MODIS衛星資料在飛機積冰識別中的應用

馮琬+吳俊杰

摘 要：根據一次航空器報告中的積冰現象，分析了影響該次積冰的天氣系統背景，并結合MODIS衛星資料診斷積冰發生時的各種云微物理量特征，發現機場東北進近方位云層較厚且云內溫度較低，云中有效粒子半徑與過冷液態水路徑數值較大，據此進一步驗證了MODIS衛星資料在分析飛機積冰區域的實用性和可靠性。

關鍵詞：MODIS；飛機積冰；微物理參數

DOIDOI：10.11907/rjdk.171188

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）007-0142-03

0 引言

飛機積冰指飛機機身表面某些部位聚集冰層的現象，是由于飛機穿云時被云中或降水中的過冷水滴碰撞到機身凍結而成。飛機積冰是嚴重威脅航行安全的天氣因素，因此有越來越多學者參與到有關飛機積冰的研究當中，并總結出飛機積冰的系列氣象條件。黃麗娟[1]統計出華北地區形成積冰的主要天氣形勢與積冰的高發時間；劉開宇等[2-3]通過個例分析發現飛機積冰的溫度與濕度條件，而在濕度較大的弱上升區更有利于積冰形成；王磊、龐朝云等[4-5]利用積冰云的微物理特征分析，描述了云中相態、液態水分含量、云中粒子濃度與體積直徑資料對積冰的影響等。

目前利用常規氣象資料分析飛機積冰現象較為常見，也有助于判斷大范圍飛機積冰產生的區域和強度，但由于其空間與時間精度受限，往往不能較為精確地分析和預判積冰區域的具體位置與程度。衛星資料具備的多光譜、覆蓋面廣和觀測時次多等優勢，能很好地彌補常規氣象資料探測積冰區的問題。利用衛星資料可以識別云頂溫度以及云中液態水含量等重要的積冰影響因子。2003年，王新煒等[6-7]利用EOS/MODIS衛星資料反演出積冰算法中所需的氣象要素，并對積冰個例進行驗證；2005年，Minnis[8]根據極軌衛星的特點，提出綜合使用MODIS和AVHR數據對近極地地區的積冰情況進行監控的方法。

本文針對一次飛機積冰報告，分析天氣系統背景，并結合MODIS衛星資料診斷積冰發生時的各種云微物理量特征，以判斷分析造成本次飛機積冰的主要因素，以更好地實現對飛機積冰的預警服務。

1 數據資料

2015年11月20日，世界時04：35，新疆空管接到航班報告，在烏魯木齊機場進近區上空750m～2 000m高度處遭遇到強烈積冰。本文所分析的天氣背景情況來自積冰當日世界時00時NCEP＼＼NCAR一天4次的再分析資料，衛星資料來自當日世界時04：35時的MODIS衛星的二級云產品數據。

2 天氣形勢分析

從08點850hPa的天氣環流圖上看，歐亞大陸高緯的烏拉爾山受到強大冷高壓環流控制，受環流形勢影響，冷空氣主體持續盤旋在60°N的烏山一帶。而在巴湖西側還有一冷性低壓生成。結合500hPa形勢場看出，巴湖西側有明顯的冷空氣軸延伸，與此同時，中緯度的巴湖及新疆地區有較強的西風氣流輸送，使冷空氣進一步東移。烏魯木齊位于其東側，受冷空氣影響，使當地出現低溫天氣。

圖2是08時的垂直環流、溫度和相對濕度沿88°E的垂直截面。大氣溫度是飛機積冰最重要的影響因素之一，再配合適宜的濕度條件，極易發生中度及以上的積冰。由于受冷空氣影響，新疆大部分地區氣溫明顯偏低，等溫線向新疆北部一帶傾斜，這在對流層低層尤為顯著。地窩堡機場（87°36E，43°46N）位于等溫線傾斜程度較大的地區，850hPa的溫度約在0℃以下。從相對濕度剖面圖看，高濕區則幾乎包括了北疆地區的對流層低層，隨著海拔高度增加，濕度迅速下降。地窩堡機場正好處于高濕區，合適的溫度與濕度的配合是此次飛機積冰的重要原因。另外，飛機降落到2 000m才開始出現積冰，查看垂直環流情況得知，機場附近的垂直氣流上升速度較慢，飛機處于弱的上升氣流區，該上升氣流有利于各種顆粒物保持懸浮狀生長而有利飛機積冰的累積。綜合的氣象要素表明，飛機在進近降落時遭遇到有利積冰的溫度、濕度和垂直速度，于是積冰在較短時間內生成。

3 衛星數據分析

衛星資料來自飛機積冰發生時（03：45UTC）烏魯木齊地窩堡機場及周邊地區（87°36E ，43°46N）的MODIS云產品數據（MOD06_L2.A2015324.0435.006.2015324203932），從光學厚度、云頂溫度、有效粒子半徑和過冷水滴等對積冰影響較大的因素來分析診斷當時云中各種微物理量的分布，以判定影響飛機積冰的區域。

