基于NCEP及NCAR资料的我国华东地区飞机积冰强度的分布研究

丁玉江，王永忠，张玉梅

（1.中国民用航空飞行学院 空管学院，四川 广汉 618307；2.福建正阳机场有限责任公司，福建 福州 350000）

飞机积冰是一种常见的航空危害天气现象。不同程度的飞机积冰对飞机的飞行性能的影响程度不同，但严重情况发生时则会导致坠机的恶性航空事故。随着航空技术的发展，虽然在飞机积冰探测传感器技术及防／容／除冰系统方面取得了一定的成果，但恶劣气象条件导致的严重积冰仍然难以被清除，同时随着空中交通流量的持续扩大及通航飞机的不断增多，遭遇飞机积冰的几率也必然增加。

我国民航缺乏有效的有关飞机积冰等航空危害天气的报告制度，在实际航空运行保障工作中，若飞行及航务人员对我国飞机积冰的分布状况能有所把握，则能在一定程度上预防飞机积冰的危害。本文利用NCEP／NCAR提供的再分析数据资料，分析了我国华东地区的飞机积冰强度的分布概率。

1 资料及方法

1.1 资料来源

本文所使用的资料来自美国国家环境预报中心（NCEP）和国家大气研究中心（NCAR）全球大气再分析逐日数据集（2000年－2010年）。

1.2 计算方案

本文选用国际民航组织（ICAO）推荐的飞机积冰判别指数Ic，作为统计分析依据。研究表明，当飞机在0～－14℃区间飞行遇有较大过冷水滴时最易积冰，强积冰区通常发生在－5～－9℃之间，根据容易积冰的温度湿度范围，ICAO推荐如下构建的飞机积冰指数：Ic＝［（Rh－50）×2］×［t×（t＋14）／（－49）］，其中，Rh为相对湿度（%），t为温度（℃）。公式的前半部分用相对湿度线性拟合水滴的数量、大小的增长过程，Rh越接近100，公式的前半部分取值越接近最大值100；公式的后半部分用温度的二次方来拟合水滴的增长率，当t＝－7℃时，公式后半部分取值为最大值1，t＝－14℃ 和0℃ 时，公式后半部分取值为最小值0。Rh低于50% 或者t超过0℃～－14℃范围的，水滴增长率判断为0，认为无积冰发生。即具体积冰强度判断为：0≤Ic≤50，预报有轻度积冰；50≤Ic≤80，预报有中度积冰；80≤Ic，预报有严重积冰。

1.3 研究地域范围

表1 华东地区各省市经纬度范围及研究取点

本文针对资料特点，从华东地区中六省区所跨经纬度范围任取一点作为本省的研究对象。时间跨度上，冬季选取1月、春季选取4月、夏季选取7月、秋季选取10月作为代表月份进行数据统计。

2 华东各省区易积冰高度层分布

2.1 积冰概率模型建立

设xikn表示积冰情况，则有

其中，i表示资料统计范围从2000年到2010年，k表示1月份、4月份、7月份、10月份，n表示统计资料从每月的第1天到第30天。

利用上述模型确定2000年到2010年十一年间1月、4月、7月、10月温度在－14℃～0℃之间，相对湿度大于50%的积冰天数及其对应的气压高度层。

2.2 华东各省区主要积冰高度层分布及对应高度

由上述模型获得华东地区各省区的主要积冰高度层及对应高度（见表2）。

表2 华东地区主要积冰高度层及对应高度

3 华东各省区积冰强度分布

3.1 积冰强度概率模型

每个月依旧取30天，样本容量N＝330天。每个地区每个季度的样本是独立同分布的，即通常称为的随机样本。

设xikn、yikn、zikn分别表示积冰强度为轻度、中度、严重，则有

其中，i表示资料统计范围从2000年到2010年，k表示1月份、4月份、7月份、10月份，n表示统计资料从每月的第1天到第30天。

其中（i＝1，2，...，11；k＝1，4，7，10）。

则2000年到2010年k月份的轻度、中度、严重积冰的样本均值分别为

样本方差分别为

如果每个xik的共同分布为Fk，则样本的分布为Fk（x1k）·Fk（x2k）...Fk（x11k），相应的，若xik有共同的概率密度fk，则概率密度为fk（x1k）·f（x2k）...f（x11k） 。

如果每个yik的共同分布为Gk，则样本的分布为Gk（y1k）·Gk（y2k）...Gk（y11k），相 应 的，若yik有共同的概率密度gk，则概率密度为gk（y1k）·g（y2k）...g（y11k） 。

如果每个zik的共同分布为Mk，则样本的分布为Mk（z1k）·Mk（z2k）...Mk（z11k），相应的，若zik有共同的概率密度 mk，则概率密度为mk（z1k）·m（z2k）...m（z11k） 。

