氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室降/揚(yáng)雪環(huán)境表征方法分析

唐揚(yáng)剛，馬蘭，任戰(zhàn)鵬

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

民用飛機(jī)在使用的過程中會遭遇降/揚(yáng)雪天氣，給飛機(jī)的使用帶來不利影響。首先，降/揚(yáng)雪會導(dǎo)致機(jī)體、翼面、發(fā)動機(jī)唇口、輔助動力裝置（APU）等部位積雪/冰，可能引起結(jié)構(gòu)變形或活動機(jī)構(gòu)卡滯、發(fā)動機(jī)效率下降、APU啟動故障等問題，從而影響民機(jī)使用安全。其次，降/揚(yáng)雪會降低能見度，影響飛行員視線，可能導(dǎo)致飛行員誤判，造成飛行事故。因此在對民機(jī)進(jìn)行適航取證時(shí)，必須證明民機(jī)在降/揚(yáng)雪環(huán)境下的適用性。比如 CCAR25.1093(b)(1)中要求民機(jī)APU要在為飛機(jī)作該類營運(yùn)所制定的使用限制內(nèi)的降雪和揚(yáng)雪環(huán)境下，沒有不利于運(yùn)轉(zhuǎn)或引起功率嚴(yán)重?fù)p傷的冰積聚。然而尋找滿足要求的自然降/揚(yáng)雪條件較困難，因此利用氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室模擬的降/揚(yáng)雪環(huán)境進(jìn)行適用性驗(yàn)證得到了越來越多的應(yīng)用。如空客A380[1]、A350XWB[2]和龐巴迪C系列飛機(jī)在麥金利氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了降/揚(yáng)雪試驗(yàn)，并得到了適航當(dāng)局的認(rèn)可。

不管是在自然環(huán)境還是在氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中，對民機(jī)在降/揚(yáng)雪環(huán)境下的適用性進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，都要先明確降/揚(yáng)雪環(huán)境定義、表征方法等。目前關(guān)于民機(jī)在降/揚(yáng)雪環(huán)境下的適用性驗(yàn)證的文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)很少，麥金利氣候?qū)嶒?yàn)室雖然進(jìn)行了民機(jī)的降/揚(yáng)雪試驗(yàn)，但是公開的資料較少，主要是對試驗(yàn)結(jié)果的概述，無法對其模擬的降/揚(yáng)雪環(huán)境進(jìn)行全面的認(rèn)識和了解。DEF STAN 00-35提供了軍用裝備大風(fēng)雪和雪載的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法[3]，但也沒有對降/揚(yáng)雪環(huán)境本身給出明確的定義。我國的國軍標(biāo)、航標(biāo)等也都未提供實(shí)驗(yàn)室降/揚(yáng)雪環(huán)境試驗(yàn)方法，因此明確降/揚(yáng)雪環(huán)境定義和表征方法對于支持民機(jī)氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室降/揚(yáng)雪試驗(yàn)的開展具有重要意義。

1 降/揚(yáng)雪環(huán)境定義

1.1 雪形成機(jī)理

在自然環(huán)境中，雪是大氣中以晶態(tài)存在的水。大氣中聚集的細(xì)小水滴，經(jīng)過冷空氣冷卻形成過冷水滴，空氣中的水汽呈現(xiàn)過飽和狀態(tài)，在低溫環(huán)境作用下，過冷的微小水滴可以形成細(xì)小的冰晶核，且大氣中存在的氣溶膠顆粒也會形成晶核。隨后水蒸氣在晶核上的繼續(xù)成長，從而形成了各種各樣的雪晶。雪晶通過冰晶融合積聚作用，逐漸長大成為雪晶的聚集體。當(dāng)這種聚合體的重量超過空氣的浮力后，就會形成自然的降雪。在自然界中，空氣中的水汽想要結(jié)晶，從而形成降雪，必須具備三個(gè)條件：空氣中的水汽處于飽和狀態(tài)、空氣中必須有凝結(jié)核以及必要的環(huán)境溫度和水蒸氣過飽和度條件[4-5]。

