一次飛機(jī)積冰過(guò)程云微物理特征分析

彭 沖, 宋 燦

(1．河南省人工影響天氣中心,鄭州 450003;2．中國(guó)氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;3．中國(guó)氣象局河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450003)

0 引言

飛機(jī)在有過(guò)冷云滴或者雨滴的環(huán)境中航行時(shí),過(guò)冷液滴碰撞到機(jī)體表面凍結(jié)形成聚集冰層,會(huì)使得飛機(jī)的升力減小、阻力增大[1]。飛機(jī)積冰嚴(yán)重影響飛機(jī)的操縱,威脅著飛行安全[2]。飛機(jī)積冰的研究對(duì)于航空事業(yè)發(fā)展具有重要的意義。

飛機(jī)積冰與氣象條件密切相關(guān),國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展過(guò)大量的積冰氣象條件的研究[3-8]。遲竹萍[5]研究了山東地區(qū)不同天氣系統(tǒng)下飛機(jī)輕度和中度積冰發(fā)生的概率,發(fā)現(xiàn)南方氣旋系統(tǒng)控制下產(chǎn)生飛機(jī)積冰的概率最高,低壓倒槽系統(tǒng)出現(xiàn)中度積冰概率最大。王欽等[6]發(fā)現(xiàn)中度積冰產(chǎn)生時(shí)相對(duì)濕度普遍大于90%,0.05～1 Pa·s-1的上升速度有利于中度積冰的產(chǎn)生。孫晶等[7]針對(duì)安慶地區(qū)一次飛機(jī)積冰氣象條件進(jìn)行了分析,得出此次過(guò)程地面冷鋒伴隨著逆溫,積冰出現(xiàn)在逆溫層底部。張利平等[8]對(duì)北疆地區(qū)航空器遇到嚴(yán)重積冰的一次過(guò)程的研究中,也發(fā)現(xiàn)了積冰伴隨著逆溫層結(jié)。

國(guó)際民航組織推薦利用溫度和濕度計(jì)算積冰指數(shù)Ic,根據(jù)Ic數(shù)值將積冰分為四個(gè)等級(jí),該算法被廣泛應(yīng)用于積冰預(yù)報(bào)[9-11]。劉風(fēng)林等[12]利用山東省150架次飛機(jī)積冰報(bào)告,對(duì)比分析了3種積冰算法(Ic,RAP,RAOB)預(yù)報(bào)診斷效果,并調(diào)整閾值改進(jìn)了兩種預(yù)報(bào)較好的算法。何新黨等[13]利用比濕和液水含量等物理參數(shù),設(shè)計(jì)了預(yù)測(cè)飛機(jī)積冰的方法。白婷等[14]利用NCEP分析資料結(jié)合河南飛機(jī)積冰事例,對(duì)比分析了三種積冰預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性,發(fā)現(xiàn)積冰指數(shù)法較好的反應(yīng)了積冰情況。對(duì)于不同區(qū)域積冰的預(yù)報(bào),各種預(yù)報(bào)算法準(zhǔn)確率仍然有待實(shí)地觀測(cè)驗(yàn)證。

積冰區(qū)云微物理特征的研究對(duì)于了解不同程度積冰形成機(jī)制十分重要。飛機(jī)觀測(cè)是對(duì)云最直接的觀測(cè)手段,國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用機(jī)載觀測(cè)資料對(duì)積冰云微物理特征已經(jīng)開(kāi)展了一些研究。31架次飛機(jī)觀測(cè)研究表明,飛機(jī)積冰發(fā)生時(shí)平均云滴數(shù)濃度約130 個(gè)每立方厘米,平均液水含量為0.13 g·m-3,平均有效粒子半徑為18 μm[15]。在科羅拉多東北部,粒子半徑較小且液水含量較低的冬季大陸層狀云造成的積冰多為輕度到中度,且多為霜狀[4]。在相同含水量情況下,過(guò)冷大滴的存在會(huì)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的積冰[16-17]。袁敏等[18]利用在宜昌及周邊地區(qū)的探測(cè)數(shù)據(jù)分析了一次積冰云層云微物理特征。孫晶等[7]研究表明,產(chǎn)生飛機(jī)積冰的云中存在豐沛的過(guò)冷水,過(guò)冷水平均值為0.36 g·m-3,云中基本無(wú)冰相粒子。雷達(dá)和衛(wèi)星等遙感探測(cè)對(duì)于大范圍積冰監(jiān)測(cè)預(yù)警具有重要意義。馮琬等[19]分析了一次飛機(jī)積冰發(fā)生時(shí)的MODIS觀測(cè)云微物理特征。Minnis[20]提出了一種基于GOES衛(wèi)星反演云有效溫度、云有效粒子半徑、云光學(xué)厚度等物理參數(shù)的積冰強(qiáng)度劃分方法。基于此方法,馬俊逸[21]利用FY-2F衛(wèi)星反演云參數(shù)分析判斷出積冰強(qiáng)度與飛機(jī)積冰報(bào)告記錄基本吻合。

