飛機(jī)試飛的自然結(jié)冰潛勢預(yù)測及檢驗(yàn)評估

倪洪波 李佰平 閆文輝 李靜 張瑩 張華 倪萍

(1 中國飛行試驗(yàn)研究院場務(wù)部氣象臺，西安 710089; 2 上海市氣象服務(wù)中心，上海 200030)

引言

飛機(jī)結(jié)冰是指機(jī)身表面某些部位聚積冰層的現(xiàn)象，主要是由混合相云中過冷云滴或降水中的過冷雨滴碰到機(jī)體后凍結(jié)形成的，是非常危險的航空危險性天氣之一[1]。飛機(jī)結(jié)冰會破壞飛機(jī)的空氣動力學(xué)性能，降低升力，增大阻力，影響飛機(jī)的穩(wěn)定性和機(jī)動性，甚至造成墜機(jī)等事故[2-4]。為了保證投入運(yùn)營的飛機(jī)能夠承受一定程度的飛機(jī)結(jié)冰，同時驗(yàn)證機(jī)載防除冰設(shè)備的適用性，運(yùn)輸類飛機(jī)投入運(yùn)營前必須開展適航審定自然結(jié)冰試飛。運(yùn)輸類飛機(jī)自然結(jié)冰試飛是適航取證試飛過程中高風(fēng)險、高難度的試飛科目。

美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)利用飛機(jī)探測資料制定了適航標(biāo)準(zhǔn)第25部附錄C[5]，該附錄利用云中液態(tài)水含量(Liquid Water Content, LWC)、云滴平均有效直徑(Mean Effective Diameter, MED)和環(huán)境溫度(Temperature,T)提供了飛機(jī)結(jié)冰環(huán)境的基本描述，其中MED可近似于中值體積直徑(Median Volume Diameter, MVD)。MVD是指云滴尺度上液態(tài)水含量分布的中值，廣泛用于描述飛機(jī)結(jié)冰環(huán)境[6]。美國和加拿大等國，都基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律建立了自己國家的飛行氣象數(shù)據(jù)庫，可以自主組織開展自然結(jié)冰科目試飛[2,7-10]。我國尚沒有專門的自然結(jié)冰試飛研究機(jī)構(gòu)，現(xiàn)有自然結(jié)冰試飛氣象條件的尋找方法也相對原始，在工程應(yīng)用領(lǐng)域，飛機(jī)結(jié)冰的預(yù)報主要以天氣學(xué)定性方法結(jié)合經(jīng)驗(yàn)預(yù)報為主，數(shù)值預(yù)報技術(shù)尚不成熟，不僅浪費(fèi)試飛架次，試飛效率偏低，而且存在較大安全隱患。在以運(yùn)七200A、運(yùn)12、ARJ21-700等飛機(jī)為代表的我國運(yùn)輸類飛機(jī)適航審定過程中，自然結(jié)冰試飛始終是制約型號試飛安全和進(jìn)度的“瓶頸”科目。

2020年3月航空工業(yè)試飛中心在陜西地區(qū)開展了國產(chǎn)某大型運(yùn)輸機(jī)自然結(jié)冰試飛，本文結(jié)合該試飛過程，對李佰平等[11]改進(jìn)的自然結(jié)冰潛勢算法(以下簡稱，改進(jìn)的結(jié)冰潛勢算法)預(yù)報效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，并對陜西中北部地區(qū)產(chǎn)生飛機(jī)結(jié)冰的氣象條件及試飛結(jié)果進(jìn)行對比分析，以期為后續(xù)型號飛機(jī)適航審定自然結(jié)冰試飛天氣預(yù)報和協(xié)同保障提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)資料

本文所使用的資料主要包括：①地面、高空天氣圖資料；②涇河、崆峒等站探空資料；③西安、寶雞等地多普勒天氣雷達(dá)資料；④葵花8號氣象衛(wèi)星資料，包括可見光和紅外云圖等；⑤歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的細(xì)網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報模式資料；⑥機(jī)載云粒子組合探頭CCP(cloud combination probe)資料，主要用來獲取LWC、MVD和Temp。

