飞机积冰的分析预报技术研究Word文档下载推荐.docx
《飞机积冰的分析预报技术研究Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《飞机积冰的分析预报技术研究Word文档下载推荐.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
数值模式；
业务预报
AnalysisofAircrafticingforecasttechnique
Abstract
Thispaperstudiesthephysicsofaircrafticingprocessesandinfluencingfactors，ExperimentalComparisonoficeaccretionalgorithm。
UsingMM5mesoscalenumericalmodelandforecastproducts，Establishedpredictionmodelaircrafticing，Aircraftwithahistoryreportofinspectionandcertificationbusinessoperations,forecastisbetter.
Keywords:
Aircrafticing；
Mesoscale；
Numericalmodel；
Businessforecast
1绪论
随着航空技术的发展，飞机性能得到改善，飞机速度大、升限高，且配有防冰装置，这些使飞机积冰的危害在一定程度上减小了。
但现代中高速飞机在起飞、着陆阶段以及在严重积冰天气区飞行时，同样可能发生积冰现象甚至导致飞行事故。
尤其是低速飞机和直升机积冰的危险性更大。
20世纪90年代以来，探测和预报飞机积冰的手段有了新的发展，利用数值预报模式把基本物理量的动力预报与积冰的诊断计算结合起来，先后提出了几种积冰算法，改善了飞机积冰的预报效果。
1999年12月至2000年2月由北美飞机积冰研究联盟签署的联合积冰研究一期计划在加拿大实施，联合积冰研究二期计划也将于2003年11月着手进行，综合利用卫星和地基遥感设备、飞机和数值预报模式来判识积冰区。
本文通过分析研究飞机积冰的物理过程和影响因子，试验对比积冰算法，采用中尺度数值模式，建立了可供业务使用的飞机积冰预报系统，经验证，预报效果较好。
2飞机积冰概述
2.1飞机积冰的形成
2.1.1飞机上聚集冰层的机制
飞机积冰的原理：
云中存在过冷水滴，过冷水滴是不稳定的，稍受震动，即冻结成冰。
当飞机在含有过冷水滴的云中飞行时，如果机体表面温度低于0℃，过冷水滴就会在机体表面某些部位冻结，并聚集成冰层。
飞机积冰的过程：
过冷水滴温度接近0℃，冻结、蒸发、再冻结。
当过冷水滴较小，温度接近-20℃时，直接冻结。
飞机积冰的基本条件：
气温低于0℃，飞机表面温度低于0℃，和有温度低于0℃的水滴存在。
2.1.2飞机积冰的种类
1.明冰：
光滑透明、结构坚固。
在0至-10℃的过冷雨中或大水滴组成的云中形成
2.雾凇：
不透明，表面粗糙。
多形成在温度为-20℃左右的云中
3.毛冰：
表面粗糙不平，冻结得比较坚固，像白瓷，形成在-5至-15℃的云中
4.霜：
未饱和空气和温度低于0℃的飞机接触时，如果机身温度低于露点，水汽在机体表面直接凝华而成
2.2飞机积冰的强度
2.2.1积冰强度的划分
积冰等级
弱积冰
中积冰
强积冰
极强积冰
单位时间
积冰厚度
（mm/min）
<
0.6
0.6-1.0
1.0-2.0
>
2.0
机体表面
（cm）
<
5.0
5.0-15.0
15.0-30.0
30.0
2.2.2影响飞机积冰强度的因子
1.云中过冷水含量和水滴的大小
2.飞行的速度
3.机体积冰部位的曲率半径
2.2.3高速飞行时的积冰特点
1.速度越大积冰越弱
2.容易出现“槽型积冰”
楔形平滑状积冰：
往往是明冰，一般表现为沿气流方向的积冰
槽型粗糙冰：
它对飞机的空气动力学特征的损害最厉害
无定形起伏状积冰：
多为在混合云中飞行时造成的，积冰牢固，在长途飞行中有危险
2.3产生积冰的气象条件
