一种飞机空中积冰潜势诊断指数与检验评估

飞机积冰是影响飞行安全的重要危险天气,准确的积冰诊断对民航运行与安全具有重大意义,特别是对国产大飞机适航取证具有重要作用。本文参考改进的CIP(Current Icing Potential)指数,使用垂直速度和云中液态水含量对积冰潜势诊断指数进行优化得到SCIP(Simplified Current Icing Potential)指数,该指数直接基于大气层结资料给出较为准确地飞机积冰潜势,具有命中率高、实用性强的特点。用2021年2月28日至12月31日民航航空器报告对原CIP指数和SCIP指数进行对比验证评估,发现相比于原CIP指数,SCIP指数具有更优异的ROC曲线(Receiver Operating Characteristic Curve)和TSS评分(True Skill Score)。但是对于不同程度的积冰,原CIP指数和SCIP指数均表现出较一致诊断效果,表明SCIP指数对诊断飞机积冰潜势具有重要作用,但无法判断积冰强度。根据2020年3月16日陕西区域飞机结冰个例验证表明增加垂直速度和云中液态水含量的影响对飞机积冰的描述更加细致,对提升积冰潜势诊断效果具有重要意义。

贵州区域飞机积冰时空特征及其气象条件分析

飞机积冰严重威胁着航空飞行安全。本文利用2007年~2023年贵阳机场话音方式航空器空中报告、ERA5再分析资料,采用统计与诊断分析的方法,探讨贵州区域飞机积冰的时空特征、强度特征及有利气象条件。结果表明:贵州区域飞机积冰的发生次数逐年上升,一年四季均有可能出现积冰,其中,冬季(1月)是飞机积冰的高发季(月)。积冰主要集中在3000 m~5000 m高度,且多出现于贵州中北部和东北部地区。Ic积冰指数对积冰发生区域的估算与实况基本一致,但对积冰强度的估算偏弱。5种可能引发飞机积冰的大气环流形势中,静止锋型的飞机积冰出现次数最多。积冰发生时,大气温度介于−20℃~4℃,相对湿度介于75%~100%。

“04．12．21”飞机积冰天气过程数值特征分析

通过对2004年12月21日发生在民航太原机场附近的飞机积冰过程分析认为: 华北地面高压和河套地区高空槽形成的“回流+倒槽”形势是此次积冰的天气背景, 在具备暖湿环境的条件下,在冷暖空气交汇区域靠近冷空气一侧易发生积冰;除去飞机动力增温影响后,强积冰所需环境温度大致在-6--10℃之间;弱上升气流和冷平流已经侵入的区域内有利于积冰的形成;WAFS数值预报产品可较有效地描述天气系统发展的动力结构和机制,具有较好的积冰形势预报能力,而在国际民航组织向成员国推荐的积冰指数基础上重新构造的积冰指数可以更好地预报积冰天气的发生区域。

基于CloudSat识别飞机积冰环境中的过冷水滴

利用CloudSat资料对127次积冰报告的积冰类型、云类、温度和过冷水含量进行统计分析,结果表明:大多数积冰发生在-20℃以上的温度环境中,-20℃以下只发生了4次。明冰主要发生在-5~0℃;毛冰主要发生在-20^-10℃;混合冰主要发生在-15^-5℃。大多数积冰发生在层积云、雨层云和高层云中。过冷水含量随着温度降低而减少,并且过冷水含量的分布范围随着温度降低而变窄。2B-CWC-RO产品垂直剖面上水凝物含量数据能较好地识别出层积云、高层云和雨层云中的过冷水,但未能识别-20℃以下卷状云和对流云的过冷水。

