陜西秦嶺以北地區(qū)飛機(jī)積冰狀況研究

顧效斌,倪洪波,羅俊頡,宋繼萍

(1.中航工業(yè)試飛中心,西安 710089;2.陜西省人工影響天氣辦公室,西安 710014)

陜西秦嶺以北地區(qū)飛機(jī)積冰狀況研究

顧效斌1,倪洪波1,羅俊頡2,宋繼萍1

(1.中航工業(yè)試飛中心,西安 710089;2.陜西省人工影響天氣辦公室,西安 710014)

利用東勝、延安、平?jīng)觥⑽靼?4站 1990年 1月— 2009年 12月每天 08時(shí)和 20時(shí) 1 000～100hPa標(biāo)準(zhǔn)等壓面探空資料,選用國際民航組織建議的 WAFS積冰指數(shù) Ic作為診斷依據(jù),計(jì)算、分析陜西秦嶺以北地區(qū)逐月飛機(jī)積冰率的垂直和水平分布特征,結(jié)果表明:該地區(qū)具有豐富的積冰試飛氣象資源;在垂直高度上,700 hPa及以下高度,飛機(jī)積冰主要發(fā)生在春季和冬季,700 hPa高度以上,飛機(jī)積冰主要發(fā)生在夏半年;飛機(jī)積冰多發(fā)期間,850hPa及以下高度積冰率水平分布表現(xiàn)為南北少、中部多的特點(diǎn);850 hPa高度以上,飛機(jī)積冰率呈現(xiàn)出南部多、北部少的特點(diǎn)。

飛機(jī)積冰;積冰資源;積冰指數(shù);積冰發(fā)生率

飛機(jī)積冰是指飛行中飛機(jī)表面某些部位及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣部件聚集出現(xiàn)冰層的現(xiàn)象,它會嚴(yán)重危及飛行安全,尤其對低速飛行 (V≤600 km/h)的中、小型飛機(jī)危害更大。以往的研究[1-5]中,均將飛機(jī)積冰作為航空危險(xiǎn)現(xiàn)象予以討論。目前,我國以 ARJ21-700飛機(jī)為開端的大量民用飛機(jī)適航審定試飛,必須按照文獻(xiàn) [6]的附錄 C(簡稱CCAR-25部附錄 C)的要求,實(shí)施并完成“自然結(jié)冰”(即飛機(jī)積冰)科目試飛,研究和掌握閻良機(jī)場主要試飛區(qū)域所在的陜西秦嶺以北地區(qū)飛機(jī)積冰氣象資源狀況顯得尤為必要。另外飛機(jī)積冰會對飛行安全構(gòu)成威脅,據(jù)文獻(xiàn) [2]統(tǒng)計(jì)顯示,即使在航空產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的美國,由于飛機(jī)積冰導(dǎo)致的等級飛行事故,仍然占因氣象原因?qū)е碌娘w行等級事故的 13.7%,比例較高,國內(nèi)這一比例為10.4%。

陜西是我國氣候高度敏感區(qū)[7],特殊的地理區(qū)位和地形特征,使陜西秦嶺以北地區(qū)飛機(jī)積冰具有明顯特殊性[8-9],文獻(xiàn) [3-5,10]引述了采用非線性映像降維法對我國飛機(jī)積冰氣候區(qū)劃的結(jié)論,陜西秦嶺以北地區(qū)大部區(qū)域處于全國 4個(gè)飛機(jī)積冰區(qū)的Ⅱ區(qū),為較易發(fā)生積冰區(qū)。王新煒[11]等采用 K均值聚類統(tǒng)計(jì)分析方法,將我國飛機(jī)積冰氣候區(qū)劃分為 5個(gè)區(qū),陜西秦嶺以北地區(qū)處在以華北地區(qū)為主的Ⅲ區(qū),即積冰少發(fā)區(qū) (全年的積冰發(fā)生概率皆小于 10%,且夏季無積冰)。趙頌華[12]指出:西北地區(qū)飛機(jī)積冰主要發(fā)生在冬半年(11— 4月),積冰發(fā)生累積頻率達(dá) 85.4%。黃麗娟[13]指出:西北地區(qū) (主要指陜西中北部)冬季(11— 2月)發(fā)生飛機(jī)積冰的概率達(dá) 66%。針對閻良機(jī)場主要試飛區(qū)域有關(guān)飛機(jī)積冰氣象條件的研究,文獻(xiàn)雖有涉及,但未形成較統(tǒng)一的觀點(diǎn)和結(jié)論。