2.3.1飞机积冰与云中温度、湿度的关系
1.飞机积冰通常形成于0℃至-20℃范围内，强积冰多发生在-2℃至-10℃之间
2.积冰一般发生在云中温度露点差<
7℃范围内，以0-5℃发生积冰最多，强积冰多发生在温度露点差为0-4℃范围内
飞机积冰与云中温度的关系
飞机积冰与空速和温度的关系
2.3.2飞机积冰与云状的关系
1.积云与积雨云通常是强积冰，最强的积冰多见于要发展成积雨云的高大浓积云的上半部和积雨云成熟阶段的上升气流区，而且常常积明冰。
2.层云和层积云（或高积云）中的积冰通常为弱积冰或中积冰，云上部积冰比下部强
事例：
1982年11月11日我国西北地区出现一次层积云降雪天气。
层积云云底高度为500米温度为-5度，云顶高度为2300米,温度为-12度，云层厚度为1800米，云层均为积冰层.飞机降落穿过云层时，机翼前边已出现中度积冰。
2.3.3飞机积冰与降水的关系
在冻雨和雨夹雪中飞行，会形成强积冰。
降水使能见度减小，过冷却雨滴会造成飞机积冰，降水产生的碎雨云影响飞机起飞和着陆，大雨下方容易出现较强的下降气流，大雨和暴雨能使发动机熄火，大雨恶化飞机的空气动力，降水影响跑道的使用。
2.3.4容易产生积冰的时间和地区
季节：
主要出现在冬半年
高度：
5000米以下，3000米左右最大
温度：
-4～-10℃范围内概率最大
地区：
锋面附近或穿越锋区时积冰的概率较大
我国飞机积冰的气候区划
2.4积冰条件下的飞行
2.4.1积冰对飞行的影响
1.破坏飞机的空气动力性能：
机翼和尾翼积冰，使升力系数下降，阻力系数增加，并可引起飞机抖动，使操纵发生困难。
2.降低动力装置效率，甚至产生故障：
螺旋浆飞机的桨叶积冰，会减少拉力，使飞机
推力减小。
同时，脱落的冰块还可打坏发动机和机身。
从进气口来的空气进入汽化器，使文氏管内压力和温度降低，当燃油注入气流中来时，温度会进一步降低。
文氏管和燃油蒸发引起的双重冷却效应，改变了空气的温度和湿度，使暴露在空气中的进气口积冰。
3.影响仪表和通讯，甚至使之失灵
发动机积冰
在空气中湿度较大的区域如雾、云或降水中，如果外部温度低于+15℃，则会在发动机进气口或汽化器上出现积冰。
这样就会使进气量减少，进气气流畸变，造成动力损失，
甚至使发动机停车。
对长途飞行的喷气式飞机来说，燃油积冰是一个重要问题。
长途高空飞行，机翼油箱里燃油的温度可能降至与外界大气温度一致──约为-30℃。
油箱里的水在燃油系统里传
输的过程中很可能变成冰粒，这样就会阻塞滤油器、油泵和油路控制部件，引起发动机内燃油系统的故障。
1991年12月27日，在斯德哥尔摩，一架麦道-81型飞机在刚刚起飞之后不久，两台发动机因吸入了从机翼上脱落下来的冰块而停车，飞机紧急迫降，在机场外着陆，机体断为三截，所幸没有人员死亡。
2.4.2积冰的预防和处置措施
飞行前的准备工作：
1.认真研究航线天气及可能积冰的情况
2.确定避开或安全通过积冰区的最佳方案
3.检查防冰装置，清除已有积冰、霜或积雪
飞行中的措施：
1.密切注意积冰的出现和强度
2.及时防冰和除冰
3.脱离积冰区
4.飞机积冰后，尽量保持平飞和安全高度
防冰和除冰：
1.必须记住的是，在飞行中，如果冻结温度很低，汽化器很少出现积冰。
当大气温度在＋10到＋15℃并伴有降水时，汽化器最容易出现积冰。
在这种条件下，无论发动机处于何种工作状态，汽化器都会出现严重积冰。
2.对汽化器积冰的问题，可以通过发动机进气口对汽化器进行加热来解决，把进入汽化器的空气温度加热到20℃，汽化器温度将保持在冰点以上。
1982年1月13日美国佛罗里达航空公司的一架B737飞机，因大风雪天气被困于华盛顿国家机场，数次推迟起飞，最后一次在喷洒防冻液后，又在风雪中等待了49分钟，在没有检查机身外表的冰雪是否已彻底清除的情况下就仓促起飞，结果因机翼上严重积冰，达不到足够的上升速率而下掉，撞在桥上后坠入波托马克河中，74人遇难，地面上死亡4人。
3飞机积冰的分析预报技术研究
3.1飞机积冰的种类及影响因素
机积冰是指飞机机体表面某些部位聚积冰层的现象。
