飛機空中積冰預測及改航策略分析

王迪，柳倩

（沈陽航空航天大學 民用航空學院，遼寧 沈陽 110136）

0 引 言

飛機空中積冰是指機體表面某些部位聚集冰層的現(xiàn)象，多由云中液態(tài)水滴、大氣中的水汽在機體表面凍結或凝結而成。空中積冰嚴重影響著飛機的飛行安全，輕則造成航班延誤，重則導致機毀人亡。對空中積冰的發(fā)生規(guī)律及分布范圍進行預測、分析，為保障飛機的飛行安全提供氣象服務，指引飛機避開或脫離積冰區(qū)域飛行（即為飛行員做出正確的改航決策提供參考），對于提高飛機飛行安全和效率具有十分重要的現(xiàn)實意義。

國內外多個領域的研究學者對積冰預測方法進行了研究。美國學者利用世界區(qū)域預報系統(tǒng)（World Area Forecast System,WAFS）[1]提供的環(huán)境溫度、相對濕度格點數(shù)據(jù)，結合航線剖面圖，估算積冰指數(shù)、積冰可能出現(xiàn)的位置和高度。葛思源[2]基于飛機積冰報告資料，對霜點法、修正霜點法、假霜點判別法及積冰指數(shù)法四種積冰預報方法的準確性進行了驗證。卞雙雙[3，4]采用美國氣象界聯(lián)合開發(fā)的新一代中尺度預報模式和同化系統(tǒng)（Weather Research Forecast,WRF）對空中積冰的形勢場（包括高度場、溫度場和濕度場）進行數(shù)值模擬試驗。趙陽[5]利用美國高垂直分辨率CloudSat 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，根據(jù)云類型、云中溫度、相對濕度、液態(tài)水含量等統(tǒng)計值，識別飛機積冰潛勢及呈現(xiàn)的緯向、海陸及季節(jié)差異特征。

本文利用大氣再分析數(shù)據(jù)對空中積冰的發(fā)生規(guī)律及分布范圍進行定量化預測，結合積冰的形成條件進行積冰成因分析及預測準確性校驗。在此基礎上，通過繪制積冰分布范圍圖，結合圖形有針對性地提出規(guī)避、脫離積冰區(qū)的飛機改航策略，為保障空中交通安全、高效運行提供決策和參考。

1 空中積冰的形成條件及定量表征

空中積冰的形成與大氣環(huán)境的溫度、濕度、云況、環(huán)流形勢等天氣條件[3-6]密切相關，通過數(shù)值分析方法可以對積冰情況進行量化表征。

1.1 積冰形成條件

本文基于大氣溫度、濕度計算積冰指數(shù)，結合云中液態(tài)水含量進行積冰指數(shù)計算結果校驗，并借助水汽通量散度、垂直速度進行空中積冰成因及發(fā)展趨勢分析。

1.1.1 溫度

飛機飛入較冷的云層或降水區(qū)時，機體表面容易形成積冰[7]。據(jù)統(tǒng)計，空中積冰一般發(fā)生在-20℃～0℃的低溫大氣環(huán)境，但不同地區(qū)產生不同程度積冰的溫度范圍稍有差異。研究表明，四川省空中積冰形成的溫度范圍在-10 ℃～-2 ℃，其中：輕度積冰最容易形成于-10 ℃～0 ℃；形成中度積冰的大氣環(huán)境溫度更低，在-12 ℃～-2 ℃之間；嚴重積冰形成的溫度范圍最低，在-10 ℃～-8 ℃之間[8]。

此外，當飛機從較高的航線下降時，環(huán)境溫度雖然在0 ℃以上，但由于飛機長時間飛行于0 ℃以下的高空環(huán)境，機身表面的溫度仍然低于0 ℃，此時如果飛入濕度大的云層或遭遇降水，也會在機體表面形成積冰。

1.1.2 濕度

空中積冰常形成于含水量或相對濕度較大的冷云中。統(tǒng)計資料表明，85%的空中積冰均發(fā)生在相對濕度大于70%的氣象條件下，其中：輕度積冰多發(fā)生在相對濕度為80%～90%的天氣，中度積冰更容易形成于相對濕度在90%以上的天氣。濕度越高，積冰發(fā)生的可能性越大、積冰強度越強。

1.1.3 云中液態(tài)水含量

云中液態(tài)水是表征云物理特性的重要參數(shù)之一，與降水（雨、雪、霜）有著密切聯(lián)系。當飛機在液態(tài)水含量大于0的云中穿行時，若機體表面溫度過低，就會使過冷水滴凍結在機體表面而產生空中積冰。云中液態(tài)水含量越大，形成積冰的可能性越大、積冰越嚴重。