國(guó)內(nèi)飛機(jī)積冰報(bào)告有限,飛機(jī)積冰的云物理探測(cè)資料更是珍貴。本文利用2018年1月24日河南地區(qū)一次飛機(jī)積冰天氣過(guò)程的機(jī)載探測(cè)資料,結(jié)合天氣雷達(dá)和衛(wèi)星云參數(shù)分析積冰產(chǎn)生的云微物理特征。

1 資料介紹與數(shù)據(jù)處理

本文使用的數(shù)據(jù)有河南省2018年1月24 日的兩次機(jī)載觀測(cè)數(shù)據(jù)、S波段天氣雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)以及葵花8衛(wèi)星反演云參數(shù)數(shù)據(jù)。機(jī)載探測(cè)儀器和資料處理方案如下:

1.1 飛機(jī)云物理探測(cè)儀器

本次探測(cè)飛機(jī)為新舟60B-3435號(hào)人影作業(yè)飛機(jī),探測(cè)儀器為美國(guó)粒子測(cè)量公司DMT(Droplets Measurement Technologies,DMT)的機(jī)載探測(cè)設(shè)備,此套探測(cè)儀器能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量出大氣的溫度、氣壓、濕度等宏觀資料,且可獲得云滴粒子譜分布以及大氣中的液態(tài)含水量,并能給出25～6 200 μm的粒子二維圖像,為云微物理特征研究提供詳細(xì)的資料。DMT儀器介紹如表1所示,其中云粒子探頭CDP(Cloud Droplet Probe,CDP)利用Mie散射原理測(cè)量大氣中小云滴的譜分布,該儀器探測(cè)尺度范圍為2～50 μm,共分為30個(gè)檔,前12檔的通道間隔為1 μm,后面18檔的通道間隔為2 μm。CIP(Cloud Image Probe,CIP)和PIP(Precipitation Image Probe,PIP)為粒子圖像探頭,利用光電二極管技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)云中粒子大小和形狀的觀測(cè)。熱線含水量?jī)x(Hot-Wire)可測(cè)量云中的液態(tài)含水量,當(dāng)有水滴碰撞到儀器上面時(shí),水滴蒸發(fā)帶走熱量,電路需消耗額外的功率來(lái)維持原來(lái)的恒定溫度,此時(shí)電路所消耗的這部分額外功率與碰撞到它上面的水滴的質(zhì)量是成正比的,根據(jù)這一原理,可以實(shí)時(shí)測(cè)量出碰撞到線圈上的液態(tài)水的質(zhì)量。

表1 DMT儀器介紹

1.2 數(shù)據(jù)處理計(jì)算

文中涉及到物理量的計(jì)算公式如下:

有效粒子直徑ED:

(1)

中值體積直徑MVD:

(2)

液態(tài)含水量LWC:

(3)

其中:D和r分別為不同尺度檔的直徑和半徑;n(D)和n(r)為不同通道的粒子濃度,單位cm-3·μm-1;dr和dD為檔寬;Dmax和Dmin分別為最大直徑和最小直徑。

