我国干旱地区一次直升机自然结冰试飞天气个例分析

王泽林，倪洪波，裴昌春

（1.中国飞行试验研究院，陕西 西安710089；2.泉州市气象局，福建 泉州362000）

飞机积冰是指飞机机身表面某些部位积聚冰层的现象， 它是由于云中的过冷水滴或降水中的过冷云、雨滴碰到机体后冻结而成。直升机主要在6000 m以下的低中空飞行，由于低空和低速的飞行特点，当直升机在结冰天气条件下飞行时，旋翼、尾桨、发动机进气道、风挡、天线等部位可能会形成严重的冰层聚积，对直升机飞行性能、操纵品质、发动机性能等造成严重影响，尤其是旋翼、桨叶的积冰会导致飞行阻力增加，需用功率增加，并引起桨叶失速、空速受限、续航时间和航程显著下降等问题，严重威胁飞行安全[1-2]。

国外对飞机积冰的研究开展较早， 从20 世纪40 年代开始，美国就对飞机自然结冰做了大量的探测和理论研究， 制定了飞机自然结冰环境中的飞行标准[3-5]。 国内许多学者也对此问题进行了大量的观测研究，但研究多限于固定翼飞机，针对旋翼机积冰方面目前仍较少有研究涉及。 陈跃等[6]对国产Y-12型飞机在新疆地区进行自然结冰试飞期间所获得的资料进行了个例分析， 对影响飞机积冰的液态水含量、 体积中值直径和滴谱等气象因素的水平和垂直分布进行了讨论。 张兴才[7]分析了乌鲁木齐地区飞机积冰的天气形势与特点， 结果表明飞机穿越锋区或在锋区附近飞行时，更容易造成飞机积冰。 黄海波[8]分析了新疆地区的积冰特点：该地区飞机积冰大多数都发生在秋、冬、春三季，积冰主要是锋面云系造成。 大量文献研究表明： 飞机积冰温度一般在0～-15 ℃，轻度积冰在0～-12 ℃出现最多，中度积冰在-2～-12 ℃出现最多， 强积冰发生在-8～-10 ℃最多[9-12]，积冰过程多伴有弱的上升运动[13-14]。

近年来，军、民用直升机的全天候使用需求日益强烈， 而具备在一定的结冰环境条件下安全飞行是全天候使用的基本要求，因此，自然结冰试飞已经作为直升机试飞的重要课题。本文旨在通过分析2018年3 月17 日与27 日国产某型直升机在我国干旱区——新疆五家渠进行的直升机的自然结冰试飞个例，利用NCEP/NCAR 再分析资料、机测液态水含量资料结合常规气象资料， 探寻飞机机身积冰发生时的天气要素及环流特征， 总结干旱地区直升机结冰天气预报及保障方法，为我国军、民用直升机在干旱地区执行飞行任务时面临的自然结冰气象保障服务提供基础技术支撑， 总结直升机飞行结冰天气潜势预报指标，探讨结冰天气预报技术。

1 试飞过程简介

2018 年3 月17 日16：10—16：40（BT，以下时间均为BT）， 试验机在87.14°E，44.37°N 位置2 km范围内，完成了首架次的自然结冰试飞。 从图1a 可见，此次试飞，直升机机身积冰表面粗糙不平，不透明，呈白瓷色，积冰厚度<0.5 cm，属于轻度积冰。 试飞期间，飞机由云底入云，云中无降水，飞行高度1800～2100 m（海拔高度），飞行速度120～160 km/h。

2018 年3 月27 日11：00—11：45， 试验机在86.77°E，44.45°N 位置2 km 范围内， 完成了第二架次的自然结冰试飞。从图1b 可见，此次试飞，直升机机身积冰表面光滑、通体透明，属于明冰，积冰厚度在1～2 cm，属于轻—中度积冰。 在这次自然结冰试飞中， 飞机的一些性能参数发生明显变化。 试飞期间，飞机由云底入云，云下有降水，飞行高度2000～2200 m（海拔高度），飞行速度120～160 km/h。

