新疆春季两次直升机积冰气象条件分析

孙 晶， 谭 超， 周毓荃， 刘 政， 黄 珺， 王泽林

(1.中国气象科学研究院,北京 100081; 2.中国气象局人工影响天气中心，北京 100081; 3.哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，哈尔滨 150066; 4.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333000; 5.中国飞行试验研究院，西安 710089)

引 言

飞机积冰是指在飞机飞行过程中，飞机机体因过冷水滴冻结或水汽凝华而聚积冰层的现象[1]。飞机积冰通常发生在含有过冷水滴的云、雾、冻雨或湿雪中，多出现在突出部位。积冰影响飞机的稳定性和操纵性，严重时甚至导致飞行事故。飞机积冰涉及多种飞行情况[2]：高速飞机在低速的起飞、进近、着陆阶段，或航线穿越浓密云层或冻雨的环境中；一些低速飞机，如运输机、直升机等，发生积冰的可能性也很大；人工增雨作业由于需要选择过冷水丰沛的云层进行催化[3-4]，飞机更易发生积冰；在飞机进行试飞试验时，要在积冰区域飞行，进行合格审定。

飞机积冰的强度与气象条件和飞机空气动力特性有关[5]。气象因素主要包括大气温度、云中过冷水含量、过冷水滴的大小，飞机因素主要包括飞行速度和飞机积冰部位的曲率半径。最易发生积冰的温度范围是-2～-10 ℃，0～-10 ℃时易出现轻度积冰，-2～-12 ℃时易出现中度积冰，-8～-10 ℃时易出现强积冰。云中过冷水含量越大，积冰强度也越大[6]，云滴的大小影响积冰的类型和强度，但影响程度比含水量和温度的小[7]。大多数积冰发生在低云和中云中[8]。有利积冰云层条件的产生离不开天气系统。李子良[9]分析了广汉-贵阳和广汉-洛阳航线上几种有利于发生积冰的天气系统，发现在地面冷锋和空中槽线、切变线附近容易出现积冰。迟竹萍[10]统计分析了山东春秋季增雨作业天气系统，发现低压倒槽和南方气旋系统容易出现积冰。还有一些学者针对飞机积冰过程开展了天气和微物理分析[11-14]。不同飞行速度下动力增温值不同，如果动力增温使机体表面温度上升到0 ℃以上，则飞机不会积冰。直升机巡航速度一般为0～300 km·h-1，其云中飞行动力增温最大值约为2.1 ℃。

新疆乌鲁木齐地区在冬春季节常出的层积云及受冷空气影响出现的锋面云系[15]，易造成飞机积冰[16]。我国在冬春季节于乌鲁木齐地区曾开展过多次飞机外场观测试验。例如，1982-1984年冬季中国气象科学研究院在乌鲁木齐开展了飞机与地面协同观测的“新疆冬季层状云研究”项目，对层积云结构进行了资料分析和模拟研究，结果发现，云顶高度较低的层积云中以过冷水为主[17-18]；1986-1987年冬季国产运12飞机在乌鲁木齐进行飞机积冰环境探测飞行，陈跃等[19]分析了其中一次产生积冰的过冷层状云微物理特征，发现云顶伸入逆温层，过冷水含量(LWC)最大值在云顶附近，约为0.5 g·m-3，云中上部60%含水量的云滴直径为23～32 μm。2012年3月，国产ARJ21-700客机在乌鲁木齐进行自然积冰探测试验，在一次锋面云系中探测到了强积冰[20]。冯琬等[21]利用MODIS卫星资料对2015年11月乌鲁木齐一次飞机强积冰天气进行了诊断分析。随着我国各种类型飞机新机型的研制，在自然积冰适航验证方面有迫切的需求，因此对我国不同地区飞机积冰气象条件的研究具有重要意义。

2018年3月，国产某型直升机在新疆昌吉地区开展自然结冰探测试验，其中3月17日和27日进行了2个架次的试飞并均成功探测到积冰。本文对这两次飞机积冰的气象条件和多尺度结构特征进行分析。

