冰強度不同，積冰飛行高度層也不同，這為飛行員提供了很寶貴的信息，能夠第一時間脫離積冰區或者第一時間開啟防除冰，在保障飛行安全的同時，也為航空公司提高了經濟效益。對于航空公司的經濟性，在沒飛入積冰區前打開防除冰設備，在積冰區全力爬升可以節省燃油油量，一個機隊就可以省下很多燃油，就可以為航空公司節省不少錢；第二安全性那就更不用說了；所以說對于積冰指數計算積冰強度域的劃分實用性還是很強。

可以簡單的知道在杭州站點和湖州站點附近積冰強度為5，屬于中度混合冰；嘉興站點和蘇州站點附近的積冰強度為4，屬于輕度明冰；最后一塊區域積冰強度為5，屬于中度混合冰。在進入積冰區之前做好及時處置方法來確保飛行安全。

3積冰計算方法的應用

根據RAOB指數計算方法簡單粗略的劃分了上海站點附近的站點的積冰區以及計算出了積冰強度，在飛行這個區域的時候在所對應的高度通知飛行員開關防除冰裝置，以及當在這個積冰強度達到嚴重積冰時選擇提前改變高度或者改變航向。避免進入積冰區，對飛機造成危害，因此影響飛行安全，甚至可能導致飛機墜毀[9]。因此之前上海站點附近站點信息可以使用下面方法指揮：

根據大氣數據以及RAOB的計算方法在常州站點爬升到 3598m 之前或者下降進近到 4790m 之前打開防除冰設備，在爬升到 4790m 之后或者下降進近到 3598m 之后關閉開防冰設備。

無錫站點在爬升到 4600m 之前或者下降進近到 5371m 之前打開防除冰設備，爬升到 5371m 之后或者下降到 4600m 之后關閉開防冰設備。

蘇州站點在爬升到 2783m 之前或者下降進近到 4052m 之前打開防除冰設備，爬升到 4052m 之后或者下降到 2783m 之后關閉開防冰設備。

湖州站點在爬升到 3300m 之前或者下降進近到 4220m 之前打開防除冰設備，爬升到 4220m 之后或者下降到 3300m 之后關閉開防冰設備。

杭州站點在爬升到 2807m 之前或者下降進近到 3600m 之前打開防除冰設備，爬升到 3600m 之后或者下降到 2807m 之后關閉開防冰設備。

嘉興站點在爬升到 4320m 之前或者下降進近到 5120m 之前打開防除冰設備，爬升到 5120m 之后或者下降到 4320m 之后關閉開防冰設備。

啟東站點在爬升到 2980m 之前或者下降進近到 4010m 之前打開防除冰設備，爬升到 4010m 之后或者下降到 2980m 之后關閉開防冰設備。

上海站點在爬升到 4495m 之前或者下降進近到 4862m 之前打開防除冰設備，爬升到 4862m 之后或者下降到 4495m 之后關閉開防冰設備。在這個積冰區內所對應的高度有不同積冰強度，所以在飛行中管制員指揮飛機是對飛行安全起著重要的作用。

通過積冰計算，我們可以知道積冰區并且劃分強度域，根據積冰區高度的上限和下限，我們可以提前做好開關防除冰設備的準備，這樣不僅為航空公司節省燃油消耗，同時也提高了航空公司運行的效率。針對不同空域和不同積冰強度，我們可以使用不同的防范和應用措施，為飛行安全提供了強力保障。

4結論

本文選擇的是RAOB 指數計算方法來計算積冰強度，通過上海空域的氣象數據來一一分析，通過分析云系，駐點增溫是否使飛機結冰，找出積冰區劃分積冰強度，解析開防冰時間和高效安全指揮飛機脫離積冰區。

飛機在積冰氣象條件下他的駐點溫度達到一定值，機體表面會發生積冰現象。通過分析積冰現象和積冰強度來劃分積冰強度域，同時例舉積冰對飛行的影響和危害，最后闡述怎樣指揮飛機脫離積冰區和飛機防除冰開關時間和位置確定。影響飛機積冰的因素有：