1 資料及研究方法

1.1 資料及站點(diǎn)選取

鑒于研究區(qū)域高空氣象探測資料有限,為最大限度滿足計(jì)算結(jié)果的代表性和結(jié)論的擬合度,選取東勝 (內(nèi)蒙古,53543站)、延安 (陜西,53845站)、平 涼 (甘 肅,53915站)、西安 (陜西,57036)作為代表站,利用 4站 1990年 1月— 2009年 12月每天 08時(shí)和 20時(shí) (北京時(shí))1 000～ 100 hPa標(biāo)準(zhǔn)等壓面探空資料,計(jì)算、分析陜西秦嶺以北地區(qū)飛機(jī)積冰發(fā)生率和飛機(jī)積冰等級。

1.2 資料篩選及研究方法

1.2.1 資料篩選 在某站點(diǎn)、某月、某時(shí)次 (北京時(shí) 08時(shí)、 20時(shí),下同)、某等壓面上,當(dāng)溫度和露點(diǎn)同時(shí)有效時(shí),認(rèn)為資料有效。10 a某站點(diǎn)、某月、某時(shí)次、某等壓面最大有效資料數(shù)為 310(10 a× 31 d)。

1.2.2 研究方法 對某站點(diǎn)、某月、某時(shí)次、某等壓面飛機(jī)積冰強(qiáng)度的計(jì)算和判定,采用國際民航組織建議的 WAFS積冰指數(shù) Ic作為診斷依據(jù),即

Ic= {2(f-50)[T (T+ 14) /(-49)]}/10,其中,Ic為積冰強(qiáng)度指數(shù),無量綱。f為計(jì)算高度層的相對濕度,當(dāng) f＞ 50%時(shí),計(jì)算 Ic指數(shù)。T為計(jì)算高度層的溫度,單位為oC。積冰強(qiáng)度分為輕度積冰、中度積冰、重度積冰三個(gè)等級 (表 1)。

1.2.3 積冰發(fā)生率 積冰發(fā)生率用 10 a某站點(diǎn)、某月、某時(shí)次、某等壓面發(fā)生某等級積冰的次數(shù)占有效資料數(shù)的百分比表示 (當(dāng)某站點(diǎn)、某月、某時(shí)次、某等壓面有效資料數(shù)＜200時(shí),不計(jì)算積冰發(fā)生率)。積冰發(fā)生率按月統(tǒng)計(jì)計(jì)算,分 08時(shí)和 20時(shí)兩個(gè)時(shí)次。

1.2.4 資料統(tǒng)計(jì)計(jì)算 在對選定的 4個(gè)站點(diǎn)逐月 08時(shí)和 20時(shí)的 850、700、 500、 400 hPa積冰率進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)上,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法分析陜西秦嶺以北地區(qū)飛機(jī)積冰的試飛氣象條件。

2 自然結(jié)冰試飛氣象條件

2.1 逐月飛機(jī)積冰率的垂直分布特征

圖 1給出的是陜西秦嶺以北地區(qū) 4站在850、 700、 500、 400 hPa的平均飛機(jī)積冰率。 受不同高度層各月溫、濕條件的影響,該地區(qū)飛機(jī)積冰率在垂直方向上呈現(xiàn)出冬半年(11— 4月)低層高、夏半年 (5— 10月)高層高的特點(diǎn),同時(shí),在飛機(jī)積冰多發(fā)的月份,各高度層輕度積冰最多,中度積冰次之,重度積冰發(fā)生率最低。