CCP由美國DMT(Droplet Measurement Technologies)公司生產(chǎn)，包含云粒子探頭CDP(Cloud Droplet Probe)、云粒子圖像探頭CIP(Cloud imaging Probe)和Hot-wire液態(tài)水含量傳感器3個主要探測部件，還包括空速管和測量環(huán)境溫度的部件輔助[12]。CDP使用前向散射激光探測技術(shù)，用于測量較小云滴的MVD，其測量范圍為2～50 μm，CIP使用64通道圖像測量陣，用來測量較大云滴的MVD，其測量范圍為12.5～1550 μm。Hot-wire測量LWC的范圍是0.0～3.0 g/m3。相關(guān)設(shè)備從20世紀(jì)70年代開始被廣泛利用于探測與飛機(jī)結(jié)冰相關(guān)的云微物理參數(shù)[13]，同時在我國各省市的人工影響天氣部門和氣象科研機(jī)構(gòu)也得到了廣泛應(yīng)用[14-18]。由于附錄C要求的MVD為15～50 μm，因此選用CDP測量的MVD作為支撐數(shù)據(jù)。

2 運(yùn)輸類飛機(jī)適航審定自然結(jié)冰試飛標(biāo)準(zhǔn)

按中國民用航空總局運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)(CCAR25部)附錄C[19]，將運(yùn)輸類飛機(jī)自然結(jié)冰試飛科目劃分為連續(xù)最大(層云)結(jié)冰和間斷最大(積云)結(jié)冰2種情況，且對試飛科目實(shí)施的環(huán)境溫度、LWC和MVD都分別做出了具體要求。按照某大型運(yùn)輸機(jī)試飛大綱要求，自然結(jié)冰科目試飛執(zhí)行連續(xù)最大(層云)結(jié)冰，要求飛機(jī)在滿足條件的結(jié)冰云層中水平飛行45 min 或結(jié)冰厚度達(dá)到5.08 cm(2 inch)，取較長時間為準(zhǔn)，但不超過7.62 cm(3 inch)，具體如表1所示。

表1 某大型運(yùn)輸機(jī)自然結(jié)冰試飛氣象條件及標(biāo)準(zhǔn)要求

3 基于CIP算法改進(jìn)的結(jié)冰潛勢算法

飛機(jī)結(jié)冰與環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)之間存在著聯(lián)系，使得利用大氣環(huán)境場參數(shù)確定飛機(jī)結(jié)冰潛勢成為可能。李佰平等[11]在Bernstein等(2005)[20]的當(dāng)前飛機(jī)結(jié)冰潛勢(CIP，Current Icing Potential)算法基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的飛機(jī)結(jié)冰潛勢算法。該算法基于云微物理基本概念，建立了綜合溫度、濕度、云頂溫度等要素的結(jié)冰潛勢模糊邏輯診斷方法，可以直接基于大氣溫濕層結(jié)給出結(jié)冰潛勢，能較好地估測多種天氣條件下飛機(jī)在飛行中實(shí)際遭遇結(jié)冰的情況，且能給出結(jié)冰的區(qū)域和大致高度。由于其命中率高、虛警率低，在自然結(jié)冰試飛保障中具有較高的應(yīng)用價值。最終的結(jié)冰潛勢由下式獲得：

Icepot=μrhμtmμctt×100%

(1)

式中，Icepot為結(jié)冰潛勢，μrh為相對濕度相關(guān)關(guān)系，μtm為溫度相關(guān)關(guān)系，μctt為云頂溫度相關(guān)關(guān)系。圖1給出了溫度、相對濕度、云頂溫度與飛機(jī)結(jié)冰潛勢的相關(guān)關(guān)系圖[11]。這種定量的相關(guān)關(guān)系是基于云微物理概念、飛機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和飛機(jī)報告分析得到[9,20]，改進(jìn)的結(jié)冰潛勢算法根據(jù)國內(nèi)的相關(guān)試飛報告對相關(guān)參數(shù)有細(xì)微的調(diào)整[11]。其中相對濕度越大，越有利于空中過冷水的存在；溫度相關(guān)關(guān)系指示適宜過冷水存在的溫度范圍；云頂溫度相關(guān)關(guān)系指示云粒子的相態(tài)，即估計(jì)云中包含過冷水的可能性。最終的結(jié)冰潛勢是指飛機(jī)結(jié)冰發(fā)生的潛在程度，可以理解為結(jié)冰可能出現(xiàn)的概率和強(qiáng)度。結(jié)冰潛勢大于15% 時，表示至少有機(jī)會結(jié)冰；大于40%時，則比較有利于結(jié)冰。考慮到運(yùn)輸類飛機(jī)自然結(jié)冰試飛的目標(biāo)是抓取滿足CCAR25部附錄C的結(jié)冰條件，因此采用改進(jìn)的結(jié)冰潛勢算法時，結(jié)冰閾值選擇為40%。

