我國干旱地區一次直升機自然結冰試飛天氣個例分析

王澤林，倪洪波，裴昌春

（1.中國飛行試驗研究院，陜西 西安710089；2.泉州市氣象局，福建 泉州362000）

飛機積冰是指飛機機身表面某些部位積聚冰層的現象， 它是由于云中的過冷水滴或降水中的過冷云、雨滴碰到機體后凍結而成。直升機主要在6000 m以下的低中空飛行，由于低空和低速的飛行特點，當直升機在結冰天氣條件下飛行時，旋翼、尾槳、發動機進氣道、風擋、天線等部位可能會形成嚴重的冰層聚積，對直升機飛行性能、操縱品質、發動機性能等造成嚴重影響，尤其是旋翼、槳葉的積冰會導致飛行阻力增加，需用功率增加，并引起槳葉失速、空速受限、續航時間和航程顯著下降等問題，嚴重威脅飛行安全[1-2]。

國外對飛機積冰的研究開展較早， 從20 世紀40 年代開始，美國就對飛機自然結冰做了大量的探測和理論研究， 制定了飛機自然結冰環境中的飛行標準[3-5]。 國內許多學者也對此問題進行了大量的觀測研究，但研究多限于固定翼飛機，針對旋翼機積冰方面目前仍較少有研究涉及。 陳躍等[6]對國產Y-12型飛機在新疆地區進行自然結冰試飛期間所獲得的資料進行了個例分析， 對影響飛機積冰的液態水含量、 體積中值直徑和滴譜等氣象因素的水平和垂直分布進行了討論。 張興才[7]分析了烏魯木齊地區飛機積冰的天氣形勢與特點， 結果表明飛機穿越鋒區或在鋒區附近飛行時，更容易造成飛機積冰。 黃海波[8]分析了新疆地區的積冰特點：該地區飛機積冰大多數都發生在秋、冬、春三季，積冰主要是鋒面云系造成。 大量文獻研究表明： 飛機積冰溫度一般在0～-15 ℃，輕度積冰在0～-12 ℃出現最多，中度積冰在-2～-12 ℃出現最多， 強積冰發生在-8～-10 ℃最多[9-12]，積冰過程多伴有弱的上升運動[13-14]。

近年來，軍、民用直升機的全天候使用需求日益強烈， 而具備在一定的結冰環境條件下安全飛行是全天候使用的基本要求，因此，自然結冰試飛已經作為直升機試飛的重要課題。本文旨在通過分析2018年3 月17 日與27 日國產某型直升機在我國干旱區——新疆五家渠進行的直升機的自然結冰試飛個例，利用NCEP/NCAR 再分析資料、機測液態水含量資料結合常規氣象資料， 探尋飛機機身積冰發生時的天氣要素及環流特征， 總結干旱地區直升機結冰天氣預報及保障方法，為我國軍、民用直升機在干旱地區執行飛行任務時面臨的自然結冰氣象保障服務提供基礎技術支撐， 總結直升機飛行結冰天氣潛勢預報指標，探討結冰天氣預報技術。

1 試飛過程簡介

2018 年3 月17 日16：10—16：40（BT，以下時間均為BT）， 試驗機在87.14°E，44.37°N 位置2 km范圍內，完成了首架次的自然結冰試飛。 從圖1a 可見，此次試飛，直升機機身積冰表面粗糙不平，不透明，呈白瓷色，積冰厚度<0.5 cm，屬于輕度積冰。 試飛期間，飛機由云底入云，云中無降水，飛行高度1800～2100 m（海拔高度），飛行速度120～160 km/h。

2018 年3 月27 日11：00—11：45， 試驗機在86.77°E，44.45°N 位置2 km 范圍內， 完成了第二架次的自然結冰試飛。從圖1b 可見，此次試飛，直升機機身積冰表面光滑、通體透明，屬于明冰，積冰厚度在1～2 cm，屬于輕—中度積冰。 在這次自然結冰試飛中， 飛機的一些性能參數發生明顯變化。 試飛期間，飛機由云底入云，云下有降水，飛行高度2000～2200 m（海拔高度），飛行速度120～160 km/h。

