中国地区飞机积冰多发高度层分布特征分析

王倩茹，岳 炼

（中国民用航空飞行学院，四川 广汉618307）

1 研究现状及数据资料

1.1 研究现状

飞机积冰会使飞机的升力变小，阻力变大，严重影响飞机的稳定性。随着航空技术的发展，飞机的飞行速度以及飞行的高度都在逐渐提高，飞机上的防冰与除冰设备日趋完善，积冰对飞行的危害一定程度上有所降低，但是由于各种原因，飞机积冰危害仍然较高，2020-01 由于飞机积冰，海航训练机发生意外，3 人不幸遇难。所以了解产生飞机积冰与中国几个特殊温度层分布特征的关系很必要。

在民航运输中，对温度的垂直分布研究引起了民航的高度重视。1992 年由美国空军全球天气中心（AFGWC）开发的RAOB 积冰算法是典型的例子，该算法最初采用无线电探空资料，根据每个垂直高度层上的温度、露点、温度递减率区分积冰强度和类型。随后，由美国国家大气研究中心（NCAR）开发的RAP 积冰算法得出结论：一般积冰温度条件为-16～0°C。

在国内，关于这方面的研究也颇有起色。迟竹萍对飞机空中积冰的气象条件进行研究，并对山东地区几年来积冰参数特征分析。也有学者采用Ic 积冰指数计算公式，对垂直高度上不同温度的飞机积冰过程进行了分析，该算法是民航推荐使用的积冰指数计算公式，其结论为飞机在-14～0 ℃区间飞行，遭遇较大过冷水时容易积冰，强积冰区通常发生在-9～-5 ℃之间。此外，王新炜等人利用美国国家环境预报中心（NCEP）和国家大气研究中心（NCAR）联合处理的全球大气40年（1958—1997年）分析数据资料，在SCEM指数的基础上，构建一个全新的积冰指数SCEM（VV），其含义为当温度在-15～0 ℃，RH 大于等于80%，w 小于等于-0.2 Pa/s 时会出现积冰情况。并且王新炜等人根据该积冰指数对安徽机场0 ℃、-2 ℃、-10 ℃、-15 ℃温度垂直分布特征进行了分析。通过分析其所在机场发现，0 ℃温度层在1 800 m 左右，-10 ℃温度层在4 800 m 左右，飞机飞行在3 500 m 高度时处于-4～0 ℃区域内，当飞机爬升至4 200 m 时处于-10～-5 ℃区域内，这个区域是飞机积冰的最佳温度。而且与黄丽娟等人通过大量积冰实例，统计处理后发现形成华北地区积冰的主要天气形势为槽前型、槽后脊前和高压底部回流+倒槽型，同时指出，华北地区12 月份为积冰的相对高发期。大量文献和学者的研究实验表明：积冰温度一般在-15～0 ℃，轻度积冰在-12～0 ℃出现最频繁，中度积冰在-12～-2 ℃出现最多最频繁，强积冰在-10～-8 ℃最多；出现积冰的湿度一般要求T-Td＜7 ℃。金维明等人研究指出，飞机在下降阶段减速飞行时，发生积冰的可能性更大。

1.2 数据资料

研究时采用ERA-Interim（欧洲中期天气预报中心）的资料。ERA-Interim 系数据的框架采用四维同化系统（4DVAR），其中包括：①一维——时间（1979—2018 年月平均资料）；②二维，三维——经度，纬度[（3°52’N，53°33’N），（73°40’E，135°2’30”E）]；③四维——垂直高度（分成37 层，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）。优点是资料精度准确、水平分辨率高并且应用了更多的卫星与地面观测资料。

2 温度的垂直分布特征

将中国地区纬向（15°N～55°N）平均后得出的抛面图，可以直观看出中国春夏秋冬四个季节温度垂直分布情况，以及-15 ℃、-10 ℃、-2 ℃、0 ℃几个与积冰密切相关的温度垂直分布情况。分析后可以发现，总体的分布趋势为：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 为高空区域，多属于区域管制的高度层，其中夏季高度会偏高于500 hPa，冬季偏低；-15 ℃多在中国境内垂直分布于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，高度为4 000 m，属于高空区域归区域管制调配的高度层。