1.1.4 水汽通量散度

水汽通量散度是指單位時間向中心聚積或從中心輻散的水汽量，可由比濕、風計算得到。水汽通量散度體現(xiàn)水汽流動的方向和流通量，取值有正負之分：正值表示水汽自中心區(qū)域向四周輻散，稱中心區(qū)域為水汽源，水汽源的降水概率和強度一般較??；負值表示水汽從周圍區(qū)域匯聚到中心區(qū)域，稱中心區(qū)域為水汽匯，水汽匯的降水概率和強度一般較大。

1.1.5 垂直速度

大氣的垂直運動速度會促進水汽和熱量的輸送，影響降水的產生和維持，是積冰預報中不可忽略的物理量。大氣垂直速度有正負之分：負值表示大氣垂直向上運動，氣團抬升，使氣團內濕度增加、溫度降低，有利于降水的形成和保存；正值表示大氣垂直向下運動，氣團下降過程中氣團濕度下降、溫度上升，不利于降水的形成。

1.2 積冰定量表征

利用大氣環(huán)境的氣象觀測資料對空中積冰進行定量預測，相比于積冰物理過程模擬、冰風洞實驗模擬方法，運算速度更快，數(shù)值分析結果也能夠滿足實際應用要求?？罩蟹e冰定量表征的經典算法包括Ic積冰指數(shù)、RAOB 積冰指數(shù)、法國氣象中心（SCEM）積冰指數(shù)[9]等。

本文采用積冰預測準確率較高的Ic積冰指數(shù)對積冰程度進行量化表征。研究表明，大氣環(huán)境的相對濕度小于50%時，天氣晴朗、無云，積冰概率幾乎為0；大氣環(huán)境的相對濕度大于50%時，則可能產生積冰；大氣環(huán)境的相對濕度接近100%時，可能存在降水。此外，考慮到容易產生積冰的大氣環(huán)境溫度范圍為-14～0 ℃，國際民航組織（ICAO）提出Ic 積冰指數(shù)，利用相對濕度和大氣溫度兩項指標粗略判斷空中積冰強度。計算方法為：

其中，RH 為相對濕度（%），T為溫度（℃）。相對濕度在50%～100%范圍內變化時，積冰指數(shù)取值在0～100 之間；溫度在-14～0℃范圍時，認為可能有積冰發(fā)生。積冰強度根據(jù)Ic指數(shù)的高低劃分為輕度積冰、中度積冰、嚴重積冰三個等級。

本文基于云中液態(tài)水含量進行積冰校驗：積冰指數(shù)和液態(tài)水含量均大于0，可能形成空中積冰；否則不會有積冰發(fā)生。

2 空中積冰預測

各國研究中心依托氣象站、氣象衛(wèi)星定期收集高分辨率氣象數(shù)據(jù)，并利用特定的預報模式和同化系統(tǒng)對觀測資料進行“再分析”，最終形成包含大氣、陸地、海洋氣候參數(shù)在內的再分析數(shù)據(jù)集。本文主要基于不同氣壓面上的大氣溫度、濕度、風速、云況、降水等再分析數(shù)據(jù)展開研究。

2.1 數(shù)據(jù)來源及繪圖軟件

本文研究所用數(shù)據(jù)來源于歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）提供的可公開訪問、下載的大氣環(huán)境格點數(shù)據(jù)。利用2005年1—12月的月平均數(shù)據(jù)，經緯度范圍：經度100°E～120°E、緯度30°N～50°E；等壓面：300～1 000 hPa；氣象數(shù)據(jù)類別：相對濕度（Relative Humidity）、云中液態(tài)水含量（Specific cloud liquid water content）、比濕（Specific humidity）、溫度（Temperature）、風水平分量（U component of wind）、風垂直分量（V component of wind）、垂直速度（Vertical velocity）。本文重點關注民航飛行任務較多的四川成都雙流機場（103.95°E、30.57°N）周邊空域。

積冰指數(shù)、積冰范圍采用當今氣象界廣泛使用的氣象數(shù)據(jù)處理和顯示軟件GrADS（Grid Analysis and Display System）進行圖形化繪制。氣象數(shù)據(jù)在GrADS 中被視為緯度、經度、層次和時間的4 維場，通過內嵌函數(shù)實現(xiàn)基本氣象要素場（如風場、溫度場、相對濕度場、速度場等）、重要天氣系統(tǒng)發(fā)展形勢場（如散度、渦度、風切變等）的圖形化繪制。

GrADS 軟件運行環(huán)境、圖形繪制界面如圖1所示。圖形繪制過程為：

圖1 GrADS 繪圖軟件

（1）氣象數(shù)據(jù)加載。數(shù)據(jù)可以是格點資料，也可以是站點資料；數(shù)據(jù)可以是二進制、GRIB 碼、NetCDF 格式。

