四種飛機(jī)積冰預(yù)報(bào)方法的比較與分析

葛思源

摘要： 飛機(jī)積冰是對(duì)航空飛行安全危害最嚴(yán)重的氣象要素之一。本文利用2013年無(wú)錫等地的飛機(jī)積冰報(bào)告資料，對(duì)目前常用的四種飛機(jī)積冰診斷預(yù)報(bào)方法進(jìn)行檢驗(yàn)，比較這四種方法對(duì)飛機(jī)積冰個(gè)例預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，僅考慮溫濕條件的霜點(diǎn)法對(duì)云中過(guò)冷水滴含量的影響估計(jì)不足，預(yù)報(bào)效果差，漏報(bào)率偏高。修正霜點(diǎn)法對(duì)飛機(jī)積冰的預(yù)報(bào)效果明顯改善，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)70.0%以上。假霜點(diǎn)判別法和積冰指數(shù)法對(duì)飛機(jī)積冰有無(wú)預(yù)報(bào)效果均較好，準(zhǔn)確率達(dá)88%，漏報(bào)率也較低。但積冰指數(shù)法對(duì)積冰強(qiáng)度預(yù)報(bào)明顯偏強(qiáng)，空?qǐng)?bào)率也略偏高。

Abstract： The aircraft icing is one of the most serious meteorological factors to aviation safety. By using the aircraft icing reports of Wuxi etc. in 2013， this papaer takes an inspection of the four commonly used methods of aircraft icing diagnosing and forecasting， and the accuracy of the four methods are compared for the case of aircraft icing prediction. The results show that the frost point method， which only considers the temperature and humidity conditions， is not enough to estimate the influence of the supercooled water droplets in the cloud， and the prediction effect is poor， the missing report rate is high. Modified frost point method for aircraft icing forecast effect is improved obviously， and the forecast accuracy rate can achieve over 70.0%. False frost point discrimination and icing index method for aircraft icing prediction all have a good effect， whose accurate rate is 88%， and the missing rate is lower. But the icing index method for forecasting icing intensity is stronger， and vacancy rate is slightly higher.

關(guān)鍵詞： 飛機(jī)積冰；效果檢驗(yàn)；霜點(diǎn)法；假霜點(diǎn)判別法

Key words： aircraft icing；effect test；frost point method；false frost point method

中圖分類號(hào)：V321.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）14-0226-03

0 引言

飛機(jī)積冰對(duì)航空飛行安全危害非常嚴(yán)重。飛機(jī)發(fā)生積冰能使飛機(jī)的空氣動(dòng)力性能變差，升力減小，阻力增大，影響飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性，甚至導(dǎo)致飛行事故。從40年代起，共有126起因飛機(jī)積冰造成的飛行事故。例如，1980年4月15日，一架設(shè)備先進(jìn)的“超黃蜂”直升飛機(jī)在我國(guó)某地云中飛行，進(jìn)入了積冰區(qū)，造成旋翼積冰，三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)停車，引起旋翼?yè)]舞顫抖打壞尾梁，切斷尾動(dòng)軸，導(dǎo)致飛機(jī)空中解體。1994年10月31日，美國(guó)一架ATR72飛機(jī)在芝加哥國(guó)際機(jī)場(chǎng)下降高度時(shí)，因機(jī)翼積冰而失速墜毀，機(jī)組和乘客共68人全部遇難。2004年11月21日，一架CRJ-200在包頭起飛，因沒(méi)有落實(shí)地面除冰霜制度，致使飛機(jī)帶冰、霜起飛，離地后飛機(jī)機(jī)翼失速臨界迎角減小，無(wú)法控制，引發(fā)墜機(jī)空難[1、2]。隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展，盡管現(xiàn)代飛機(jī)的防冰、除冰裝置日趨完善，在一定程度上減輕了積冰對(duì)飛行的危害，但是無(wú)論什么飛機(jī)，不論其有何種防冰裝置，它只能在結(jié)冰前或結(jié)冰初期起到預(yù)防或除冰的作用。一旦發(fā)生強(qiáng)的飛機(jī)積冰，任何防冰或除冰裝置都是無(wú)能為力的。因此，飛機(jī)積冰仍是影響飛行安全的關(guān)注重點(diǎn)。

