陕西秦岭以北地区飞机积冰状况研究

顾效斌,倪洪波,罗俊颉,宋继萍

(1.中航工业试飞中心,西安 710089;2.陕西省人工影响天气办公室,西安 710014)

陕西秦岭以北地区飞机积冰状况研究

顾效斌1,倪洪波1,罗俊颉2,宋继萍1

(1.中航工业试飞中心,西安 710089;2.陕西省人工影响天气办公室,西安 710014)

利用东胜、延安、平凉、西安 4站 1990年 1月— 2009年 12月每天 08时和 20时 1 000～100hPa标准等压面探空资料,选用国际民航组织建议的 WAFS积冰指数 Ic作为诊断依据,计算、分析陕西秦岭以北地区逐月飞机积冰率的垂直和水平分布特征,结果表明:该地区具有丰富的积冰试飞气象资源;在垂直高度上,700 hPa及以下高度,飞机积冰主要发生在春季和冬季,700 hPa高度以上,飞机积冰主要发生在夏半年;飞机积冰多发期间,850hPa及以下高度积冰率水平分布表现为南北少、中部多的特点;850 hPa高度以上,飞机积冰率呈现出南部多、北部少的特点。

飞机积冰;积冰资源;积冰指数;积冰发生率

飞机积冰是指飞行中飞机表面某些部位及发动机进气部件聚集出现冰层的现象,它会严重危及飞行安全,尤其对低速飞行 (V≤600 km/h)的中、小型飞机危害更大。以往的研究[1-5]中,均将飞机积冰作为航空危险现象予以讨论。目前,我国以 ARJ21-700飞机为开端的大量民用飞机适航审定试飞,必须按照文献 [6]的附录 C(简称CCAR-25部附录 C)的要求,实施并完成“自然结冰”(即飞机积冰)科目试飞,研究和掌握阎良机场主要试飞区域所在的陕西秦岭以北地区飞机积冰气象资源状况显得尤为必要。另外飞机积冰会对飞行安全构成威胁,据文献 [2]统计显示,即使在航空产业发达的美国,由于飞机积冰导致的等级飞行事故,仍然占因气象原因导致的飞行等级事故的 13.7%,比例较高,国内这一比例为10.4%。

陕西是我国气候高度敏感区[7],特殊的地理区位和地形特征,使陕西秦岭以北地区飞机积冰具有明显特殊性[8-9],文献 [3-5,10]引述了采用非线性映像降维法对我国飞机积冰气候区划的结论,陕西秦岭以北地区大部区域处于全国 4个飞机积冰区的Ⅱ区,为较易发生积冰区。王新炜[11]等采用 K均值聚类统计分析方法,将我国飞机积冰气候区划分为 5个区,陕西秦岭以北地区处在以华北地区为主的Ⅲ区,即积冰少发区 (全年的积冰发生概率皆小于 10%,且夏季无积冰)。赵颂华[12]指出:西北地区飞机积冰主要发生在冬半年(11— 4月),积冰发生累积频率达 85.4%。黄丽娟[13]指出:西北地区 (主要指陕西中北部)冬季(11— 2月)发生飞机积冰的概率达 66%。针对阎良机场主要试飞区域有关飞机积冰气象条件的研究,文献虽有涉及,但未形成较统一的观点和结论。

1 资料及研究方法

1.1 资料及站点选取

鉴于研究区域高空气象探测资料有限,为最大限度满足计算结果的代表性和结论的拟合度,选取东胜 (内蒙古,53543站)、延安 (陕西,53845站)、平 凉 (甘 肃,53915站)、西安 (陕西,57036)作为代表站,利用 4站 1990年 1月— 2009年 12月每天 08时和 20时 (北京时)1 000～ 100 hPa标准等压面探空资料,计算、分析陕西秦岭以北地区飞机积冰发生率和飞机积冰等级。

1.2 资料筛选及研究方法

1.2.1 资料筛选 在某站点、某月、某时次 (北京时 08时、 20时,下同)、某等压面上,当温度和露点同时有效时,认为资料有效。10 a某站点、某月、某时次、某等压面最大有效资料数为 310(10 a× 31 d)。

1.2.2 研究方法 对某站点、某月、某时次、某等压面飞机积冰强度的计算和判定,采用国际民航组织建议的 WAFS积冰指数 Ic作为诊断依据,即

Ic= {2(f-50)[T (T+ 14) /(-49)]}/10,其中,Ic为积冰强度指数,无量纲。f为计算高度层的相对湿度,当 f＞ 50%时,计算 Ic指数。T为计算高度层的温度,单位为oC。积冰强度分为轻度积冰、中度积冰、重度积冰三个等级 (表 1)。

