西南地區(qū)航空器積冰分布特征分析

藺少龍，鄒永成，應(yīng)雨辰

（民航西南空管局氣象中心，四川 成都 610202）

飛機(jī)積冰是一種非常常見(jiàn)的危害飛行安全的天氣現(xiàn)象，當(dāng)航空器在存在過(guò)冷水液滴或者冰晶和過(guò)冷卻水混合的云層中飛行時(shí)，航空器的一些外部結(jié)構(gòu)存在發(fā)生積冰的風(fēng)險(xiǎn)，較多發(fā)生在航空器機(jī)體較為突出和迎風(fēng)的部位，如航空器機(jī)頭、風(fēng)擋玻璃、機(jī)翼和兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)等。

飛機(jī)積冰不但會(huì)嚴(yán)重影響航空器的某些部件表面的氣動(dòng)力性能，如果航空器較長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)在嚴(yán)重積冰區(qū)域，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害飛機(jī)的動(dòng)力性能，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致飛機(jī)安全事故的發(fā)生。根據(jù)美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)在過(guò)去30年間的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，整個(gè)美國(guó)由于航空器發(fā)生積冰引起的事故高達(dá)803 次。

相關(guān)研究表明積冰與地面氣團(tuán)性質(zhì)、地面天氣區(qū)、鋒面、高空槽、低渦、降水類(lèi)型、云的類(lèi)型及其覆蓋率以及雷暴等天氣尺度系統(tǒng)影響相關(guān)[1]。在暖鋒和錮囚鋒的下部1000～1500 m 高度積冰的危險(xiǎn)性最大，而在冷鋒云系中積冰區(qū)可伸展至很高的高度，其積冰強(qiáng)度也隨高度增大，但其水平延展尺度小于暖鋒，所以飛機(jī)在穿越冷鋒時(shí)發(fā)生積冰現(xiàn)象的時(shí)間尺度不長(zhǎng)[2]。HOBBS 等[3]在對(duì)中緯度氣旋的部分中小尺度空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，一般垂直運(yùn)動(dòng)速度不大，過(guò)冷卻水的含量不高的現(xiàn)象較為頻繁地出現(xiàn)在較寬冷鋒雨帶的低層。BERSTEIN 等[1]通過(guò)分析對(duì)比研究了發(fā)生在美國(guó)本土的37個(gè)航空器積冰天氣個(gè)例與具體天氣系統(tǒng)的關(guān)系，并分析了積冰相對(duì)于天氣系統(tǒng)的地理位置、降水出現(xiàn)的類(lèi)型、天空中的云量、積冰發(fā)生發(fā)展的水汽源地以及是否出現(xiàn)閃電、霧、雷達(dá)回波等對(duì)應(yīng)現(xiàn)象和天氣尺度動(dòng)力強(qiáng)迫機(jī)制，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)暖鋒前部250～600 km 范圍的凍雨區(qū)及陰天地區(qū)是更容易出現(xiàn)積冰的區(qū)域。

研究表明，地面觀測(cè)到凍雨時(shí)，空中就會(huì)有過(guò)冷大水大液滴[4]。在中國(guó)積冰區(qū)氣候分布特征研究方面，在大量積冰個(gè)例基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)發(fā)生積冰的云系進(jìn)行多尺度分不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行分析，對(duì)AMDAR 航空器觀測(cè)中積冰資料應(yīng)用其中的溫度、濕度和過(guò)冷卻水等進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)不斷積累分類(lèi)中國(guó)發(fā)生積冰的天氣系統(tǒng)，以及對(duì)積冰發(fā)生時(shí)的云量、云狀云高等云系特征在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行多尺度分析，有一些初步的研究結(jié)果。

依據(jù)多年儲(chǔ)存的歷史氣象資料，并根據(jù)不同的積冰強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算航空器積冰在中國(guó)的時(shí)空分布情況，利用多年氣象資料計(jì)算積冰指數(shù)在中國(guó)的分布情況，大大提升了對(duì)中國(guó)積冰氣候特征分布的研究進(jìn)展。雖然目前有部分學(xué)者對(duì)于西南地區(qū)的部分地區(qū)如貴陽(yáng)[5]、綿陽(yáng)[6]、廣漢[7]等局地積冰天氣個(gè)例進(jìn)行分析研究，但目前對(duì)于整個(gè)西南地區(qū)積冰的分布特征以及話音式航空器報(bào)告資料應(yīng)用較少。因此本文利用西南地區(qū)2015—2020年期間出現(xiàn)的航空器積冰空中報(bào)告，對(duì)其分布特征進(jìn)行研究，該研究結(jié)果可為西南地區(qū)航空器積冰預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)業(yè)務(wù)和西南地區(qū)民用航空器管制工作提供參考。

