MODIS卫星资料在飞机积冰识别中的应用

冯琬+吴俊杰

摘 要：根据一次航空器报告中的积冰现象，分析了影响该次积冰的天气系统背景，并结合MODIS卫星资料诊断积冰发生时的各种云微物理量特征，发现机场东北进近方位云层较厚且云内温度较低，云中有效粒子半径与过冷液态水路径数值较大，据此进一步验证了MODIS卫星资料在分析飞机积冰区域的实用性和可靠性。

关键词：MODIS；飞机积冰；微物理参数

DOIDOI：10.11907/rjdk.171188

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）007-0142-03

0 引言

飞机积冰指飞机机身表面某些部位聚集冰层的现象，是由于飞机穿云时被云中或降水中的过冷水滴碰撞到机身冻结而成。飞机积冰是严重威胁航行安全的天气因素，因此有越来越多学者参与到有关飞机积冰的研究当中，并总结出飞机积冰的系列气象條件。黄丽娟[1]统计出华北地区形成积冰的主要天气形势与积冰的高发时间；刘开宇等[2-3]通过个例分析发现飞机积冰的温度与湿度条件，而在湿度较大的弱上升区更有利于积冰形成；王磊、庞朝云等[4-5]利用积冰云的微物理特征分析，描述了云中相态、液态水分含量、云中粒子浓度与体积直径资料对积冰的影响等。

目前利用常规气象资料分析飞机积冰现象较为常见，也有助于判断大范围飞机积冰产生的区域和强度，但由于其空间与时间精度受限，往往不能较为精确地分析和预判积冰区域的具体位置与程度。卫星资料具备的多光谱、覆盖面广和观测时次多等优势，能很好地弥补常规气象资料探测积冰区的问题。利用卫星资料可以识别云顶温度以及云中液态水含量等重要的积冰影响因子。2003年，王新炜等[6-7]利用EOS/MODIS卫星资料反演出积冰算法中所需的气象要素，并对积冰个例进行验证；2005年，Minnis[8]根据极轨卫星的特点，提出综合使用MODIS和AVHR数据对近极地地区的积冰情况进行监控的方法。

本文针对一次飞机积冰报告，分析天气系统背景，并结合MODIS卫星资料诊断积冰发生时的各种云微物理量特征，以判断分析造成本次飞机积冰的主要因素，以更好地实现对飞机积冰的预警服务。

1 数据资料

2015年11月20日，世界时04：35，新疆空管接到航班报告，在乌鲁木齐机场进近区上空750m～2 000m高度处遭遇到强烈积冰。本文所分析的天气背景情况来自积冰当日世界时00时NCEP＼＼NCAR一天4次的再分析资料，卫星资料来自当日世界时04：35时的MODIS卫星的二级云产品数据。

2 天气形势分析

从08点850hPa的天气环流图上看，欧亚大陆高纬的乌拉尔山受到强大冷高压环流控制，受环流形势影响，冷空气主体持续盘旋在60°N的乌山一带。而在巴湖西侧还有一冷性低压生成。结合500hPa形势场看出，巴湖西侧有明显的冷空气轴延伸，与此同时，中纬度的巴湖及新疆地区有较强的西风气流输送，使冷空气进一步东移。乌鲁木齐位于其东侧，受冷空气影响，使当地出现低温天气。

图2是08时的垂直环流、温度和相对湿度沿88°E的垂直截面。大气温度是飞机积冰最重要的影响因素之一，再配合适宜的湿度条件，极易发生中度及以上的积冰。由于受冷空气影响，新疆大部分地区气温明显偏低，等温线向新疆北部一带倾斜，这在对流层低层尤为显著。地窝堡机场（87°36E，43°46N）位于等温线倾斜程度较大的地区，850hPa的温度约在0℃以下。从相对湿度剖面图看，高湿区则几乎包括了北疆地区的对流层低层，随着海拔高度增加，湿度迅速下降。地窝堡机场正好处于高湿区，合适的温度与湿度的配合是此次飞机积冰的重要原因。另外，飞机降落到2 000m才开始出现积冰，查看垂直环流情况得知，机场附近的垂直气流上升速度较慢，飞机处于弱的上升气流区，该上升气流有利于各种颗粒物保持悬浮状生长而有利飞机积冰的累积。综合的气象要素表明，飞机在进近降落时遭遇到有利积冰的温度、湿度和垂直速度，于是积冰在较短时间内生成。

3 卫星数据分析

卫星资料来自飞机积冰发生时（03：45UTC）乌鲁木齐地窝堡机场及周边地区（87°36E ，43°46N）的MODIS云产品数据（MOD06_L2.A2015324.0435.006.2015324203932），从光学厚度、云顶温度、有效粒子半径和过冷水滴等对积冰影响较大的因素来分析诊断当时云中各种微物理量的分布，以判定影响飞机积冰的区域。