圖1 相對濕度(a)、溫度(b)、云頂溫度(c)與飛機(jī)結(jié)冰潛勢的相關(guān)關(guān)系

4 陜西一次運(yùn)輸機(jī)自然結(jié)冰試飛過程分析

4.1 第1架次試飛天氣分析及結(jié)冰潛勢預(yù)報檢驗(yàn)

4.1.1 天氣過程分析

2020年3月16日11:20—15:30(BJT，下同)，在甘肅東部、陜西西部一帶開展了第1架次結(jié)冰試飛試驗(yàn)。此次天氣過程主要受西南暖濕氣流北抬和北方冷空氣南下共同影響，高空有西風(fēng)短波槽東移。圖2a為2020年3月16日08:00陜西中部上游的甘肅崆峒站溫度-對數(shù)壓力圖(T-lnp圖)，可見濕層較為深厚，估計(jì)云底高在2 km左右，云頂高在6 km以上，云頂溫度-22 ℃，云底溫度-2 ℃。根據(jù)08：00崆峒站探空資料計(jì)算的結(jié)冰潛勢診斷廓線如圖2b所示，可見結(jié)冰潛勢大值區(qū)高度在2.7～4.5 km，由于云頂溫度偏低，最大結(jié)冰潛勢約44%，在700 hPa高度。此次過程冷暖空氣交匯的中心位置位于秦嶺以南地區(qū)，飛行探測區(qū)域主要受冷空氣影響，云頂發(fā)展的高度偏高。

圖2 2020年3月16日08:00崆峒站T-lnp圖(a)，結(jié)冰潛勢診斷廓線(b)

4.1.2 試飛結(jié)果

2020年3月16日結(jié)冰試飛從起飛到降落，共用時4 h 10 min，穩(wěn)定結(jié)冰期間飛行速度400 km，飛行高度4.0 km左右。達(dá)到既定試驗(yàn)區(qū)域及飛行高度后，監(jiān)控視頻拍攝到的入云狀態(tài)顯示，飛行高度上云并不連續(xù)，沒有形成大范圍穩(wěn)定的云層，13:40機(jī)組報告機(jī)翼后緣標(biāo)尺出現(xiàn)淞冰，14:41機(jī)組報告翼尖標(biāo)尺結(jié)冰達(dá)2.54 cm。后續(xù)結(jié)冰緩慢，翼尖標(biāo)尺最大結(jié)冰為3.05 cm，同時翼尖及垂尾上均有明顯結(jié)冰，但遠(yuǎn)未達(dá)到CCAR25部附錄C要求的結(jié)冰厚度。原因是飛行過程中云層不連續(xù)，結(jié)冰現(xiàn)象主要以長時間飛行的累積效應(yīng)為主。CCP探頭提供的MVD、LWC及T隨時間分布如圖3所示，翼尖標(biāo)尺出現(xiàn)結(jié)冰時段(13:40—14:41)，T分布在-8.44～-6.20 ℃之間，MVD分布在5.32～31.97 μm之間，但大部分取值位于包線之外，未達(dá)到CCAR25部附錄C要求，LWC分布在0.08～0.98 g·m-3之間，且MVD、LWC變化幅度大，說明云區(qū)分布不均勻，云中粒子大小不一，這與監(jiān)控視頻拍攝到的結(jié)果基本一致。

圖3 2020年3月16日結(jié)冰試飛CCP探測數(shù)據(jù):(a)中值體積直徑MVD，(b)液態(tài)水含量LWC，(c)溫度T(藍(lán)色陰影區(qū)間表示結(jié)冰時段,數(shù)據(jù)進(jìn)行了1 min中值濾波平滑)

4.1.3 結(jié)冰潛勢預(yù)報檢驗(yàn)

利用ECMWF細(xì)網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報模式資料，基于改進(jìn)的結(jié)冰潛勢算法，給出的2020年3月16日14：00陜西地區(qū)700 hPa及600 hPa等壓面結(jié)冰潛勢預(yù)報結(jié)果如圖4所示。模式預(yù)報顯示結(jié)冰潛勢大值區(qū)主要位于秦嶺及其以南一帶，在實(shí)際飛行探測區(qū)域(甘肅東部、陜西西部一帶)預(yù)報的結(jié)冰潛勢在30%～60%之間。這一結(jié)果與利用崆峒站探空資料診斷的結(jié)冰潛勢、實(shí)際機(jī)載測量結(jié)果和觀察到的結(jié)冰現(xiàn)象基本一致，表明改進(jìn)的結(jié)冰潛勢算法在結(jié)冰試飛中具有較好的工程應(yīng)用價值。