1 數(shù)據(jù)介紹

所使用數(shù)據(jù)為2015—2020年話音式航空器報(bào)空中報(bào)告，其來(lái)源于機(jī)組人員以話音的通信方式向地面空中交通管制人員傳遞的航空器信息報(bào)告，其內(nèi)容包括具體報(bào)告的時(shí)間、航空器發(fā)生的天氣現(xiàn)象及其強(qiáng)度、報(bào)告時(shí)的具體位置和高度、航空器具體型號(hào)、所屬航空公司及其航班號(hào)等信息。近年來(lái)，隨著中國(guó)航空運(yùn)輸業(yè)不斷發(fā)展，目前中國(guó)的大部分運(yùn)營(yíng)航空公司均采用A330、A320、B737 和B747 等服役時(shí)間較短且相關(guān)功能配套較為先進(jìn)的航空器飛行，這些新型飛機(jī)在全球各大航空公司廣為應(yīng)用，久經(jīng)驗(yàn)證，其能夠在飛行中遇到危險(xiǎn)天氣的抗干擾能力較強(qiáng)，再結(jié)合管制部分的及時(shí)通報(bào)，所收到的話音式航空器報(bào)告有較高的可靠性和較低的誤報(bào)，精準(zhǔn)可靠的航空器報(bào)告資料為研究西南地區(qū)的航空器積冰現(xiàn)象提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 航空器積冰分布特征分析

航空器發(fā)生積冰的直接影響氣象因素主要有大氣中的溫度、云中的過(guò)冷卻水含量以及過(guò)冷水液滴的形態(tài)和大小。﹣10～﹣2 ℃是最容易發(fā)生積冰的溫度區(qū)間，其中輕度積冰最容易出現(xiàn)在﹣10～0 ℃之間，中度積冰出現(xiàn)的溫度更低，在﹣12～﹣2 ℃之間，嚴(yán)重積冰容易出現(xiàn)得到溫度范圍最低，在﹣10～﹣8 ℃之間[8]。雖然大部分地區(qū)航空器發(fā)生積冰的溫度范圍基本一致，但對(duì)于不同地區(qū)的不同高度出現(xiàn)不同嚴(yán)重程度積冰的溫度范圍仍有所區(qū)別。云中過(guò)冷水含量越大，積冰強(qiáng)度也越大，云滴的大小影響積冰的類(lèi)型和強(qiáng)度，但影響程度比含水量和溫度小[9-10]。云中溫度露點(diǎn)差值越小，相對(duì)濕度就越大，越有利于積冰的形成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)積冰一般發(fā)生在云中溫度露點(diǎn)差小于7 ℃范圍內(nèi)，以0～5 ℃發(fā)生積冰最多，強(qiáng)積冰多發(fā)生在溫度露點(diǎn)差為0～4 ℃范圍內(nèi)[9]。

云中過(guò)冷水的含量越大，發(fā)生積冰的強(qiáng)度就越嚴(yán)重。云中過(guò)冷水含量主要依賴(lài)于氣溫，溫度越低，云中的過(guò)冷水含量越小，大水滴更易于被機(jī)體捕獲。液滴的直徑和水滴大小分布的實(shí)際形狀確定了飛機(jī)的有效沖并效率。以小水滴為主的云中，高液態(tài)水含量只能產(chǎn)生微量或者忽略不計(jì)的積冰，而主要由大水滴組成的云中，相對(duì)低的液態(tài)水含量也可能形成中等以上的積冰[9]。積冰強(qiáng)度的定義通常是指在單位時(shí)間內(nèi)航空器機(jī)身表面形成的冰層的厚度[11]。

目前，依據(jù)積冰對(duì)航空器運(yùn)行的危害程度將積冰分為4 個(gè)等級(jí)。如表1 所示，即微量積冰、輕度積冰、中度積冰和嚴(yán)重積冰。微量積冰和輕度積冰被認(rèn)為一般不會(huì)對(duì)飛行器運(yùn)行造成危害，而中度積冰或嚴(yán)重積冰發(fā)生時(shí)則會(huì)對(duì)飛行器正常運(yùn)行造成較大影響和危害。

表1 積冰強(qiáng)度分類(lèi)

