不同微物理方案对一次飞机积冰过程云微物理特征的影响分析

张迪 刘智新 孙钊钰 闫博芸 吴迪

摘 要：飞机积冰是威胁航空安全的严重危险天气之一，为理解飞机积冰期间大气环境演变特征及其影响，本文利用中尺度数值模式WRF对2010年10月26日发生在四川地区的一次飞机积冰个例进行模拟，结果表明：（1）结合卫星数据、再分析资料、积冰指数可以初步判断飞机积冰发生区域和条件;（2）WRF模式中WDM6和Thompson两种云微物理方案对积冰环流背景的模拟与实况基本一致，较好地再现了积冰发生前的弱对流不稳定特征和水汽通量输送条件;（3）两种云微物理方案对积冰区云物理量时空演变特征的模拟存在差异，对于WDM6方案，3-7km高度云微物理量以云冰为主，3km高度以下以云水为主;而在Thompson方案中3-7km高度内主要以云水为主，合理地刻画了过冷水粒子，更接近实际积冰环境特征。

关键词：飞机积冰;云微物理;过冷水滴;数值模拟

1 绪论

飞机积冰是指飞机机体表面某些部位聚集冰层的现象，主要由云中过冷水滴或降水中的过冷雨碰到飞机机体后结冰形成的，也可由水汽直接在机体表面凝华而成，其主要出现在温度低于0℃，周围多为过冷云覆盖的环境中（袁敏等，2018;周悦等，2014）。理解飞机积冰发生的大气环境特征，合理预报飞机积冰区域，对飞行安全的保障具有重要意义（Thompson等，2016;李佰平等，2018）。

以往对于飞机积冰的研究多集中于飞机探测和卫星观测（袁敏等，2018;赵阳等，2018）、再分析资料的诊断分析（王新炜等，2002），但飞机观测成本较高，只能收集某一区域特定高度上的数据，而卫星资料其时空连续性较差。近年来，数值模式已成为研究飞机积冰过程的主要方法之一（曹丽霞等，2004;刘风林等，2011）。许多研究基于数值产品提出了一些重要的积冰指数算法，如美国当前飞机积冰预报产品（CIP;Bernstein等，2005）。李耀东等（1997）通过使用数值预报产品，预报了一些航空气象要素、给出了航空气象相关的积冰和颠簸物理指数。

然而，利用中尺度数值模式针对飞机积冰期大气云微物理过程的模拟研究相对较少，模式中云微物理方案的选取不同是否会导致飞机积冰区云物理特征的模拟出现差异尚不清楚。基于此，本文利用中尺度模式Weather Research and Forecasting（WRF）对2010年四川地区发生的一次飞机积冰过程进行模拟，比较分析两种云微物理参数化方案（WDM6和Thompson方案）对此次积冰区云系微物理过程的模拟效果，理解云微物理方案对积冰区云微物理特征的影响及其机制。

2 数据方法及模式方案

2.1 资料和方法

本文使用的气象资料包括National Centers for Environmental Prediction（NCEP）final reanalysis data（FNL;Kalnay et al.，1996）再分析资料和卫星云图资料。FNL全球再分析资料是空间分辨率为1°×1°、时间間隔为6h全球资料。该资料包含了地表26个标准等压层、地表边界层和对流层顶的要素信息。本文中卫星云图资料使用的是风云系列卫星（FY-2E）提供的资料。风云二号（FY-2）静止气象卫星是我国自主研制的第一代地球静止轨道卫星，其搭载的红外和可见光自旋扫描辐射计每半小时获取一次地球圆盘图像。

为了更好地评估飞机积冰过程，本文选用了民航部门使用较为广泛的飞机积冰指数IC指数法（赵树梅，1994）。该积冰指数法的表达式如下：

其中，RH表示相对湿度（单位;%），T表示温度（单位;℃）。当IC指数介于0%到40%之间时，则判定为轻度积冰;当IC指数介于40%到70%之间时，则判定为中度积冰;当IC指数大于70%之间时，则判定为有严重积冰出现。以往的研究表明积冰指数可以在一定程度上诊断积冰范围。

2.2 模式方案简介

为了理解飞机积冰期间的云微物理特征，本文选用了目前主流的中尺度数值模式WRF model v3.9.1（Skamarock等，2008）对2010年10月26日发生在四川广汉地区发生的一次飞机积冰事件进行模拟。WRF模式系统是由美国研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度同化预报系统，其目的是提高我们对中尺度天气系统的认识和预报水平（胡向军等，2008）。