则由柯尔莫哥洛夫强大数定律，可得

对各个省分别统计2000年到2010年十一年间1月、4月、7月、10月主要积冰高度层上轻度、中度、严重积冰天数。

3.2 主要积冰高度层积冰强度分布概率

按照上述模型统计获得的山东省积冰强度分布结果如表3所示：

表3 山东地区主要积冰高度层上轻度、中度、严重积冰的概率

由统计结果得：山东地区严重积冰多出现在冬季和春季，且严重积冰的天数相对波动较大，相对于样本均值较离散；夏季和秋季中度积冰比较多，积冰天数基本无波动且集中于样本均值；春季、夏季和秋季在500hPa上的积冰概率春秋季节更大，且严重积冰相对较多。江苏省积冰强度分布结果如表4所示：

表4 江苏地区主要积冰高度层上轻度、中度、严重积冰的概率

由统计结果得：江苏地区严重积冰多出现在冬季和春季，且严重积冰的天数相对波动较大，相对于样本均值较离散；冬季和秋季中度积冰比较多，积冰天数基本无波动且集中于样本均值；春季、夏季和秋季在500hPa上的积冰概率春季、夏季更大，且多为轻度积冰。

安徽省积冰强度分布结果如表5所示：

表5 安徽地区主要积冰高度层上轻度、中度、严重积冰的概率

由统计结果得：安徽地区严重积冰多出现在冬季和春季，且严重积冰的天数相对波动较大，相对于样本均值较离散；冬季和秋季中度积冰比较多，积冰天数基本无波动且集中于样本均值；夏季和秋季在500hPa上的积冰概率夏季更大，且多为轻度积冰。

浙江省积冰强度分布结果如表6所示：

表6 浙江地区主要积冰高度层上轻度、中度、严重积冰的概率

由统计结果得：浙江地区严重积冰及中度多出现在冬季和秋季，严重积冰天数相对波动较大，相对于样本均值较离散，中度积冰天数基本无波动，集中于样本均值；春季和夏季轻度积冰比较多，积冰天数无波动，集中于样本均值；春季、夏季和秋季在500hPa上的积冰概率春季更大，且多为轻度积冰。

江西省积冰强度分布结果如表7所示：

表7 江西地区主要积冰高度层上轻度、中度、严重积冰的概率

由统计结果得：江西地区严重积冰及中度多出现在冬季和秋季，严重积冰天数相对波动较大，相对于样本均值较离散，中度积冰天数基本无波动，集中于样本均值；春季和夏季轻度积冰比较多，积冰天数基本无波动，集中于样本均值；春季、夏季和秋季在500hPa上的积冰概率夏季更大，且多为轻度积冰。

福建省积冰强度分布结果如表8所示：

表8 福建地区主要积冰高度层上轻度、中度、严重积冰的概率

由统计结果得：福建地区严重积冰及中度多出现在秋季，严重积冰天数相对波动较大，相对于样本均值较离散，中度积冰天数基本无波动，集中于样本均值；春季和夏季轻度积冰比较多，积冰天数基本无波动，集中于样本均值；春季、夏季和秋季在500hPa上的积冰概率春季和夏季更大，且多为轻度积冰。

4 一种华东地区飞机积冰区划方法

根据上面公式，可计算出第k个月轻度、中度、严重积冰的概率分别为pxk、pyk、pzk，其中（k＝1，4，7，10），则这几个月轻度、中度、严重积冰概率的月平均分别为

则轻度、中度、严重积冰所占总积冰概率的大小分别为

根据上述公式计算可得，华东地区积冰概率强度所占总积冰概率大小（见表9）。

表9 华东地区积冰强度占积冰概率大小

为了更好的区分积冰强度所占积冰比例的大小，下面定义积冰强度划分指标如下：

即某地区轻度积冰所占总积冰比例大于等于80%时，该地区定义为轻度积冰区；中度积冰与严重积冰大于等于20%时，该地区定义为中度积冰区；严重积冰大于等于6%时，该地区定义为严重积冰区。

图1 华东地区积冰强度划分图

在划分积冰区强度时，选取积冰区强度较大的作为划分结果，即同时满足严重积冰区和中度积冰区时，该地区定义为严重积冰区。

根据上述积冰强度划分指标可得，华东地区各省在主要积冰高度层上的积冰强度分布如图1所示，即山东为严重积冰区；江苏、安徽为中度积冰区；浙江、江西、福建为轻度积冰区。

5 结语

本文利用NCEP／NCAR再分析数据集，依据ICAO推荐的积冰强度指数公式探讨华东地区各省份的积冰强度分布概率，并提出了一种基于各省区积冰强度分布概率的华东地区积冰区划方法。得到结论如下：

（1）华东地区山东、江苏、安徽严重积冰主要出现在冬季和春季，浙江、江西、福建严重积冰主要出现在冬季和秋季。中度积冰总体出现在冬季和秋季较多。同时严重积冰在各省区主要积冰季节出现的次数波动较大。

（2）根据提出的积冰强度划分指标，华东地区各省在主要积冰高度层上的积冰强度分布有：山东为严重积冰区；江苏、安徽为中度积冰区；浙江、江西、福建为轻度积冰区。

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