圖4 2020年3月16日14：00，700 hPa飛機(jī)結(jié)冰潛勢預(yù)報(a)，600 hPa飛機(jī)結(jié)冰潛勢預(yù)報(b)(起報時間：3月14日20：00,填色為結(jié)冰潛勢，紅色線條為溫度(℃);多邊形區(qū)域?yàn)樵囷w的大致飛行探測空域范圍，下同)

4.2 第2架次試飛天氣分析及結(jié)冰潛勢預(yù)報檢驗(yàn)

4.2.1 天氣過程分析

2020年3月26日11:00—16:30，在甘肅東部到陜西西部一帶開展了第2架次結(jié)冰試飛試驗(yàn)。如圖5所示，此次結(jié)冰過程主要受西風(fēng)短波槽東移影響，地面配合有較為明顯的冷空氣南下，甘肅東部和陜西中北部有雨轉(zhuǎn)雪天氣，6 h(14：00—20：00)降雨量普遍在0.1～1.0 mm。陜西宜君站在14:00前后有小雨，20:00轉(zhuǎn)為降雪。從西安站雷達(dá)回波上看，14:00還未有明顯回波，15:00甘肅正寧縣附近出現(xiàn)15～30 dBz的弱回波，宜君縣附近出現(xiàn)5～15 dBz的弱回波；下午18:00前后回波范圍更大，回波強(qiáng)度以15～30 dBz為主，陜西中部一帶降水逐漸明顯(圖6)。08:00陜西中部上游的崆峒站探空(圖7a)顯示濕層較為深厚，從2.5 km伸展到500 hPa，云頂溫度約-14 ℃，云底溫度約-5 ℃，3 km附近高度有逆溫層，最大結(jié)冰潛勢在90%以上；從20:00涇河站探空(圖7c)來看，高空濕層有一個明顯的發(fā)展和加深，整層的濕度均較大，云頂發(fā)展的高度在7 km 以上。由于云層發(fā)展得過高，云頂溫度偏低，根據(jù)20：00涇河站結(jié)冰潛勢廓線(圖7d)，結(jié)冰所在的高度在2.0～5.9 km，但最大結(jié)冰強(qiáng)度只有20%，結(jié)冰氣象條件并不理想。

圖6 2020年3月26日15:00(a)和17:57(b)西安雷達(dá)3層仰角(0.5、1.5、2.4°)組合反射率因子

4.2.2 試飛結(jié)果

2020年3月26日結(jié)冰試飛從起飛到降落，共用時5 h 30 min，穩(wěn)定結(jié)冰期間飛行速度380～390 km/h，飛行高度4.0～5.0 km。達(dá)到既定試驗(yàn)區(qū)域及飛行高度后，視頻監(jiān)控顯示飛機(jī)處于一片較為連續(xù)穩(wěn)定的云層中。12:26機(jī)組報告CCP探頭連接桿上有明顯冰層；12:30機(jī)組報告LWC為 0.3 g·m-3，T為-1.0 ℃；13:57監(jiān)控信號恢復(fù)，顯示翼尖標(biāo)尺結(jié)冰達(dá)2.54 cm；14:18因左側(cè)翼尖標(biāo)尺冰塊脫落，需爬升脫冰，然后重新執(zhí)行結(jié)冰試驗(yàn)；后續(xù)因T偏高(-1.6～0.6 ℃)，機(jī)體及翼尖標(biāo)尺結(jié)冰狀況均不太好，結(jié)冰速度較慢；16:00飛機(jī)返航。在本架次試飛過程中最接近CCAR25部附錄C標(biāo)準(zhǔn)的時段(12:17—13:10)，MVD、LWC及T隨時間分布如圖8藍(lán)色陰影區(qū)域所示，可見在總時長為53 min的時間段內(nèi)，T變化范圍為-4.02～3.56 ℃，MVD變化范圍為12.27～29.79 μm，LWC變化范圍為0.12～0.53 g·m-3，測量得到的MVD、LWC及T數(shù)值比較穩(wěn)定，說明該段時間內(nèi)飛機(jī)處于一片較為連續(xù)的云層中，其與視頻畫面監(jiān)控到的情況一致。在13:10飛機(jī)出云，由于飛機(jī)所處環(huán)境發(fā)生改變，Hot-wire的熱損較干空氣校準(zhǔn)時偏大，所以有計(jì)算值輸出，屬于參考基準(zhǔn)漂移造成的誤差，其在下次入云前再次進(jìn)行零位校準(zhǔn)時即可修正。從云中液態(tài)水含量和粒子大小分布來看，云的連續(xù)性要優(yōu)于3月16日，但結(jié)冰發(fā)生時，云中溫度偏高，因此結(jié)冰強(qiáng)度較3月16日要弱。結(jié)合雷達(dá)和地面降水觀測，在飛行探測時段前期，探測區(qū)域的探空層結(jié)接近于圖7a，云頂溫度在-14 ℃左右，有利于過冷水的維持；在中午前后，隨著降水的發(fā)展，云頂開始抬高，衛(wèi)星云圖顯示大部分區(qū)域云頂溫度在-50～-40 ℃之間(圖略)，探測區(qū)域的探空層結(jié)應(yīng)接近于圖7c，此時云中高空以冰晶粒子為主，結(jié)冰潛勢降低。這與實(shí)際探測結(jié)果較為吻合。