对模拟区域的设定，我们采取的是Lambert投影的两重嵌套网格区域，模拟中心为32°N，104°E，采用三重嵌套，网格格距由外到内分别为27km、9km和3km，模拟过程选取2010年10月25日06时（世界时）作为WRF模式启动时间并积分30h。模式初边界场采用NCEP FNL的1°×1°，主要物理过程参数化方案包括：WDM6云微物理参数化方案（WDM6;Lim等，2010），KF积云对流参数化方案，RRTM长波、短波辐射方案和YSU边界层参数化方案。

为了理解飞机积冰期间的云内物理量分布特征，模式中选用了两种云微物理参数化方案进行对比模拟分析，分别采用WDM6和Thompson（Thompson等，2008）云微物理参数化方案。这两种参数化方案考虑了5种水凝物（云水、云冰、雨、雪和霰），WDM6方案在WDM5方案的基础上，还包括有霰和与它关联的一些过程，Thompson方案改良了较早的Reisner方案（楼小凤等，2004），还作被用来做理想实验和中纬度冬季观测资料的比较，取得了较好的模拟效果。一些研究也表明，该方案可适用于冻雨天气情况下航空安全保障的预报（Zhang等，2018）。

图1 WRF模式模拟区域

3 环流背景介绍

2010年10月26日11：18—12：50（北京时）在四川广汉地区的一次飞机探测过程中，飞行报告表明在11：33至11：55期间在4700m高度上发生了一次中度—重度的飞机积冰，记录显示飞机所在范围（31.38°-31.76°N、104.5°-105.8°E），探测数据显示此时云内温度大约为268K，液态水含量集中在0.15-0.2g·m-3之间（王磊等，2014）。

图2给出了此次飞机积冰过程期间的环流形势。其环流背景为500hPa上主要为一低槽逐渐东移南下（图2a），该低槽在2010年10月26日00时（世界时）位于内蒙北部地区，说明冷空气已影响到我国内蒙地区。四川广汉地区500hPa则主要以平直的西风气流为主，但在青海、甘肃地区冷空气伴随低槽的南压而逐渐南下的趋势。与此同时（26日00时），在700hPa形势图上可以看到四川地区出现短波槽;该地区以南风为主，表明此时已有由印度洋而来的暖湿西南气流由南往北的输送。配合500hPa温度场分布特征来看，四川广汉地区500hPa环境温度大约在-8℃至-12℃之间。图2c给出了FY2E卫星可见光红外云顶亮温，26日04时四川地区上空主要以云顶温度介于0℃至-20℃之间的层状云为主，这也说明飞行所经过云区环境有利于积冰的形成。根据公式（1），本文计算了积冰发生时的积冰指数IC，图2d给出了26日06时550hPa高度上积冰IC指数水平分布，在四川地区大约4000m高度上部分区域的积冰指数达到40%以上，这说明该地区很可能出现了中度以上的飞机积冰。

4 不同云微物理方案的模拟效果分析

本文利用WRF模式采用WDM6和Thompson两种云微物理方案分别进行模拟分析，图3分别给出不同时刻成都市温江探空站的观测、WDM6和Thompson两种方案模拟的探空曲线。对比观测结果可以看出，两种模式都较好地模拟出了大气中温度和露点温度的垂直分布特征以及逆温出现的高度和强度。在25日12时（图3a），对于温江站的温度曲线而言，观测和模拟结果都大约在800-650hPa高度出现了逆温层（即温度随高度增加）;尽管出现了一些偏差，但整体基本一致。观测和模拟都表明，大气低层较为潮湿，500hPa以上干冷，出现了一些弱不稳定。26日00时（图3b），从850hPa到550hPa都可以看到明显的逆温结构。露点温度曲线的变化可以看出，在低层观测和模拟结果较为吻合;但在高层，实际大气状况相比模式模拟结果而言更为干燥。

通过对比分析观测数据和模拟结果可得出，两种方案的模拟曲线与观测曲线的趋势基本一致，能够较好地模拟出积冰事件发生前的大气温度层结特征，采用WDM6和Thompson两种云微物理方案对于积冰过程中的云内物理过程的模拟分析基本可行。