安庆地区一次飞机积冰的气象条件分析

利用卫星、雷达、探空、飞机等观测资料和NCEP再分析资料,以及数值模拟结果,对2016年3月8—9日我国安庆地区的云系特征和飞机积冰气象条件进行了分析,并对比了几种积冰指数算法的计算结果。结果表明,此次飞机积冰发生在寒潮天气背景下,强冷空气造成锋面逆温。实测飞机积冰现象出现在对流降雨结束后的层积云层顶部,积冰高度对应高空锋区逆温层底部,云顶高度约为3.4 km,云顶温度为-10℃,无降水和雷达回波,云中主要为过冷水,丰沛时段飞机观测过冷水平均值为0.36 g m^-3,基本无冰相粒子。当云顶高度再度抬升,冰相粒子增多时,过冷水含量减少,不利于积冰现象发生。多种积冰指数对比分析表明,CIP初始积冰潜势算法较好体现了此次层积云飞机积冰特征。CPEFS模式模拟出了与实测比较一致的云宏微观结构。

中国飞机积冰的气候特征

本文利用美国国家环境预报中心 (NCP)和国家大气研究中心(NCAR)联合处理的全球大气 4 0年 (195 8- 1997)资料 ,对近 4 0年中国飞机积冰的气候特征进行了分析 ,通过功率谱及交叉谱分析的方法对南京地区的飞机积冰发生频率进行了周期变化的分析 ,并利用 k均值法进行了飞机积冰的航空气候区划 ,给出了飞机积冰的时空分布特征。

飞机积冰云微物理特征分析及监测技术研究

利用7个架次有积冰报告的飞机探测资料,对积冰云的微物理特征进行了分析,详细描述了云中相态组成、液水含量、中值体积直径和过冷大滴浓度特征。介绍了基于卫星、数值模式输出和地面观测资料的飞机积冰潜势监测技术,在与20个飞机探测积冰报告对比中,积冰监测可识别率为90%,并应用飞机积冰潜势监测技术具体分析了2010年10月26日的积冰个例。最后介绍了基于积冰潜势监测技术的飞机积冰监测系统,该系统能够支持水平分辨率为20 km、垂直分辨率为25 hPa、时间分辨率为1 h的飞机积冰潜势产品的运算和显示,该系统可为实际业务提供参考。

对华南对流云中过冷云水-飞机积冰的直接气象因子的中尺度数值预报试验

利用“海峡两岸及临近地区暴雨试验”(HUAMEX)加密观测资料和MM5湿物理显式方案模拟研究了1998.5.23～24自粤北移向南海海岸冷锋前对流云团中的云物理过程,给出了造成飞机积冰的直接气象因子-云中过冷水的空间分布和随时间演变及其与水汽、冰相(冰晶、霰、雪)、垂直气流的相互关系。结果显示,当对流较强因而产生冰相后,由于冰粒子与过冷水间的碰并及过冷水滴蒸发,过冷水迅速减少;当对流较弱因而只有液相云水而无冰相加入时,过冷云水维持。模拟试验显示具有完善湿物理显式方案的高分辨非静力平衡中尺度数值模式MM5可用于对飞机积冰的直接气象因子-云中过冷水的数值预报。

积冰对飞机本体纵向非线性动力学稳定域的影响

积冰威胁飞行安全,研究积冰对飞机稳定性的影响对确保飞行安全具有重要意义。积冰导致飞机失速迎角降低,仅研究飞机在小迎角线性段的稳定性是不充分的,还需对其非线性动力学稳定域进行研究。首先,基于积冰条件下的飞机气动系数曲线,建立积冰飞机纵向运动的非线性模型;然后,根据非线性动力学理论构造出飞机纵向运动的稳定域边界,并利用时域仿真对稳定域边界进行验证;最后,通过对比无冰与积冰条件下稳定域的变化,分析积冰对飞机稳定域的影响,并将积冰对飞机稳定域的影响和其对气动系数的影响进行对比。积冰条件下飞机稳定域在俯仰角速度方向上收缩约20%,稳定域边界处的最大迎角减小约1°。研究结果表明,积冰条件下飞机稳定域的变化与气动系数的变化一致,积冰导致飞机的稳定域缩小,容易引起飞行事故。

