氣候?qū)嶒?yàn)室模擬降雪環(huán)境的能見度分析

唐揚(yáng)剛

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所飛機(jī)氣候環(huán)境適應(yīng)性研究室，陜西 西安710065）

民用飛機(jī)在使用的過程中會(huì)遭遇降雪天氣，降雪會(huì)對(duì)飛機(jī)的使用帶來不利影響，因此民用飛機(jī)在投入運(yùn)營(yíng)前必須證明其在降雪環(huán)境下的適用性。目前，利用氣候?qū)嶒?yàn)室模擬的降雪環(huán)境進(jìn)行適用性驗(yàn)證越來越多的得到了應(yīng)用。中國(guó)大型氣候?qū)嶒?yàn)室已具備開展降雪試驗(yàn)的硬件能力，但是由于此前未進(jìn)行過該類試驗(yàn)，缺乏試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于降雪環(huán)境參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系不明確，特別是對(duì)于降雪時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的能見度處在一個(gè)什么樣的水平?jīng)]有清晰的認(rèn)識(shí)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于降雪時(shí)能見度的計(jì)算方法進(jìn)行了研究，如RASMUSSEN 等對(duì)自然降雪時(shí)的能見度與降雪強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了分析[1]；POMEROY 等基于觀察數(shù)據(jù)，給出了能見度與風(fēng)速的經(jīng)驗(yàn)公式[2]，文獻(xiàn)[3]基于加拿大北極大陸架研究所觀測(cè)得到的能見度與風(fēng)速值，采用文獻(xiàn)[2]的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合；MATSUZAWA 等根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了能見度與雪通量的關(guān)系，并給出了擬合公式[4]。上述研究都是基于自然降雪環(huán)境，由于實(shí)驗(yàn)室降雪與自然降雪存在較大的差異[5]，基于自然降雪環(huán)境建立的能見度計(jì)算方法并不適用。本文基于散射理論，分析了實(shí)驗(yàn)室降雪環(huán)境的能見度計(jì)算方法，給出了實(shí)驗(yàn)室能見度包線，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 能見度的定義

能見度是指視力正常（對(duì)比閾值0.05）的人，在當(dāng)時(shí)天氣條件下，能夠在天空背景中看到和辨認(rèn)的目標(biāo)物（黑色、大小適度）的最大水平距離[6]。從上述定義可以看出能見度的觀測(cè)值取決于人眼的生理特征、目標(biāo)物和背景物的光學(xué)特征以及視線內(nèi)大氣的光學(xué)特征，能見度的這種定義其定量性不夠好，測(cè)量性不強(qiáng)。因此通常采用氣象光學(xué)視程（MOR）來描述能見度，MOR 的定義為：白熾燈發(fā)出色溫為2 700 K的平行光束的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長(zhǎng)度[6]。根據(jù)氣象光學(xué)視程的定義，當(dāng)其他因素已經(jīng)確定時(shí)，通過測(cè)量大氣透過率或者衰減系數(shù)就可以間接推導(dǎo)出能見度的數(shù)值。

2 氣候?qū)嶒?yàn)室降雪環(huán)境能見度計(jì)算方法

KOSCHMIEDER 在1924 年創(chuàng)立了柯西米德定律，從而奠定了能見度測(cè)量的理論基礎(chǔ)，在大氣均勻的條件下，能見度與衰減系數(shù)的存在以下關(guān)系[7]：

式（1）中：τ為對(duì)比閾值，通常取為0.05；μ為衰減系數(shù)。

在氣候?qū)嶒?yàn)室中，光強(qiáng)的衰減通常包括了空氣分子的吸收與散射、雪粒子的吸收與散射，其中空氣分子的吸收和散射效應(yīng)相對(duì)較弱，而光在短距離內(nèi)傳播時(shí)，雪粒子的吸收作用也可以忽略不計(jì)，因此可以直接利用雪粒子的散射系數(shù)代替總的衰減系數(shù)，這也是目前前向散射式能見度測(cè)量?jī)x的前提假設(shè)。那么在實(shí)驗(yàn)室降雪環(huán)境下，衰減系數(shù)等于散射系數(shù)：