2.1 飛機(jī)積冰的強(qiáng)度分布

根據(jù)2015—2020年共6年的飛機(jī)積冰報(bào)告資料，將飛機(jī)積冰按強(qiáng)度劃分，如圖1 所示，從圖中可以看出中度飛機(jī)積冰的報(bào)告數(shù)量最多，共268 個(gè)，占總數(shù)的40.85%；其次是嚴(yán)重積冰，共243 個(gè)，占總數(shù)的37.04%；輕度積冰所占比例最低，僅38 個(gè)，占5.79%，其中中度及以上（包括中度積冰、中到嚴(yán)重積冰和嚴(yán)重積冰）積冰的報(bào)告數(shù)共有555 個(gè)，共占84.60%，因此中國(guó)西南地區(qū)飛機(jī)積冰主要集中在中度及以上強(qiáng)度，同時(shí)在相同天氣背景條件下遭遇中度及以上的飛機(jī)積冰天氣概率較大。不同的民航機(jī)型在飛行階段，對(duì)于飛機(jī)積冰的強(qiáng)度判別擁有不同的判斷方法，在實(shí)際情況下機(jī)組也會(huì)根據(jù)機(jī)載積冰探測(cè)系統(tǒng)和實(shí)際觀察去判斷積冰強(qiáng)度，所以在航空器積冰報(bào)告資料中，機(jī)載的相關(guān)設(shè)備和機(jī)組報(bào)告人員的主觀判斷都會(huì)對(duì)航空器積冰報(bào)告資料的精度和準(zhǔn)確程度有所影響，從而導(dǎo)致在部分航空器遭遇較輕程度積冰時(shí)未引起機(jī)組注意或主觀判斷無(wú)需報(bào)告從而導(dǎo)致報(bào)告資料與實(shí)際情況出現(xiàn)一些差異；而在航空器遭遇中度及以上的積冰時(shí)，由于其對(duì)于航空器的影響和危害較大，所以對(duì)于中度及以上強(qiáng)度的積冰報(bào)告數(shù)據(jù)更為全面和詳細(xì)。

圖1 不同強(qiáng)度飛機(jī)積冰數(shù)量及其比例

2.2 飛機(jī)積冰的時(shí)間分布

對(duì)西南地區(qū)航空器積冰報(bào)告資料逐年分強(qiáng)度分析，如圖2 所示，從圖中可以看到總體航空器積冰報(bào)告年變化，總數(shù)逐年呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，尤其在2017年及其以后的積冰航空器報(bào)告頻率明顯多于2015—2016年，這與航空器報(bào)告制度的完善和中國(guó)航空業(yè)發(fā)展以及中國(guó)機(jī)場(chǎng)旅客吞吐量逐年以10%左右的速度遞增密切相關(guān)[12]。其中在2015年航空器積冰報(bào)告次數(shù)最少，共出現(xiàn)了27 次，2020年航空器積冰報(bào)告次數(shù)呈現(xiàn)出最多的特征共193 次；中度積冰的報(bào)告次數(shù)在圖2 中呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2016年中度積冰報(bào)告次數(shù)最少，共8次，2020年中度積冰報(bào)告次數(shù)最多，共83 次；而嚴(yán)重積冰和中到嚴(yán)重積冰在時(shí)間特征上呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，在2015年嚴(yán)重積冰和中到嚴(yán)重積冰報(bào)告次數(shù)共為12 次，報(bào)告次數(shù)最少，2018年嚴(yán)重積冰和中到嚴(yán)重積冰報(bào)告次數(shù)共為83 次，報(bào)告次數(shù)最多；總體來(lái)看2015—2020年的積冰航空器報(bào)告中，中度積冰和嚴(yán)重積冰均為該年度中報(bào)告次數(shù)較多的積冰類(lèi)型，中度及以上積冰（包括中度積冰、中到嚴(yán)重積冰和嚴(yán)重積冰）的報(bào)告次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于輕度積冰和輕到中度積冰的次數(shù)，且中度及以上積冰報(bào)告次數(shù)呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖2 西南地區(qū)飛機(jī)積冰逐年強(qiáng)度變化特征

中國(guó)西南地區(qū)主要包括四川、重慶、云南、貴州和西藏西南地區(qū)，其面積遼闊、地形復(fù)雜，涵蓋了高原、山地、盆地、丘陵等多種地形，導(dǎo)致西南地區(qū)各季節(jié)氣候不一，氣候上涵蓋溫度季風(fēng)氣候、亞熱帶季風(fēng)氣候、高原山地氣候等多種氣候類(lèi)型特征，甚至在不同地區(qū)的不同月份都呈現(xiàn)出截然不同的氣候現(xiàn)象，氣候差異巨大，因此對(duì)于西南地區(qū)航空器積冰報(bào)告按照季度、強(qiáng)度進(jìn)行劃分，如圖3 所示。從圖中可以看出，冬季積冰報(bào)告次數(shù)最多，共455 次，占總數(shù)的69.36%；秋季的積冰報(bào)告次數(shù)次之，為133 次，占總數(shù)的20.27%；夏季的積冰報(bào)告次數(shù)最少，為15 次，占總數(shù)的2.29%；嚴(yán)重積冰和中度積冰占總積冰報(bào)告數(shù)的比例總體在20%～60%之間波動(dòng)，但中度積冰占總積冰報(bào)告數(shù)的比例明顯在春、冬季節(jié)大于夏、秋季節(jié)，而嚴(yán)重積冰占總積冰報(bào)告次數(shù)的比例在夏季顯著高于其他3 個(gè)季節(jié)，達(dá)到了60%；另外在中度和嚴(yán)重積冰的比重呈現(xiàn)出不完全一致的變化規(guī)律，在夏季積冰報(bào)告總次數(shù)較少的背景下出現(xiàn)嚴(yán)重積冰報(bào)告的比例大于出現(xiàn)中度積冰的報(bào)告比例，這與夏季出現(xiàn)積冰時(shí)多與強(qiáng)對(duì)流天氣有關(guān)；在其余季節(jié)中嚴(yán)重積冰占總積冰報(bào)告次數(shù)的比例略低于中度積冰總積冰報(bào)告次數(shù)的比例，嚴(yán)重和中度的飛機(jī)積冰在季節(jié)上的分布與總的飛機(jī)積冰報(bào)告在季度上的分布大體一致。

