一次飛機(jī)積冰過(guò)程分析及不同預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性對(duì)比

白 婷，張 凡

(河南省氣象局 河南省人工影響天氣中心，鄭州 450003)

一次飛機(jī)積冰過(guò)程分析及不同預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性對(duì)比

白 婷，張 凡

(河南省氣象局 河南省人工影響天氣中心，鄭州 450003)

利用Micaps地面、高空資料及來(lái)自NCEP/NCAR逐6小時(shí)再分析資料，分析2015年11月23日飛機(jī)增雨作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)的飛機(jī)積冰過(guò)程，并結(jié)合河南2015-2016年飛機(jī)積冰事例，對(duì)比三種積冰判別法的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：形成此次積冰過(guò)程的天氣背景是低槽冷鋒；充足的水汽和適宜的溫度有利于積冰的形成；國(guó)際民航組織推薦的飛機(jī)積冰判別指數(shù)可以較好反映積冰發(fā)生區(qū)域及強(qiáng)度，假霜點(diǎn)判別法預(yù)報(bào)程度偏重、分級(jí)不明顯，溫濕度經(jīng)驗(yàn)判斷法效果最差。

飛機(jī)積冰；人工增雨；積冰指數(shù)

飛機(jī)積冰是指飛機(jī)機(jī)身表面某些部位聚集冰層的現(xiàn)象，它是由于云中過(guò)冷水滴或降水中的過(guò)冷雨滴碰到機(jī)體后凍結(jié)而成的，也可由水汽直接在機(jī)體表面凝華而成[1]。人工影響天氣飛機(jī)增雨作業(yè)一般在復(fù)雜惡劣天氣條件下進(jìn)行，在過(guò)冷水豐富、溫度較低的云中飛行時(shí)易出現(xiàn)飛機(jī)積冰現(xiàn)象，危及飛行安全，因此，為保障飛機(jī)飛行安全，研究產(chǎn)生積冰的氣象條件、預(yù)測(cè)積冰發(fā)生的可能性是非常有必要的。

氣象學(xué)者在預(yù)報(bào)積冰算法方面做了很多研究。劉風(fēng)林等收集了山東150例飛機(jī)積冰報(bào)告，檢驗(yàn)3種不同積冰診斷方法(Ic、RAP、RAOB)的準(zhǔn)確率[2]；丁玉江等依據(jù)國(guó)際民航組織推薦的積冰強(qiáng)度指數(shù)Ic統(tǒng)計(jì)分析了華東各省積冰強(qiáng)度分布概率[3]；顧效斌等以WAFS積冰指數(shù)Ic為判斷依據(jù)，計(jì)算分析陜西秦嶺以北地區(qū)飛機(jī)積冰垂直和水平分布特征[4]；何新黨等考慮多種氣象參數(shù)，提出了一種多因子算法[5]；潘玉萍等對(duì)比探討了“-8D”法、改進(jìn)的“-8D法”、假霜點(diǎn)判別法及疾病指數(shù)法4種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

2015年11月23日，河南省人工影響天氣中心在一次作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)飛機(jī)積冰現(xiàn)象，分析此次積冰過(guò)程并結(jié)合河南2015-2016年記錄的飛機(jī)積冰事例，對(duì)比三種不同積冰算法的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步探究飛機(jī)積冰指標(biāo)提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料選取

本文所用資料主要包括Micaps地面、高空、探空資料及來(lái)自2015年美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和國(guó)家大氣研究中心(NCAR)全球大氣逐6小時(shí)再分析資料，包括溫度場(chǎng)、相對(duì)濕度場(chǎng)等，水平分辨率為1°×1°。

1.2 飛機(jī)積冰預(yù)報(bào)計(jì)算方法

1.2.1 飛機(jī)積冰指數(shù)(Ic)

采用國(guó)際民航組織推薦的飛機(jī)積冰指數(shù)[6](Ic)：

Ic=2×(Rh-50)×[T×(T+14)/(-49)]/10

其中，Rh為相對(duì)濕度，T為溫度。表1給出了積冰強(qiáng)度與Ic的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 積冰強(qiáng)度與Ic對(duì)照表

1.2.2 假霜點(diǎn)判別法

假霜點(diǎn)判別法[5]除了考慮所在飛行高度上的溫度和濕度條件外，也把飛機(jī)飛行速度考慮在內(nèi)，就此給出了假霜點(diǎn)溫度Tfi，如式1所示。

(1)

有無(wú)積冰的判別條件為：

Tfi-T>0 中度以上積冰

1.2.3 統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式

大量研究發(fā)現(xiàn)[7-9]，溫度、濕度、過(guò)冷水含量、降水等氣象環(huán)境要素都會(huì)影響飛機(jī)積冰的產(chǎn)生，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析提出了判斷有無(wú)積冰的標(biāo)準(zhǔn)[10]：當(dāng)某一層次滿足-8℃