從自然界雪晶形成的機(jī)理可以看出，雪晶形成的關(guān)鍵因素是溫度和空氣中的水分。另外，在自然降雪過程中，云中雪晶的形成、成長的過程時(shí)間較長。要在氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中模擬降雪，由于空間和條件的限制，需要在短時(shí)間內(nèi)完成晶核的發(fā)育、雪晶的形成和成長，這與自然界降雪的形成機(jī)制略有不同。氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中通過制冷設(shè)備使實(shí)驗(yàn)室中的環(huán)境溫度達(dá)到雪晶形成溫度，然后利用造雪機(jī)來形成降雪。

1.2 環(huán)境定義

GB/T 35224—2017《地面氣象觀測規(guī)范 天氣現(xiàn)象》[6]以及文獻(xiàn)[7]對雪的描述為：固態(tài)降水，大多是白色不透明的六出分枝的星狀、六角形片狀結(jié)晶，常緩緩飄落，強(qiáng)度變化較緩慢，溫度較高時(shí)多成團(tuán)降落?！洞髿饪茖W(xué)名詞》中對雪的定義為由冰晶聚合而形成的固態(tài)降水[8]。

在 CCAR25部 25.1093(b)(1)條中提到的“降雪”和“揚(yáng)雪”在 FAR25部 25.1093(b)(1)中分別對應(yīng)“falling snow”和“blowing snow”。目前，相關(guān)文獻(xiàn)中并沒有對“降雪”或“falling snow”的明確定義。一般而言，降雪是指雪花不受陣風(fēng)影響，自然下落的天氣現(xiàn)象。在《大氣科學(xué)名詞》中將高吹雪譯為“blowing snow”，是指陣風(fēng)將雪片（雪花、雪粒）吹揚(yáng)到高于水平視線以上的天氣現(xiàn)象[8]。在GJB 1172.6《軍用設(shè)備氣候極值 雪》中，也將高吹雪譯為“blowing snow”，指雪粒子隨風(fēng)移動，使距離地面1.5 m以上水平能見度小于10 km的現(xiàn)象[9]。可以看出，GJB 1172.6對高吹雪（blowing snow）的定義更加明確，給出了能見度要求，因此本文采用 GJB 1172.6中對高吹雪（blowing snow）的定義來表示“揚(yáng)雪”。從上述分析可以看出，降雪與揚(yáng)雪的區(qū)別主要在于是否有風(fēng)將雪粒子吹揚(yáng)起來。

空客A380在進(jìn)行APU降/揚(yáng)雪環(huán)境下的結(jié)冰試驗(yàn)時(shí)，對雪的種類也進(jìn)行了記錄，選取的自然環(huán)境中的雪為干雪（dry snow），實(shí)驗(yàn)室模擬的雪為濕雪（wet snow）[1]?！洞髿饪茖W(xué)名詞》中對干雪的定義為雪中的空隙被空氣充滿，液態(tài)水含量很少的雪[8]。干雪中含水量很少，用手捏不成團(tuán)，容易形成厚厚的積雪，易被風(fēng)吹起來，干雪形成氣溫一般低于0 ℃。

濕雪是指包含大量液態(tài)水的雪，如果水完全充滿雪中的空隙，則歸類于極濕雪[8]。濕雪中含水量較多，用手可捏成團(tuán)，在雪層中可以明顯看出有液態(tài)水的存在，容易附著在物體表面，從而凍結(jié)成冰，濕雪形成溫度一般接近0 ℃。