2 直升機飛行自然結冰天氣的天氣尺度環流形勢演變

從3 月17 日14 時500 hPa 高度場與地面氣壓場疊加圖（圖2a）可見，500 hPa 高度場巴爾喀什湖地區有冷渦東移，試飛點處于冷渦前部。地面氣壓場上，新疆西北部有一高壓，其中心位于巴爾喀什湖北部，中心值＞1030 hPa，冷鋒從新疆北部伸至新疆西部， 試飛點位于其前側， 冷空氣已經影響到新疆西部。 在700 hPa 高度（圖2b），巴爾喀什湖地區風場有氣旋性輻合，試飛點受輻合區前部偏南氣流影響，試飛點及其周圍100～200 km 范圍相對濕度＜60%，其西部及東北部，相對濕度＞90%。 在850 hPa 高度（圖2c）， 試飛點及其北部有一切變線，-4 ℃冷中心位于巴爾喀什湖地區，0 ℃線伸至試飛點西側。

圖1 3 月17 日（a）與3 月27 日（b）自然結冰試飛掛架積冰狀況

圖2 3 月17 日14 時500 hPa 高度場和地面氣壓場（a），700 hPa 風場與相對濕度（b）和850 hPa 風場與溫度場（c）

從3 月27 日08 時500 hPa 高度場與地面氣壓場疊加圖（圖3a）可見，500 hPa 高度場巴爾喀什湖以西有淺槽東移。 地面氣壓場上，天山南部為一低壓，新疆西北部為一高壓， 高壓中心位于巴爾喀什湖地區，冷鋒從蒙古西部伸向天山地區，試飛點處于冷鋒后部的冷高壓前沿。 在700 hPa 高度（圖3b），天山北部地區有相對濕度大值區， 試飛點及其北部的相對濕度＞90%。 在850 hPa 高度（圖3c），0 ℃線位于新疆北部，呈東—西走向，冷空氣位置偏北，強度較弱。

3 直升機飛行自然結冰天氣的中尺度動力和熱力特征

為得到結冰試飛期間大氣的動力、熱力特征，利用16 日08 時—19 日02 時，26 日08 時—29 日02時的NCEP/NCAR 再分析資料， 得到試飛點位置（87°E，44°N）的溫度、比濕廓線圖，溫度平流、垂直速度廓線圖，水汽通量散度廓線圖（圖4、圖5），Ic積冰指數廓線圖（圖6）。此外，考慮當地海拔高度影響，文中分析討論900 hPa 以上高度層物理量。

3.1 3 月17 日試飛情況

從溫度、比濕廓線（圖4a）可見，在17 日14 時后600 hPa 以下有明顯冷空氣，對應的比濕場上，比濕值在14 時后整層迅速增大，說明隨著冷空氣的影響，濕暖空氣不斷抬升。17 日14 時—18 日08 時，高比濕值層（q＞3 g/kg）伸至750 hPa，17 日14 時—18日02 時，高比濕中心值＞4 g/kg。 從溫度平流和垂直速度廓線（圖4b）可見，17 日08 時—17 日14 時在600 hPa 以下有上升運動大值區，17 日14 時—18日14 時在800 hPa 以下有弱冷平流。從水汽通量散度廓線（圖4c） 可見，17 日14 時—18 日08 時，在900～800 hPa 高度， 有＞-1.5×10-7g/cm2·hPa·s 的水汽輻合中心。 在結冰試飛期間（16:00—16:40，高度1800～2100 m（約800～780 hPa），溫度介于0～-4 ℃，處于輕—中度積冰的溫度范圍； 比濕值為3～3.5 g/kg，處于高比濕值層； 垂直速度為-0.2～-0.4 Pa/s；積冰發生在冷暖平流交匯處；水汽通量散度＞-1.2×10-7g/cm2·hPa·s， 位于水汽輻合中心， 低層有強水汽輻合，高層有弱水汽輻散。

