西南地区航空器积冰分布特征分析

蔺少龙，邹永成，应雨辰

（民航西南空管局气象中心，四川 成都 610202）

飞机积冰是一种非常常见的危害飞行安全的天气现象，当航空器在存在过冷水液滴或者冰晶和过冷却水混合的云层中飞行时，航空器的一些外部结构存在发生积冰的风险，较多发生在航空器机体较为突出和迎风的部位，如航空器机头、风挡玻璃、机翼和两侧发动机等。

飞机积冰不但会严重影响航空器的某些部件表面的气动力性能，如果航空器较长时间出现在严重积冰区域，会严重损害飞机的动力性能，严重时甚至可能导致飞机安全事故的发生。根据美国国家运输安全委员会在过去30年间的调查统计，整个美国由于航空器发生积冰引起的事故高达803 次。

相关研究表明积冰与地面气团性质、地面天气区、锋面、高空槽、低涡、降水类型、云的类型及其覆盖率以及雷暴等天气尺度系统影响相关[1]。在暖锋和锢囚锋的下部1000～1500 m 高度积冰的危险性最大，而在冷锋云系中积冰区可伸展至很高的高度，其积冰强度也随高度增大，但其水平延展尺度小于暖锋，所以飞机在穿越冷锋时发生积冰现象的时间尺度不长[2]。HOBBS 等[3]在对中纬度气旋的部分中小尺度空间结构特征进行研究时发现，一般垂直运动速度不大，过冷却水的含量不高的现象较为频繁地出现在较宽冷锋雨带的低层。BERSTEIN 等[1]通过分析对比研究了发生在美国本土的37个航空器积冰天气个例与具体天气系统的关系，并分析了积冰相对于天气系统的地理位置、降水出现的类型、天空中的云量、积冰发生发展的水汽源地以及是否出现闪电、雾、雷达回波等对应现象和天气尺度动力强迫机制，研究结果发现暖锋前部250～600 km 范围的冻雨区及阴天地区是更容易出现积冰的区域。

研究表明，地面观测到冻雨时，空中就会有过冷大水大液滴[4]。在中国积冰区气候分布特征研究方面，在大量积冰个例基础上，通过对发生积冰的云系进行多尺度分不同结构类型进行分析，对AMDAR 航空器观测中积冰资料应用其中的温度、湿度和过冷却水等进行相关统计分析，通过不断积累分类中国发生积冰的天气系统，以及对积冰发生时的云量、云状云高等云系特征在结构上进行多尺度分析，有一些初步的研究结果。

依据多年储存的历史气象资料，并根据不同的积冰强度指数计算航空器积冰在中国的时空分布情况，利用多年气象资料计算积冰指数在中国的分布情况，大大提升了对中国积冰气候特征分布的研究进展。虽然目前有部分学者对于西南地区的部分地区如贵阳[5]、绵阳[6]、广汉[7]等局地积冰天气个例进行分析研究，但目前对于整个西南地区积冰的分布特征以及话音式航空器报告资料应用较少。因此本文利用西南地区2015—2020年期间出现的航空器积冰空中报告，对其分布特征进行研究，该研究结果可为西南地区航空器积冰预报预警服务业务和西南地区民用航空器管制工作提供参考。

1 数据介绍

所使用数据为2015—2020年话音式航空器报空中报告，其来源于机组人员以话音的通信方式向地面空中交通管制人员传递的航空器信息报告，其内容包括具体报告的时间、航空器发生的天气现象及其强度、报告时的具体位置和高度、航空器具体型号、所属航空公司及其航班号等信息。近年来，随着中国航空运输业不断发展，目前中国的大部分运营航空公司均采用A330、A320、B737 和B747 等服役时间较短且相关功能配套较为先进的航空器飞行，这些新型飞机在全球各大航空公司广为应用，久经验证，其能够在飞行中遇到危险天气的抗干扰能力较强，再结合管制部分的及时通报，所收到的话音式航空器报告有较高的可靠性和较低的误报，精准可靠的航空器报告资料为研究西南地区的航空器积冰现象提供了坚实的数据基础。

