气候实验室模拟降雪环境的能见度分析

唐扬刚

（中国飞机强度研究所飞机气候环境适应性研究室，陕西 西安710065）

民用飞机在使用的过程中会遭遇降雪天气，降雪会对飞机的使用带来不利影响，因此民用飞机在投入运营前必须证明其在降雪环境下的适用性。目前，利用气候实验室模拟的降雪环境进行适用性验证越来越多的得到了应用。中国大型气候实验室已具备开展降雪试验的硬件能力，但是由于此前未进行过该类试验，缺乏试验经验，对于降雪环境参数之间的内在关系不明确，特别是对于降雪时实验室内的能见度处在一个什么样的水平没有清晰的认识。

国内外学者对于降雪时能见度的计算方法进行了研究，如RASMUSSEN 等对自然降雪时的能见度与降雪强度的关系进行了分析[1]；POMEROY 等基于观察数据，给出了能见度与风速的经验公式[2]，文献[3]基于加拿大北极大陆架研究所观测得到的能见度与风速值，采用文献[2]的经验公式对数据进行了拟合；MATSUZAWA 等根据观测数据，分析了能见度与雪通量的关系，并给出了拟合公式[4]。上述研究都是基于自然降雪环境，由于实验室降雪与自然降雪存在较大的差异[5]，基于自然降雪环境建立的能见度计算方法并不适用。本文基于散射理论，分析了实验室降雪环境的能见度计算方法，给出了实验室能见度包线，并进行了试验验证。

1 能见度的定义

能见度是指视力正常（对比阈值0.05）的人，在当时天气条件下，能够在天空背景中看到和辨认的目标物（黑色、大小适度）的最大水平距离[6]。从上述定义可以看出能见度的观测值取决于人眼的生理特征、目标物和背景物的光学特征以及视线内大气的光学特征，能见度的这种定义其定量性不够好，测量性不强。因此通常采用气象光学视程（MOR）来描述能见度，MOR 的定义为：白炽灯发出色温为2 700 K的平行光束的光通量在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度[6]。根据气象光学视程的定义，当其他因素已经确定时，通过测量大气透过率或者衰减系数就可以间接推导出能见度的数值。

2 气候实验室降雪环境能见度计算方法

KOSCHMIEDER 在1924 年创立了柯西米德定律，从而奠定了能见度测量的理论基础，在大气均匀的条件下，能见度与衰减系数的存在以下关系[7]：

式（1）中：τ为对比阈值，通常取为0.05；μ为衰减系数。

在气候实验室中，光强的衰减通常包括了空气分子的吸收与散射、雪粒子的吸收与散射，其中空气分子的吸收和散射效应相对较弱，而光在短距离内传播时，雪粒子的吸收作用也可以忽略不计，因此可以直接利用雪粒子的散射系数代替总的衰减系数，这也是目前前向散射式能见度测量仪的前提假设。那么在实验室降雪环境下，衰减系数等于散射系数：

式（2）中：n为雪粒子数浓度；Qε为雪粒子消光效率因子；σ为雪粒子横截面积。

研究表明，随着粒子的增大，对于以一定波长的入射的光波来说，消光效率因子最终会趋于常数2。对于雪粒子来说，其粒子半径基本在微米量级，相较于入射光的纳米量级，可以认为雪粒子的消光效率因子为2。

式（3）中：ni为每立方厘米中半径为ri的雪粒子数浓度；ri为雪粒子半径，cm；

将式（3）代入式（1）中得到能见度计算方法为：

降雪环境下总含水量计算方法为：

式（5）中：TWC为单位体积空气内的总含水量，g/cm3；ρi为雪粒子密度，g/cm3。

文献[9]的研究表明，雪粒子的密度ρi与雪粒子ri半径成反比关系，干雪密度为：

将式（6）代入式（5）得到：

联立式（7）与（4）计算得到：

此时能见度单位为cm，TWC单位为g/cm3，将能见度单位换算为m，TWC单位换算为g/m3则最终得到：

对于湿雪，其密度表达式为[9]：

采用与上述干雪环境下能见度计算相同的方法得到湿雪环境下能见度的计算公式为：

EASA 给出的适航符合性验证方法AMC25.1093（b）中要求降雪时的总含水量为1 g/m3，扬雪时的总含水量为3 g/m3，将该数值代入能见度计算公式，得到气候实验室能见度包线，如图1 所示。

图1 气候实验室降雪环境能见度包线

3 能见度包线试验验证

为验证上述包线的合理性，进行了实验室降雪环境模拟试验，采用PWD-10 能见度仪对试验过程中的能见度进行了实时测量，试验如图2 所示。

此次降雪试验持续了约30 min，总含水量均值为1.49 g/m3，根据本文建立的能见度计算公式，实验室能见度应在114～488 m 之间，将测量得到的能见度值与理论值进行对比分析，如图3 所示，图中阴影区域为采用本文建立的能见度计算方法得到了实验室能见度范围。

由图3 可知，能见度测量值大部分都在理论计算结果的范围内，表明本文基于散射理论建立的能见度包线可反映气候实验室降雪环境的能见度变化情况，对于实验室降雪试验的开展具有参考价值。

图2 实验室降雪环境能见度测量

图3 理论与实测能见度对比

4 结论

本文针对目前气候实验室降雪环境下室内能见度范围不清楚的问题，开展了实验室降雪环境下能见度包线分析，得到了以下结论：基于散射理论，分别分析了干雪和湿雪条件下能见度计算方法，建立了对应的计算公式，绘制了实验室降雪环境下能见度包线；开展了降雪试验，对比分析了能见度测量值与理论计算值，表明本文建立的实验室降雪环境能见度包线具备一定的合理性。