氣候?qū)嶒炇夷M降雪環(huán)境的能見度分析

唐揚剛

（中國飛機強度研究所飛機氣候環(huán)境適應(yīng)性研究室，陜西 西安710065）

民用飛機在使用的過程中會遭遇降雪天氣，降雪會對飛機的使用帶來不利影響，因此民用飛機在投入運營前必須證明其在降雪環(huán)境下的適用性。目前，利用氣候?qū)嶒炇夷M的降雪環(huán)境進(jìn)行適用性驗證越來越多的得到了應(yīng)用。中國大型氣候?qū)嶒炇乙丫邆溟_展降雪試驗的硬件能力，但是由于此前未進(jìn)行過該類試驗，缺乏試驗經(jīng)驗，對于降雪環(huán)境參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系不明確，特別是對于降雪時實驗室內(nèi)的能見度處在一個什么樣的水平?jīng)]有清晰的認(rèn)識。

國內(nèi)外學(xué)者對于降雪時能見度的計算方法進(jìn)行了研究，如RASMUSSEN 等對自然降雪時的能見度與降雪強度的關(guān)系進(jìn)行了分析[1]；POMEROY 等基于觀察數(shù)據(jù)，給出了能見度與風(fēng)速的經(jīng)驗公式[2]，文獻(xiàn)[3]基于加拿大北極大陸架研究所觀測得到的能見度與風(fēng)速值，采用文獻(xiàn)[2]的經(jīng)驗公式對數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合；MATSUZAWA 等根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，分析了能見度與雪通量的關(guān)系，并給出了擬合公式[4]。上述研究都是基于自然降雪環(huán)境，由于實驗室降雪與自然降雪存在較大的差異[5]，基于自然降雪環(huán)境建立的能見度計算方法并不適用。本文基于散射理論，分析了實驗室降雪環(huán)境的能見度計算方法，給出了實驗室能見度包線，并進(jìn)行了試驗驗證。

1 能見度的定義

能見度是指視力正常（對比閾值0.05）的人，在當(dāng)時天氣條件下，能夠在天空背景中看到和辨認(rèn)的目標(biāo)物（黑色、大小適度）的最大水平距離[6]。從上述定義可以看出能見度的觀測值取決于人眼的生理特征、目標(biāo)物和背景物的光學(xué)特征以及視線內(nèi)大氣的光學(xué)特征，能見度的這種定義其定量性不夠好，測量性不強。因此通常采用氣象光學(xué)視程（MOR）來描述能見度，MOR 的定義為：白熾燈發(fā)出色溫為2 700 K的平行光束的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長度[6]。根據(jù)氣象光學(xué)視程的定義，當(dāng)其他因素已經(jīng)確定時，通過測量大氣透過率或者衰減系數(shù)就可以間接推導(dǎo)出能見度的數(shù)值。

2 氣候?qū)嶒炇医笛┉h(huán)境能見度計算方法

KOSCHMIEDER 在1924 年創(chuàng)立了柯西米德定律，從而奠定了能見度測量的理論基礎(chǔ)，在大氣均勻的條件下，能見度與衰減系數(shù)的存在以下關(guān)系[7]：

式（1）中：τ為對比閾值，通常取為0.05；μ為衰減系數(shù)。

在氣候?qū)嶒炇抑校鈴姷乃p通常包括了空氣分子的吸收與散射、雪粒子的吸收與散射，其中空氣分子的吸收和散射效應(yīng)相對較弱，而光在短距離內(nèi)傳播時，雪粒子的吸收作用也可以忽略不計，因此可以直接利用雪粒子的散射系數(shù)代替總的衰減系數(shù)，這也是目前前向散射式能見度測量儀的前提假設(shè)。那么在實驗室降雪環(huán)境下，衰減系數(shù)等于散射系數(shù)：

式（2）中：n為雪粒子數(shù)濃度；Qε為雪粒子消光效率因子；σ為雪粒子橫截面積。

研究表明，隨著粒子的增大，對于以一定波長的入射的光波來說，消光效率因子最終會趨于常數(shù)2。對于雪粒子來說，其粒子半徑基本在微米量級，相較于入射光的納米量級，可以認(rèn)為雪粒子的消光效率因子為2。

式（3）中：ni為每立方厘米中半徑為ri的雪粒子數(shù)濃度；ri為雪粒子半徑，cm；

將式（3）代入式（1）中得到能見度計算方法為：

降雪環(huán)境下總含水量計算方法為：

式（5）中：TWC為單位體積空氣內(nèi)的總含水量，g/cm3；ρi為雪粒子密度，g/cm3。

文獻(xiàn)[9]的研究表明，雪粒子的密度ρi與雪粒子ri半徑成反比關(guān)系，干雪密度為：

將式（6）代入式（5）得到：

聯(lián)立式（7）與（4）計算得到：

此時能見度單位為cm，TWC單位為g/cm3，將能見度單位換算為m，TWC單位換算為g/m3則最終得到：

對于濕雪，其密度表達(dá)式為[9]：

采用與上述干雪環(huán)境下能見度計算相同的方法得到濕雪環(huán)境下能見度的計算公式為：

EASA 給出的適航符合性驗證方法AMC25.1093（b）中要求降雪時的總含水量為1 g/m3，揚雪時的總含水量為3 g/m3，將該數(shù)值代入能見度計算公式，得到氣候?qū)嶒炇夷芤姸劝€，如圖1 所示。

圖1 氣候?qū)嶒炇医笛┉h(huán)境能見度包線

3 能見度包線試驗驗證

為驗證上述包線的合理性，進(jìn)行了實驗室降雪環(huán)境模擬試驗，采用PWD-10 能見度儀對試驗過程中的能見度進(jìn)行了實時測量，試驗如圖2 所示。

此次降雪試驗持續(xù)了約30 min，總含水量均值為1.49 g/m3，根據(jù)本文建立的能見度計算公式，實驗室能見度應(yīng)在114～488 m 之間，將測量得到的能見度值與理論值進(jìn)行對比分析，如圖3 所示，圖中陰影區(qū)域為采用本文建立的能見度計算方法得到了實驗室能見度范圍。

由圖3 可知，能見度測量值大部分都在理論計算結(jié)果的范圍內(nèi)，表明本文基于散射理論建立的能見度包線可反映氣候?qū)嶒炇医笛┉h(huán)境的能見度變化情況，對于實驗室降雪試驗的開展具有參考價值。

圖2 實驗室降雪環(huán)境能見度測量

圖3 理論與實測能見度對比

4 結(jié)論

本文針對目前氣候?qū)嶒炇医笛┉h(huán)境下室內(nèi)能見度范圍不清楚的問題，開展了實驗室降雪環(huán)境下能見度包線分析，得到了以下結(jié)論：基于散射理論，分別分析了干雪和濕雪條件下能見度計算方法，建立了對應(yīng)的計算公式，繪制了實驗室降雪環(huán)境下能見度包線；開展了降雪試驗，對比分析了能見度測量值與理論計算值，表明本文建立的實驗室降雪環(huán)境能見度包線具備一定的合理性。