光学厚度是判断当地是否有云层覆盖的重要参数，也是比较飞机是否存在积冰条件的直接判据之一。图3（a）是大气光学厚度分布，地窝堡机场周围的大气光学厚度分布不均，机场东北侧进近区域的光学厚度值明显偏大，即机场北侧均有云层覆盖，且东北方的云层厚度较大。

不同的温度环境所形成云的种类也不一致。当云顶温度高于0℃时，即暖云，也即其下大部分云层温度都高于0℃，不符合积冰的温度条件。因此，对于飞机积冰，需要重点关注的是冷云，以及云顶温度靠近和低于0℃的云层。从云顶温度分布图3（b）看，云顶温度低于0℃（273K）的地区仍然集中位于机场的东北角方向。因此，结合光学厚度值与云顶温度分布，地窝堡机场的东北方云层较厚且云内温度较低，有适合飞机积冰产生的基本条件。

只有当云中存在过冷水滴时，也即穿越液水云或混合相云时，飞机才有发生积冰的真正条件。影响飞机积冰强度的主要因素则包括云中过冷水滴的含量与水滴大小。一般而言，过冷水滴含量越高，液态水滴粒子直径越大，积冰则越容易产生，积冰强度越强。图3（c）是用来表征水滴粒子大小的物理量，有效粒子半径RE，图3（d）表征过冷水含量，过冷云液态水路径SLWP。可以看出，机场北面的有效粒子半径数值偏大，云内实际粒子较大，计算出的实际液水路径也直接证明了云中含有大量液态水粒子。所以机场东北方仍然是云中有效粒子半径与过冷液态水路径数值较大的地区，积冰的可能性大大增加。endprint

参考Minnis P提出的积冰强度依据，结合有效粒子半径、云顶温度和云中液态水路径3个参数制作可能的飞机积冰强度分类（见表1），图4是计算出的地窝堡机场积冰强度的划分。可以看出，强积冰区正好主要位于地窝堡机场东北方向一带，强积冰的地理位置大致位于87.6°E-88.2°E，43.8°N-44.1°N。

积冰的垂直高度情况则可以通过云底高度与冻结高度来判断。飞机一般在穿越冷云时容易产生积冰，准确的云底高度与冻结高度可以提供较为精细化的积冰分布。由图5（a）可知，机场片区的云底高度在2 000m左右，云底高度由北向南逐漸降低，越靠近机场，云层越低。冻结高度的分布与云底高度的走势基本类似，如图5（b）所示，呈现出北高南低的态势。积冰层的厚度应该位于云底高度之上，冻结高度以下，即用两者的差值可推测积冰的垂直分布，如图5（c）所示。积冰区在机场东北角分布较厚，垂直高度在1 000m左右，越靠近本场，积冰厚度则越薄。结合云底高度的分布来看，东北角云底较高，积冰区偏厚，机场上空云底较低，积冰区较薄，飞机在起飞或进近过程中有遭遇到持续积冰的可能，离机场越远，积冰强度越大，积冰高度越高。

4 结果分析

本文根据一次航空器报告中的积冰现象，分析了影响此次积冰的天气系统背景，并结合MODIS卫星资料诊断积冰发生时的各种云微物理量特征，得到以下结果：

（1）中纬度地区存在较强的西风气流输送，乌鲁木齐受冷空气影响，而且飞机在进近降落时遭遇到有利积冰的温度、湿度和垂直速度等条件，容易在较短时间内生成积冰。

（2）卫星微物理资料分析表明，机场东北进近方位云层较厚且云内温度较低，云中有效粒子半径与过冷液态水路径数值较大，积冰的可能性大大增加。

（3）通过测算，该次强积冰的地理范围为87.6°E-88.2°E，43.8°N-44.1°N。东北角云底较高，积冰区偏厚，机场上空云底较低，积冰区较薄，飞机在起飞或进近过程中有遭遇到持续积冰的可能。

参考文献：

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

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

[3]刘开宇，张云瑾，龚娅.一次飞机积冰气象条件的诊断分析[J].云南大学学报自然科学版，2008（S1）：330-332.

[4]王磊，李成才，赵曾亮，等.飞机积冰云微物理特征分析及监测技术研究[J].气象，2014，40（2）：196-205.

[5]庞朝云.一次飞机积冰条件下的云粒子结构分析[J].成都信息工程学院学报，2011，26（6）：702-706.

[6]王新炜，白洁，刘健文，等.卫星资料在飞机潜在积冰区反演中的应用[C].中国气象学会2006年年会，2006.

[7]王新炜，白洁，刘健文，等.SBDART辐射传输模式在飞机潜在积冰区反演中的应用[J].气象科技，2003，31（3）：152-155.

[8]MINNIS P，L NYEN，W L SMITH， et al.Real-time cloud ，radiation and aircraft icingparameters from GOES over the USA[C].Proc.13th AMS Conf. Satellite Oceanogr and Meteorol，Norfolk，VA，2004：1-4.endprint