一種基于人影飛機(jī)結(jié)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(jī)結(jié)冰是指飛機(jī)機(jī)體因過冷水滴凍結(jié)或水汽凝華而聚積冰層的現(xiàn)象[1]，通常發(fā)生在含有過冷水滴的云、霧、凍雨或濕雪中，影響飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性，并使導(dǎo)航儀表和無線電通信設(shè)備失靈，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致飛行事故[2-4]。過冷水是對0℃以下液態(tài)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(tài)降水增強(qiáng)中發(fā)揮重要作用，同時(shí)也是人工增雨冷云催化的理論基礎(chǔ)。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(jī)積冰的研究手段主要有飛機(jī)探測、數(shù)值模擬和衛(wèi)星資料診斷等方法[5-10]，袁敏等（2017）通過對127次積冰報(bào)告的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)大多數(shù)積冰發(fā)生在-20℃以上的溫度環(huán)境中，大多數(shù)積冰發(fā)生在層積云、雨層云和高層云中[11]；洪延超（2012）總結(jié)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(jié)構(gòu)，“催化-供給”云相互作用是導(dǎo)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(xiàn)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(guān)研究。飛機(jī)結(jié)冰的發(fā)生與云中過冷水關(guān)系密切，多年來，在缺少機(jī)載探測設(shè)備的情況下，飛機(jī)結(jié)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(jù)。本文從人影飛機(jī)結(jié)冰觀測記錄入手研究降水云中過冷卻水的分布特點(diǎn)，并過冷卻水在不同降水天氣系統(tǒng)中的位置特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 資料和方法

普查黑龍江2003-2018年的人影飛機(jī)宏觀觀測記錄，除2010、2011年缺少飛機(jī)結(jié)冰觀測記錄外，其余14 a共有86個(gè)飛機(jī)結(jié)冰日、206條飛機(jī)結(jié)冰記錄。飛機(jī)結(jié)冰記錄最多的是5月，共計(jì)32 d、55條；3月和8月積冰日數(shù)＜5 d、觀測記錄＜10條；1-2月、11-12月沒有飛機(jī)結(jié)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(jìn)行校對、篩選，從中選取59個(gè)飛機(jī)結(jié)冰日、共計(jì)62個(gè)飛機(jī)結(jié)冰個(gè)例進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 飛機(jī)結(jié)冰與混合相層的位置關(guān)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(shù)積冰發(fā)生在-20℃以上的溫度環(huán)境中，故本文根據(jù)飛機(jī)結(jié)冰位置選擇與其距離最近、時(shí)間最近的探空資料，提取0℃、-20℃、混合相態(tài)厚度數(shù)據(jù)，以各月飛機(jī)結(jié)冰個(gè)例的自然日為先后次序，逐一描繪出飛機(jī)結(jié)冰觀測高度和混合相層的垂直位置關(guān)系（圖1）。可以看到，飛機(jī)結(jié)冰位置普遍在-20-0℃的混合相層中，約占飛機(jī)結(jié)冰個(gè)例的95%，但也有5%出現(xiàn)在環(huán)境溫度＞0℃的暖層。以2015-2018年為例，黑龍江省開展飛機(jī)作業(yè)的日數(shù)為51 d，有飛機(jī)結(jié)冰記錄的為38 d，飛機(jī)積冰日占比為70.6%。其中5月份的飛機(jī)作業(yè)日為18 d，飛機(jī)結(jié)冰日為14 d，占比達(dá)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(jī)結(jié)冰位置在混合相態(tài)層中的位置

另外，各個(gè)例的0℃、-20℃的高度變化較大，但混合相態(tài)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(xiàn)在中間層、49%出現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)計(jì)表

3.3 補(bǔ)充條件的利用飛機(jī)結(jié)冰判斷過冷水方法

通過分析發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)結(jié)冰現(xiàn)象中有5%記錄出現(xiàn)在＞0℃的暖層，即以往用飛機(jī)結(jié)冰判斷空中存在過冷水、具有可播條件的判斷依據(jù)不嚴(yán)謹(jǐn)，應(yīng)加上環(huán)境溫度＜0℃這一條件。

3.4 云中過冷水在降水天氣系統(tǒng)中的位置

從上述個(gè)例中選取高空、地面觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星云圖較為完整的55個(gè)，對其進(jìn)行天氣系統(tǒng)分型分類。在天氣分型中優(yōu)先分析500 hPa高度場，其次是700 hPa。通過分析發(fā)現(xiàn)，云中過冷水出現(xiàn)的天氣系統(tǒng)主要為高空渦、高空槽，其中高空槽的個(gè)例有32個(gè)，高空渦有23個(gè)。

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

表2 過冷水在降水天氣系統(tǒng)中的位置

3.5 云中過卻水出現(xiàn)的降水云分類

對38個(gè)飛機(jī)結(jié)冰觀測時(shí)刻對照同一時(shí)次的紅外、可見光云圖，按照降水云的對流穩(wěn)定性進(jìn)行分類。其中，對應(yīng)為層積云的有16個(gè)，占比42.1%；層云12個(gè)，占比31.6%；積云10個(gè)，占比26.3%。

4 結(jié)論

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

（2）云中過冷水出現(xiàn)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(jī)增雨作業(yè)的主要降水天氣系統(tǒng)，其中高空槽前的暖氣團(tuán)或冷暖鋒面上、高空渦的前部、高空渦頂部冷氣團(tuán)一側(cè)或冷暖鋒面上是過冷水分布的主要區(qū)域，層積云、層云中是過冷水分布的主要云型。