1 積冰預(yù)報(bào)方法

飛機(jī)積冰是指飛機(jī)機(jī)體表面某些部位聚積冰層的現(xiàn)象，它主要由云中過(guò)冷水滴或降水中的過(guò)冷雨滴碰到飛機(jī)機(jī)體后凍結(jié)形成的，也可由水汽直接在機(jī)體表面凝華而成[3]。飛機(jī)積冰通常在溫度0～-20℃、溫度露點(diǎn)差小于5℃范圍內(nèi)發(fā)生較多，強(qiáng)積冰多發(fā)生在溫度-5～-10℃、溫度露點(diǎn)差小于4℃的范圍內(nèi)。飛機(jī)積冰一般與過(guò)冷水滴的含量、大小，飛機(jī)的飛行速度、云中飛行時(shí)間，積冰部位的曲率半徑等因素有關(guān)，但目前對(duì)于云的微物理結(jié)構(gòu)作大范圍的定量測(cè)量還有一定的困難，飛機(jī)積冰預(yù)報(bào)主要依靠統(tǒng)計(jì)、數(shù)值預(yù)報(bào)模式輸出或診斷等方法。本文選取霜點(diǎn)法、修正霜點(diǎn)法、假霜點(diǎn)判別法及積冰指數(shù)預(yù)報(bào)法等四種診斷方法，通過(guò)實(shí)際飛機(jī)報(bào)告，檢驗(yàn)四種方法預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

1.1 霜點(diǎn)法

在溫度低于0℃的云中，如果有過(guò)冷水滴存在，則過(guò)冷水面的飽和水汽壓應(yīng)該是飽和的，過(guò)冷水滴所在區(qū)域溫度T就必然低于其霜點(diǎn)溫度Tf。因此，通過(guò)比較云中的溫度與霜點(diǎn)溫度，就可以判斷云中水汽壓相對(duì)冰面是否飽和，進(jìn)而判斷是否有過(guò)冷水滴存在。飛機(jī)在含過(guò)冷水滴的云中飛行易產(chǎn)生積冰。判別法為[3]：

Tf=-8D=-8（T-Td）？叟T有積水

1.2 修正霜點(diǎn)法

由于霜點(diǎn)法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)效果較差，有人又對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，給出了修正經(jīng)驗(yàn)公式[3]。

Tf=-kD，其中k=8exp[-（T/D）1/2]。當(dāng)Tf≥T，有積冰，否則無(wú)積冰。

1.3 假霜點(diǎn)判別法

綜合考慮飛機(jī)的動(dòng)力增溫及飛行高度上的溫濕條件，假霜點(diǎn)判別法給出了假霜點(diǎn)溫度 Tfi[3]：

1.4 積冰指數(shù)法

利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國(guó)家大氣研究中心聯(lián)合處理的全球大氣40年（1958-1997）再分析資料，王新煒等在飛機(jī)積冰指數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)新的積冰指數(shù)VV[4]：

2 積冰飛機(jī)報(bào)告資料

本文利用2013年無(wú)錫等地的19個(gè)飛機(jī)積冰報(bào)告?zhèn)€例（見(jiàn)表1），通過(guò)目前常用的四種計(jì)算飛機(jī)積冰的診斷判別方法，比較這些方法對(duì)飛機(jī)積冰個(gè)例預(yù)報(bào)的效果，探討四種預(yù)報(bào)方法的適用性，為飛機(jī)積冰預(yù)報(bào)提供參考借鑒。

3 飛機(jī)積冰預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)