1 观测试验简介

2018年3月17日，试验机在87.14°E、44.37°N附近2 km范围内，于16:10-16:40期间在云中完成了首架次的积冰试飞。试飞期间，飞机由云底入云，云中无降水，飞行探测高度为1800～2100 m(海拔高度)，飞机速度为120～160 km·h-1，机上仪器实测温度为0～-4 ℃(不考虑动力增温影响)，云中液态水含量为0.1～0.6 g·m-3。积冰的类型是毛冰，积冰厚度<0.5 cm，属于轻度积冰。

2018年3月27日，试验机在86.77°E、44.45°N附近2 km范围内，于11:00-11:45期间在云中完成了第二架次的自然积冰试飞。试飞期间，飞机由云底入云，云下有降水，飞行探测高度为2000～2200 m(海拔高度)，飞机速度为120～160 km·h-1，机上仪器实测温度为0～-1 ℃(不考虑动力增温影响)，云中液态水含量为0.3～0.6 g·m-3。积冰表面光滑、通体透明，属于明冰。积冰厚度为1～2 cm，属于轻—中度积冰。

2 天气系统

3月17日白天，500 hPa高度在巴尔喀什湖以东、新疆西北侧有冷涡逐渐加强(图1a-b)，乌鲁木齐由西北风转为西南风，下午时段冷涡前部的上升运动区开始影响积冰探测区，垂直速度为-0.4 Pa·s-1。700 hPa巴尔喀什湖地区风场有气旋性辐合，并于下午逐渐加强移进积冰探测区(图1c-d)，探测区受辐合区前部偏南气流水汽输送影响，但水汽通量较弱。地面气压场上，冷高压中心位于巴尔喀什湖北部(图2a)，中心值大于1030 hPa，冷空气逐渐南压，冷锋沿天山北侧逐渐形成。3月26日夜间，500 hPa东亚高纬地区环流较为平直，有短波槽活动，3月27日上午，巴尔喀什湖以西有浅槽东移(图1e-f)，乌鲁木齐500 hPa为偏西风，风速为20 m·s-1，积冰探测区处于平直气流里较为分散的上升运动区中。700 hPa探测区及其北部受偏西气流影响(图1g-h)，有水汽输送大值区自27日凌晨至上午逐渐东移南压，积冰探测区的水汽通量略有增强。地面气压场上，冷高压中心位于巴尔喀什湖(图2b)，27日08时北疆大部转为偏北风，冷空气南下越过天山。因此，3月17日积冰天气受500 hPa冷涡和地面冷锋影响，积冰时段(16:10-16:40)，处于低层的冷空气开始南下，中高层低涡偏南气流加强，系统处于发展前期阶段。3月27日积冰天气受500 hPa高空浅槽和地面冷锋影响，积冰时段(11:00-11:45)，低层冷空气已经南下，系统处于发展中期阶段。27日水汽输送条件比17日的略好。

图1 2018年3月17日08时(a、c)、14时(b、d)和27日02时(e、g)、08时(f、h)NCEP再分析场

图2 2018年3月17日14时(a)和27日08时(b)地面天气图

实况降水分布显示(图略)，17日14-20时，北疆西部博州、伊宁、乌苏、石河子等地出现小雨或雨夹雪，6 h最大降水量为3 mm，昌吉积冰探测区没有出现降水，蔡家湖、呼图壁转为阴天，五家渠某机场观测到10成云底高度(距地高度，下同)为1200 m的蔽光层积云；27日08-14时，北疆西部博州、伊宁、乌苏、莫索湾等地出现小雨，6 h最大降水量为5 mm，昌吉积冰探测区处于雨区边缘，乌鲁木齐及北疆大部为阴天，五家渠某机场观测到10成云底高度为1500 m的蔽光层积云，并且云底高度在11-17时逐渐降低至1000 m。两次过程在积冰发生时分别处于云系初始和发展阶段，层积云云层开始变厚、云底高度逐渐降低。

3 云宏观结构

了解积冰时段云的宏观参量特征对积冰监测和预报具有指示意义。利用中国气象局人工影响天气中心卫星反演产品、黑体亮温(TBB)、雷达回波、探空等实测资料对云系结构进行分析。

3月17日08-11时，冷涡云系呈南北走向分布，其前沿已进入北疆西部地区，之后自西向东移动，移速为30～40 km·h-1；14-17时(图3a)，昌吉积冰探测区位于发展中的冷涡云系前沿，云顶温度和高度有一定梯度变化，云顶温度由-10 ℃下降至-25 ℃,云顶高度由3 km抬升至5 km左右(图3c)；17时飞机探测到积冰现象之后，主云系开始移入昌吉积冰探测区。因此，昌吉积冰探测区域在积冰时段(16:10-16:40)处于冷涡主云系前沿的中低云云层中，云顶温度为-25 ℃，云顶高度为4 km。