2 飛機(jī)觀測(cè)云微物理特征及演變

2.1 飛行探測(cè)概況介紹

2018年1月24日,河南省人工影響天氣中心在09:18至12:21(第1次探測(cè))和15:02至17:00(第2次探測(cè))分別開(kāi)展了兩次人工增雨(雪)飛機(jī)探測(cè)。兩次探測(cè)的飛行航線如圖1所示,其中黑色曲線為09:18至12:21飛行探測(cè)的軌跡,灰色曲線為15:02至17:00飛行探測(cè)的軌跡,黑色散點(diǎn)分別展示了鄭州(星形)和南陽(yáng)(三角形)探空站所在位置。本次飛行區(qū)域在自南向北移動(dòng)的天氣系統(tǒng)前沿,探測(cè)云系為層狀云系。根據(jù)機(jī)上宏觀記錄記載,飛機(jī)在探測(cè)作業(yè)過(guò)程中平飛探測(cè)區(qū)域觀測(cè)到了積冰。

圖1 兩次探測(cè)的飛行航線

2018年1月24日08:00 L波段探空溫濕廓線如圖2所示。鄭州站08:00探空顯示當(dāng)天整層溫度較低,地面溫度已低于0 ℃,1.5～2.5 km之間有明顯的逆溫層結(jié),溫度變化率為7 ℃·km-1。逆溫層結(jié)阻礙了邊界層水汽向上的傳輸,1.5 km以下有相對(duì)濕度大于80%的濕區(qū),而2.5 km以上相對(duì)濕度很低,基本低于10%。南陽(yáng)低層水汽條件較鄭州好,且南陽(yáng)地區(qū)濕層更厚,1～3.2 km之間相對(duì)濕度均值大于90%,5.6 km以上相對(duì)濕度低于10%;同樣,南陽(yáng)站地面溫度也低于0 ℃,且在1～3 km之間存在較弱的逆溫層結(jié)。與張利平等[8]和孫晶等[7]研究結(jié)果相似,本次積冰過(guò)程也伴隨有逆溫層結(jié)出現(xiàn)。

圖2 2018年1月24日08:00 L波段探空溫濕廓線

2.2 平均云微物理量特征

以機(jī)載云粒子探頭CDP探測(cè)的云粒子濃度Nc大于10個(gè)每立方厘米作為云區(qū)的判斷標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算得到了兩次探測(cè)平均云滴統(tǒng)計(jì)特征量如表2所示。由表2可見(jiàn),第1次探測(cè)平均云滴數(shù)濃度為99.60 個(gè)每立方厘米,平均有效粒子直徑為8.26 μm,平均液水含量為0.02 g·m-3。第2次探測(cè)平均云滴數(shù)濃度為43.42個(gè)每立方厘米,平均有效粒子直徑為12.91 μm,平均液水含量為0.03 g·m-3。較第1次探測(cè)個(gè)例,第2次探測(cè)得到的云滴數(shù)濃度減少,而液水含量和有效粒子半徑增加。與加拿大東海岸冬季風(fēng)暴的研究結(jié)果[15]相比,本次觀測(cè)中積冰區(qū)域的云微物理量值均偏小。

表2 兩次探測(cè)平均云滴統(tǒng)計(jì)特征量

2.3 云微物理特征演變

第1次探測(cè)溫度、高度、粒子數(shù)濃度和液水含量等隨時(shí)間的演變?nèi)鐖D3所示,其中圖3(a)中黑色實(shí)線為飛行高度,灰色實(shí)線為溫度曲線;圖3(b)中灰色虛線為熱線含水量?jī)x觀測(cè)值,黑色實(shí)線為CDP計(jì)算值,此次觀測(cè)云區(qū)數(shù)據(jù)主要位于-7～-10 ℃之間。飛機(jī)探測(cè)的溫度和高度如圖3(a),液態(tài)含水量LWC如圖3(b),CDP探測(cè)數(shù)濃度Nc如圖3(c)。圖3還展示了部分時(shí)刻的CIP粒子圖像,由圖像可見(jiàn),記錄有積冰形成的時(shí)段(圖3中方框內(nèi)),云中存在球形液滴,同時(shí)也存在著尺度較大的片狀冰晶和輻枝狀冰晶,云系性質(zhì)為冰水共存的混合相態(tài)云。通過(guò)貝吉龍過(guò)程,云中冰晶消耗過(guò)冷水增長(zhǎng),會(huì)使云中的液水含量減小。而從09:45(T1)和11:45(T4)的粒子圖像上可以看到,這些時(shí)刻觀測(cè)到的粒子以不規(guī)則的片狀和輻枝狀冰晶為主,同時(shí)有少量的柱狀冰晶存在,但未觀測(cè)到球形粒子。云中小云粒子(直徑小于50 μm)粒子濃度較小,液水含量也較低,宏觀記錄上未記錄積冰。本次探測(cè)液水含量基本小于0.1 g·m-3,熱線觀測(cè)值稍大于CDP計(jì)算值。

