中國地區(qū)飛機(jī)積冰多發(fā)高度層分布特征分析

王倩茹，岳 煉

（中國民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢618307）

1 研究現(xiàn)狀及數(shù)據(jù)資料

1.1 研究現(xiàn)狀

飛機(jī)積冰會使飛機(jī)的升力變小，阻力變大，嚴(yán)重影響飛機(jī)的穩(wěn)定性。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)的飛行速度以及飛行的高度都在逐漸提高，飛機(jī)上的防冰與除冰設(shè)備日趨完善，積冰對飛行的危害一定程度上有所降低，但是由于各種原因，飛機(jī)積冰危害仍然較高，2020-01 由于飛機(jī)積冰，海航訓(xùn)練機(jī)發(fā)生意外，3 人不幸遇難。所以了解產(chǎn)生飛機(jī)積冰與中國幾個特殊溫度層分布特征的關(guān)系很必要。

在民航運(yùn)輸中，對溫度的垂直分布研究引起了民航的高度重視。1992 年由美國空軍全球天氣中心（AFGWC）開發(fā)的RAOB 積冰算法是典型的例子，該算法最初采用無線電探空資料，根據(jù)每個垂直高度層上的溫度、露點(diǎn)、溫度遞減率區(qū)分積冰強(qiáng)度和類型。隨后，由美國國家大氣研究中心（NCAR）開發(fā)的RAP 積冰算法得出結(jié)論：一般積冰溫度條件為-16～0°C。

在國內(nèi)，關(guān)于這方面的研究也頗有起色。遲竹萍對飛機(jī)空中積冰的氣象條件進(jìn)行研究，并對山東地區(qū)幾年來積冰參數(shù)特征分析。也有學(xué)者采用Ic 積冰指數(shù)計算公式，對垂直高度上不同溫度的飛機(jī)積冰過程進(jìn)行了分析，該算法是民航推薦使用的積冰指數(shù)計算公式，其結(jié)論為飛機(jī)在-14～0 ℃區(qū)間飛行，遭遇較大過冷水時容易積冰，強(qiáng)積冰區(qū)通常發(fā)生在-9～-5 ℃之間。此外，王新煒等人利用美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）和國家大氣研究中心（NCAR）聯(lián)合處理的全球大氣40年（1958—1997年）分析數(shù)據(jù)資料，在SCEM指數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個全新的積冰指數(shù)SCEM（VV），其含義為當(dāng)溫度在-15～0 ℃，RH 大于等于80%，w 小于等于-0.2 Pa/s 時會出現(xiàn)積冰情況。并且王新煒等人根據(jù)該積冰指數(shù)對安徽機(jī)場0 ℃、-2 ℃、-10 ℃、-15 ℃溫度垂直分布特征進(jìn)行了分析。通過分析其所在機(jī)場發(fā)現(xiàn)，0 ℃溫度層在1 800 m 左右，-10 ℃溫度層在4 800 m 左右，飛機(jī)飛行在3 500 m 高度時處于-4～0 ℃區(qū)域內(nèi)，當(dāng)飛機(jī)爬升至4 200 m 時處于-10～-5 ℃區(qū)域內(nèi)，這個區(qū)域是飛機(jī)積冰的最佳溫度。而且與黃麗娟等人通過大量積冰實(shí)例，統(tǒng)計處理后發(fā)現(xiàn)形成華北地區(qū)積冰的主要天氣形勢為槽前型、槽后脊前和高壓底部回流+倒槽型，同時指出，華北地區(qū)12 月份為積冰的相對高發(fā)期。大量文獻(xiàn)和學(xué)者的研究實(shí)驗(yàn)表明：積冰溫度一般在-15～0 ℃，輕度積冰在-12～0 ℃出現(xiàn)最頻繁，中度積冰在-12～-2 ℃出現(xiàn)最多最頻繁，強(qiáng)積冰在-10～-8 ℃最多；出現(xiàn)積冰的濕度一般要求T-Td＜7 ℃。金維明等人研究指出，飛機(jī)在下降階段減速飛行時，發(fā)生積冰的可能性更大。