3.1 預(yù)報(bào)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

①準(zhǔn)確率。

預(yù)報(bào)有且實(shí)況有和預(yù)報(bào)無(wú)且實(shí)況無(wú)的為預(yù)報(bào)正確。

準(zhǔn)確率=預(yù)報(bào)正確天數(shù)/總樣本數(shù)×100%

②空?qǐng)?bào)率。

預(yù)報(bào)有，實(shí)況無(wú)即為空?qǐng)?bào)。

空?qǐng)?bào)率=空?qǐng)?bào)天數(shù)/預(yù)報(bào)積冰天數(shù)×100%

③漏報(bào)率。

預(yù)報(bào)無(wú)，實(shí)況有即為漏報(bào)。

漏報(bào)率=漏報(bào)天數(shù)/出現(xiàn)積冰天數(shù)×100%

3.2 預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)

由于霜點(diǎn)法與修正霜點(diǎn)法只能判斷是否有積冰出現(xiàn)，而不能判斷積冰強(qiáng)度。因此，本文利用霜點(diǎn)法、修正霜點(diǎn)法只對(duì)飛機(jī)積冰情況進(jìn)行有無(wú)預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)。而對(duì)假霜點(diǎn)判別法及積冰指數(shù)法進(jìn)行積冰有無(wú)預(yù)報(bào)以及強(qiáng)度預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)。驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

由表2、表3可知，利用霜點(diǎn)法對(duì)飛機(jī)積冰有無(wú)預(yù)報(bào)的效果很差，漏報(bào)率很高，25個(gè)檢驗(yàn)高度出現(xiàn)的積冰全部漏報(bào)，準(zhǔn)確率為24.0%，漏報(bào)率100%，空?qǐng)?bào)率0%。霜點(diǎn)法漏報(bào)率偏高，主要是因?yàn)樗c(diǎn)法在對(duì)飛機(jī)積冰的預(yù)報(bào)中，僅考慮到一定的溫濕條件下，云中水汽壓對(duì)冰面不飽和時(shí)，冰的升華作用對(duì)飛機(jī)積冰的不利影響，而忽略了云中過(guò)冷水滴含量對(duì)飛機(jī)積冰的影響。

修正霜點(diǎn)法對(duì)飛機(jī)積冰有無(wú)預(yù)報(bào)的效果明顯改善。預(yù)報(bào)積冰正確18個(gè)，漏報(bào)4個(gè)，空?qǐng)?bào)3個(gè)。準(zhǔn)確率為72.0%，漏報(bào)率21.1%，空?qǐng)?bào)率16.7%。

假霜點(diǎn)判別法對(duì)飛機(jī)積冰的有無(wú)預(yù)報(bào)及強(qiáng)度預(yù)報(bào)效果均較好，準(zhǔn)確率明顯高于霜點(diǎn)法和修正霜點(diǎn)法。預(yù)報(bào)積冰正確22個(gè)，漏報(bào)2個(gè)，空?qǐng)?bào)1個(gè)。準(zhǔn)確率為88.0%，漏報(bào)率10.5%，空?qǐng)?bào)率5.6%。而且，假霜點(diǎn)判別法對(duì)飛機(jī)積冰高度的預(yù)報(bào)也較準(zhǔn)確，例如序號(hào)24、25，飛機(jī)報(bào)告3500～5500m高度有輕度積冰，利用實(shí)測(cè)探空資料計(jì)算，5500m高度預(yù)報(bào)有輕度積冰，而3000m高度預(yù)報(bào)沒(méi)有積冰，與飛機(jī)報(bào)告相符。