2 直升机飞行自然结冰天气的天气尺度环流形势演变

从3 月17 日14 时500 hPa 高度场与地面气压场叠加图（图2a）可见，500 hPa 高度场巴尔喀什湖地区有冷涡东移，试飞点处于冷涡前部。地面气压场上，新疆西北部有一高压，其中心位于巴尔喀什湖北部，中心值＞1030 hPa，冷锋从新疆北部伸至新疆西部， 试飞点位于其前侧， 冷空气已经影响到新疆西部。 在700 hPa 高度（图2b），巴尔喀什湖地区风场有气旋性辐合，试飞点受辐合区前部偏南气流影响，试飞点及其周围100～200 km 范围相对湿度＜60%，其西部及东北部，相对湿度＞90%。 在850 hPa 高度（图2c）， 试飞点及其北部有一切变线，-4 ℃冷中心位于巴尔喀什湖地区，0 ℃线伸至试飞点西侧。

图1 3 月17 日（a）与3 月27 日（b）自然结冰试飞挂架积冰状况

图2 3 月17 日14 时500 hPa 高度场和地面气压场（a），700 hPa 风场与相对湿度（b）和850 hPa 风场与温度场（c）

从3 月27 日08 时500 hPa 高度场与地面气压场叠加图（图3a）可见，500 hPa 高度场巴尔喀什湖以西有浅槽东移。 地面气压场上，天山南部为一低压，新疆西北部为一高压， 高压中心位于巴尔喀什湖地区，冷锋从蒙古西部伸向天山地区，试飞点处于冷锋后部的冷高压前沿。 在700 hPa 高度（图3b），天山北部地区有相对湿度大值区， 试飞点及其北部的相对湿度＞90%。 在850 hPa 高度（图3c），0 ℃线位于新疆北部，呈东—西走向，冷空气位置偏北，强度较弱。

3 直升机飞行自然结冰天气的中尺度动力和热力特征

为得到结冰试飞期间大气的动力、热力特征，利用16 日08 时—19 日02 时，26 日08 时—29 日02时的NCEP/NCAR 再分析资料， 得到试飞点位置（87°E，44°N）的温度、比湿廓线图，温度平流、垂直速度廓线图，水汽通量散度廓线图（图4、图5），Ic积冰指数廓线图（图6）。此外，考虑当地海拔高度影响，文中分析讨论900 hPa 以上高度层物理量。

3.1 3 月17 日试飞情况

从温度、比湿廓线（图4a）可见，在17 日14 时后600 hPa 以下有明显冷空气，对应的比湿场上，比湿值在14 时后整层迅速增大，说明随着冷空气的影响，湿暖空气不断抬升。17 日14 时—18 日08 时，高比湿值层（q＞3 g/kg）伸至750 hPa，17 日14 时—18日02 时，高比湿中心值＞4 g/kg。 从温度平流和垂直速度廓线（图4b）可见，17 日08 时—17 日14 时在600 hPa 以下有上升运动大值区，17 日14 时—18日14 时在800 hPa 以下有弱冷平流。从水汽通量散度廓线（图4c） 可见，17 日14 时—18 日08 时，在900～800 hPa 高度， 有＞-1.5×10-7g/cm2·hPa·s 的水汽辐合中心。 在结冰试飞期间（16:00—16:40，高度1800～2100 m（约800～780 hPa），温度介于0～-4 ℃，处于轻—中度积冰的温度范围； 比湿值为3～3.5 g/kg，处于高比湿值层； 垂直速度为-0.2～-0.4 Pa/s；积冰发生在冷暖平流交汇处；水汽通量散度＞-1.2×10-7g/cm2·hPa·s， 位于水汽辐合中心， 低层有强水汽辐合，高层有弱水汽辐散。