2.1 春季温度垂直分布特征

春季，中国境内-2 ℃、0 ℃垂直分布在600～700 hPa（3 000～4 000 m），此高度层多为飞机的进近阶段，飞机从区域移交至进近正在下降和飞机爬升即将到达区域管制扇区时，飞机在云层中遭遇过冷水滴后可能导致轻度积冰或中度积冰（主要以光滑透明、结构坚实的明冰和从0 ℃地区进入较暖区域时会形成霜为主要积冰形式）；春季，中国境内-10 ℃温度垂直分布在500～570 Pa，接近500 hPa（4 500～6 000 m），在此高度层飞行的飞机多在区域的管制下飞行，且多为爬升至高高度层的阶段或在高高度层下降至进近高度的阶段。在中国春季，飞机在区域管制下爬升至高高度或者下降至进近高度时可能会遭遇轻度、中度，甚至是强积冰（其形式主要有明冰与表面粗糙不平比较坚固的毛冰）；春季，中国境内-15 ℃垂直分布在400～500 hPa（6 000～7 000 m），此高度层多为区域管制的范围，其中6 000 m、6 600 m、7 200 m 为向西飞行的高度层，6 300 m、6 900 m为向东飞行的高度层。春季，飞机多会在6 000 m、6 300 m、6 600 m、6 900 m、7 200 m 平飞或在爬升下降到6 000～7 000 m 时遭遇中度、强积冰（其形式主要以毛冰为主）。

2.2 夏季温度垂直分布特征

春季、夏季纬向平均后中国温度垂直分布如图1 所示。夏季中国境内0 ℃垂直分布在600 hPa（4 000 m）左右，在此高度的飞机多在进近的管制范围内，在中国夏季，当飞机从3 900 m 爬升至4 200 m 及以上准备联系区域时或从4 200 m 下降至3 900 m 及以下准备进近时，可能会在云层中遭遇轻度积冰（以明冰，霜为主）；夏季，中国境内-2 ℃垂直分布在540～600 hPa（4 000～5 000 m），在此高度层飞行的飞机在进近或管制的管制范围内，在中国夏季，当飞机联系区域准备爬升至巡航高度时，飞机联系进近准备沿航路下降时通过4 000～5 000 m 高度或飞机在4 200 m、4 500 m、4 800 m 保持平飞时，飞机可能在云层中遭遇轻度、中度积冰（主要积冰形式以明冰为主）；夏季，中国境内-10 ℃与-15 ℃主要垂直分布在400～500 hPa（6 000～7 000 m），此高度层多为区域管制范围，在中国夏季，当飞机在区域管制的指挥下爬升至高高度进入空中立交桥或下降至低高度准备脱波给进近时通过6 000～7 000 m 或者飞机在区域管制的指挥下在6 000 m、6 300 m、6 600 m、6 900 m 等高度层平飞时可能遭遇中度、强积冰（积冰主要以明冰与毛冰为主）。

图1 春季、夏季纬向平均后中国温度垂直分布剖面图

2.3 秋季温度垂直分布特征

秋季、冬季纬向平均后中国温度垂直分布如图2 所示。秋季，中国境内-2 ℃、0 ℃垂直分布在600 hPa（4 000 m）左右，此高度多为进近管制的范围，在中国秋季当飞机由3 900 m 爬升至4 200 m 及以上准备联系区域时，或由4 200 m 下降至3 900 m 及以下准备进近时，可能会在云层中与过冷水遭遇从而形成轻度、中度积冰（以明冰，霜为主）；秋季，中国境内-10 ℃垂直分布在500 hPa（6 000 m）左右，此高度多在区域管制的范围内，在中国秋季，当飞机在6 000 m 保持平飞或由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 以下时，可能与云层中的过冷水结合而遭遇轻度、中度或强积冰（主要以明冰，毛冰的形式存在）；秋季，中国境内-15 ℃垂直分布在400～470 hPa（6 000～7 000 m），此高度层多为区域管制范围，在中国秋季，当飞机在区域管制的指挥下爬升至巡航高度进入空中立交桥、RVSM 空域或下降至低高度准备联系进近时通过6 000～7 000 m 等高度层或者飞机在区域管制的指挥下在6 000 m、6 300 m、6 600 m、6 900 m 等高度层平飞时可能与云层中过冷水结合从而遭遇中度、强积冰（其中积冰主要以明冰和毛冰为主要积冰形式）。