圖7 2020年3月26日08：00崆峒站T-lnp圖(a)和結(jié)冰潛勢廓線(b)、20:00涇河站T-lnp圖(c)和結(jié)冰潛勢廓線(d)

圖8 2020年3月26日結(jié)冰試飛CCP探測數(shù)據(jù):(a)MVD，(b)LWC，(c)T(藍(lán)色陰影區(qū)間表示結(jié)冰時段。數(shù)據(jù)進(jìn)行了1 min中值濾波平滑)

4.2.3 結(jié)冰潛勢算法預(yù)報檢驗(yàn)

2020年3月26日11：00陜西地區(qū)700 hPa及600 hPa等壓面結(jié)冰潛勢預(yù)報結(jié)果如圖9所示。預(yù)報顯示結(jié)冰潛勢大值區(qū)主要位于甘肅西峰鎮(zhèn)到陜西寶雞一帶，最大結(jié)冰潛勢接近100%，并逐漸東移南壓，在20:00以后移出探測區(qū)域。這與實(shí)際探測結(jié)果在結(jié)冰時間和強(qiáng)度上均存在一定程度的偏差。一方面是由于數(shù)值模式對于高低空系統(tǒng)的配置和降水時段的預(yù)報存在偏差，24日20：00起報的模式對探測區(qū)域26日下午高空增濕和降水的發(fā)展演變過程預(yù)報偏晚。更臨近時刻起報(25日20：00)的模式結(jié)果對該過程的把握更為準(zhǔn)確，預(yù)報顯示當(dāng)天14:00以后探測區(qū)域大部結(jié)冰潛勢在60%以下(圖略)。另一方面，目前改進(jìn)的結(jié)冰潛勢算法并未引入模式預(yù)報的MVD、LWC等云微物理參數(shù)的影響，也未考慮垂直運(yùn)動的作用，因此對結(jié)冰強(qiáng)度的表征存在一定的局限性。

圖9 2020年3月26日11:00，700 hPa飛機(jī)積冰潛勢預(yù)報(a)，600 hPa飛機(jī)積冰潛勢預(yù)報(b)(起報時間3月24日20：00,填色為結(jié)冰潛勢)

4.3 第3架次試飛天氣分析及結(jié)冰潛勢預(yù)報檢驗(yàn)

4.3.1 第3架次結(jié)冰試飛天氣過程分析

2020年3月27日07:00—11:27，在關(guān)中平原西安以東一帶開展了第3架次結(jié)冰試飛試驗(yàn)。如圖10 所示，27日08:00陜西中南部受高空短波槽及低層切變共同影響，降水主要集中在陜西南部。西安地區(qū)降水主要發(fā)生在26日夜間至27日凌晨，27日08:00以后以陰天或者弱降水為主。27日08:00雷達(dá)回波顯示西安以南有降水，回波強(qiáng)度在15～30 dBz，西安以東地區(qū)無明顯的降水回波(圖11a)。27日09:00可見光云圖顯示云層范圍較大，深厚且均勻，云頂偏暗，以大范圍的層狀云系為主。27日08:00涇河站探空資料顯示，高濕區(qū)從地面延伸到4 km以上，云頂有明顯的西北風(fēng)和西南風(fēng)垂直風(fēng)切變，0 ℃層高度在1.5 km附近，云頂溫度在-10 ℃左右，此時云中以過冷水為主，且含量充沛，1.5～4.0 km之間有結(jié)冰條件非常理想，診斷的最大結(jié)冰潛勢達(dá)到100%(圖12)。26日夜間至27日凌晨發(fā)生的降水具有一定的沉降清潔作用，降水過后，云中凝結(jié)核偏少，較少的云粒子濃度有利于過冷水直徑的增長，同時較少的粒子濃度減小了云滴的碰并融合作用，有利于云滴的維持。