圖3 第1次探測(cè)溫度、高度、粒子數(shù)濃度和液水含量等隨時(shí)間的演變

第2次探測(cè)溫度、高度、粒子數(shù)濃度和液水含量等隨時(shí)間的演變?nèi)鐖D4所示。

圖4 第2次探測(cè)溫度、高度、粒子數(shù)濃度和液水含量等隨時(shí)間的演變

飛機(jī)探測(cè)的溫度和高度如圖4(a),液態(tài)含水量LWC如圖4(b),CDP探測(cè)數(shù)濃度Nc如圖4(c)。與第一次觀測(cè)結(jié)果相似,本次云區(qū)探測(cè)高度4 km,溫度-6～-8 ℃。云中存在球形液滴(圖4 T2、T3),同時(shí)也存在著尺度較大的片狀冰晶,云系性質(zhì)為冰水共存的混合相態(tài)云。T1和T4觀測(cè)粒子以針狀和輻枝狀冰晶為主,未觀測(cè)到球形粒子。

2.4 LWC與MVD相關(guān)性

積冰強(qiáng)度由云液態(tài)含水量、云滴直徑、環(huán)境氣溫等變量共同決定。液水含量越高、云滴尺度越大,則積冰強(qiáng)度相應(yīng)也越大。國(guó)外根據(jù)大量飛機(jī)積冰的探測(cè)研究,建立了飛機(jī)自然積冰環(huán)境中的飛行標(biāo)準(zhǔn)[22]。本節(jié)選取了兩次機(jī)載探測(cè)的過(guò)冷云區(qū)數(shù)據(jù),分析LWC與MVD的相關(guān)關(guān)系。2個(gè)架次共獲得了5 914個(gè)云區(qū)數(shù)據(jù)。將LWC等對(duì)數(shù)間隔分為了8檔(具體每檔的范圍為:10-3～10-2.75,10-2.75～10-2.5,10-2.5～10-2.25,10-2.25～10-2,10-2～10-1.75,10-1.75～10-1.5,10-1.5～10-1.25,10-1.25～10-1,計(jì)算不同LWC下MVD的中值、1/4和3/4分位值以及最大最小值。使用Y=AXb公式對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行擬合,LWC與MVD相關(guān)性統(tǒng)計(jì)擬合分析的結(jié)果如圖5所示,其中,星號(hào)為MVD的中值,陰影表示1/4和3/4分位值,灰色實(shí)線展示在此LWC區(qū)間內(nèi)MVD的最大和最小值,黑色實(shí)線為擬合曲線。由圖可見(jiàn),MVD與LWC有較好的正相關(guān)關(guān)系,使用函數(shù)Y=AXb可以較好地對(duì)LWC和MVD關(guān)系進(jìn)行描述,擬合參數(shù)為A=32.78,b=0.29,相關(guān)系數(shù)0.7。本次過(guò)程液水含量值較低,基本低于0.1 g·m-3,根據(jù)現(xiàn)有飛行標(biāo)準(zhǔn)附錄C[22]積冰程度不會(huì)影響,到飛行安全。