2 標(biāo)準(zhǔn)中的降/揚(yáng)雪環(huán)境表征方法分析

降/揚(yáng)雪環(huán)境表征是利用某些物理量對降/揚(yáng)雪過程、結(jié)果、相關(guān)環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行描述，從而對降/揚(yáng)雪形成全面、立體的認(rèn)識。可以從四個(gè)方面著手來分析降/揚(yáng)雪環(huán)境的表征方法：首先降/揚(yáng)雪是一種自然氣候現(xiàn)象，可以收集整理相關(guān)氣象標(biāo)準(zhǔn)中對降/揚(yáng)雪環(huán)境的表征方法；相關(guān)的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)給出的表征方法；與降/揚(yáng)雪有關(guān)的適航符合性驗(yàn)證方法中的表征方法；國外關(guān)于民機(jī)降/揚(yáng)雪試驗(yàn)的文獻(xiàn)中對降/揚(yáng)雪環(huán)境的表征方法。

2.1 氣象標(biāo)準(zhǔn)中的表征方法

GB/T 35229—2017《地面氣象觀測規(guī)范 雪深與雪壓》通過雪深和雪壓來對降雪進(jìn)行觀測記錄[10]。雪深是指從積雪表面到地面的垂直高度，雪壓是指單位面積上的積雪質(zhì)量。

降/揚(yáng)雪會影響能見度，因此能見度也能對降/揚(yáng)雪環(huán)境進(jìn)行表征，在美國自動地面觀測系統(tǒng)（ASOS）中，降雪強(qiáng)度就是根據(jù)透射表或人工觀測的能見度來判斷的[11]。GB/T 35223—2017《地面氣象觀測規(guī)范 氣象能見度》中對能見度的定義為：視力正常的人在當(dāng)時(shí)天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)出的目標(biāo)物（黑色、大小適度）的最大距離[12]。

GB/T 21978.6—2008《融雪型雨雪量計(jì)》中規(guī)定的融雪型雨雪量計(jì)通過測量每小時(shí)的雪水當(dāng)量（mm/h）來表示降雪強(qiáng)度[13]，雪水當(dāng)量表示雪融化后得到的水量[8]。

氣象標(biāo)準(zhǔn)中對降/揚(yáng)雪環(huán)境的表征方法見表1。

表1 氣象標(biāo)準(zhǔn)中對降/揚(yáng)雪環(huán)境的表征方法Tab.1 Characterization method of snowfall environment in meteorological standards

2.2 環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的表征方法

DEF STAN 00-35在大風(fēng)雪試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中提出采用雪通量來表示大風(fēng)雪強(qiáng)度，GJB 1172.6中也通過雪通量表示高吹雪（揚(yáng)雪）強(qiáng)度。雪通量是指單位時(shí)間內(nèi)水平方向上通過單位鉛直（豎直）截面的雪質(zhì)量。DEF STAN 00-35中除了利用雪通量對高吹雪（揚(yáng)雪）進(jìn)行描述，還對試驗(yàn)時(shí)的溫度和風(fēng)速進(jìn)行了規(guī)定。

DEF STAN 00-35在雪載試驗(yàn)方法中采用雪載來表示積雪強(qiáng)度，雪載是指單位面積上的積雪質(zhì)量。不難發(fā)現(xiàn)，該標(biāo)準(zhǔn)中的雪載與GB/T 35229—2017標(biāo)準(zhǔn)中雪壓的定義一致。DEF STAN 00-35同時(shí)還提出要考慮由于風(fēng)導(dǎo)致的積雪不均勻的問題，但并未給出明確的風(fēng)速要求，另外還推薦了進(jìn)行雪載試驗(yàn)時(shí)的溫度。

GJB 1172.6—91提出了雪粒子有效直徑的概念：測量到的雪粒子長度與寬度乘積的平方根[9]。同時(shí)還提出了雪粒子譜的概念：一定的雪粒子有效直徑間隔內(nèi)的雪粒子百分?jǐn)?shù)隨雪粒子有效直徑的變化。GJB 1172.6—91還定義了雪密度：單位水平表面積上積雪的質(zhì)量與雪深的比。

綜上所述，環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中對降/揚(yáng)雪環(huán)境的表征方法見表2。

表2 環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中對降/揚(yáng)雪環(huán)境的表征方法Tab.2 Characterization method of snowfall environment in environmental test standard