3月27日03-08时，高空浅槽云系呈东西走向分布，位于北疆大部地区，北部云顶温度在-40 ℃以下，南部云顶温度为-10～-20 ℃，自西向东移动，云顶移速为70～80 km·h-1；08-11时(图3b)，昌吉积冰探测区位于高空浅槽云系的南部云带中，云顶温度为-10～-20 ℃,云顶高度为3～5 km(图3d)；11时之后，云系特征无明显变化，云层稳定持续。17时后，云系有所减弱。因此，昌吉积冰探测区域在积冰时段(11:00-11:45)处于高空浅槽主云系南部的中低云云层中，云顶温度为-15 ℃，云顶高度为4 km。

图3 2018年3月17日16时(a、c)和27日11：30(b、d)卫星观测云顶亮温(a、b)和反演云顶高度(c、d)

Bernstein 等[22]对单层云结冰报告的统计表明，飞机在位于云顶温度为-12 ℃附近达到结冰频率峰值；随着云顶温度的降低，结冰的可能性降低，因此将云顶温度用于估计云中是否含有液态水，云顶温度相对较高的云层主要由液态水组成；当云顶温度下降到足够产生冰粒子时，整层云可能均会冰相化。以往飞机积冰报告的云类统计结果表明大多数积冰发生在低云和中云中[8]。本文第一次发生毛冰时云顶温度略低，为-25 ℃，第二次发生明冰时云顶温度略高，为-15 ℃，也均为中低云，并且云顶温度相对较高时积冰强度较强。

卫星反演的光学厚度是指在整个路径上云消光的总和，反映了云的密实程度。从云光学厚度来看，17日14-17时(图4a)，昌吉积冰探测区光学厚度为12～16，其西侧冷涡主云系光学厚度局部在24以上；27日10-12时(图4b)，光学厚度大值区对应高空浅槽云系南部云顶高度在3～5 km的区域，昌吉积冰探测区光学厚度为24～36，位于云带南部光学厚度大值区内。从新疆石河子、乌鲁木齐C波段天气雷达探测结果来看，17日16时(图4c)，昌吉积冰探测区基本没有明显回波；27日11:37(图4d)，昌吉积冰探测区(黑色圆点)有非常弱的回波，强度为5～10 dBZ。光学厚度和雷达回波分布特征表明，在两次飞机探测时段内云层发展较为密实，光学厚度大于12，雷达回波较弱，回波强度小于10 dBZ。

图4 2018年3月17日16时(a、c)和27日11：30(b、d)卫星反演光学厚度(a、b)和雷达回波(c、d)

利用乌鲁木齐单站探空分析云系垂直结构，本文把相对湿度≥80%的大值区近似看作云区。17日20时(图5a)，乌鲁木齐上空4 km以下有相对湿度大值区，云层厚度为3 km，云顶温度为-11 ℃，0 ℃层高度为1500 m，无明显逆温现象。乌鲁木齐探空站位于昌吉积冰地区东南方向70 km处，由于此次冷涡云系自西向东移动，移速为30～40 km·h-1，因此乌鲁木齐探空站20时的云层状况可近似代表昌吉积冰地区17时左右的云层状况(由乌鲁木齐探空资料确定的云顶高度和云底高度与前面分析的卫星探测的昌吉云顶高度为4 km和地面观测云底高度为1200 m的结果比较一致)；17日16:10-16:40飞机在2 km高度探测到积冰，该高度位于云层中下部，温度为-3 ℃。27日08时(图5b)，乌鲁木齐2～3 km有相对湿度大值区，云层较薄,厚度为1 km，0 ℃高度为2000 m，3 km高度有锋面逆温，云层恰分布于逆温层下；此次高空槽云系东西向分布且范围宽广(图3b)，因此乌鲁木齐探空站08时的结果可以近似代表昌吉地区11时左右的云层状况；27日11:00-11:45飞机在2.2 km高度左右探测到积冰，该高度位于云层下部，温度为-1 ℃。