图2 秋季、冬季纬向平均后中国温度垂直分布剖面图

2.4 冬季温度垂直分布特征

如图2 所示，冬季，中国境内0 ℃垂直分布在700 hPa（3 000 m）左右，在此高度飞行的飞机多在进近管制的指挥下飞行，在中国冬季，飞机在修正海压2 700 m 爬升至标准气压3 300 m 含以上飞向走廊口时或在标准气压3 300 m下降至修正海压2 700 m 准备进近建立盲降时，可能会在云层中遭遇轻度、中度积冰（明冰、霜）；冬季，中国境内-2 ℃垂直分布在600～650 hPa（3 500～4 000 m），此高度多为进近管制的边界，在中国冬季，飞机在3 300 m，3 600 m，3 900 m，飞行或爬升、下降穿越3 500～4 000 m 时，可能会遭遇轻度、中度积冰（积冰形式以明冰为主）；冬季在中国境内-15 ℃、-10 ℃垂直分布在500～600 hPa（4 000～6 000 m），此高度多在区域的管制内，也有少部分属于进近管制的高度层，飞机在进近管制或区域管制的指挥下从3 900 m 爬升至6 000 m 以下或从6 000 m 下降至4 000 m 以上时，飞机在管制的指挥下在4 200 m、4 500 m、4 800 m、5 100 m、5 400 m、5 700 m、6 000 m 平飞时可能会遭遇遭遇轻度、中度或强积冰（主要以明冰，毛冰的形式存在）。

3 结论

飞机积冰会导致飞机的空气动力变差，升力减小，阻力增大，从而导致飞机难以操纵，甚至会导致飞机机载设备失灵，通讯系统中断，甚至会造成毁灭性的空难事故。因此准确掌握中国温度垂直分布情况与-15 ℃、-10 ℃、-2 ℃以及0 ℃这些易造成积冰的温度在中国分布情况是十分重要的。

通过观察与总结中国温度垂直分布图可得出，中国春季易积冰高度在3 000～7 000 m 高度层上；中国夏季易积冰高度在4 000～7 000 m 高度层上；中国秋季易积冰高度在4 000～7 000 m 高度层上；中国冬季易积高度在3 000～6 000 m 高度层上。这些高度层基本上都在进近管制与相邻的区域管制的管制范围内，在中国飞机最容易积冰的时候是进近管制或是与进近管制相邻的区域管制在指挥飞机，这就需要管制员熟练掌握与积冰有关的管制用语与应对积冰的相关措施，也要求塔台管制与机场地面人员配合做好起飞前与积冰密切相关的工作和检查。

此外，通过总结中国温度水平分布图也可得出以下结论：春季时中国境内的积冰温度（0～20 ℃）随着气压增高而逐渐向北移动，温度随着高度的降低，积冰温度只在中国北部出现；在中国夏季积冰温度随着气压的增高而逐渐向北移动，相对于春季，夏季的积冰温度出现在更低的气压更高的空域，当高度低于3 500 m 时积冰温度只影响黑龙江以及新疆北部的区域，当高度低于3 000 m，积冰温度将不会出现；秋季时，中国积冰温度随着气压的增高而逐渐向北移动，相比春季，秋季积冰温度出现在更高的高度层，而相对于夏季，秋季的积冰温度出现在更低的高度层。秋季积冰温度的变化趋势更接近夏季，当高度低于2 000 m 时积冰温度将北移出中国境内；冬季时中国境内的积冰温度随着气压的增高而逐渐向北移动，相比于春季、夏季、秋季，冬季积冰温度出现在更高的气压面更低的高度层，直到1 000 m 高度时，积冰温度仍对中国北部有影响。通过对中国温度垂直分布以及对积冰温度相对应的等温线的分布情况的掌握，再配合飞机积冰的应对措施，在不久的将来中国一定能将飞机积冰引发的事故完全杜绝。