它主要由云中过冷水滴或降水中的过冷雨滴碰到飞机机体后冻结形成的，也可由水汽直接在机体表面凝华而成。
有时，地面露天停放的飞机上也会形成积冰。
我国航空气象界将飞机积冰划分为四类：
明冰、雾凇、毛冰和霜。
3.1.1气象条件对飞机积冰的影响
1.温度
气象上常用环境温度。
飞行员和飞机设计师使用总温（TAT），它包含飞机速度效应。
（TAT）又称"
驻点温度"
等于环境温度加上由于气流阻滞和压缩而造成的动力增温。
速度高时这种增温是显著的。
在926公里（500海里）/小时时驻点温度和环境温度之差高达10℃。
相对小的环境温度与总温的变化，能够引起相对较弱的毛冰条件向危险的混合冰条件转换。
积冰严重程度对总温的非线性依赖关系与飞机速度作用相结合，使得单独根据环境气温精确地识别中等上积冰潜在区成为难点。
2.液态水含量（LWC）及水滴大小
云中过冷水含量越大，积冰强度越强。
云中过冷水含量主要取决于温度。
温度越低，过冷水含量越小。
大水滴更易于被机体捕获。
中位数体积直径（DMV）和水滴大小分布的实际形状确定了飞机的有效冲并效率。
以小水滴为主的云中，高LWC只能产生微量或者忽略不计的积冰，而主要由大水滴组成的云中，相对低的LWC也可能形成中等以上的积冰。
3.云相态
对一特定云来说，积冰潜力直接与云中水凝物的相态相关。
积冰通常产生于过冷水滴的冲击作用，干冰晶在冲击后一般不附着于飞机表面，如果部分冰晶融化变湿，或者由于除冰或穿越高液态水含量区而使飞机表面变湿，那么冲击冰晶将会粘附。
3.1.2飞机参数对积冰的影响
飞行速度、飞机形状、飞机类别等很多飞行参数都会对积冰过程产生影响。
在其他条件相同的情况下，飞行速度的增加，一方面增加液态水的冲并效率，有利于积冰，另一方面产生动力增温，降低积冰可能性。
飞机不同部位的积冰可以发生在气象条件完全不同的环境中。
机体积冰一般发生在可见潮湿（云、降水等）环境中，而汽化器积冰或进气系统积冰常常发生在晴空甚至温度较高的大气环境中。
从积冰发生的条件和影响因素来看，预报和识别危害性积冰环境十分困难。
积冰过程中很重要的许多参数（水滴大小、云相态等）预报人员不能直接获得，可以得到的参数（如温度、液态水含量等）与积冰严重程度非线性相关。
另外不同飞机类型的多种敏感性意味着单一的积冰灾害分析会对一定飞机类型产生过高或过低的严重程度预报。
3.2中尺度数值模式
本研究所所采用的数值模式为MM5中尺度模式，水平网格为51x55，分辨率为60km，垂直方向23层。
所用资料为每日08、20时地面、高空常规气象报文。
针对积冰、云等航空气象要素的时空分布特点，加密了模式850hPa，层以下低空的垂直分层（6层），这对于飞机的起飞、着陆阶段及飞行高度低的中小型飞机来说，增加了预报的依据和可靠性，提高了云、积冰等重要航空气象要素的低空预报能力。
3.3飞机积冰的预报算法
3.3.1飞机积冰算法一
采用美国国家大气研究中心提出的积冰严重性指数的概念。
考虑影响积冰的三个主要参数：
大气环境温度、云中过冷水含量及云滴的中位数体积直径。
将此三个量分为5至6档，构成一个数据矩阵。
矩阵的每个元素指定为一个积冰严重性指数值Ⅰ，它由0至10共11个数值表示。
其严重性随数值的增大而增加。
1.液态水含量（单位：
g.m-3）的计算：
对于积状云，过冷水含量（LC）用下式估计：
LC=0.95*Ph*（Qc-Qh）/（2.87*Th）
Ph为飞行高度处的气压（单位：
hPa）
Qc为云底（或抬升凝结高度上）的饱和比湿（单位：
g.kg-1）
Qh为飞行高度处的饱和比湿（单位：
Th为飞行高度处的热力学温度（单位：
K）
th为飞行高度处的摄氏温度（单位：
℃）
对于层状云，过冷水含量（Ln）用下式估计：
Ln=0.25*104ƒ*E（Tc-Th）/（
-（
-36）2）
ƒ为飞行高度处的大气相对湿度（单位：
%）
E=6.61*107.5*th/（237.5+th）（单位：
Tc为云底温度（单位：
=（Tc+Th）/2
表1是液态水含量（L）分级表
2.云滴的中位数体积直径DMV与云状有关，由表2、3确定：
3.环境温度（T）为实际观测值或模式预报值，见表4