一次对流不稳定条件下飞机积冰的天气动力诊断分析

通过对2006年2月16日洛阳至广汉航线严重积冰过程诊断分析得到:青藏高原东部海拔3000～7500m之间强度较高的积冰生成与对流不稳定气象条件密切相关。K指数、上升速度和涡度平流等物理量可用于积冰的预报参考,大的K指数和K指数增长区、上升气流较强区域、正涡度平流区域与较强积冰区域对应。

一次飞机积冰环境中的云微物理特征

2014年3月12日利用机载粒子探头(DMT)对我国宜昌及周边地区的非降水云系进行了探测时发现了少量的飞机积冰,本文分析了积冰云层中云微物理量的分布特征。垂直平均分布表明,CAS、CIP和PIP粒子数浓度分别大于300个·cm^(-3)、1个·cm^(-3)和10^(-5)个·cm^(-3),粒子中值直径最大值分别为3μm、89μm和1389μm。谱分布表明,3650m高度重力碰并和凇附过程使得CIP和PIP粒子谱较宽,3650m以下谱宽较窄,粒子以凝结增长为主,大粒子和冰晶粒子主要是由高层下落造成。平飞观测统计表明,3350m的CAS和CIP粒子平均数浓度均大于3650m的值,但PIP粒子数浓度、粒子平均和最大中值直径则相反。平飞时间变化表明,3350m高度CAS粒子数浓度和直径大致呈反相关,3650m大云滴和冰雪晶粒子的数浓度和中值直径随时间波动较大。

基于云微物理参数的飞机积冰多因子预测方法

基于气象探测信息,准确进行飞机积冰预测并及时开启防/除冰系统是保障飞机飞行安全的重要方法。提出了一种多因子积冰预测方法,当已知飞机所在飞行云层类型、飞行高度、速度、气温、气压和露点温度时,使用提出的方法可计算得到飞行高度上的相对湿度、比湿、0℃高度上的气压、液态含水量等气象参数,用所建立的多因子积冰强度判别式可对飞机积冰的可能性及积冰强度进行预测。将方法应用于飞机积冰案例中,与美国国家大气科学中心提出的RAOB积冰预报方法进行了对比。分析结果表明,提出的方法准确有效,可为飞机积冰预测提供技术支持。

甘肃中部地区飞机积冰的气象条件分析

利用3 a空中观测资料和机载仪器采集资料分析了影响飞机积冰的气象条件,总结了飞机积冰的一般规律。分析结果表明:飞机积冰在水汽充沛地域发生较多;通常飞机积冰形成于温度低于0℃的云中,出现积冰的温度范围在0^-11℃,而出现较强积冰的温度范围在-1^-8℃;云中过冷水含量越大,积冰强度也越大。

用AMDAR资料分析两次强飞机积冰过程

利用常规气象资料和AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay,航空器气象资料中继)飞机气象资料,对2012年1月5日和23日贵阳机场飞机报告的两次强积冰个例过程进行了客观诊断分析。结果表明:"1.5"和"1.23"强积冰个例是静止锋形势下导致的,逆温层维持时间长,逆温层顶、逆温厚度基本不变且逆温强度有所增强;饱和冷云维持且冷云含水量不断加大,为强积冰的发生提供了有利的温度和水汽条件。AMDAR资料对于探空资料是有力的补充,能显示大气层结随时间细微的变化,为积冰预警预报服务提供参考。

飞机积冰气象条件研究进展

飞机积冰的直接影响气象因子包括大气温度、云中过冷水含量、过冷水滴大小。飞机积冰气象条件的研究对于飞行安全保障、飞机适航验证、人工影响天气等方面具有重要意义。近年来在飞机积冰气象条件研究方面取得了很大进展,文章对飞机积冰气象条件的外场观测、天气系统、监测识别、预报方法、气候分布等方面进展进行了简要综述,并对有关问题进行了讨论。飞机探测结果表明,过冷水时空分布具有明显不均匀性,国外以大量飞机积冰观测试验为基础统计分析了积冰环境,并制定了用于飞机积冰适航验证的一系列标准。产生飞机积冰的主要天气系统是锋面、高空槽线和切变线,冻雨往往产生强积冰。综合多源遥感数据各自的优势信息,建立飞机积冰区域识别技术是主要趋势。具有对云水显式预报能力的中尺度模式为预报飞机积冰提供了更好的工具。同时将多种监测数据、模式数据相融合的实时积冰潜势系统是新的发展方向。