1.2 數(shù)據(jù)資料

研究時采用ERA-Interim（歐洲中期天氣預(yù)報中心）的資料。ERA-Interim 系數(shù)據(jù)的框架采用四維同化系統(tǒng)（4DVAR），其中包括：①一維——時間（1979—2018 年月平均資料）；②二維，三維——經(jīng)度，緯度[（3°52’N，53°33’N），（73°40’E，135°2’30”E）]；③四維——垂直高度（分成37 層，1 000～1 hPa、1 000 hPa、975 hPa、950 hPa、925 hPa、900 hPa、875 hPa、850 hPa、825 hPa、800 hPa、775 hPa、750 hPa、700 hPa、650 hPa、600 hPa、550 hPa、500 hPa、450 hPa、400 hPa、350 hPa、300 hPa、250 hPa、225 hPa、200 hPa、175 hPa、150 hPa、125 hPa、100 hPa、70 hPa、50 hPa、30 hPa、20 hPa、10 hPa、7 hPa、5 hPa、3 hPa、1 hPa）。優(yōu)點(diǎn)是資料精度準(zhǔn)確、水平分辨率高并且應(yīng)用了更多的衛(wèi)星與地面觀測資料。

2 溫度的垂直分布特征

將中國地區(qū)緯向（15°N～55°N）平均后得出的拋面圖，可以直觀看出中國春夏秋冬四個季節(jié)溫度垂直分布情況，以及-15 ℃、-10 ℃、-2 ℃、0 ℃幾個與積冰密切相關(guān)的溫度垂直分布情況。分析后可以發(fā)現(xiàn)，總體的分布趨勢為：0 ℃多分布在600～700 hPa（3 000～4 000 m），春冬季更接近700 hPa，夏秋季更接近600 hPa；-2 ℃多分布在540～650 hPa（3 500～4 500 m），其中冬季最低在650 hPa，夏季最高在540 hPa；-10 ℃多垂直分布在500 hPa（6 000 m），6 000 m 為高空區(qū)域，多屬于區(qū)域管制的高度層，其中夏季高度會偏高于500 hPa，冬季偏低；-15 ℃多在中國境內(nèi)垂直分布于400～600 hPa（4 000～7 000 m），跨度大，其中冬季接近700 hPa，高度最低，春夏秋季多接近400 hPa，高度為4 000 m，屬于高空區(qū)域歸區(qū)域管制調(diào)配的高度層。

2.1 春季溫度垂直分布特征

春季，中國境內(nèi)-2 ℃、0 ℃垂直分布在600～700 hPa（3 000～4 000 m），此高度層多為飛機(jī)的進(jìn)近階段，飛機(jī)從區(qū)域移交至進(jìn)近正在下降和飛機(jī)爬升即將到達(dá)區(qū)域管制扇區(qū)時，飛機(jī)在云層中遭遇過冷水滴后可能導(dǎo)致輕度積冰或中度積冰（主要以光滑透明、結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)的明冰和從0 ℃地區(qū)進(jìn)入較暖區(qū)域時會形成霜為主要積冰形式）；春季，中國境內(nèi)-10 ℃溫度垂直分布在500～570 Pa，接近500 hPa（4 500～6 000 m），在此高度層飛行的飛機(jī)多在區(qū)域的管制下飛行，且多為爬升至高高度層的階段或在高高度層下降至進(jìn)近高度的階段。在中國春季，飛機(jī)在區(qū)域管制下爬升至高高度或者下降至進(jìn)近高度時可能會遭遇輕度、中度，甚至是強(qiáng)積冰（其形式主要有明冰與表面粗糙不平比較堅(jiān)固的毛冰）；春季，中國境內(nèi)-15 ℃垂直分布在400～500 hPa（6 000～7 000 m），此高度層多為區(qū)域管制的范圍，其中6 000 m、6 600 m、7 200 m 為向西飛行的高度層，6 300 m、6 900 m為向東飛行的高度層。春季，飛機(jī)多會在6 000 m、6 300 m、6 600 m、6 900 m、7 200 m 平飛或在爬升下降到6 000～7 000 m 時遭遇中度、強(qiáng)積冰（其形式主要以毛冰為主）。