图5 2018年3月17日20时(a)和27日08时(b)乌鲁木齐探空图

从两次积冰区域的云宏观结构来看，积冰云层均为中低云云层，云顶高度为4 km，云顶温度为-15～-25 ℃，云底高度为1.5 km，云层厚度为1～3 km，光学厚度大于12，雷达回波特征不明显，无回波或者回波强度在10 dBZ以下。3月27日锋面过程云顶有逆温。

4 云微观结构模拟分析

利用中国气象局人工影响天气中心云降水显式预报系统(CPEFSv1.0)对这两次过程进行模拟，该系统是以WRF中尺度模式动力框架为基础耦合了中国气象科学研究院CAMS微物理方案[23]。模拟使用初始场为6 h一次1°×1°的NCEP再分析格点资料，模式最高水平分辨率为3 km。每一网格在垂直方向上总水成物含水量达到0.001 g·kg-1时最顶层温度为模拟云顶温度。将模拟的昌吉积冰探测区20 km范围内云顶温度和1 h雨量变化与观测值进行了比较，利用模式模拟的各水成物场分析了两次积冰过程的微物理特征。

从3月17日昌吉积冰探测区平均的云顶温度随时间变化图(图6a)可以看出，14-17时云顶温度持续下降，地面尚无降水，16-17时实况云顶温度为-20～-30 ℃，模拟云顶温度比实测的略偏低。从模拟的平均水成物垂直分布随时间变化可以看出(图6c)，14-17时，模拟0 ℃高度位于850 hPa(约为1.5 km)，有高层冰相粒子(最大含量为0.1 g·kg-1)，但由于模拟云顶高度比实测的偏高，所以模拟的冰相粒子分布高度可能比实际的偏高，而低层800 hPa(约为2 km)附近模拟存在1 km厚度的过冷水，这与实际积冰高度和层积云分布高度一致，模拟过冷水最大含量为0.1 g·kg-1，与飞机观测的云中液态水含量量级相当，说明飞机积冰主要由该层过冷水云层所致。其后19-23时，低涡云系主体过境并出现降水，模拟的高层冰相粒子含量增加至0.3 g·kg-1，而低层过冷水层减弱并逐渐消失。

从3月27日昌吉积冰探测区平均的云顶温度随时间变化图(图6b)可以看出，09-12时云顶温度处于持续稳定维持阶段，实况和模拟结果均显示地面无降水，11-12时实况云顶温度为-10～-20 ℃，模拟云顶温度与实测的基本一致。从模拟的平均水成物垂直分布随时间变化可以看出(图6d)，09-12时, 模拟0 ℃高度位于750 hPa(约为2 km)，在750-650 hPa高度模拟出少量冰相粒子(小于0.1 g·kg-1)，暖区未出现雨水，低层为750-650 hPa(约为2.5-3.5 km)附近模拟出1 km厚度的过冷水，模拟过冷水最大含量为0.21 g·kg-1，与飞机观测的云中液态水含量接近，说明飞机积冰主要由该层过冷水云层所致。

图6 2018年3月17日(a、c)和27日(b、d)昌吉积冰探测区20 km区域平均物理量随时间变化

从模拟的两次积冰区域的云微观结构来看，积冰发生云层主要为低层1～3 km存在的过冷水层，模拟的过冷水含量为0.1～0.2 g·kg-1，其上可能有冰相粒子，但冰相粒子在过冷水层高度含量较少(小于0.1 g·kg-1)。

5 积冰指数

积冰指数对积冰气象条件具有一定指示意义[24]。目前，积冰指数大多利用大气温度、湿度等环境变量来计算。美国近20年来发展了积冰潜势(CIP)算法[22]。该算法基于卫星、雷达、地面、闪电观测和飞行员报告并结合数值模式输出等数据，利用多个物理量的模糊逻辑相关关系而综合判断得到积冰潜势。这些相关关系是根据云物理原理、美国飞机积冰试验经验和飞机报告分析得到；其稳定云层初始积冰潜势计算方法为

CIPini=Tmap×CTTmap×RHmap

(1)