利用積冰指數(shù)法對(duì)飛機(jī)積冰的有無(wú)預(yù)報(bào)效果也較好。預(yù)報(bào)積冰正確22個(gè)，漏報(bào)1個(gè)，空?qǐng)?bào)2個(gè)。準(zhǔn)確率為88.0%，漏報(bào)率5.3%，空?qǐng)?bào)率10.0%?？梢?jiàn)，積冰指數(shù)法和假霜點(diǎn)判別法對(duì)飛機(jī)積冰的有無(wú)預(yù)報(bào)效果均較好，積冰指數(shù)法漏報(bào)率最低。如果在航行中，飛機(jī)機(jī)型對(duì)積冰要求很高，可使用積冰指數(shù)法預(yù)報(bào)積冰，寧空勿漏。但是對(duì)比飛機(jī)報(bào)告，積冰指數(shù)法預(yù)報(bào)的積冰強(qiáng)度明顯偏強(qiáng)了一個(gè)等級(jí)，漏報(bào)率雖然降低了，但空?qǐng)?bào)率也提高了，在實(shí)際保障中可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)做適當(dāng)訂正。

4 飛機(jī)積冰防范措施

飛機(jī)積冰對(duì)飛行危害很大。因此，在飛行活動(dòng)中應(yīng)盡量規(guī)避它，不能在積冰區(qū)長(zhǎng)時(shí)間飛行，一旦出現(xiàn)積冰，要正確處置設(shè)法消除。

①由于積冰主要發(fā)生在有過(guò)冷水滴的云中，因此，飛行前要預(yù)先了解航線及空域上的云層、降水和溫度的分布情況，結(jié)合飛行速度，大概判明可能發(fā)生積冰的區(qū)域以及高度，選擇繞航或調(diào)整高度的方式，避開(kāi)積冰區(qū)。

②如果航線必須經(jīng)過(guò)積冰區(qū)，就要提前打開(kāi)防冰裝置，選擇強(qiáng)度最弱、時(shí)間最短的航線通過(guò)積冰區(qū)。

③如果積冰強(qiáng)度弱，對(duì)飛行影響不大，而且積冰區(qū)飛行時(shí)間不長(zhǎng)時(shí)，可按既定航線和高度繼續(xù)飛行。

④如果積冰強(qiáng)度強(qiáng)，除冰裝置又不能把冰清除掉，應(yīng)采取改變飛行高度或航向的方法，盡快脫離積冰區(qū)。

⑤高速飛機(jī)在飛行時(shí)發(fā)現(xiàn)有積冰，可采取加大飛行速度的方法來(lái)減輕或消除積冰。根據(jù)飛行經(jīng)驗(yàn)，某型飛機(jī)以最大速度平飛12分鐘，可消融10-15mm的冰層。

⑥防（除）冰裝置是防止和消除積冰的重要手段。飛行前，應(yīng)檢查這些裝置是否處于良好的工作狀態(tài)。飛行中，提前打開(kāi)防（除）冰裝置，防（除）冰效果更好。

5 結(jié)論

利用2013年無(wú)錫等地的19個(gè)飛機(jī)積冰報(bào)告資料，比較檢驗(yàn)?zāi)壳俺Ｓ玫乃姆N飛機(jī)積冰診斷預(yù)報(bào)方法。結(jié)果得出：

①霜點(diǎn)法漏報(bào)率很高，預(yù)報(bào)效果最差。修正霜點(diǎn)法對(duì)積冰預(yù)報(bào)效果有所改善，準(zhǔn)確率可達(dá)70%以上。

②假霜點(diǎn)判別法和積冰指數(shù)法對(duì)飛機(jī)積冰有無(wú)預(yù)報(bào)效果均較好，準(zhǔn)確率達(dá)88%，漏報(bào)率也較低。但積冰指數(shù)法對(duì)積冰強(qiáng)度預(yù)報(bào)明顯偏強(qiáng)，空?qǐng)?bào)率也略偏高。

③飛機(jī)積冰對(duì)飛行危害很大，因此在飛行活動(dòng)中應(yīng)正確處置預(yù)防和規(guī)避飛機(jī)積冰。

參考文獻(xiàn)：

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