2 航空器积冰分布特征分析

航空器发生积冰的直接影响气象因素主要有大气中的温度、云中的过冷却水含量以及过冷水液滴的形态和大小。﹣10～﹣2 ℃是最容易发生积冰的温度区间，其中轻度积冰最容易出现在﹣10～0 ℃之间，中度积冰出现的温度更低，在﹣12～﹣2 ℃之间，严重积冰容易出现得到温度范围最低，在﹣10～﹣8 ℃之间[8]。虽然大部分地区航空器发生积冰的温度范围基本一致，但对于不同地区的不同高度出现不同严重程度积冰的温度范围仍有所区别。云中过冷水含量越大，积冰强度也越大，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小[9-10]。云中温度露点差值越小，相对湿度就越大，越有利于积冰的形成。据统计，飞机积冰一般发生在云中温度露点差小于7 ℃范围内，以0～5 ℃发生积冰最多，强积冰多发生在温度露点差为0～4 ℃范围内[9]。

云中过冷水的含量越大，发生积冰的强度就越严重。云中过冷水含量主要依赖于气温，温度越低，云中的过冷水含量越小，大水滴更易于被机体捕获。液滴的直径和水滴大小分布的实际形状确定了飞机的有效冲并效率。以小水滴为主的云中，高液态水含量只能产生微量或者忽略不计的积冰，而主要由大水滴组成的云中，相对低的液态水含量也可能形成中等以上的积冰[9]。积冰强度的定义通常是指在单位时间内航空器机身表面形成的冰层的厚度[11]。

目前，依据积冰对航空器运行的危害程度将积冰分为4 个等级。如表1 所示，即微量积冰、轻度积冰、中度积冰和严重积冰。微量积冰和轻度积冰被认为一般不会对飞行器运行造成危害，而中度积冰或严重积冰发生时则会对飞行器正常运行造成较大影响和危害。

表1 积冰强度分类

2.1 飞机积冰的强度分布

根据2015—2020年共6年的飞机积冰报告资料，将飞机积冰按强度划分，如图1 所示，从图中可以看出中度飞机积冰的报告数量最多，共268 个，占总数的40.85%；其次是严重积冰，共243 个，占总数的37.04%；轻度积冰所占比例最低，仅38 个，占5.79%，其中中度及以上（包括中度积冰、中到严重积冰和严重积冰）积冰的报告数共有555 个，共占84.60%，因此中国西南地区飞机积冰主要集中在中度及以上强度，同时在相同天气背景条件下遭遇中度及以上的飞机积冰天气概率较大。不同的民航机型在飞行阶段，对于飞机积冰的强度判别拥有不同的判断方法，在实际情况下机组也会根据机载积冰探测系统和实际观察去判断积冰强度，所以在航空器积冰报告资料中，机载的相关设备和机组报告人员的主观判断都会对航空器积冰报告资料的精度和准确程度有所影响，从而导致在部分航空器遭遇较轻程度积冰时未引起机组注意或主观判断无需报告从而导致报告资料与实际情况出现一些差异；而在航空器遭遇中度及以上的积冰时，由于其对于航空器的影响和危害较大，所以对于中度及以上强度的积冰报告数据更为全面和详细。

图1 不同强度飞机积冰数量及其比例

2.2 飞机积冰的时间分布

对西南地区航空器积冰报告资料逐年分强度分析，如图2 所示，从图中可以看到总体航空器积冰报告年变化，总数逐年呈增长趋势，尤其在2017年及其以后的积冰航空器报告频率明显多于2015—2016年，这与航空器报告制度的完善和中国航空业发展以及中国机场旅客吞吐量逐年以10%左右的速度递增密切相关[12]。其中在2015年航空器积冰报告次数最少，共出现了27 次，2020年航空器积冰报告次数呈现出最多的特征共193 次；中度积冰的报告次数在图2 中呈现逐年增长的趋势，2016年中度积冰报告次数最少，共8次，2020年中度积冰报告次数最多，共83 次；而严重积冰和中到严重积冰在时间特征上呈现不同的变化规律，在2015年严重积冰和中到严重积冰报告次数共为12 次，报告次数最少，2018年严重积冰和中到严重积冰报告次数共为83 次，报告次数最多；总体来看2015—2020年的积冰航空器报告中，中度积冰和严重积冰均为该年度中报告次数较多的积冰类型，中度及以上积冰（包括中度积冰、中到严重积冰和严重积冰）的报告次数远远多于轻度积冰和轻到中度积冰的次数，且中度及以上积冰报告次数呈现逐年增长趋势。