式（2）中：n為雪粒子數(shù)濃度；Qε為雪粒子消光效率因子；σ為雪粒子橫截面積。

研究表明，隨著粒子的增大，對(duì)于以一定波長(zhǎng)的入射的光波來說，消光效率因子最終會(huì)趨于常數(shù)2。對(duì)于雪粒子來說，其粒子半徑基本在微米量級(jí)，相較于入射光的納米量級(jí)，可以認(rèn)為雪粒子的消光效率因子為2。

式（3）中：ni為每立方厘米中半徑為ri的雪粒子數(shù)濃度；ri為雪粒子半徑，cm；

將式（3）代入式（1）中得到能見度計(jì)算方法為：

降雪環(huán)境下總含水量計(jì)算方法為：

式（5）中：TWC為單位體積空氣內(nèi)的總含水量，g/cm3；ρi為雪粒子密度，g/cm3。

文獻(xiàn)[9]的研究表明，雪粒子的密度ρi與雪粒子ri半徑成反比關(guān)系，干雪密度為：

將式（6）代入式（5）得到：

聯(lián)立式（7）與（4）計(jì)算得到：

此時(shí)能見度單位為cm，TWC單位為g/cm3，將能見度單位換算為m，TWC單位換算為g/m3則最終得到：

對(duì)于濕雪，其密度表達(dá)式為[9]：

采用與上述干雪環(huán)境下能見度計(jì)算相同的方法得到濕雪環(huán)境下能見度的計(jì)算公式為：

EASA 給出的適航符合性驗(yàn)證方法AMC25.1093（b）中要求降雪時(shí)的總含水量為1 g/m3，揚(yáng)雪時(shí)的總含水量為3 g/m3，將該數(shù)值代入能見度計(jì)算公式，得到氣候?qū)嶒?yàn)室能見度包線，如圖1 所示。

圖1 氣候?qū)嶒?yàn)室降雪環(huán)境能見度包線

3 能見度包線試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述包線的合理性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室降雪環(huán)境模擬試驗(yàn)，采用PWD-10 能見度儀對(duì)試驗(yàn)過程中的能見度進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)量，試驗(yàn)如圖2 所示。

此次降雪試驗(yàn)持續(xù)了約30 min，總含水量均值為1.49 g/m3，根據(jù)本文建立的能見度計(jì)算公式，實(shí)驗(yàn)室能見度應(yīng)在114～488 m 之間，將測(cè)量得到的能見度值與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3 所示，圖中陰影區(qū)域?yàn)椴捎帽疚慕⒌哪芤姸扔?jì)算方法得到了實(shí)驗(yàn)室能見度范圍。

由圖3 可知，能見度測(cè)量值大部分都在理論計(jì)算結(jié)果的范圍內(nèi)，表明本文基于散射理論建立的能見度包線可反映氣候?qū)嶒?yàn)室降雪環(huán)境的能見度變化情況，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室降雪試驗(yàn)的開展具有參考價(jià)值。

圖2 實(shí)驗(yàn)室降雪環(huán)境能見度測(cè)量

圖3 理論與實(shí)測(cè)能見度對(duì)比

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前氣候?qū)嶒?yàn)室降雪環(huán)境下室內(nèi)能見度范圍不清楚的問題，開展了實(shí)驗(yàn)室降雪環(huán)境下能見度包線分析，得到了以下結(jié)論：基于散射理論，分別分析了干雪和濕雪條件下能見度計(jì)算方法，建立了對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式，繪制了實(shí)驗(yàn)室降雪環(huán)境下能見度包線；開展了降雪試驗(yàn)，對(duì)比分析了能見度測(cè)量值與理論計(jì)算值，表明本文建立的實(shí)驗(yàn)室降雪環(huán)境能見度包線具備一定的合理性。