1.2.3 积冰发生率 积冰发生率用 10 a某站点、某月、某时次、某等压面发生某等级积冰的次数占有效资料数的百分比表示 (当某站点、某月、某时次、某等压面有效资料数＜200时,不计算积冰发生率)。积冰发生率按月统计计算,分 08时和 20时两个时次。

1.2.4 资料统计计算 在对选定的 4个站点逐月 08时和 20时的 850、700、 500、 400 hPa积冰率进行计算的基础上,运用统计方法分析陕西秦岭以北地区飞机积冰的试飞气象条件。

2 自然结冰试飞气象条件

2.1 逐月飞机积冰率的垂直分布特征

图 1给出的是陕西秦岭以北地区 4站在850、 700、 500、 400 hPa的平均飞机积冰率。 受不同高度层各月温、湿条件的影响,该地区飞机积冰率在垂直方向上呈现出冬半年(11— 4月)低层高、夏半年 (5— 10月)高层高的特点,同时,在飞机积冰多发的月份,各高度层轻度积冰最多,中度积冰次之,重度积冰发生率最低。

图 1 秦岭以北地区 850～ 400hPa逐月飞机积冰率垂直分布

850 hPa高度层,1月飞机积冰率最高,轻度、中度和重度积冰率累积达43.9%,2月次之为35.5%(图 1a)。随着高度升高,飞机积冰率最高值出现的时间也逐渐推迟,700 hPa高度层,轻度、中度和重度积冰率累积 3月最高达 35.5%,2月次之为 31.5%(图 1b)。500hPa高度层,轻度、中度和重度积冰率累积 7月最高达 47.2%,且6— 9月积冰率均达 40%以上 (图 1c)。400 hPa高度层主要是轻度积冰,仅在 7、8月存在小于3.5%的中度积冰的可能性,不同程度飞机积冰率累积 7月最高为 25.2%,8月次之为 21.1% (图1d)。

比较各高度层飞机积冰率发现:最高积冰率出现在 7月的 500hPa高度层,400 hPa高度层飞机积冰率最低。比较飞机积冰多发的连续月份可以看出:随着高度层的升高,飞机积冰的多发时段也逐渐由冬半年移向夏半年;从对流层低层到高层,积冰率大于 20%的时间段呈现出先升后降的特征,其中,850 hPa高度层飞机积冰率大于20%的连续月份为 4个月,700 hPa为 6个月,500 hPa为 4个月,400 hPa仅有 2个月。可见:陕西秦岭以北地区飞机积冰主要发生在对流层中下层 (6 000 m以下)的高度。

2.2 逐月飞机积冰率的水平分布特征

图 2给出的是 850、 700、 500、 400 hPa各高度层 4站的飞机积冰率。由于受不同下边界条件的影响,陕西秦岭以北地区低层各月飞机积冰发生率在南北分布上没有相对稳定的规律,且在飞机积冰多发月份,各月 4站的积冰率较为接近。700～ 400hPa,在飞机积冰多发的月份,各月积冰发生率均呈现出南高北低的特征,即在相同的月份飞机积冰率自南向北是逐渐递减的。

850 hPa高度层,整个陕西秦岭以北地区在11— 3月飞机积冰率均≥15%,12— 2月 4站积冰率均≥27%。其中,1月最高 4站均达 38%以上,以平凉为代表的中部地区甚至高达 49.2%,略偏北的延安为 45.7%。2月西安和平凉积冰率相近,均超过 41%,延安次之,达到 31.9%。12月积冰率则以平凉最高为 40.6%,延安和东胜积冰率接近达 33%以上 (图 2a)。700hPa高度层陕西秦岭以北地区积冰率南多北少特征最为明显,11— 3月南部飞机积冰率均为北部的 2倍以上,最高(12月)达 3.8倍。其中,以西安为代表的陕西秦岭以北地区的南部,3月飞机积冰率最高达 50%(即使在北部地区的东胜附近,3月积冰率也达到20%),2月次之为 44.1%。另外,在延安以南地区,从 10月至 3月,逐月平均积冰率均在 22%以上 (图 2b)。陕西秦岭以北地区 500 hPa高度层各月飞机积冰率同样呈南多北少的分布。但在飞机积冰多发的 4— 10月,盛夏积冰率南北差异小,春、秋季节积冰率南北差异大。该高度层 7月 4站积冰率均超过 40.6%,南部地区积冰率最大为55.3%。在该高度层的延安以南地区,即使在积冰率较低的 10月,平均积冰率也达 25.8% (图2c)。在以 400 hPa为代表的对流层高层,陕西秦岭以北地区在积冰多发月份飞机积冰率南北分布特征与中层相似,且多发期明显缩短 (仅 7、8月4站平均积冰率≥10%),积冰率明显降低 (仅延安 1个月、平凉和西安各 2个月积冰率≥20%),南北差异明显加大 (积冰率最高的 7月,南部地区和北部地区之间积冰率相差达 32%,8月则相差 21.6%)(图 2d)。