为了进一步对比不同方案对于积冰过程中的云内物理过程的模拟，图4分别给出了2010年10月25日18时（图4a，4c）和26日04时（图4b，4d）WDM6（图4a-b）和Thompson（图4c-d）两种云微物理方案模拟的4700米高度水汽通量水平分布特征，水汽通量的分布主要体现了水汽传输的特征，是指单位时间内流经某一单位面积的水汽质量，表示了水汽输送的强度和方向。水汽通量Q的表达式如下：

其中g为重力加速度，V表示风速向量，q为比湿。

图中的红色虚线框表示飞机积冰报告中给出的积冰区域所在范围。从图中可以看出，随着时间的推移，积冰区上游风场由西南风逐渐转变为偏西风（图4a-b;圖4c-d），低纬度地区的暖湿气流持续向该地区输送，从而造成了图3中探空曲线在低层逆温层和温度露点差较小的特征。该地区水汽通量由5gcm-1s-1hPa-1逐渐增加到8gcm-1s-1hPa-1，同时高值区的范围也有所增加，这都为飞机积冰过程提供了有利的水汽条件，最终在26日03-05时期间发生了此次飞机积冰事件。

5 积冰期间的云微物理量特征分析

图5给出了WDM6和Thompson方案模拟的2010年10月25日06时至26日12时期间积冰区域范围内云内各类水凝物混合比含量随时间高度的演变特征图。在WDM6方案中，积冰发生前，3-5km高度内出现一暖中心，随后云中云水含量在这一高度有所增加，此时以云水混合比为主，云冰混合比相比而言较低，雪含量在这一高度含量较低但有所增加，表明在此期间该区域维持暖湿气流由南向北的输送;而在积冰期间，-4°C等温线下凹，表明在此期间有冷平流出现，使得该地区4km高度处云内温度迅速降低，26日00时以后，这部分云水已冻结为云冰，可以看到，3km高度以上主要以云冰和雪为主，霰的混合比含量也有所增加。

而在Thompson方案中，积冰发生前，3-5km高度出现一暖中心，冷平流的加强使温度降低。但不同的是，26日00时以后，云水以液态形式持续增加，而0°C等温线正位于2.5km高度附近，可以判断为过冷水的形式存在，特别是在4-5km高度处尤为明显（图5b阴影区），相比而言WDM6方案4-5km高度上的云内物理量以云冰为主（图5a红色虚线）;飞机积冰的形成主要是过冷水滴的人产生，这间接地表明了Thompson方案对于过冷水的模拟考虑更符合飞机积冰的实际情况，云水时空特征更合理地描述了积冰发生期间的云微物理特征，这一时空特征与积冰报告更为一致，而WDM6方案对飞机积冰区域云冰或云水的模拟存在一些偏差。这在很大程度上说明了模式中云微物理方案的选取对飞机积冰的模拟和预报有着重要的影响。

图5 WDM6（a）和Thompson（b）方案模拟的2010年10月25日06时至26日12时期间积冰区水凝物随时间-高度变化;其中（a）WDM6方案和（b）Thompson方案，黑色实线表示雨水混合比，黑色虚线表示等温线（单位：°C），阴影区域表示云水混合比，红色虚线表示云冰;浅蓝色点线表示雪，紫色虚线表示霰（单位：g/kg）。

6 结论

本文利用中尺度数值模式WRF对四川地区一次飞机积冰过程进行模拟，对积冰区的云微物理特征进行了分析得到如下初步结论：

（1）当飞机穿越云区时，700hPa暖湿气流向北输送，配合冷平流南下，为飞机积冰的发生提供了有利的水汽条件和-8℃～-12℃的温度条件。

（2）WRF模式中WDM6和Thompson两种云微物理方案对此次积冰个例的环流背景模拟效果与实况相比基本一致，能较好地刻画出此次飞机积冰发生前的大气层结特征和水汽条件，800-650hPa高度有弱逆温且较潮湿，500hPa以上相对干冷。水汽通量范围的扩大，输送加强，这为飞机积冰提供了充足的水汽供应。

（3）云微物理量的时空特征分析表明，不同的云微物理方案对积冰区云物理量的模拟效果不同：积冰发生期间，在3km高度以上WDM6方案中飞机积冰区域的云物理量以云冰为主，在3km高度以下以云水为主;而在Thompson方案中7km高度以下以云水为主，特别是在3km高度以上，能较好地刻画出对飞机积冰形成起关键作用的过冷水时空分布，表明Thompson方案描述的积冰区云物理特征更接近实际飞机积冰的环境特征。

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