3 適航關(guān)注的降/揚(yáng)雪環(huán)境表征方法分析

3.1 適航符合性驗(yàn)證方法中的表征方法

CS-25部的符合性驗(yàn)證方法AMC25.1093(b)中給出了飛機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)在進(jìn)行降雪和揚(yáng)雪環(huán)境下的符合性驗(yàn)證時(shí)對降/揚(yáng)雪環(huán)境的要求，包括能見度、溫度、總含水量、風(fēng)速和干濕雪類型，見表3。

表3 AMC25.1093(b)對降/揚(yáng)雪環(huán)境的要求Tab.3 Requirements of AMC25.1093 (b) for snowfall environment

3.2 國外民機(jī)降/揚(yáng)雪試驗(yàn)中的表征方法

A380在加拿大圣休伯特機(jī)場附近進(jìn)行 APU降/揚(yáng)雪環(huán)境下的適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)的環(huán)境參數(shù)見表4。從表 4可知，該試驗(yàn)利用風(fēng)速、風(fēng)向、能見度、陣風(fēng)、溫度以及降/揚(yáng)雪強(qiáng)度來描述降/揚(yáng)雪環(huán)境，另外還記錄了此次試驗(yàn)中雪的類型為干雪。

表4 外場降/揚(yáng)雪環(huán)境表征方法Tab.4 Characterization methods of outfield snowfall environment

由于外場的環(huán)境溫度一直比要求的-9 ℃低，試驗(yàn)人員在麥金利氣候?qū)嶒?yàn)室重新進(jìn)行了A380的APU的降/揚(yáng)雪試驗(yàn)。利用造雪機(jī)和軸流風(fēng)扇來產(chǎn)生需要的雪和風(fēng)速條件。試驗(yàn)前對造雪機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，使得垂直于垂尾的風(fēng)速為10.29 m/s時(shí)，空氣中的總含水量（包括液態(tài)水和雪晶）為3 g/m3，同時(shí)根據(jù)要求的雪晶降落末速度（1.5 m/s）計(jì)算得到了需要的降雪強(qiáng)度（0.172 kg/min）[1]，但未說明該降雪強(qiáng)度是造雪機(jī)的造雪量還是在一定區(qū)域內(nèi)形成的積雪的質(zhì)量。另外，在實(shí)驗(yàn)室中模擬形成的雪為濕雪，且試驗(yàn)結(jié)果表明，濕雪條件下進(jìn)氣道和尾翼表面出現(xiàn)了明顯的積雪，而在干雪條件下則只有很少的積雪。從上述分析可知，國外民機(jī)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行降/揚(yáng)雪試驗(yàn)時(shí)采用溫度、總含水量、風(fēng)速、降/揚(yáng)雪強(qiáng)度和干濕雪類型來對降/揚(yáng)雪環(huán)境進(jìn)行表征。

綜合國外民機(jī)在自然和實(shí)驗(yàn)室降/揚(yáng)雪環(huán)境下的適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)，歸納出對應(yīng)的降/揚(yáng)雪環(huán)境的表征方法，見表5。

表5 實(shí)驗(yàn)室降/揚(yáng)雪環(huán)境表征方法Tab.5 Characterization method of laboratory snowfall environment

表5中未將降雪強(qiáng)度納入表征方法中，這是因?yàn)槟芤姸扰c降雪強(qiáng)度是相互制約的關(guān)系。文獻(xiàn)[14]給出了能見度與降/揚(yáng)雪強(qiáng)度的理論計(jì)算結(jié)果，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，能見度隨著降/揚(yáng)雪強(qiáng)度的增大呈指數(shù)降低的趨勢。因此對于能見度和降雪強(qiáng)度，選取其中一個(gè)表征方法即可。

將上述各標(biāo)準(zhǔn)、適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)方法和試驗(yàn)資料中的表征方法綜合在一起，得到10項(xiàng)表征方法，見表6。

表6 降/揚(yáng)雪環(huán)境表征方法匯總Tab.6 Summary of environmental characterization methods for snowfall