2 作業(yè)情況

2015年11月23日上午河南省人影中心內(nèi)場(chǎng)指揮人員根據(jù)天氣資料、云圖和雷達(dá)資料設(shè)計(jì)出飛機(jī)增雨航線(見(jiàn)圖1a)，航行路線為新鄭機(jī)場(chǎng)-三門峽-欒川-洛寧-澠池-嵩縣-新安-泌陽(yáng)-新鄭機(jī)場(chǎng)。飛機(jī)于13：41起飛，中途由于積冰嚴(yán)重返回新鄭機(jī)場(chǎng)，降落時(shí)間為15：13，作業(yè)高度處于5000m-6000m之間，相當(dāng)于550hPa和500hPa高度，當(dāng)天實(shí)際飛行作業(yè)航線如圖1b所示。

圖1 2015年11月23日飛機(jī)增雨設(shè)計(jì)航線(a)和實(shí)際作業(yè)飛行航跡(b)

3 天氣背景

11月22日20時(shí)500hPa和700hPa高度場(chǎng)上均有一低槽，系統(tǒng)東移影響河南，地面上有冷鋒自北南下，低槽攜帶的冷空氣和西南暖濕氣流共同作用影響河南。濕度方面，11月23日08時(shí)700hPa和850hPa河南省相對(duì)濕度均在80%以上，水汽充沛，有利于降水。溫度方面，23日08時(shí)和14時(shí)飛機(jī)飛行區(qū)域(111°E-114°E)0度層高度在750hPa以下，550hPa和500hPa溫度在-10--15℃之間，飛機(jī)所處溫度較低，有利于生成積冰。

4 算法對(duì)比

4.1 飛機(jī)積冰指數(shù)(Ic)

利用ICAO推出的公式得出的結(jié)果，如圖2所示。由圖可知，11月23日08時(shí)，500hPa(近6000m)高度上河南西南部和南部小部分地區(qū)有輕度積冰，550hPa(5000m左右)高度上，西北地區(qū)有輕度積冰，14時(shí)500hPa高度上洛陽(yáng)一帶和東南部部分地區(qū)有輕度積冰，同一高度(550hPa)14時(shí)較08時(shí)積冰程度有所增強(qiáng)，除南部部分地區(qū)無(wú)積冰外其他地區(qū)以輕-中度積冰為主。綜上所述，在飛機(jī)飛行過(guò)程中，飛機(jī)經(jīng)過(guò)區(qū)域均有積冰存在，與實(shí)際情況相符合。

(a) 11月23日08時(shí)500hPa

(b) 11月23日08時(shí)550hPa

(c) 11月23日14時(shí)500hPa

(d) 11月23日14時(shí) 550hPa圖2 積冰指數(shù)法預(yù)報(bào)結(jié)果

4.2 假霜點(diǎn)判別法

利用假霜點(diǎn)溫度公式計(jì)算判定此次飛行積冰情況，運(yùn)8飛機(jī)飛行速度一般為450km/h，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，11月23日08時(shí)、14時(shí)500hPa和550hPa高度上河南均為中度以上積冰。該方法能夠判斷出有積冰產(chǎn)生，但判定積冰程度為中度以上積冰，預(yù)報(bào)程度偏重、分級(jí)不明顯，不符合實(shí)際情況，相較于積冰指數(shù)法，預(yù)報(bào)積冰程度準(zhǔn)確性較差。

(a) 11月23日08時(shí)500hPa

(b) 11月23日08時(shí)550hPa

(c) 11月23日14時(shí)500hPa

(d) 11月23日14時(shí)550hPa圖3 假霜點(diǎn)判別法預(yù)報(bào)結(jié)果

4.3 統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式

統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式判斷結(jié)果如圖4所示，該方法判斷11月23日飛行區(qū)域無(wú)積冰現(xiàn)象，與觀測(cè)事實(shí)不符。與前兩個(gè)方法相比，該方法只能判斷出有無(wú)積冰，不能判斷積冰強(qiáng)度，且判斷是否存在積冰準(zhǔn)確性低。

(a) 11月23日08時(shí)500hPa

(b) 11月23日08時(shí)550hPa

(c) 11月23日14時(shí)500hPa

(d) 11月23日14時(shí)550hPa圖4 統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)報(bào)結(jié)果

4.4 2015-2016年統(tǒng)計(jì)結(jié)果

利用上述三種方法分析河南省人工影響天氣中心2015-2016年作業(yè)期間記錄的飛機(jī)積冰事例，結(jié)果如表2所示。由表2可知，三種算法的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性差別較大，飛機(jī)積冰指數(shù)法最能反映實(shí)際情況，假霜點(diǎn)判別法預(yù)報(bào)程度偏重、分級(jí)不明顯，而統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式基本不能預(yù)測(cè)出積冰，預(yù)報(bào)效果最差。