四川盆地低空飞行飞机积冰的气象条件分析

利用常规气象资料和机载温度探测资料(OAT),对2015—2016年冬季四川盆地7次低空飞行(3000m以下)飞机积冰的个例进行了诊断分析。结果表明:冬季在四川盆地内3000m以下飞行,导致飞机积冰的环流形势包括冷锋型、低槽型、西南气流型以及弱脊型,其中前三种形势更有利于中度积冰的产生。飞机积冰均发生在穿过温度小于0℃的云中,出现中度积冰的温度范围在-4^-2℃,轻度积冰温度范围在-1~0℃,在这一温度范围内,相对湿度越大越有利于积冰的产生,其中产生中度积冰时相对湿度均在90%以上。在有利的环流形势以及一定的温度和相对湿度条件下,垂直上升气流速度在-1.0^-0.05Pa·s-1之间更有利于中度积冰的产生,-0.05~0Pa·s-1之间更有利于轻度积冰的产生。

飞机积冰业务预报技术研究

分析研究了飞机积冰的物理过程和影响因子 ,试验对比积冰算法。采用MM 5中尺度数值模式和预报产品 ,建立了飞机积冰预报模型 ,用历史飞机报告检验及业务运行验证 ,预报效果较好。

河南一次罕见飞机积冰过程云系宏微观特性的综合观测

2018年12月10日河南省人工影响天气中心探测到本省飞机增雨有史以来的最强积冰,积冰出现高度为3600 m(−7.9℃~−12.9℃),机头及机翼最厚积冰达到16.2 cm。利用机载DMT云物理探测资料,结合FY-4A卫星反演云参数和雷达等综合观测,对本次过程的云宏、微观结构特征进行了细致分析。结果表明,此次过程强积冰区域位于700 hPa切变线东侧附近,西南急流持续输送水汽,且大气有深厚逆温层存在,有利于水汽和液态水的堆积。产生积冰的云系云顶高度约4000~5000 m,云顶温度为−15℃~−20℃,云光学厚度大于30。FY-4A云顶相态与机载仪器观测结果较为一致,对过冷水和飞机积冰区域具有一定指示意义。强积冰区域液态水含量丰沛,最大液态含水量可达0.818 g m^(−3),大量球型过冷液滴和半径超过50μm的过冷大滴存在是导致积冰的重要原因。由于强积冰区域缺少尺度超过毫米量级的冰晶粒子,其S波段天气雷达回波值较弱,甚至明显低于非积冰区域。因此在使用天气雷达监测时,单靠回波强度来判断积冰强度存在一定的局限性。

飞机空中积冰的气象条件分析及数值预报试验

利用2000年3月至2005年6月山东飞机增雨作业季节,90架次飞机宏观观测资料,对飞机积冰的气象条件和积冰特征进行了分析;并利用PSU/NCAR MM5非静力数值模式,对2005年5月16日增雨作业过程进行了个例研究,在模式准确地预测出了降水的发展趋势和降水范围的基础上,用模式预报场计算的积冰指数和实际飞行观测资料进行了对比试验。结果表明,地面倒槽和冷锋,是山东飞机增雨作业季节的主要作业天气;低压倒槽出现轻度及中度以上积冰所占的比率最大,但南方气旋出现积冰的概率最高,达53.3%;MM5模式预报场计算的积冰指数和垂直上升运动场的叠加,能较好地反映最可能发生积冰的区域、时间及积冰强度,可作为确定飞机增雨作业安全飞行航线的依据。

云微物理参数在飞机积冰分析和预报中的应用研究

对飞机积冰预报的现状进行了分析 ,介绍了积冰预报中云微物理参数的应用概况 ,并就积冰预报中云微物理参数的应用前景进行了分析和讨论。将模式模拟和卫星反演的微物理参数引入飞机积冰分析和预报 。