一種基于人影飛機結冰觀測記錄判斷云中過冷水的方法

劉星光,張 微

（黑龍江省人民政府人工降雨辦公室，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

飛機結冰是指飛機機體因過冷水滴凍結或水汽凝華而聚積冰層的現象[1]，通常發生在含有過冷水滴的云、霧、凍雨或濕雪中，影響飛機的穩定性和操縱性，并使導航儀表和無線電通信設備失靈，嚴重時甚至導致飛行事故[2-4]。過冷水是對0℃以下液態水滴的總稱。在過冷卻水和冰晶共存的情況下，水滴被消耗、冰晶尺度增加，這就是蒸-凝過程。蒸-凝過程在冷云形成降水、混合態降水增強中發揮重要作用，同時也是人工增雨冷云催化的理論基礎。因此，過冷卻水對降水形成和人工增雨均有重要意義。

目前，對過冷水或飛機積冰的研究手段主要有飛機探測、數值模擬和衛星資料診斷等方法[5-10]，袁敏等（2017）通過對127次積冰報告的統計分析發現大多數積冰發生在-20℃以上的溫度環境中，大多數積冰發生在層積云、雨層云和高層云中[11]；洪延超（2012）總結了層狀云及其降水物理研究的部分成果，指出“催化-供給”云是降水性層狀云的典型結構，“催化-供給”云相互作用是導致降水的主要過程，其中冰相層是催化云，冰水混合層、液水層是供給云，催化云對降水的貢獻低于30%，供給云在70%以上[12]。

受觀測手段限制，黑龍江省一直沒有開展過冷水的相關研究。飛機結冰的發生與云中過冷水關系密切，多年來，在缺少機載探測設備的情況下，飛機結冰一直是人影工作者判斷空中存在過冷水、具有可播條件的判斷依據。本文從人影飛機結冰觀測記錄入手研究降水云中過冷卻水的分布特點，并過冷卻水在不同降水天氣系統中的位置特征進行統計分析。

2 資料和方法

普查黑龍江2003-2018年的人影飛機宏觀觀測記錄，除2010、2011年缺少飛機結冰觀測記錄外，其余14 a共有86個飛機結冰日、206條飛機結冰記錄。飛機結冰記錄最多的是5月，共計32 d、55條；3月和8月積冰日數＜5 d、觀測記錄＜10條；1-2月、11-12月沒有飛機結冰觀測記錄。首先剔除積冰記錄＜10條的月份，再對其它記錄進行校對、篩選，從中選取59個飛機結冰日、共計62個飛機結冰個例進行分析。

3 結果與分析

3.1 飛機結冰與混合相層的位置關系

冰水混合層是由冰相粒子和過冷水組成的，冰相粒子可以是冰晶、雪或霰，過冷水可以是云滴和雨滴。冰水混合層的底部一般是0℃層，頂部約在-25℃左右。由于大多數積冰發生在-20℃以上的溫度環境中，故本文根據飛機結冰位置選擇與其距離最近、時間最近的探空資料，提取0℃、-20℃、混合相態厚度數據，以各月飛機結冰個例的自然日為先后次序，逐一描繪出飛機結冰觀測高度和混合相層的垂直位置關系（圖1）。可以看到，飛機結冰位置普遍在-20-0℃的混合相層中，約占飛機結冰個例的95%，但也有5%出現在環境溫度＞0℃的暖層。以2015-2018年為例，黑龍江省開展飛機作業的日數為51 d，有飛機結冰記錄的為38 d，飛機積冰日占比為70.6%。其中5月份的飛機作業日為18 d，飛機結冰日為14 d，占比達到77.8%。由此可以推斷黑龍江在4-7月、9-10月的降水云中都有過冷水存在，其中5月份的云中過冷水最為豐沛。

圖1 飛機結冰位置在混合相態層中的位置

另外，各個例的0℃、-20℃的高度變化較大，但混合相態層的厚度全年變化不大，平均值在3204 m，7月份最高在3326 m，10月份最低在3090 m。若將混合相層分為上層（-20.0-(-13.3℃）)、中間層（-13.3-(-6.7℃））和下層（-6.7-0℃），云中過冷水有37%出現在中間層、49%出現在下層。

3.2 逐月變化特征

4-7月、9-10月云中過冷水的平均高度為3424.45 m，4-7月從2984 m逐漸升高到3857 m，9-10月下降。最高高度與平均高度分布特征一致，極大值出現在7月份，為5634 m。但最低高度的逐月特征不明顯(表1)。

表1 云中過冷水位置高度的逐月統計表

3.3 補充條件的利用飛機結冰判斷過冷水方法

通過分析發現，飛機結冰現象中有5%記錄出現在＞0℃的暖層，即以往用飛機結冰判斷空中存在過冷水、具有可播條件的判斷依據不嚴謹，應加上環境溫度＜0℃這一條件。

3.4 云中過冷水在降水天氣系統中的位置

從上述個例中選取高空、地面觀測數據和衛星云圖較為完整的55個，對其進行天氣系統分型分類。在天氣分型中優先分析500 hPa高度場，其次是700 hPa。通過分析發現，云中過冷水出現的天氣系統主要為高空渦、高空槽，其中高空槽的個例有32個，高空渦有23個。

從過冷水在天氣系統中的分布位置來看(表2)，出現在高空槽前部的最多為23次，占同型天氣個例的72%。高空渦的各個位置均有可能出現過冷水，其中渦前部探測到的次數最多為9次，占同型天氣個例的39%，其次是在渦的頂部。從過冷水與冷、暖氣團的位置關系來看，在各天氣系統中出現在冷氣團一側的幾率高，但在高空槽前的過冷水則多出現在暖氣團或冷暖鋒面上。

表2 過冷水在降水天氣系統中的位置

3.5 云中過卻水出現的降水云分類

對38個飛機結冰觀測時刻對照同一時次的紅外、可見光云圖，按照降水云的對流穩定性進行分類。其中，對應為層積云的有16個，占比42.1%；層云12個，占比31.6%；積云10個，占比26.3%。

4 結論

（1）飛機結冰觀測事實與云中過冷水的溫度閾值吻合度高達95%，結合0℃層位置可以作為降水云中存在過冷水的判斷依據。

（2）云中過冷水出現在混合相層中下部的幾率大，約為86%。

（3）高空槽、高空渦是黑龍江省開展飛機增雨作業的主要降水天氣系統，其中高空槽前的暖氣團或冷暖鋒面上、高空渦的前部、高空渦頂部冷氣團一側或冷暖鋒面上是過冷水分布的主要區域，層積云、層云中是過冷水分布的主要云型。