表2 2015-2016年作業(yè)期間飛機(jī)積冰事例分析結(jié)果

續(xù)表2

作業(yè)時(shí)間飛機(jī)積冰指數(shù)(Ic)假霜點(diǎn)判別法統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式2016.9.25與實(shí)際情況相符合預(yù)報(bào)程度偏重、分級(jí)不明顯與觀測(cè)事實(shí)不符2016.10.10與實(shí)際情況相符合預(yù)報(bào)程度偏重、分級(jí)不明顯與觀測(cè)事實(shí)不符2016.10.14與實(shí)際情況相符合預(yù)報(bào)程度偏重、分級(jí)不明顯與觀測(cè)事實(shí)不符2016.10.15與實(shí)際情況相符合預(yù)報(bào)程度偏重、分級(jí)不明顯與觀測(cè)事實(shí)不符2016.10.23與實(shí)際情況相符合預(yù)報(bào)程度偏重、分級(jí)不明顯與觀測(cè)事實(shí)不符

*注：所用作業(yè)數(shù)據(jù)均來(lái)源于河南省人工影響天氣中心飛行作業(yè)記錄

5 結(jié)論

(1)分析2015年11月23日的飛機(jī)積冰過(guò)程發(fā)現(xiàn)，低槽冷鋒是形成此次積冰過(guò)程的天氣背景，適宜的溫度和濕度條件有利于積冰生成。

(2)結(jié)合2015-2016年作業(yè)期間記錄的飛機(jī)積冰事例，對(duì)比三種不同算法的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性發(fā)現(xiàn)，國(guó)際民航組織推薦的飛機(jī)積冰判別指數(shù)較好地反映了此次發(fā)生積冰的區(qū)域及強(qiáng)度，假霜點(diǎn)判別法預(yù)報(bào)程度偏重、分級(jí)不明顯，而統(tǒng)計(jì)溫度、溫度露點(diǎn)差的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)報(bào)效果最差。

[1] 劉風(fēng)林, 孫立潭,李士君.飛機(jī)積冰診斷預(yù)報(bào)方法研究[J].氣象與環(huán)境科學(xué),2011,34(4):26-30.

[2] 丁玉江,王永忠,張玉梅.基于NCEP及NCAR資料的我國(guó)華東地區(qū)飛機(jī)積冰強(qiáng)度的分布研究[J].西安航空學(xué)院學(xué)報(bào),2014,32(1):7-11.

[3] 顧效斌,倪洪波,羅俊頡,等.陜西秦嶺以北地區(qū)飛機(jī)積冰狀況研究[J].陜西氣象,2013(2):23-26．

[4] 何新黨,劉永壽,茍文選,等.基于云微物理參數(shù)的飛機(jī)積冰多因子預(yù)測(cè)方法[J].航空計(jì)算技術(shù),2012,42(1):72-75,79.

[5] 潘玉萍.東南地區(qū)飛機(jī)積冰預(yù)報(bào)方法效果檢驗(yàn)及規(guī)避措施[C]//中國(guó)氣象學(xué)會(huì).創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展 提高氣象災(zāi)害防御能力——S12航空與航天氣象技術(shù)研究與應(yīng)用.中國(guó)氣象學(xué)會(huì),南京，2013:8.

[6] 龔佃利,劉詩(shī)軍.山東增雨飛行安全氣象條件預(yù)報(bào)方法介紹[J].山東氣象,2008,28(1):1-4,59.

[7] 龐朝云.一次飛機(jī)積冰條件下的云粒子結(jié)構(gòu)分析[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào),2011,26(6):702-706.

[8] 龐朝云,張逸軒.甘肅中部地區(qū)飛機(jī)積冰的氣象條件分析[J].干旱氣象,2008,26(3):53-56.

[9] 陳西利,王慶.氣象要素對(duì)飛機(jī)增雨作業(yè)的影響[J].山東氣象,2010,30(3):42-44.

[10] 王洪芳,劉健文,紀(jì)飛,等.飛機(jī)積冰業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)技術(shù)研究[J].氣象科技，2003，31(3):140-146.

[責(zé)任編輯、校對(duì)：李琳]

Abstract：Based on Micaps surface and upper air data as well as every 6h NCEP/ NCAR reanalysis data,the aircraft icing was analyzed that occurred during the operation of the aircraft on November 23,2015.The reports of icing conditions in Henan province in 2015 and 2016 were collected to judge the accuracy of the three kinds of ice accretion methods.The results show that the low trough and cold front is the main system of this aircraft icing.The adequate moisture and the suitable temperature are favorable for the formation of icing.The aircraft icing index recommended by ICAO is a good indicator of the ice accretion area and intensity;the false frost point discrimination method is more sensitive to the forecast degree and not obvious in classification;the effect of the temperature and humidity experience judgment method is the worst.

Keywords：aircraft icing;artificial precipitation enhancement;icing index

AnAnalysisofAircraftIcingandComparisonofDifferentForecastingMethods

BAITing,ZHANGFan

(Weather Modification Center of Henan Province,Henan Weather Bureau,Zhengzhou 450003,China)

V321.2

A

1008-9233(2017)05-0032-05

2017-06-06

河南省氣象局科研項(xiàng)目(Z201508)

白婷(1989-)，女，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，助理工程師，主要從事人工影響天氣研究。