圖10 2020年3月27日08:00，500 hPa高度場和700 hPa風(fēng)場(a)以及地面圖(b)(圖a中藍(lán)色：500 hPa槽線，棕色：700 hPa切變線，D為700 hPa低壓中心)

圖11 2020年3月27日08:02西安雷達(dá)3層仰角(0.5、1.5、2.4°)的組合反射率因子(a)，09:00葵花8號衛(wèi)星可見光云圖(b)

圖12 2020年3月27日08：00涇河站T-lnp圖(a)和診斷的結(jié)冰潛勢(b)

4.3.2 試飛結(jié)果

2020年3月27日結(jié)冰試飛從起飛到降落，共用時4 h 27 min，穩(wěn)定結(jié)冰期間飛行速度380～390 km/h，飛行高度4.0 km左右。本架次試飛由于氣象條件理想，飛機(jī)起飛后很快就入云，共進(jìn)行了3輪自然結(jié)冰試驗(yàn)，試驗(yàn)期間MVD、LWC及T隨時間分布如圖13藍(lán)色陰影區(qū)域所示。

圖13 2020年3月27日結(jié)冰試飛CCP探測數(shù)據(jù):(a)MVD，(b)LWC，(c)T。(藍(lán)色陰影區(qū)間表示結(jié)冰時段,數(shù)據(jù)進(jìn)行了1 min中值濾波平滑)

第1輪結(jié)冰試驗(yàn)(07:16—08:00)，總時長為54 min，T變化范圍為-3.18～-1.27 ℃，MVD變化范圍為14.62～25.16 μm，LWC變化范圍為0.00～0.84 g·m-3。07:16儀表監(jiān)控顯示出現(xiàn)結(jié)冰信號；07:32機(jī)組報告翼尖標(biāo)尺積冰厚度達(dá)2.54 cm，冰形呈“羊角”狀；08:00地面監(jiān)控顯示翼尖標(biāo)尺結(jié)冰厚度接近7.62 cm，已完全滿足CCAR25部附錄C標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)系機(jī)組出云做既定動作。需要注意的是，07:40左右，Hot-wire探頭出現(xiàn)短時凍結(jié)現(xiàn)象，部分?jǐn)?shù)據(jù)不準(zhǔn)，當(dāng)冰脫落時會造成得到的數(shù)據(jù)突變，出現(xiàn)個別“野值”。

第2輪結(jié)冰試驗(yàn)(08:30—08:42)，總時長為12 min，結(jié)冰迅速，氣象條件非常理想，T變化范圍為-3.85～-1.74 ℃，MVD變化范圍為10.50～24.54 μm，LWC變化范圍為0.06～0.64 g·m-3。08:30機(jī)載監(jiān)測儀器顯示有結(jié)冰信號；8:35監(jiān)控視頻顯示翼尖標(biāo)尺結(jié)冰厚度達(dá)2.54 cm；08:42機(jī)組報告翼尖標(biāo)尺結(jié)冰厚度有5.08 cm，已完全滿足CCAR25部附錄C標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)備出云做動作。第2輪結(jié)冰試驗(yàn)期間，積冰最強(qiáng)時，垂尾最大積冰面積有40 %。

第3輪結(jié)冰試驗(yàn)(10:09—11:03)，總時長為56 min，T變化范圍為-3.48～-1.50 ℃，MVD變化范圍為9.27～32.18 μm，LWC變化范圍為0.02～0.55 g·m-3。10:09地面監(jiān)控視頻顯示翼尖標(biāo)尺有結(jié)冰；10:23機(jī)組報告翼尖標(biāo)尺結(jié)冰厚度達(dá)2.54 cm；11:03機(jī)組報告翼尖標(biāo)尺結(jié)冰厚度達(dá)有5.08 cm，已完全滿足CCAR25部附錄C標(biāo)準(zhǔn)，11:07指揮員聯(lián)系機(jī)組開始做動作。

4.3.3 結(jié)冰潛勢算法預(yù)報檢驗(yàn)