圖 1 秦嶺以北地區(qū) 850～ 400hPa逐月飛機(jī)積冰率垂直分布

850 hPa高度層,1月飛機(jī)積冰率最高,輕度、中度和重度積冰率累積達(dá)43.9%,2月次之為35.5%(圖 1a)。隨著高度升高,飛機(jī)積冰率最高值出現(xiàn)的時(shí)間也逐漸推遲,700 hPa高度層,輕度、中度和重度積冰率累積 3月最高達(dá) 35.5%,2月次之為 31.5%(圖 1b)。500hPa高度層,輕度、中度和重度積冰率累積 7月最高達(dá) 47.2%,且6— 9月積冰率均達(dá) 40%以上 (圖 1c)。400 hPa高度層主要是輕度積冰,僅在 7、8月存在小于3.5%的中度積冰的可能性,不同程度飛機(jī)積冰率累積 7月最高為 25.2%,8月次之為 21.1% (圖1d)。

比較各高度層飛機(jī)積冰率發(fā)現(xiàn):最高積冰率出現(xiàn)在 7月的 500hPa高度層,400 hPa高度層飛機(jī)積冰率最低。比較飛機(jī)積冰多發(fā)的連續(xù)月份可以看出:隨著高度層的升高,飛機(jī)積冰的多發(fā)時(shí)段也逐漸由冬半年移向夏半年;從對流層低層到高層,積冰率大于 20%的時(shí)間段呈現(xiàn)出先升后降的特征,其中,850 hPa高度層飛機(jī)積冰率大于20%的連續(xù)月份為 4個(gè)月,700 hPa為 6個(gè)月,500 hPa為 4個(gè)月,400 hPa僅有 2個(gè)月?？梢?陜西秦嶺以北地區(qū)飛機(jī)積冰主要發(fā)生在對流層中下層 (6 000 m以下)的高度。

2.2 逐月飛機(jī)積冰率的水平分布特征

圖 2給出的是 850、 700、 500、 400 hPa各高度層 4站的飛機(jī)積冰率。由于受不同下邊界條件的影響,陜西秦嶺以北地區(qū)低層各月飛機(jī)積冰發(fā)生率在南北分布上沒有相對穩(wěn)定的規(guī)律,且在飛機(jī)積冰多發(fā)月份,各月 4站的積冰率較為接近。700～ 400hPa,在飛機(jī)積冰多發(fā)的月份,各月積冰發(fā)生率均呈現(xiàn)出南高北低的特征,即在相同的月份飛機(jī)積冰率自南向北是逐漸遞減的。

850 hPa高度層,整個(gè)陜西秦嶺以北地區(qū)在11— 3月飛機(jī)積冰率均≥15%,12— 2月 4站積冰率均≥27%。其中,1月最高 4站均達(dá) 38%以上,以平?jīng)鰹榇淼闹胁康貐^(qū)甚至高達(dá) 49.2%,略偏北的延安為 45.7%。2月西安和平?jīng)龇e冰率相近,均超過 41%,延安次之,達(dá)到 31.9%。12月積冰率則以平?jīng)鲎罡邽?40.6%,延安和東勝積冰率接近達(dá) 33%以上 (圖 2a)。700hPa高度層陜西秦嶺以北地區(qū)積冰率南多北少特征最為明顯,11— 3月南部飛機(jī)積冰率均為北部的 2倍以上,最高(12月)達(dá) 3.8倍。其中,以西安為代表的陜西秦嶺以北地區(qū)的南部,3月飛機(jī)積冰率最高達(dá) 50%(即使在北部地區(qū)的東勝附近,3月積冰率也達(dá)到20%),2月次之為 44.1%。另外,在延安以南地區(qū),從 10月至 3月,逐月平均積冰率均在 22%以上 (圖 2b)。陜西秦嶺以北地區(qū) 500 hPa高度層各月飛機(jī)積冰率同樣呈南多北少的分布。但在飛機(jī)積冰多發(fā)的 4— 10月,盛夏積冰率南北差異小,春、秋季節(jié)積冰率南北差異大。該高度層 7月 4站積冰率均超過 40.6%,南部地區(qū)積冰率最大為55.3%。在該高度層的延安以南地區(qū),即使在積冰率較低的 10月,平均積冰率也達(dá) 25.8% (圖2c)。在以 400 hPa為代表的對流層高層,陜西秦嶺以北地區(qū)在積冰多發(fā)月份飛機(jī)積冰率南北分布特征與中層相似,且多發(fā)期明顯縮短 (僅 7、8月4站平均積冰率≥10%),積冰率明顯降低 (僅延安 1個(gè)月、平?jīng)龊臀靼哺?2個(gè)月積冰率≥20%),南北差異明顯加大 (積冰率最高的 7月,南部地區(qū)和北部地區(qū)之間積冰率相差達(dá) 32%,8月則相差 21.6%)(圖 2d)。