其中，Tmap为温度相关关系，CTTmap为云顶温度相关关系，RHmap为相对湿度相关关系。

本文参考CIP算法中的相关关系和初始积冰潜势计算方法，考虑直升机飞行特性对温度相关关系略作调整，在CIP算法中，当-10 ℃≤T≤-3 ℃时Tmap设为最大值1，但由于直升机飞行速度较低，从而动力增温很小(160 km/h速度下为0.6 ℃)，从本文两次积冰探测来看直升机为-1～-2 ℃时也可以产生积冰现象，所以调整为当-10℃≤T≤-1 ℃时Tmap设为最大值1，具体相关关系如图7所示。

图7 用于稳定云层初始积冰潜势计算的温度(a)、云顶温度(b)、相对湿度(c)的相关关系图

利用NCEP再分析资料，按照稳定云层初始积冰潜势计算方法：

CIPini-s=Tmap×CTTmap×RHmap×100%

(2)

对这两次过程的积冰指数进行了计算。结果显示，3月17日11-17时，在700-800 hPa高度存在积冰指数大值区(图8a)，最大在90%以上，而飞机在下午16:10-16:40于1800-2100 m高度试飞探测到了积冰，积冰指数高值与该高度层有较好的对应。3月27日11-20时，在600-700 hPa高度存在积冰指数大值区(图8b)，最大在80%以上，而飞机在上午11:00-11:45于2000-2200 m高度试飞探测到了积冰，积冰指数大值区的所在高度比飞机实际结冰高度偏高，在时段上基本对应。以上说明该算法积冰指数可以较好地反映这两次过程的积冰潜势。

图8 2018年3月17日(a)和27日(b)昌吉积冰探测区积冰指数垂直分布随时间变化

除利用温湿条件计算积冰指数外，还可结合飞行速度、飞行高度等参量分析积冰强度。积冰强度的计算公式为[16]

(3)

式中,I为每分钟形成冰层的厚度，单位为mm·min-1；飞行速度V的单位为km·h-1;捕获系数E在0～1之间变动，一般对高积云和高层云取0.2，层积云取0.3，雨层云取0.6，浓积云和积雨云取0.8，在过冷雨区中取1;含水量W的单位为g·m-3，其计算公式为

(4)

式中，PH、fH分别为飞行高度上的气压和相对湿度，k为订正系数。一般情况下k=0；飞行高度在逆温层以下0～600 m时，k=0.3；飞机在浓积云和积雨云中飞行时，k=0.4；当云层处于消散阶段时，k=-0.3。积冰强度分类标准如下(单位：mm·min-1)：

(5)

利用3月17日20时探空结果(图5a)对积冰强度进行计算，通过前面分析可知积冰云层为层积云，E=0.3，V=120～160 km·h-1，PH=813 hPa，fH=92，k=0，则积冰强度I=0.49～0.65，基本属于轻度积冰，实际探测为轻度毛冰。利用3月27日08时探空结果(图5b)对积冰强度进行计算，通过前面分析可知积冰云层为层积云，云顶有逆温，E=0.3，V=120～160 km·h-1，PH=784 hPa，fH=85，k=0.3，则积冰强度I=0.56～0.76，基本属于轻—中度积冰，实际探测为轻—中度明冰。计算结果与实际探测结果基本吻合。

6 结 论

2018年3月17日和27日某型国产直升机在我国新疆昌吉州进行了积冰试飞，并两次探测到积冰。本文利用卫星、雷达、探空等观测资料和NCEP再分析资料，以及云场数值模拟结果，对这两次积冰试验的云系特征和飞机积冰气象条件进行了分析，得出以下主要结论：

(1)两次直升机积冰过程影响系统分别为500 hPa低涡和500 hPa浅槽，地面有冷锋配合。积冰时段处于低涡系统发展前期阶段和低槽系统发展中期阶段。

(2)从两次积冰区域云宏观结构来看，积冰云层均为中低云云层，云顶高度为4 km，云顶温度为-15～-25 ℃，云底高度为1.5 km，云层厚度为1～3 km，光学厚度大于12，雷达回波特征不明显，无回波或者回波强度在10 dBZ以下。3月27日低槽锋面过程云顶有逆温。CPEFS模式模拟云微观结构表明，积冰云层是以过冷水为主，冰相粒子含量很少。

(3)积冰指数分析表明，根据直升机特性修改后的CIP初始积冰潜势算法较好地体现了这两次层积云飞机积冰特征，对于稳定性云层的积冰潜势具有指示意义。结合飞行速度等参量计算的积冰强度与实况基本吻合。