（2）圖形參數(shù)配置。包括時間、等壓面、經緯度、圖形顏色、線型、等值線間隔等。

（3）調用函數(shù)繪制基本氣象要素場、重要天氣系統(tǒng)發(fā)展形勢場，也可以進行不同要素的疊加繪制。

2.2 空中積冰預測

2.2.1 積冰發(fā)生的季節(jié)規(guī)律

氣象學上的四季劃分如下：3—5月為春季；6—8月為夏季；9—11月為秋季；12—2月為冬季。利用2005年1—12月的月平均數(shù)據(jù)，基于大氣環(huán)境溫度、相對濕度兩類氣象參數(shù)，代入式（1）計算Ic積冰指數(shù)。圖2是800 hPa 等壓面（1 900 m 飛行高度）春、夏、秋、冬四季代表性月份（1月、4月、7月、10月）Ic積冰指數(shù)及液態(tài)水含量分布圖，圖中黑色曲線代表積冰指數(shù)等值線，彩色曲線代表液態(tài)水含量等值線，黑色實心點代表成都雙流機場所在位置。

圖2 四季積冰指數(shù)及液態(tài)水含量分布圖

積冰指數(shù)等值線覆蓋區(qū)域表明溫度在-14℃～0℃區(qū)間、相對濕度大于50%時，存在積冰的可能性。結合積冰發(fā)生的基本條件——是否存在云中液態(tài)水，進一步校驗積冰發(fā)生的可能性。具體做法：觀察積冰指數(shù)等值線與液態(tài)水含量等值線是否有重疊區(qū)域，若二者存在重疊區(qū)域（Ic積冰指數(shù)、液態(tài)水含量均大于0 時），代表空中積冰大概率會發(fā)生，并進一步確定積冰的空域范圍；若二者無重疊（Ic積冰指數(shù)、液態(tài)水含量中至少一方取值為0），則判定空中積冰不會發(fā)生。通過對比發(fā)現(xiàn)，冬季發(fā)生空中積冰的概率較大、范圍較廣，其他季節(jié)鮮有發(fā)生。該結論與實際情況吻合：西南地區(qū)河流、湖泊較多，水汽較大，常年氣候濕潤，屬于較容易發(fā)生積冰的地域，積冰報告數(shù)的比例在春、冬季節(jié)明顯大于夏、秋季節(jié)，1、2、11、12月發(fā)生積冰頻率最高。進一步分析得出：冬季易發(fā)生輕度積冰（積冰指數(shù)40～50）的范圍大致為：經度104°E～110°E、緯度31°N～35°N。

2.2.2 空中積冰成因分析

本文結合水汽通量散度、垂直速度兩類氣象要素對積冰成因進行分析。利用2005年1月的月平均數(shù)據(jù)中的緯向風、經向風氣象數(shù)據(jù)，繪制水汽通量散度在800 hPa 等壓面的平面分布及300～1 000 hPa 等壓面的垂直分布圖，如圖3所示。

圖3（a）顯示，易發(fā)生積冰的區(qū)域（經度104°E～110°E、緯度31°N～35°N）水汽通量散度多為負值，并且在104°E、31°N 附近為水汽匯，水汽通量散度極值為-0.4×10-7g/（cm2· hPa · s），表明四周的水汽向該區(qū)域匯集。圖3（b）顯示，800 hPa 等壓面以下的飛行高度水汽通量散度為負，800 hPa 等壓面以上的飛行高度水汽通量散度為正，表明低層有水汽輻合，高層有水汽輻散，這樣的垂直結構有利于水汽在800 hPa 等壓面（1 900 m 飛行高度）匯合，進一步增加該高度層降水、空中積冰發(fā)生的概率。

圖3 水汽通量散度及垂直剖面

利用2005年1月的月平均數(shù)據(jù)中的垂直速度數(shù)據(jù)，繪制垂直速度在800 hPa 等壓面的平面分布及300～1 000 hPa等壓面的垂直分布圖，如圖4所示。

圖4（a）顯示，易發(fā)生積冰的區(qū)域（經度104°E～110°E、緯度31°N～35°N）垂直速度多為負值，在104° E、32° N 附近存在負垂直速度中心，極值為-15×10-2Pa/s。圖4（b）垂直速度的垂直剖面顯示，650～1 000 hPa 等壓面垂直速度同樣為負值，表明存在大氣垂直向上運動，氣團抬升，氣團內濕度增加、溫度降低，有利于降水的形成和保存，進一步增加空中積冰的發(fā)生概率。