圖14和圖15給出了EC模式對3月27日08：00和11：00陜西地區(qū)700 hPa和600 hPa高度的結(jié)冰潛勢預(yù)報。模式預(yù)報的結(jié)冰潛勢大值區(qū)主要位于西安及其以東一帶，且隨著時間逐漸東移減弱。在實(shí)際飛行探測區(qū)域(西安以東一帶)預(yù)報的結(jié)冰潛勢在100%，與實(shí)際飛行探測結(jié)果基本一致。從模式預(yù)報的結(jié)冰潛勢剖面和風(fēng)溫濕剖面來看，西安上空的結(jié)冰潛勢大值區(qū)主要發(fā)生在27日上午，26日下午隨著中層濕度的發(fā)展，有一定的結(jié)冰潛勢但是維持時間短且低層濕度偏差，總體結(jié)冰條件仍不是非常理想；夜間由于濕層高度發(fā)展較高，降水明顯，結(jié)冰潛勢進(jìn)一步減弱；27日凌晨，隨著降水停歇，高空濕度減弱，低層濕度維持，中低層云體深厚，2～4 km高度的結(jié)冰潛勢均在100%，結(jié)冰條件非常理想；到11:00之后，隨著600 hPa的濕度減弱，結(jié)冰潛勢變差(圖16)。從事后飛行反饋來看，預(yù)報的結(jié)冰潛勢變化與實(shí)際一致。圖17給出了中國氣象局上海數(shù)值預(yù)報模式系統(tǒng)對27日08：00西安涇河站南北向和東西向的水成物剖面預(yù)報，在27日08：00，西安上空云相態(tài)以云水為主，0 ℃層以上的云水即對應(yīng)導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)冰的云中過冷水，云頂高度在4.5 km左右，因此有利于飛機(jī)結(jié)冰發(fā)生的高度從0°層(約1.5 km)到4.5 km。西安以南和以東的云層則發(fā)展得較為旺盛，云頂普遍在10 km以上，相態(tài)以雪(冰晶)為主。中國氣象局上海數(shù)值預(yù)報模式系統(tǒng)的云中水成物預(yù)報能較好地表征飛機(jī)結(jié)冰發(fā)生時的云中相態(tài)。

圖14 2020年3月27日08：00，700 hPa飛機(jī)積冰潛勢預(yù)報(a)，600 hPa飛機(jī)積冰潛勢預(yù)報(b)(起報時間3月25日20：00,填色為結(jié)冰潛勢)

圖15 2020年3月27日11：00，700 hPa(a)和600 hPa(b)飛機(jī)積冰潛勢預(yù)報(起報時間3月25日20:00。填色為結(jié)冰潛勢)

圖16 2020年3月26—28日西安咸陽機(jī)場氣象要素預(yù)報剖面:(a)結(jié)冰潛勢,(b)相對濕度(紅色等值線為溫度(℃)，填色為結(jié)冰潛勢和相對濕度，起報時間2020年3月25日20:00)

圖17 2020年3月27日08:00沿西安涇河站南北向(a)和東西向(b)的水成物剖面預(yù)報(起報時間3月26日20：00)

5 3次自然結(jié)冰試飛協(xié)同保障及結(jié)果比較

5.1 3次自然結(jié)冰試飛協(xié)同保障

在國產(chǎn)某大型運(yùn)輸機(jī)自然結(jié)冰試飛過程中，采用塔臺和監(jiān)控雙指揮體系，氣象技術(shù)人員全程參與試飛準(zhǔn)備階段的任務(wù)協(xié)同和試飛實(shí)施階段的協(xié)同指揮。在試飛準(zhǔn)備階段的任務(wù)協(xié)同中，氣象技術(shù)人員向試飛指揮員和機(jī)組講解結(jié)冰天氣預(yù)報結(jié)論，給出建議開展結(jié)冰試飛的區(qū)域及高度，提出結(jié)冰試飛可能存在的風(fēng)險和防范措施。在試飛實(shí)施階段的協(xié)同指揮中，氣象技術(shù)人員利用衛(wèi)星云圖、天氣雷達(dá)探測資料和航危報資料，結(jié)合參試飛機(jī)實(shí)時下傳的空中飛行視頻和試飛機(jī)組報告，實(shí)時監(jiān)測、分析最佳結(jié)冰云區(qū)的位置和高度，隨時向指揮員給出飛行的目標(biāo)位置。由于適宜結(jié)冰的天氣區(qū)落點(diǎn)具有隨機(jī)性，可以開展自然結(jié)冰試飛的區(qū)域相對有限，試飛實(shí)施過程中，參試飛機(jī)不能根據(jù)最佳結(jié)冰天氣落區(qū)和氣象條件變化隨機(jī)“追云”，結(jié)冰試飛的效率和質(zhì)量均受到影響。