光學厚度是判斷當地是否有云層覆蓋的重要參數，也是比較飛機是否存在積冰條件的直接判據之一。圖3（a）是大氣光學厚度分布，地窩堡機場周圍的大氣光學厚度分布不均，機場東北側進近區域的光學厚度值明顯偏大，即機場北側均有云層覆蓋，且東北方的云層厚度較大。

不同的溫度環境所形成云的種類也不一致。當云頂溫度高于0℃時，即暖云，也即其下大部分云層溫度都高于0℃，不符合積冰的溫度條件。因此，對于飛機積冰，需要重點關注的是冷云，以及云頂溫度靠近和低于0℃的云層。從云頂溫度分布圖3（b）看，云頂溫度低于0℃（273K）的地區仍然集中位于機場的東北角方向。因此，結合光學厚度值與云頂溫度分布，地窩堡機場的東北方云層較厚且云內溫度較低，有適合飛機積冰產生的基本條件。

只有當云中存在過冷水滴時，也即穿越液水云或混合相云時，飛機才有發生積冰的真正條件。影響飛機積冰強度的主要因素則包括云中過冷水滴的含量與水滴大小。一般而言，過冷水滴含量越高，液態水滴粒子直徑越大，積冰則越容易產生，積冰強度越強。圖3（c）是用來表征水滴粒子大小的物理量，有效粒子半徑RE，圖3（d）表征過冷水含量，過冷云液態水路徑SLWP。可以看出，機場北面的有效粒子半徑數值偏大，云內實際粒子較大，計算出的實際液水路徑也直接證明了云中含有大量液態水粒子。所以機場東北方仍然是云中有效粒子半徑與過冷液態水路徑數值較大的地區，積冰的可能性大大增加。endprint

參考Minnis P提出的積冰強度依據，結合有效粒子半徑、云頂溫度和云中液態水路徑3個參數制作可能的飛機積冰強度分類（見表1），圖4是計算出的地窩堡機場積冰強度的劃分。可以看出，強積冰區正好主要位于地窩堡機場東北方向一帶，強積冰的地理位置大致位于87.6°E-88.2°E，43.8°N-44.1°N。

積冰的垂直高度情況則可以通過云底高度與凍結高度來判斷。飛機一般在穿越冷云時容易產生積冰，準確的云底高度與凍結高度可以提供較為精細化的積冰分布。由圖5（a）可知，機場片區的云底高度在2 000m左右，云底高度由北向南逐漸降低，越靠近機場，云層越低。凍結高度的分布與云底高度的走勢基本類似，如圖5（b）所示，呈現出北高南低的態勢。積冰層的厚度應該位于云底高度之上，凍結高度以下，即用兩者的差值可推測積冰的垂直分布，如圖5（c）所示。積冰區在機場東北角分布較厚，垂直高度在1 000m左右，越靠近本場，積冰厚度則越薄。結合云底高度的分布來看，東北角云底較高，積冰區偏厚，機場上空云底較低，積冰區較薄，飛機在起飛或進近過程中有遭遇到持續積冰的可能，離機場越遠，積冰強度越大，積冰高度越高。

4 結果分析

本文根據一次航空器報告中的積冰現象，分析了影響此次積冰的天氣系統背景，并結合MODIS衛星資料診斷積冰發生時的各種云微物理量特征，得到以下結果：

（1）中緯度地區存在較強的西風氣流輸送，烏魯木齊受冷空氣影響，而且飛機在進近降落時遭遇到有利積冰的溫度、濕度和垂直速度等條件，容易在較短時間內生成積冰。

（2）衛星微物理資料分析表明，機場東北進近方位云層較厚且云內溫度較低，云中有效粒子半徑與過冷液態水路徑數值較大，積冰的可能性大大增加。

（3）通過測算，該次強積冰的地理范圍為87.6°E-88.2°E，43.8°N-44.1°N。東北角云底較高，積冰區偏厚，機場上空云底較低，積冰區較薄，飛機在起飛或進近過程中有遭遇到持續積冰的可能。

參考文獻：

[1]黃麗娟.中國北方地區飛機積冰的大氣環境特征[J].飛行實驗，1997（12）：8-12.

[2]劉開宇，申紅喜，李秀連，等.“04.12.21”飛機積冰天氣過程數值分析[J].氣象，2005，31（12）：23-27.

[3]劉開宇，張云瑾，龔婭.一次飛機積冰氣象條件的診斷分析[J].云南大學學報自然科學版，2008（S1）：330-332.

[4]王磊，李成才，趙曾亮，等.飛機積冰云微物理特征分析及監測技術研究[J].氣象，2014，40（2）：196-205.

[5]龐朝云.一次飛機積冰條件下的云粒子結構分析[J].成都信息工程學院學報，2011，26（6）：702-706.

[6]王新煒，白潔，劉健文，等.衛星資料在飛機潛在積冰區反演中的應用[C].中國氣象學會2006年年會，2006.

[7]王新煒，白潔，劉健文，等.SBDART輻射傳輸模式在飛機潛在積冰區反演中的應用[J].氣象科技，2003，31（3）：152-155.

[8]MINNIS P，L NYEN，W L SMITH， et al.Real-time cloud ，radiation and aircraft icingparameters from GOES over the USA[C].Proc.13th AMS Conf. Satellite Oceanogr and Meteorol，Norfolk，VA，2004：1-4.endprint