2.2 夏季溫度垂直分布特征

春季、夏季緯向平均后中國溫度垂直分布如圖1 所示。夏季中國境內(nèi)0 ℃垂直分布在600 hPa（4 000 m）左右，在此高度的飛機(jī)多在進(jìn)近的管制范圍內(nèi)，在中國夏季，當(dāng)飛機(jī)從3 900 m 爬升至4 200 m 及以上準(zhǔn)備聯(lián)系區(qū)域時或從4 200 m 下降至3 900 m 及以下準(zhǔn)備進(jìn)近時，可能會在云層中遭遇輕度積冰（以明冰，霜為主）；夏季，中國境內(nèi)-2 ℃垂直分布在540～600 hPa（4 000～5 000 m），在此高度層飛行的飛機(jī)在進(jìn)近或管制的管制范圍內(nèi)，在中國夏季，當(dāng)飛機(jī)聯(lián)系區(qū)域準(zhǔn)備爬升至巡航高度時，飛機(jī)聯(lián)系進(jìn)近準(zhǔn)備沿航路下降時通過4 000～5 000 m 高度或飛機(jī)在4 200 m、4 500 m、4 800 m 保持平飛時，飛機(jī)可能在云層中遭遇輕度、中度積冰（主要積冰形式以明冰為主）；夏季，中國境內(nèi)-10 ℃與-15 ℃主要垂直分布在400～500 hPa（6 000～7 000 m），此高度層多為區(qū)域管制范圍，在中國夏季，當(dāng)飛機(jī)在區(qū)域管制的指揮下爬升至高高度進(jìn)入空中立交橋或下降至低高度準(zhǔn)備脫波給進(jìn)近時通過6 000～7 000 m 或者飛機(jī)在區(qū)域管制的指揮下在6 000 m、6 300 m、6 600 m、6 900 m 等高度層平飛時可能遭遇中度、強(qiáng)積冰（積冰主要以明冰與毛冰為主）。

圖1 春季、夏季緯向平均后中國溫度垂直分布剖面圖

2.3 秋季溫度垂直分布特征

秋季、冬季緯向平均后中國溫度垂直分布如圖2 所示。秋季，中國境內(nèi)-2 ℃、0 ℃垂直分布在600 hPa（4 000 m）左右，此高度多為進(jìn)近管制的范圍，在中國秋季當(dāng)飛機(jī)由3 900 m 爬升至4 200 m 及以上準(zhǔn)備聯(lián)系區(qū)域時，或由4 200 m 下降至3 900 m 及以下準(zhǔn)備進(jìn)近時，可能會在云層中與過冷水遭遇從而形成輕度、中度積冰（以明冰，霜為主）；秋季，中國境內(nèi)-10 ℃垂直分布在500 hPa（6 000 m）左右，此高度多在區(qū)域管制的范圍內(nèi)，在中國秋季，當(dāng)飛機(jī)在6 000 m 保持平飛或由5 700 m 爬升至6 000 m 含6 000 m以上或者由6 300 m 下降至6 000 m 含6 000 m 以下時，可能與云層中的過冷水結(jié)合而遭遇輕度、中度或強(qiáng)積冰（主要以明冰，毛冰的形式存在）；秋季，中國境內(nèi)-15 ℃垂直分布在400～470 hPa（6 000～7 000 m），此高度層多為區(qū)域管制范圍，在中國秋季，當(dāng)飛機(jī)在區(qū)域管制的指揮下爬升至巡航高度進(jìn)入空中立交橋、RVSM 空域或下降至低高度準(zhǔn)備聯(lián)系進(jìn)近時通過6 000～7 000 m 等高度層或者飛機(jī)在區(qū)域管制的指揮下在6 000 m、6 300 m、6 600 m、6 900 m 等高度層平飛時可能與云層中過冷水結(jié)合從而遭遇中度、強(qiáng)積冰（其中積冰主要以明冰和毛冰為主要積冰形式）。