圖5 LWC與MVD相關(guān)性統(tǒng)計(jì)擬合分析的結(jié)果

3 雷達(dá)回波及衛(wèi)星云參數(shù)分析

3.1 雷達(dá)組合反射率和垂直剖面分析

飛行區(qū)域的雷達(dá)回波如圖6所示,飛行區(qū)域(圖中黑色方框)軌跡疊加中間時(shí)刻的雷達(dá)組合反射率如圖6(a)、圖6(c),圖6(b)和圖6(d)為兩架次沿飛行軌跡的雷達(dá)回波剖面,其中實(shí)線為飛機(jī)飛行高度。本次飛機(jī)積冰過(guò)程雷達(dá)回波水平分布較為均勻,具有明顯的層狀云降水特征,天氣雷達(dá)回波觸及地面,地面產(chǎn)生了降水。由組合反射率圖可見(jiàn),積冰區(qū)域回波強(qiáng)度整體較弱,雷達(dá)反射率最大值不超過(guò)25 dBZ,飛行積冰高度的雷達(dá)反射率基本在5～10 dBZ之間。隨著高度的降低,降水粒子尺度不斷增大,由于雷達(dá)反射率與粒子尺度的6次方成正比,因此雷達(dá)反射率隨高度降低有明顯的增強(qiáng)。

圖6 飛行區(qū)域的雷達(dá)回波

3.2 衛(wèi)星云參數(shù)分析

飛機(jī)機(jī)載設(shè)備探測(cè)頻率為1 Hz,每秒鐘有一組觀測(cè)數(shù)據(jù)。提取飛機(jī)飛行位置的最近時(shí)間最近像素點(diǎn)的葵花8衛(wèi)星云參數(shù)進(jìn)行研究分析,飛機(jī)飛行位置的衛(wèi)星云參數(shù)平均值如表3和所示,機(jī)載探測(cè)區(qū)域COT(a)和CER(b)頻率分布圖如圖7所示。結(jié)果表明,飛行區(qū)域云系發(fā)展旺盛,光學(xué)厚度(Cloud Optical Thickness,COT)較大,超過(guò)90%的樣本光學(xué)厚度大于40,光學(xué)厚度平均值分別為67.4和84.2。云頂有效粒子半徑(Cloud Effective Radius,CER)較小,分布在0～15 μm之間,其中有效粒子半徑在5～10 μm之間的樣本最多,約占總樣本的60%,兩次探測(cè)區(qū)域的衛(wèi)星反演有效粒子半徑平均值分別為8.9 μm和7.6 μm。由于飛行區(qū)域有限,且云系分布相對(duì)均勻,兩次探測(cè)的云頂高度和溫度分布范圍較窄,云頂高度6～7 km,云頂溫度-15～-20 ℃。由表3可見(jiàn)兩次探測(cè)的云頂高度(Cloud Top Height,CTH)平均值分別為6.4 km和6.5 km, 云頂溫度(Cloud Top Temperature,CTT)平均值分別為-16.2 ℃和-17.4 ℃。

表3 飛機(jī)飛行位置的衛(wèi)星云參數(shù)平均值

圖7 機(jī)載探測(cè)區(qū)域COT(a)和CER(b)頻率分布圖

4 結(jié)論

本文利用2018年1月24日河南地區(qū)一次飛機(jī)積冰天氣過(guò)程的機(jī)載探測(cè)資料,結(jié)合天氣雷達(dá)和衛(wèi)星云參數(shù)分析了積冰產(chǎn)生的云微物理特征。研究結(jié)果表明:

(1)本次探測(cè)云系為層狀云系,平均有效粒子直徑小于15 μm,平均液態(tài)含水量低于0.1 g·m-3。

(2)積冰區(qū)域云中存在球形液滴,同時(shí)也存在著尺度較大的片狀冰晶和輻枝狀冰晶,云系性質(zhì)為冰水共存的混合相態(tài)云。

(3)云中液態(tài)含水量隨中值體積直徑增大而增大,函數(shù)Y=32.78X0.29可以較好地描述液態(tài)含水量與中值體積直徑的關(guān)系。

(4)積冰區(qū)域整體回波強(qiáng)度較弱,飛機(jī)積冰高度的雷達(dá)反射率為5～10 dBZ,云系光學(xué)厚度較大,有效粒子半徑較小,平均云頂高度6～7 km,云頂溫度約-17 ℃。

本文基于兩架次飛機(jī)探測(cè)研究,得到了此次積冰過(guò)程發(fā)生的云微物理特征及液態(tài)含水量與中值體積直徑的相關(guān)關(guān)系。建立適合我國(guó)的適航標(biāo)準(zhǔn)需要更多不同液態(tài)含水量、不同積冰強(qiáng)度的探測(cè)資料分析。