圖4 研究區(qū)域垂直速度及剖面

綜合水汽通量散度、垂直速度兩種天氣要素場的診斷結果，最終得出：經度104°E～110°E、緯度31°N～35°N 區(qū)域存在形成空中積冰的有利條件，空中積冰概率較大。

2.2.3 空中積冰高度層分布

根據(jù)300～1 000 hPa 等壓面積冰指數(shù)&云中液態(tài)水含量的垂直分布圖，得到冬季各月份可能發(fā)生空中積冰的高度層分布特性。

2005年1月、2月、12月積冰指數(shù)和液態(tài)水含量的垂直分布如圖5所示。通過觀察各高度層積冰指數(shù)等值線與液態(tài)水含量等值線是否存在重疊區(qū)域，來校驗發(fā)生積冰的可能性。不難發(fā)現(xiàn)，成都雙流機場附近空中積冰的高度層在2005年1月 為875～625 hPa，2月 為825～625 hPa，12月為850～650 hPa。

圖5 300～1 000 hPa 等壓面積冰指數(shù)和液體含水量垂直分布圖

由積冰指數(shù)的數(shù)值大小可以初步判斷積冰的嚴重程度。2月、12月發(fā)生輕度積冰的平均高度（700～750 hPa 等壓面）高于1月發(fā)生中度積冰的平均高度（750～800 hPa 等壓面），研究結果與實際情況一致[10]。

3 積冰情況下的改航策略分析

飛機的飛行航線上一旦存在積冰區(qū)，空域管理的復雜度就會顯著增加，同時由積冰導致的飛行風險也會升級。若飛行航線上存在積冰可能，且積冰強度不大、預計飛行時間很短，則空中積冰對飛機飛行安全的影響不大，飛機可按原計劃的航路、航向繼續(xù)飛行；如飛行航線上積冰嚴重，或積冰覆蓋范圍大、預計飛行時間較長，應迅速采取改航措施避開、脫離積冰區(qū)。因此，提前預測積冰區(qū)的范圍及積冰強度，有針對性地提出改航策略，對于保障空中交通安全、高效運行具有重要意義。

制定改航策略的關鍵是判斷積冰區(qū)的范圍，包括其在等壓面上的水平范圍以及跨越不同等壓面的垂直高度。當判斷出積冰水平范圍較大時，可采取改變高度的方法；水平范圍較小時，則可改變航向。通常建議優(yōu)先改變高度。

本文以積冰易發(fā)的冬季為例，分析積冰區(qū)的空域范圍。2005年1月、2月、12月，積冰區(qū)的緯向（同一經度不同緯度）、經向（同一緯度不同經度）分布如圖6所示。對比發(fā)現(xiàn)，冬季的3 個月份，積冰區(qū)的緯向分布范圍明顯小于經向分布范圍。具體而言，1月積冰區(qū)的緯向跨越范圍為30° N～32° N，經向跨越范圍為102° E～112° E；2月積冰區(qū)的緯向跨越范圍為30°N～36°N，經向跨越范圍為100°E～120°E；12月積冰區(qū)的緯向跨越范圍為30°N～33°N，經向跨越范圍為102°E～111°E。因此，冬季（1月、2月、12月），若飛機在機場附近空域（圖中黑色實心點）遭遇積冰，沿緯度方向（南北向）調整航向優(yōu)于沿經度方向（東西向）調整航向。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，飛機向北調整航向、下降高度（飛機飛向更高等壓面）有助于其盡快避開、脫離積冰區(qū)。

圖6 冬季不同月份積冰區(qū)的緯向、經向分布圖

4 結 論

本文基于大氣環(huán)境再分析數(shù)據(jù)對飛機空中積冰發(fā)生的規(guī)律及分布范圍進行預測、分析，并通過積冰成因分析，驗證研究方法的有效性。在此基礎上提供針對性的空中改航策略，用以引導飛機快速、精準避開及脫離積冰區(qū)，保障空中交通安全、高效地運行。最終得出以下結論：

（1）聯(lián)合應用Ic積冰指數(shù)與液態(tài)水含量兩類指標，有助于提高空中積冰預測的準確率，有效減少誤報、漏報、誤警、虛警的發(fā)生。

（2）通過利用再分析數(shù)據(jù)繪制的積冰指數(shù)與液態(tài)水含量的水平分布和垂直剖面圖，可以更加形象、直觀地確定積冰強度、積冰的平面及垂直分布范圍，所得出的積冰發(fā)生的季節(jié)規(guī)律、高度層分布特性等研究結論與已有研究成果、積冰案例報告相吻合，從而驗證了本文研究方法的正確性。

（3）基于空中積冰預測結果，可以為飛行員、簽派員、管制員制定和調整飛行計劃，引導飛機合理避開積冰區(qū)域提供借鑒和參考。