圖 2 秦嶺以北地區(qū) 850～ 400hPa逐月飛機(jī)積冰率地域分布

2.3 500 hPa高度層飛機(jī)積冰率

陜西秦嶺以北地區(qū) 500 hPa高度層,夏季具有較高的積冰率,這與傳統(tǒng)的利用實(shí)測個(gè)例研究結(jié)論略有不同。究其原因,一方面夏季有為數(shù)眾多的積云積冰,飛行過程中會有意規(guī)避在積云區(qū)飛行而缺乏實(shí)測個(gè)例,同時(shí),該高度層一般為飛行穿越高度層,飛機(jī)快速上升階段造成的相對較強(qiáng)下沉氣流和飛機(jī)快速下降階段形成的較強(qiáng)上升氣流,均不易產(chǎn)生飛機(jī)積冰,但夏季經(jīng)常具備形成飛機(jī)積冰的溫度、濕度條件,如果飛機(jī)在該高度層的云中以低速飛行,或者在穿云下降的過程中,產(chǎn)生飛機(jī)積冰的可能性仍較大[14-15]。分析 2000—2010年陜西省人工影響天氣辦公室開展增雨作業(yè)及中航工業(yè)試飛中心試飛過程中(V≤500 km/h)收集的 99個(gè)飛機(jī)積冰個(gè)例,飛機(jī)積冰高度最高為 5 770 m,積冰高度≥4 000 m的有 62次,積冰高度≥4 500 m的有 35次,積冰高度≥5 000 m的有 11次?？梢?在對流層的中層發(fā)生飛機(jī)積冰的概率仍較大,與張振林[16]等的研究略有不同。

3 結(jié)論與討論

3.1 飛機(jī)積冰不僅是航空危險(xiǎn)現(xiàn)象,同時(shí)也是運(yùn)輸類飛機(jī)適航審定試飛重要的氣象條件。深化對不同地理環(huán)境條件下飛機(jī)積冰狀況的研究,既有助于確保試飛安全,亦有助于提高試飛效率。

3.2 陜西秦嶺以北地區(qū)具有豐富的自然結(jié)冰試飛氣象資源。采用W AFS積冰指數(shù)所計(jì)算的積冰發(fā)生率,較以往飛機(jī)積冰氣候區(qū)劃及利用飛機(jī)積冰實(shí)測個(gè)例所計(jì)算的積冰率更高。

3.3 陜西秦嶺以北地區(qū)低層飛機(jī)積冰主要發(fā)生在冬半年;高層主要發(fā)生在夏半年。隨著高度層的升高,累計(jì)飛機(jī)積冰發(fā)生率有先升后降的規(guī)律,其中,700～ 500 hPa高度層累計(jì)積冰率最高。

3.4 在飛機(jī)積冰的多發(fā)季節(jié),積冰率地域分布基本呈現(xiàn)出南部地區(qū)多,北部地區(qū)少的特征。

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A

1006-4354(2013)02-0023-04

2012-11-13

顧效斌 (1985—),男,山東臨沂人,漢族,學(xué)士,助理工程師,從事航空氣象研究及試飛氣象保障。