4.积冰严重性指数（Ⅰ）矩阵
T1：
T>
0℃，积冰严重指数Ⅰ=0
3.3.2飞机积冰算法二
通过统计分析飞机积冰的大气环境条件发现，温度（Τ）、温度露点差（Td）、温度平流、云、降水等要素对飞机积冰的影响十分重要，据此试验设计积冰预报方案。
有无积冰判椐：
当某一层次满足-8℃<
t<
0℃且t-Td≤2.0℃时；
或-16℃<
t≤-8℃且t-Td≤3.0℃时；
或-22℃<
t≤-16℃且t-Td≤4.0℃时；
则此层有积冰。
积冰强度判据见表5。
3.3.3飞机积冰算法三
采用美国空军全球天气中心提出的积冰方案（RAOB积冰方案）。
根据每个探空层上的温度（T）、露点（Td）及在本层与上层间计算的温度递减率,确定此层的积冰强度和积冰类型。
积冰层的上下限根据积冰判据由温度、露点在高度上的插值得到。
积冰层内最严重的积冰强度和类型被视为整层的强度和类型。
积冰强度划分为8个等级:
0-无积冰
1-微量毛冰（TRC-RIM）
2-轻度混合冰（LGT-MXD）
3-轻度毛冰（LGT-RIM）
4-轻度明冰（LGT-CLR）
5-中度混合冰（MDT-MXD）
6-中度毛冰（MDT-RIM）
7-中度明冰（MDT-CLR）
表6给出RAOB积冰方案。
3.3.4飞机积冰算法四
Forbes和Thompson定义了四种积冰类型（RAP积冰预报方案）：
层状、冻雨、不稳定、普通
层状积冰:
-12℃<
t≤0℃且ƒ≥85%，在较高层T<
-12℃且ƒ<
85%
冻雨积冰：
t≤0℃且ƒ≥80%，其上层T>
0℃，ƒ=80%
不稳定条件积冰：
-20℃<
t≤0℃且ƒ≥56%，在较低不稳定层ƒmaxƒ≥65
普通条件积冰：
-16℃<
t≤0℃且ƒ≥63%
图1给出RAP积冰算法冻雨型积水示意图
图2给出RAP积冰算法层状型积水示意图
根据模式输出产品，计算温度和相对湿度的垂直廓线，并根据温度和相对湿度的阈值确定四种积冰类型：
普通1、不稳定2、冻雨3、层状（冻毛毛雨）4。
3.3.5积冰的集成预报
集成预报中除了考虑上述四种主要积冰算法外，还包含下列三种积冰算法：
美国国家航空天气中心用温度和相对湿度定义的高概率条件和低概率条件的积冰方案（NAWAU积冰预报方案），法国气象局根据温度、相对湿度、水汽混和比和垂直速度设计的积冰方案（SKEW算法），以及美国国家大气研究中心提出的利用地面观测的降水类型和云量，结合温度和相对湿度识别大过冷水滴（SLD）可能存在区域的积冰方案（STOVEPIPE飞机积冰算法）。
采用综合多指标叠套技术来判识飞机积冰的落区，即当所采用的预报算中大部分或部分主要算法在某一层某一区域内满足积冰判据时，则认为该层该区域有利于积冰的产生，预报有积冰。
积冰的强度主要采用加权法综合确定，每种算法的权重根据其在个例回报试算中的技巧得分能力给定。
集成预报中把积冰强度等级分为6档，即无、轻度、轻-中度、中度、中-强以及严重积冰。
同时用数字0、1、2、3、4、5对应以上各级。
制作预报图时用数值表示，以便作等值线分析或伪彩图显示。
4积冰预报实验分析
研究期间共收集到1990-2001年的飞机积冰报告37例，用中尺度分析预报系统对这些个例逐一进行了24h模拟试验，并采用7种预报方法分别制作飞机积冰的诊断、预报。
以飞机报告作为判断预报结果是否正确的检验标准，对各预报方法的效果进行了分析和比较，提出了积冰综合预报方法。
用37例飞机积冰报告作检验，有30次预报正确，有7次预报不正确，积冰预报准确率达81.1%，预报效果较好。
由此可见，基于中尺度数值预报模式和产品研究开发的综合积冰预报方法对飞机积冰有较强的预报能力。
以2001年1月4日为例。
当日，某部在开封进行飞行训练。
13时06分、13时12分先后有两架飞机在准备着陆阶段，下降高度至400米处，因机翼、尾翼积冰，突然失速坠毁。
在3日20时500hPa图上，从山西南部至湖北西部有一小槽，开封处于偏西气流中。
从700hPa图上，从河南西南部至湖北西北部有小高压，切变线位于南京、汉口、重庆一带，开封受西北西气流控制。
4日08时，开封500hPa受西北西气流控制，中低层处于槽前，地面为冷高压控制。