1）過冷水滴，溫度，飛行速度，飛機曲率半徑；

2）云是造成飛機積冰的主要氣象因素，簡單介紹了云的分類；

3）液態水含量以及判斷云層云底高、云頂高以及云層厚度；

4）飛機駐點增溫率和飛行空域，飛機的駐點增溫率和飛行速度和馬赫數有關，不同的空域對應的飛行階段不同，所以空速也就不同，則不同空速對應的飛機駐點增溫率就不同。

以上海機場空域氣象數據為例進行了計算，根據積冰區強度，劃分積冰區，給出脫離積冰區以及避免積冰區的建議與指令，這對實際飛行中意義很大，不僅在經濟性上有很大的作用如可以節省燃油消耗等，而且在安全上有了很大的保障。對于積冰的研究，相信在不久的將來有更全面和準確的方法來預測積冰強度區以及有更好的解決方法來脫離積冰區甚至更精良的防除冰技術。

[1]蘇媛，徐忠達，吳禎龍 .飛機積冰后若干飛行力學問題綜述 [J].航空動力學報，2014，(8)：1878-1893.

[2]卞少兵 .飛機機翼積冰數值模擬方法研究 [D].南京：南京航空航天大學，2015.

[3]卞雙雙，何宏讓，張云，等 .飛機積冰形勢場數值模擬試驗的參數化方案效果評估 [J]. 干旱氣象，2016，(1)：106-112.

[4]邱瑞 . 利用衛星資料識別潛在飛機積冰區的研究 [D]. 廣漢：中國民用航空飛行學院 ,2015

[5]鮑雨晨 . 基于信息融合技術的飛機積冰顯示系統研究 [D].廣漢：中國民用航空飛行學院 ,2016.

[6]張玉梅．利用 NOAA 數據資料劃分我國華東地區積冰區方法的研究 [D]. 廣漢：中國民用航空飛行學院，2013．

[7]蘇媛 ,徐忠達 ,吳禎龍 . 飛機積冰后若干飛行力學問題綜述 [J]. 航空動力學報 ,2014,(8):1878-1893.

[8]易賢 ,朱國林 ,王開春 ,等 . 翼型積冰的數值模擬 [J]. 空氣動力學學報 ,2002,(4):428-433.

[9]張玉梅 . 利用 NOAA 數據資料劃分我國華東地區積冰區方法的研究 [D].廣漢：中國民用航空飛行學院 ,2013.

［編校：楊 琴］

Calculation of Icing Area Domain Partition based on Intensity Index

ZHANG Yu-chi1，ZHANG Xu2，3，CHEN Lin4
(1. Tianjin Branch, North China Regional Administration of Civil Aviation Administration of China,Tianjin 300300; 2.Dispatch Offi ce of Southwest Sub-control Center, Operation Control Center, Air China Limited, Chengdu Sichuan 610202; 3. Training Department of Southwest, Air China Limited, Chengdu Sichuan 610202; 4. Air Traffi c Management College, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300)

Based on a study of icing index strength domain division, the paper fi rst of all based on the analysis of domestic and foreign aircraft icing index methods, gives a detailed analysis of the current situation and signifi cance of icing index. Then, the optimal method is chosen to calculate by the icing index calculation method, and the icing intensity are calculated and analyzed based on the meteorological data in Shanghai Airport. And fi nally, with mapping analysis, research on icing intensity index is summarized, and suggestions and measures put forward, so as to ensure fl ight safety by commanding the aircraft in actual fl ight for such a situation.

aircraft icing; icing index; icing strength; fl ight safety

TP311.52

A

1671-9654(2017)02-0083-07

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.2017.02.021

2017-04-10

張宇馳（1990- ），男，天津人，助理工程師，研究方向為航空氣象。

本文為 2016 年天津市教育科學“十三五”規劃課題“民航特色課程的慕課推廣應用方式研究” (編號：HEYP5025)階段性研究成果。