3.2 3 月27 日试飞情况

从温度、比湿廓线（图5a）可见，26 日14 时后700 hPa 以下有明显冷空气，0 ℃层由700 hPa 降低至800 hPa，对应比湿场上，26 日14 时后，中低层比湿值迅速增加，27 日02 时—28 日14 时， 高比湿值层（q＞3 g/kg）伸至600 hPa 附近，26 日20 时—27 日14 时，在900～850 hPa 高度，比湿中心值>5 g/kg。 从温度平流、垂直速度廓线（图5b）可见， 27 日02—14 时850～750 hPa 有上升运动大值区，低层冷平流分布主要与低层上升运动大值区对应， 在27 日02—14 时850～750 hPa 高度有弱冷平流。 从水汽通量散度廓线（图5c）可见，27 日02—14 时，在850～800 hPa 高度，有强度＞-0.6×10-7g/cm2·hPa·s 的弱水汽辐合中心，26 日14 时—27 日20 时，750～600 hPa为水汽辐散中心。从图5 可以看出，在结冰试飞期间（27 日11:00—11:45， 高度2000～2200 m（约790～770 hPa）），温度介于0～-2 ℃，处于轻—中度积冰的温度范围；比湿值接近4.5 g/kg，处于高比湿值层；垂直速度为-0.2～-0.4 Pa/s；积冰发生在弱冷平流中心附近；处于弱水汽辐合中心边缘，水汽通量散度＞-0.3×10-7g/cm2·hPa·s，在750 hPa 上部、850 hPa 下部为水汽辐散区，试飞高度层有水汽辐合，其上部与下部均为水汽辐散区。

图3 3 月27 日08 时500 hPa 高度场和地面气压场（a），700 hPa 风场与相对湿度（b）及850 hPa 风场与温度场（c）

图4 3 月16 日08 时—19 日02 时，比湿和温度廓线（a），垂直速度和温度平流廓线（b）及水汽通量散度廓线（c）

3.3 直升机飞行自然结冰天气中Ic 积冰指数的垂

直分布

国际民航组织建立了计算积冰强度的Ic 积冰指数：Ic=[（RH-50）×2]×[T×（T+14）/（-49）]， 其中RH 为相对湿度，T 为温度（℃）。积冰强度根据Ic 指数的不同进行如下划分： 0＜Ic≤50，判断有轻度积冰；50＜Ic≤80，判断有中度积冰；Ic＞80 判断有严重积冰[15]。

从图6a 可见，17 日14 时以后积冰指数迅速增大， 高积冰指数集中在17 日20 时—18 日20 时850～650 hPa 高度。 新疆西部的冷涡外围云系在14时后开始影响试飞点， 冷涡影响试飞点的主要时间为17 日20 时—18 日14 时，这与Ic 积冰指数大值区有很好对应。 17 日结冰试飞期间，Ic 积冰指数为20～30，判断有轻度积冰。从图6b 可见，27 日结冰试飞期间，Ic 积冰指数为30～40，判断有轻度积冰。

4 直升机飞行自然结冰天气云中液态水含量特征

由图7 可见，3 月17 日飞机在云中飞行约30 min，整个飞行过程中云层基本连续， 液态水含量值波动较大， 可分3 段： 前10 min， 液态水含量较低，在15%～40%区间波动；10～17 min，液态水含量在40%～80%；17～30 min，液态水含量在20%～80%波动。3 月27 日飞机在云中飞行约45 min，整个飞行过程中云层连续，液态水含量稳定在40%～80%，均值保持在60%左右。

图5 3 月26 日08 时—29 日02 时比湿和温度廓线（a），垂直速度和温度平流廓线（b）及水汽通量散度廓线（c）

图6 3 月16 日08 时—19 日02 时（a）与3 月26 日08 时—29 日02 时（b）Ic积冰指数廓线

图7 3 月17 日（a）与3 月27 日（b）自然结冰试飞云中液态水含量变化趋势

5 直升机飞行自然结冰天气预报方法

在此次自然结冰试飞气象保障中， 利用数值模式产品结合探空、雷达、卫星云图等资料对积冰区域及高度进行预报，以3 月27 日积冰预报为例说明积冰天气预报指标应用及保障方法。