4 氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室降/揚(yáng)環(huán)境表征方法分析

表6中有10種降/揚(yáng)雪環(huán)境的表征方法，如此多的表征方法都用來對氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室降/雪環(huán)境進(jìn)行描述顯然是不切實(shí)際的?？紤]到民機(jī)氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室降/揚(yáng)雪試驗(yàn)的目的是利用實(shí)驗(yàn)室模擬的降/揚(yáng)雪環(huán)境驗(yàn)證其適航符合性，因此需要重點(diǎn)關(guān)注適航方面要求的的降/揚(yáng)雪環(huán)境參數(shù)。比如A380在進(jìn)行APU降/揚(yáng)雪試驗(yàn)時(shí)，控制的環(huán)境參數(shù)與AMC25.1093(b)中要求的環(huán)境參數(shù)一致。下面以適航關(guān)注的降/揚(yáng)雪環(huán)境表征方法為基礎(chǔ)，再結(jié)合各標(biāo)準(zhǔn)中的表征方法以及已有的氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室降/揚(yáng)雪試驗(yàn)資料，分析給出氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室降/揚(yáng)雪環(huán)境表征方法。

上文分析給出了適航關(guān)注的降/揚(yáng)雪環(huán)境表征方法有溫度、雪類型（干雪或濕雪）、能見度、總含水量和風(fēng)速。其中對于溫度、能見度、總含水量和風(fēng)速在氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中都較容易實(shí)現(xiàn)和控制，而雪類型是對雪特性的定性描述，如何去定量地界定和控制則較困難。雖然AMC25.1093(b)指出濕雪形成的溫度是-3～2 ℃，干雪形成的溫度是-9～-2 ℃，但是 A380在麥金利氣候?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行APU的降/揚(yáng)雪試驗(yàn)時(shí)，記錄了在－9 ℃時(shí)雪的類型是濕雪[1]。由此可見，對于干濕雪的界定不能僅憑溫度。文獻(xiàn)[8]對干濕雪進(jìn)行了定性描述，二者最顯著的區(qū)別是含水量的不同，這種區(qū)別可以采用一種定量化的參數(shù)來描述——雪密度。文獻(xiàn)[15]統(tǒng)計(jì)了新降雪的雪密度與當(dāng)時(shí)氣溫的關(guān)系，見表7。

表7 雪密度與溫度的關(guān)系Tab.7 Relationship between snow density and temperature

由表7可知，隨著環(huán)境溫度的升高，新降雪的雪密度的平均值也隨之增大。考慮到干雪一般在較低的溫度下形成，濕雪在相對較高的溫度下形成，因此采用雪密度來對干濕雪進(jìn)行定量的表征是可行的方法。但是還需要進(jìn)一步研究確定干濕雪對應(yīng)的密度范圍，從而將干濕雪明確地區(qū)分開來。

綜上所述，民用飛機(jī)在氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行降/揚(yáng)雪試驗(yàn)時(shí)，采用溫度、雪密度、能見度、總含水量和風(fēng)速對降/揚(yáng)雪環(huán)境進(jìn)行表征，該表征方法能滿足適航符合性驗(yàn)證的要求。

5 結(jié)論

1）降/揚(yáng)雪的氣象標(biāo)準(zhǔn)表征方法包括雪深、雪壓和雪水當(dāng)量。

2）降/揚(yáng)雪的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)表征方法包括溫度、雪通量、風(fēng)速、雪載/雪壓、雪粒子有效直徑和雪密度。

3）適航關(guān)注的降/揚(yáng)雪環(huán)境表征方法有溫度、風(fēng)速、總含水量、能見度、雪的類型。

4）綜合上述各類表征方法，并針對干雪和濕雪的區(qū)別，提出利用雪密度對干濕雪進(jìn)行區(qū)分，采用溫度、雪密度、風(fēng)速、總含水量和能見度對氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室降/揚(yáng)雪環(huán)境進(jìn)行表征，該表征方法可支持民用飛機(jī)氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室降/揚(yáng)雪試驗(yàn)的開展。