圖2 秋季、冬季緯向平均后中國溫度垂直分布剖面圖

2.4 冬季溫度垂直分布特征

如圖2 所示，冬季，中國境內(nèi)0 ℃垂直分布在700 hPa（3 000 m）左右，在此高度飛行的飛機(jī)多在進(jìn)近管制的指揮下飛行，在中國冬季，飛機(jī)在修正海壓2 700 m 爬升至標(biāo)準(zhǔn)氣壓3 300 m 含以上飛向走廊口時或在標(biāo)準(zhǔn)氣壓3 300 m下降至修正海壓2 700 m 準(zhǔn)備進(jìn)近建立盲降時，可能會在云層中遭遇輕度、中度積冰（明冰、霜）；冬季，中國境內(nèi)-2 ℃垂直分布在600～650 hPa（3 500～4 000 m），此高度多為進(jìn)近管制的邊界，在中國冬季，飛機(jī)在3 300 m，3 600 m，3 900 m，飛行或爬升、下降穿越3 500～4 000 m 時，可能會遭遇輕度、中度積冰（積冰形式以明冰為主）；冬季在中國境內(nèi)-15 ℃、-10 ℃垂直分布在500～600 hPa（4 000～6 000 m），此高度多在區(qū)域的管制內(nèi)，也有少部分屬于進(jìn)近管制的高度層，飛機(jī)在進(jìn)近管制或區(qū)域管制的指揮下從3 900 m 爬升至6 000 m 以下或從6 000 m 下降至4 000 m 以上時，飛機(jī)在管制的指揮下在4 200 m、4 500 m、4 800 m、5 100 m、5 400 m、5 700 m、6 000 m 平飛時可能會遭遇遭遇輕度、中度或強(qiáng)積冰（主要以明冰，毛冰的形式存在）。

3 結(jié)論

飛機(jī)積冰會導(dǎo)致飛機(jī)的空氣動力變差，升力減小，阻力增大，從而導(dǎo)致飛機(jī)難以操縱，甚至?xí)?dǎo)致飛機(jī)機(jī)載設(shè)備失靈，通訊系統(tǒng)中斷，甚至?xí)斐蓺缧缘目针y事故。因此準(zhǔn)確掌握中國溫度垂直分布情況與-15 ℃、-10 ℃、-2 ℃以及0 ℃這些易造成積冰的溫度在中國分布情況是十分重要的。

通過觀察與總結(jié)中國溫度垂直分布圖可得出，中國春季易積冰高度在3 000～7 000 m 高度層上；中國夏季易積冰高度在4 000～7 000 m 高度層上；中國秋季易積冰高度在4 000～7 000 m 高度層上；中國冬季易積高度在3 000～6 000 m 高度層上。這些高度層基本上都在進(jìn)近管制與相鄰的區(qū)域管制的管制范圍內(nèi)，在中國飛機(jī)最容易積冰的時候是進(jìn)近管制或是與進(jìn)近管制相鄰的區(qū)域管制在指揮飛機(jī)，這就需要管制員熟練掌握與積冰有關(guān)的管制用語與應(yīng)對積冰的相關(guān)措施，也要求塔臺管制與機(jī)場地面人員配合做好起飛前與積冰密切相關(guān)的工作和檢查。

此外，通過總結(jié)中國溫度水平分布圖也可得出以下結(jié)論：春季時中國境內(nèi)的積冰溫度（0～20 ℃）隨著氣壓增高而逐漸向北移動，溫度隨著高度的降低，積冰溫度只在中國北部出現(xiàn)；在中國夏季積冰溫度隨著氣壓的增高而逐漸向北移動，相對于春季，夏季的積冰溫度出現(xiàn)在更低的氣壓更高的空域，當(dāng)高度低于3 500 m 時積冰溫度只影響黑龍江以及新疆北部的區(qū)域，當(dāng)高度低于3 000 m，積冰溫度將不會出現(xiàn)；秋季時，中國積冰溫度隨著氣壓的增高而逐漸向北移動，相比春季，秋季積冰溫度出現(xiàn)在更高的高度層，而相對于夏季，秋季的積冰溫度出現(xiàn)在更低的高度層。秋季積冰溫度的變化趨勢更接近夏季，當(dāng)高度低于2 000 m 時積冰溫度將北移出中國境內(nèi)；冬季時中國境內(nèi)的積冰溫度隨著氣壓的增高而逐漸向北移動，相比于春季、夏季、秋季，冬季積冰溫度出現(xiàn)在更高的氣壓面更低的高度層，直到1 000 m 高度時，積冰溫度仍對中國北部有影響。通過對中國溫度垂直分布以及對積冰溫度相對應(yīng)的等溫線的分布情況的掌握，再配合飛機(jī)積冰的應(yīng)對措施，在不久的將來中國一定能將飛機(jī)積冰引發(fā)的事故完全杜絕。