圖3 西南地區(qū)積冰季節(jié)強(qiáng)度分布規(guī)律

根據(jù)2015—2020 共6年的航空器積冰資料，將飛機(jī)積冰報(bào)告按照年份，逐月進(jìn)行劃分，如圖4 所示。從圖中可以看出，近6年的積冰報(bào)告月份規(guī)律基本一致，1、2、11、12 月發(fā)生積冰頻率最高，且1 月積冰航空器報(bào)告的頻率最高，12 月次之，2 月和11 月相對(duì)偏低；在6—9 月間的積冰報(bào)告次數(shù)相對(duì)較少，而6—8月的報(bào)告的頻次均在20 次以下；而在2018年4 月和2008年10 月積冰次數(shù)出現(xiàn)了較為明顯增長(zhǎng)的情況，在2020年12 月出現(xiàn)了積冰報(bào)告次數(shù)相對(duì)較少的情況，這與當(dāng)年該月份的具體天氣形勢(shì)存在密切聯(lián)系。

圖4 西南地區(qū)航空器積冰逐月分布規(guī)律

2.3 飛機(jī)積冰的空間分布

將整理好的飛機(jī)積冰報(bào)告資料與中國(guó)西南地區(qū)主要航路疊加在主要西南地區(qū)的省界地圖上，如圖5 所示，可以更加直觀地發(fā)現(xiàn)航空器積冰報(bào)告在西南地區(qū)的二維空間分布特征。中國(guó)西南地區(qū)2015—2020年的飛機(jī)積冰報(bào)告整體比較集中在四川中東部、重慶中部、云南東北部、貴州中東部和北部等地區(qū)，其中大部分航空器積冰報(bào)告出現(xiàn)在主要航路附近，另外其他部分積冰多發(fā)生在省會(huì)城市，如成都、重慶、貴陽(yáng)、昆明和拉薩附近，表明積冰的航空器報(bào)告資料與機(jī)場(chǎng)、航路的運(yùn)行流量存在一定的關(guān)聯(lián)。但是在不同省會(huì)之間，出現(xiàn)積冰報(bào)告的頻次有明顯差異，這與西南地區(qū)中成都、重慶區(qū)域航班流量最多，昆明和貴陽(yáng)次之，拉薩航班流量最少的特征相關(guān)。

圖5 西南地區(qū)主要航路與飛機(jī)積冰分布圖

3 小結(jié)

綜上所述，可以得到以下結(jié)論：①中度飛機(jī)積冰的報(bào)告數(shù)量最多，共268 個(gè)，占總數(shù)的40.85%；嚴(yán)重積冰報(bào)告數(shù)量次之，共243 個(gè)，占總數(shù)的37.04%；其中中度及以上積冰的報(bào)告數(shù)共有555 個(gè)，共占84.60%，中國(guó)西南地區(qū)飛機(jī)積冰主要集中在中度及以上強(qiáng)度。②航空器積冰報(bào)告數(shù)量呈現(xiàn)明顯的逐年上升趨勢(shì)，中度及以上積冰報(bào)告的增長(zhǎng)趨勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中度以下積冰報(bào)告次數(shù)。③2015—2020年中每一年的季節(jié)和逐月份變化規(guī)律基本一致，冬季積冰報(bào)告次數(shù)最多，發(fā)生積冰頻率最高的月份也集中在1、2、11、12 月，且發(fā)生中度及以上強(qiáng)度積冰主要集中在12、1、2 三個(gè)冬季月份。④中國(guó)西南地區(qū)航空器積冰報(bào)告與西南地區(qū)的主要航路的分布存在密切聯(lián)系，航空器積冰現(xiàn)象多發(fā)生在航班通行量較大、導(dǎo)航點(diǎn)和航路點(diǎn)較為集中和較為繁忙的航路航線地區(qū)，主要集中在四川中東部、重慶中部、云南東北部、貴州中東部和北部等區(qū)域。