图2 西南地区飞机积冰逐年强度变化特征

中国西南地区主要包括四川、重庆、云南、贵州和西藏西南地区，其面积辽阔、地形复杂，涵盖了高原、山地、盆地、丘陵等多种地形，导致西南地区各季节气候不一，气候上涵盖温度季风气候、亚热带季风气候、高原山地气候等多种气候类型特征，甚至在不同地区的不同月份都呈现出截然不同的气候现象，气候差异巨大，因此对于西南地区航空器积冰报告按照季度、强度进行划分，如图3 所示。从图中可以看出，冬季积冰报告次数最多，共455 次，占总数的69.36%；秋季的积冰报告次数次之，为133 次，占总数的20.27%；夏季的积冰报告次数最少，为15 次，占总数的2.29%；严重积冰和中度积冰占总积冰报告数的比例总体在20%～60%之间波动，但中度积冰占总积冰报告数的比例明显在春、冬季节大于夏、秋季节，而严重积冰占总积冰报告次数的比例在夏季显著高于其他3 个季节，达到了60%；另外在中度和严重积冰的比重呈现出不完全一致的变化规律，在夏季积冰报告总次数较少的背景下出现严重积冰报告的比例大于出现中度积冰的报告比例，这与夏季出现积冰时多与强对流天气有关；在其余季节中严重积冰占总积冰报告次数的比例略低于中度积冰总积冰报告次数的比例，严重和中度的飞机积冰在季节上的分布与总的飞机积冰报告在季度上的分布大体一致。

图3 西南地区积冰季节强度分布规律

根据2015—2020 共6年的航空器积冰资料，将飞机积冰报告按照年份，逐月进行划分，如图4 所示。从图中可以看出，近6年的积冰报告月份规律基本一致，1、2、11、12 月发生积冰频率最高，且1 月积冰航空器报告的频率最高，12 月次之，2 月和11 月相对偏低；在6—9 月间的积冰报告次数相对较少，而6—8月的报告的频次均在20 次以下；而在2018年4 月和2008年10 月积冰次数出现了较为明显增长的情况，在2020年12 月出现了积冰报告次数相对较少的情况，这与当年该月份的具体天气形势存在密切联系。

图4 西南地区航空器积冰逐月分布规律

2.3 飞机积冰的空间分布

将整理好的飞机积冰报告资料与中国西南地区主要航路叠加在主要西南地区的省界地图上，如图5 所示，可以更加直观地发现航空器积冰报告在西南地区的二维空间分布特征。中国西南地区2015—2020年的飞机积冰报告整体比较集中在四川中东部、重庆中部、云南东北部、贵州中东部和北部等地区，其中大部分航空器积冰报告出现在主要航路附近，另外其他部分积冰多发生在省会城市，如成都、重庆、贵阳、昆明和拉萨附近，表明积冰的航空器报告资料与机场、航路的运行流量存在一定的关联。但是在不同省会之间，出现积冰报告的频次有明显差异，这与西南地区中成都、重庆区域航班流量最多，昆明和贵阳次之，拉萨航班流量最少的特征相关。

图5 西南地区主要航路与飞机积冰分布图

3 小结

综上所述，可以得到以下结论：①中度飞机积冰的报告数量最多，共268 个，占总数的40.85%；严重积冰报告数量次之，共243 个，占总数的37.04%；其中中度及以上积冰的报告数共有555 个，共占84.60%，中国西南地区飞机积冰主要集中在中度及以上强度。②航空器积冰报告数量呈现明显的逐年上升趋势，中度及以上积冰报告的增长趋势远远高于中度以下积冰报告次数。③2015—2020年中每一年的季节和逐月份变化规律基本一致，冬季积冰报告次数最多，发生积冰频率最高的月份也集中在1、2、11、12 月，且发生中度及以上强度积冰主要集中在12、1、2 三个冬季月份。④中国西南地区航空器积冰报告与西南地区的主要航路的分布存在密切联系，航空器积冰现象多发生在航班通行量较大、导航点和航路点较为集中和较为繁忙的航路航线地区，主要集中在四川中东部、重庆中部、云南东北部、贵州中东部和北部等区域。