图 2 秦岭以北地区 850～ 400hPa逐月飞机积冰率地域分布

2.3 500 hPa高度层飞机积冰率

陕西秦岭以北地区 500 hPa高度层,夏季具有较高的积冰率,这与传统的利用实测个例研究结论略有不同。究其原因,一方面夏季有为数众多的积云积冰,飞行过程中会有意规避在积云区飞行而缺乏实测个例,同时,该高度层一般为飞行穿越高度层,飞机快速上升阶段造成的相对较强下沉气流和飞机快速下降阶段形成的较强上升气流,均不易产生飞机积冰,但夏季经常具备形成飞机积冰的温度、湿度条件,如果飞机在该高度层的云中以低速飞行,或者在穿云下降的过程中,产生飞机积冰的可能性仍较大[14-15]。分析 2000—2010年陕西省人工影响天气办公室开展增雨作业及中航工业试飞中心试飞过程中(V≤500 km/h)收集的 99个飞机积冰个例,飞机积冰高度最高为 5 770 m,积冰高度≥4 000 m的有 62次,积冰高度≥4 500 m的有 35次,积冰高度≥5 000 m的有 11次。可见,在对流层的中层发生飞机积冰的概率仍较大,与张振林[16]等的研究略有不同。

3 结论与讨论

3.1 飞机积冰不仅是航空危险现象,同时也是运输类飞机适航审定试飞重要的气象条件。深化对不同地理环境条件下飞机积冰状况的研究,既有助于确保试飞安全,亦有助于提高试飞效率。

3.2 陕西秦岭以北地区具有丰富的自然结冰试飞气象资源。采用W AFS积冰指数所计算的积冰发生率,较以往飞机积冰气候区划及利用飞机积冰实测个例所计算的积冰率更高。

3.3 陕西秦岭以北地区低层飞机积冰主要发生在冬半年;高层主要发生在夏半年。随着高度层的升高,累计飞机积冰发生率有先升后降的规律,其中,700～ 500 hPa高度层累计积冰率最高。

3.4 在飞机积冰的多发季节,积冰率地域分布基本呈现出南部地区多,北部地区少的特征。

[1]中国人民解放军空军司令部 .天气学教程第三分册 [M].北京:解放军出版社,1975:1242-1256.

[2]陈廷良.现代运输机航空气象学 [M].北京:气象出版社,1992: 205-234.

[3]赵树海 .航空气象学 [M].北京:气象出版社,1994: 159-193.

[4]黄仪方 ,朱志愚 .航空气象 [M].成都:西南交通大学出版社,2002: 148-155.

[5]章澄昌 .飞行气象学 [M].北京:气象出版社,2008: 159-173.

[6]中国民用航空总局.运输类飞机适航标准 (第三次修订)[M].北京:航空出版社,2001:232-235.

[7]杜继稳,侯明全,梁生俊,等 .陕西省短期天气预报手册 [M].北京:气象出版社,2007:11-20.

[8]余善文 .一次中空稳定层飞机中度以上积冰的分析 [J].陕西气象,1993(4): 27-29.

[9]公宽平 .一次飞机严重积冰的分析计算 [J].陕西气象,1998(6):39-40.

[10]中国人民解放军总参谋部气象局 .中国军事气候区划 [M].北京:解放军出版社,1997:97-99.

[11]王新炜,张军,王新国 .中国飞机积冰的气候特征 [J].气象科学,2002,22(3): 343-350.

[12]赵颂华 .西北地区飞机积冰的探讨 [G]//中国气象学会航空气象专业委员会 .航空气象论文汇编,1984: 125-132.

[13]黄丽娟 .中国北方地区飞机积冰的大气环境特征[J].飞行试验,1997,13(4): 8-12.

[14]刘开宇,申红喜,李秀连,等 .“04.12.21”飞机积冰天气过程数值特征分析 [J].气象,2005,31(12): 23-27.

[15]孙伟中.一次大型客机起降时积冰的分析 [J].陕西气象,1998(6): 36-38.

[16]张振林 .阎良地区飞机积冰的大气环境分析[J].飞行试验,1994,10(3): 25-28.

P468

A

1006-4354(2013)02-0023-04

2012-11-13

顾效斌 (1985—),男,山东临沂人,汉族,学士,助理工程师,从事航空气象研究及试飞气象保障。