3.2 3 月27 日試飛情況

從溫度、比濕廓線（圖5a）可見，26 日14 時后700 hPa 以下有明顯冷空氣，0 ℃層由700 hPa 降低至800 hPa，對應比濕場上，26 日14 時后，中低層比濕值迅速增加，27 日02 時—28 日14 時， 高比濕值層（q＞3 g/kg）伸至600 hPa 附近，26 日20 時—27 日14 時，在900～850 hPa 高度，比濕中心值>5 g/kg。 從溫度平流、垂直速度廓線（圖5b）可見， 27 日02—14 時850～750 hPa 有上升運動大值區，低層冷平流分布主要與低層上升運動大值區對應， 在27 日02—14 時850～750 hPa 高度有弱冷平流。 從水汽通量散度廓線（圖5c）可見，27 日02—14 時，在850～800 hPa 高度，有強度＞-0.6×10-7g/cm2·hPa·s 的弱水汽輻合中心，26 日14 時—27 日20 時，750～600 hPa為水汽輻散中心。從圖5 可以看出，在結冰試飛期間（27 日11:00—11:45， 高度2000～2200 m（約790～770 hPa）），溫度介于0～-2 ℃，處于輕—中度積冰的溫度范圍；比濕值接近4.5 g/kg，處于高比濕值層；垂直速度為-0.2～-0.4 Pa/s；積冰發生在弱冷平流中心附近；處于弱水汽輻合中心邊緣，水汽通量散度＞-0.3×10-7g/cm2·hPa·s，在750 hPa 上部、850 hPa 下部為水汽輻散區，試飛高度層有水汽輻合，其上部與下部均為水汽輻散區。

圖3 3 月27 日08 時500 hPa 高度場和地面氣壓場（a），700 hPa 風場與相對濕度（b）及850 hPa 風場與溫度場（c）

圖4 3 月16 日08 時—19 日02 時，比濕和溫度廓線（a），垂直速度和溫度平流廓線（b）及水汽通量散度廓線（c）

3.3 直升機飛行自然結冰天氣中Ic 積冰指數的垂

直分布

國際民航組織建立了計算積冰強度的Ic 積冰指數：Ic=[（RH-50）×2]×[T×（T+14）/（-49）]， 其中RH 為相對濕度，T 為溫度（℃）。積冰強度根據Ic 指數的不同進行如下劃分： 0＜Ic≤50，判斷有輕度積冰；50＜Ic≤80，判斷有中度積冰；Ic＞80 判斷有嚴重積冰[15]。

從圖6a 可見，17 日14 時以后積冰指數迅速增大， 高積冰指數集中在17 日20 時—18 日20 時850～650 hPa 高度。 新疆西部的冷渦外圍云系在14時后開始影響試飛點， 冷渦影響試飛點的主要時間為17 日20 時—18 日14 時，這與Ic 積冰指數大值區有很好對應。 17 日結冰試飛期間，Ic 積冰指數為20～30，判斷有輕度積冰。從圖6b 可見，27 日結冰試飛期間，Ic 積冰指數為30～40，判斷有輕度積冰。

4 直升機飛行自然結冰天氣云中液態水含量特征

由圖7 可見，3 月17 日飛機在云中飛行約30 min，整個飛行過程中云層基本連續， 液態水含量值波動較大， 可分3 段： 前10 min， 液態水含量較低，在15%～40%區間波動；10～17 min，液態水含量在40%～80%；17～30 min，液態水含量在20%～80%波動。3 月27 日飛機在云中飛行約45 min，整個飛行過程中云層連續，液態水含量穩定在40%～80%，均值保持在60%左右。

圖5 3 月26 日08 時—29 日02 時比濕和溫度廓線（a），垂直速度和溫度平流廓線（b）及水汽通量散度廓線（c）

圖6 3 月16 日08 時—19 日02 時（a）與3 月26 日08 時—29 日02 時（b）Ic積冰指數廓線

圖7 3 月17 日（a）與3 月27 日（b）自然結冰試飛云中液態水含量變化趨勢

5 直升機飛行自然結冰天氣預報方法

在此次自然結冰試飛氣象保障中， 利用數值模式產品結合探空、雷達、衛星云圖等資料對積冰區域及高度進行預報，以3 月27 日積冰預報為例說明積冰天氣預報指標應用及保障方法。