100km以南有雨区。
12时30分，飞机侦查天气：
400米入云，1500米云上碧空。
图3、图4分别为本系统制作的1月4日08时950hPa6小时、12小时飞机积冰综合预报图。
图5为1月4日08时850hPa6小时飞机积冰综合预报图。
从图中可以看出，系统准确地预报出在近地面层较低高度上有轻-中度积冰区，位于开封、郑州、武汉一带，而850hPa以上飞行空域内没有积冰。
飞机较长时间在有利于积冰的云中飞行，造成了机翼、尾翼积冰。
图6、图7、图8分别为系统采用的单种方法诊断的1月4日08时950hPa6小时飞机积冰预报图，其中，RAOB积冰预报方案、NAWAU积冰预报方案、RAP积冰预报方案较好预报出了积冰区域和高度。
5结论
（1）本文采用MM5中尺度模式，根据云、积冰影响飞行活动的特点，提高中低层的垂直分辨率，将模式的中低层特别是850hPa以下的低层增加垂直分层（6层）。
提高了对小尺度现象的识别和预报能力，为积冰预报提供更细致的背景场。
这样对于飞机的起飞、着陆阶段及飞行高度低的中小飞机来说，增加了预报的依据和可靠性。
（2）对几种积冰算法进行了对比试验，结果表明，RAOB积冰预报方案、NAWAU积冰预报方案、RAP积冰预报方案预报效果较好；
而STOVEPIPE飞机积冰算法特别侧重于强度在中度以上的积冰，依赖于地面观测网的时空密度，预报时效短（12小时以内）；
SKEW算法预报严重积冰效果较好。
（3）通过对比分析国内外已成熟的积冰预报方法发现，传统的统计预报方法没有生命力。
在现有的观、探测系统下，要想进一步改进提高基于模式输出基本物理量场的积冰算法的预报准确率也是十分困难的。
而研究合理的云微物理参数化方案、直接利用模式显式预报的云中液态水含量等与积冰关系密切的云参数来识别积冰潜在性的预报算法，及应用卫星遥感观测资料来判识飞机积冰区等方法，具有较好前景。
参考文献
［1］GarriereJM,AlquierS,christineLB,etal.Statisticalverificationofforecasticingriskindices.Meteorol.Appl.,1997,4:
115-130
［2］SchwartzB.TheQuantitativeuseofPIREPsindevelopingaviationweatherguidanceproducts.Wea.Forecasting,1996,11:
372-384
［3］BruintjesBTandThompsonG.Acasestudyofamoderatetosevereicingeventduetofreezingdrizzleduringthewisp1994fieldprogram.14thConf.OnWAF,1994
［4］CoberSG,GeorgeAIandStrappJW.AircraftIcingMeasurementsinEastCoastWinterStorms.J.Appli.Meteor.,1995,34:
88-100
［5］BernsteinBC.Anewtechniqueforidentifyinglocationswheresupercooledlargedropletsarelikelytoexist:
thestovepipealgorithm.15thConf.OnWAF,1996
［6］ThompsonG,BruintiesPT,BrownBGetal.Intercomparisonofin-flighticingalgorithms.Wea.Forecasting,1997,12:
878-889
［7］SmithTL,RamerJEandBenjaminSG.MAPSforecastsofaviation-impactvariables.6thConf.OnAviationWeatherSystems,1995.51-56
［8］LankfordTT.AircraftIcing:
APilot,sGuide,1999.1-218
［9］Tremblay
升级会员 