5.2 3次自然結(jié)冰試飛結(jié)果比較

以結(jié)冰效果最為理想的第3架次(3月27日)為參照，對比分析第1架次(3月16日)和第2架次(3月26日)試飛過程，結(jié)果如表2所示。3月16日冷暖空氣交匯中心位于秦嶺以南地區(qū)，試飛的區(qū)域偏北，結(jié)冰時段T中值為-7.30 ℃，為3架次最低的，LWC中值為0.41 g·m-3，為這3架次最高的。但是MWD中值10.18 μm，為3架次中粒徑最小的，顯著低于CCAR25部附錄C最低標(biāo)準(zhǔn)，且MVD標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.04，為3架次中粒徑波動最大的。說明雖然結(jié)冰厚度達(dá)到3.05 cm，但本架次云不連續(xù)，云滴尺度不一是影響結(jié)冰效率的最主要原因。3月26日高空短波槽東移影響，地面配合有較為明顯的冷空氣南下，盡管T、LWC及MVD均在附錄C標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，但因云中溫度偏高，T中值為-1.77 ℃，為這3架次最高的，且T標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.12，為這3架次中環(huán)境溫度波動最大的，結(jié)冰試飛條件要素配置不理想，結(jié)冰厚度并不強(qiáng)(表2)。

表2 3架次自然結(jié)冰試飛過程對比

6 結(jié)論

利用多源資料結(jié)合改進(jìn)的結(jié)冰潛勢算法，從天氣條件、飛機(jī)結(jié)冰潛勢預(yù)報、試飛實(shí)施、探測結(jié)果等方面，分析了2020年3月16日、26日和27日在閻良機(jī)場開展的3架次自然結(jié)冰試飛過程，同時對數(shù)值模式的預(yù)報結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)評估。分析認(rèn)為：

(1)基于CIP算法改進(jìn)的結(jié)冰潛勢算法能夠較好地反映飛機(jī)在空中遭遇結(jié)冰的情況，是當(dāng)前開展飛機(jī)積冰預(yù)報服務(wù)的主要手段，目前結(jié)冰區(qū)域預(yù)報相對準(zhǔn)確，但是結(jié)冰強(qiáng)度的預(yù)報需要進(jìn)一步優(yōu)化。

(2)基于改進(jìn)的結(jié)冰潛勢算法，全球模式和區(qū)域模式能夠預(yù)報飛機(jī)結(jié)冰在空間和時間上的發(fā)生發(fā)展和演變趨勢，但依賴于模式對大氣環(huán)境場的預(yù)報效果。模式的水成物預(yù)報能夠提供較好的參考，但相關(guān)云微物理參數(shù)還需要與多源觀測資料做進(jìn)一步的評估。

(3)不同的天氣系統(tǒng)影響下，飛機(jī)結(jié)冰條件存在較大的差異。從3次結(jié)冰過程分析來看，西風(fēng)系統(tǒng)因水汽條件不足，結(jié)冰氣象條件較南支系統(tǒng)要差；高空冷空氣未到達(dá)試飛區(qū)域前，云中環(huán)境溫度偏高，結(jié)冰強(qiáng)度較低；冷暖空氣交匯的區(qū)域，LWC較高，MVD較為合適，結(jié)冰較強(qiáng)。

運(yùn)輸類飛機(jī)適航審定自然結(jié)冰科目試飛，必須在滿足MVD、LWC及T指標(biāo)的嚴(yán)苛條件中，持續(xù)飛行45 min或結(jié)冰厚度達(dá)到5.08 cm，試飛難度和風(fēng)險很高。自然結(jié)冰科目試飛既需要尋找和捕捉適宜的天氣條件，也需要優(yōu)質(zhì)的結(jié)冰潛勢算法準(zhǔn)確預(yù)報飛機(jī)結(jié)冰，還有賴于氣象技術(shù)人員在自然結(jié)冰試飛實(shí)施階段提供科學(xué)高效的協(xié)同指揮保障。

致謝：在本文的寫作過程中，中國氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室周旭博士提出了修改意見，并給予悉心指導(dǎo)。在此特致以誠摯的感謝！