通過中期數值模式產品分析， 在3 月27 日08時—31 日08 時北疆地區將出現雨夾雪天氣過程，云層中有較大積冰潛勢。在27 日飛行前對天氣實況進行連續監測，觀測資料表明：08 時以后，觀測點上空低云量增多，云底高維持在1500 m 左右，地面溫度11～12 ℃，無降水。 08 時烏魯木齊站高空有多層云，低層云約2100～3000 m，中層云約4800～5000 m，高層云約6200～6400 m，700 hPa 上部有一淺薄的逆溫層，0 ℃層高度約為2000 m，在2000～3000 m 有較高積冰概率。 衛星實況監測表明（圖8），05—11 時，五家渠地區西北部被大范圍的層狀云覆蓋， 云系自西向東移動，云頂黑體亮溫低于-30 ℃，云系后部發展旺盛。雷達回波監測表明：07—10 時，五家渠地區西北100 km 范圍內有降水回波，回波比較均勻，強度在5～15 dBZ，回波緩慢東移，從垂直結構來看，回波頂在約5 km，回波向下有所增長，地面有降水形成。 微波輻射計連續監測表明：3 月27 日04—09時，3 km 以下有較弱冷空氣，0 ℃層高度在2000～2200 m，08 時后， 低層相對濕度顯著增大， 整層濕度＞60%，1.5～3 km 高度相對濕度在70%～80%，在2～2.2 km 高度有淺薄的過冷水層，含量0.01～0.02 g/m3。

根據對衛星、雷達和地面觀測等資料的分析，給出了自然結冰試飛天氣潛勢預報。 預計，3 月27 日11—14 時， 五家渠西北部100 km 范圍內會出現有利于直升機自然結冰試飛的天氣條件， 低層云范圍為2000～3000 m，0 ℃層在2 km 高度， 在2～2.2 km有淺薄過冷水層， 云中有降水，2～3 km 高度十分有利于飛行結冰，可擇時開展自然結冰試飛。 但是，這些有利于自然結冰的環境條件對于直升機執行任務而言是負面影響更嚴重，甚至存在墜機風險，需要避開不利的結冰天氣出現時段。

圖8 3 月27 日05—13 時FY2G 云頂黑體亮溫分布（單位：℃）

6 結論

2018 年3 月17 日和27 日，在新疆北部五家渠市開展了直升機在自然結冰天氣條件下的試飛，得到了我國干旱地區直升機飛行自然結冰天氣的基本要素特征。

（1）3 月17 日自然結冰試飛期間， 云中液態水含量波動較大， 在低水含量區域飛行10 min，中度水含量區域飛行7 min， 在輕—中度區域飛行了13 min。 30 min 飛行后，飛機掛架上形成粗糙不平，不透明，呈白瓷色的凇冰，積冰厚度＜0.5 cm，屬于輕度積冰。此次試飛點受高空冷渦影響，位于低層輻合區前部偏南氣流區，以及地面冷鋒前部暖區。直升機所處高空環境溫度為0～-4 ℃，比濕值為3～3.5 g/kg，試飛高度層位于水汽輻合中心，伴有弱上升運動，積冰發生在冷暖平流交匯處；Ic 積冰指數為20～30。

（2）3 月27 日自然結冰試飛期間， 云中液態水含量較為穩定， 全程45 min 在中度水含量區域飛行，飛機掛架上形成表面光滑、通體透明的明冰，積冰厚度1～2 cm，屬于輕—中度積冰。 此次試飛點受高空淺槽影響，位于低層相對濕度大值區，以及地面冷鋒后部的冷高壓區； 直升機在空中飛行時的大氣溫度為0～-2 ℃，空氣中比濕值接近4.5 g/kg，試飛高度層位于弱水汽輻合中心邊緣，伴有弱上升運動，積冰發生在弱冷平流中心附近；Ic 積冰指數為30～40。

（3）利用地面觀測、衛星云圖、雷達、探空、微波輻射計等資料，綜合數值預報產品，可以有效地預報出適宜自然結冰試飛區域范圍和高度層， 為直升機執行任務提供氣象保障服務。