通过中期数值模式产品分析， 在3 月27 日08时—31 日08 时北疆地区将出现雨夹雪天气过程，云层中有较大积冰潜势。在27 日飞行前对天气实况进行连续监测，观测资料表明：08 时以后，观测点上空低云量增多，云底高维持在1500 m 左右，地面温度11～12 ℃，无降水。 08 时乌鲁木齐站高空有多层云，低层云约2100～3000 m，中层云约4800～5000 m，高层云约6200～6400 m，700 hPa 上部有一浅薄的逆温层，0 ℃层高度约为2000 m，在2000～3000 m 有较高积冰概率。 卫星实况监测表明（图8），05—11 时，五家渠地区西北部被大范围的层状云覆盖， 云系自西向东移动，云顶黑体亮温低于-30 ℃，云系后部发展旺盛。雷达回波监测表明：07—10 时，五家渠地区西北100 km 范围内有降水回波，回波比较均匀，强度在5～15 dBZ，回波缓慢东移，从垂直结构来看，回波顶在约5 km，回波向下有所增长，地面有降水形成。 微波辐射计连续监测表明：3 月27 日04—09时，3 km 以下有较弱冷空气，0 ℃层高度在2000～2200 m，08 时后， 低层相对湿度显著增大， 整层湿度＞60%，1.5～3 km 高度相对湿度在70%～80%，在2～2.2 km 高度有浅薄的过冷水层，含量0.01～0.02 g/m3。

根据对卫星、雷达和地面观测等资料的分析，给出了自然结冰试飞天气潜势预报。 预计，3 月27 日11—14 时， 五家渠西北部100 km 范围内会出现有利于直升机自然结冰试飞的天气条件， 低层云范围为2000～3000 m，0 ℃层在2 km 高度， 在2～2.2 km有浅薄过冷水层， 云中有降水，2～3 km 高度十分有利于飞行结冰，可择时开展自然结冰试飞。 但是，这些有利于自然结冰的环境条件对于直升机执行任务而言是负面影响更严重，甚至存在坠机风险，需要避开不利的结冰天气出现时段。

图8 3 月27 日05—13 时FY2G 云顶黑体亮温分布（单位：℃）

6 结论

2018 年3 月17 日和27 日，在新疆北部五家渠市开展了直升机在自然结冰天气条件下的试飞，得到了我国干旱地区直升机飞行自然结冰天气的基本要素特征。

（1）3 月17 日自然结冰试飞期间， 云中液态水含量波动较大， 在低水含量区域飞行10 min，中度水含量区域飞行7 min， 在轻—中度区域飞行了13 min。 30 min 飞行后，飞机挂架上形成粗糙不平，不透明，呈白瓷色的凇冰，积冰厚度＜0.5 cm，属于轻度积冰。此次试飞点受高空冷涡影响，位于低层辐合区前部偏南气流区，以及地面冷锋前部暖区。直升机所处高空环境温度为0～-4 ℃，比湿值为3～3.5 g/kg，试飞高度层位于水汽辐合中心，伴有弱上升运动，积冰发生在冷暖平流交汇处；Ic 积冰指数为20～30。

（2）3 月27 日自然结冰试飞期间， 云中液态水含量较为稳定， 全程45 min 在中度水含量区域飞行，飞机挂架上形成表面光滑、通体透明的明冰，积冰厚度1～2 cm，属于轻—中度积冰。 此次试飞点受高空浅槽影响，位于低层相对湿度大值区，以及地面冷锋后部的冷高压区； 直升机在空中飞行时的大气温度为0～-2 ℃，空气中比湿值接近4.5 g/kg，试飞高度层位于弱水汽辐合中心边缘，伴有弱上升运动，积冰发生在弱冷平流中心附近；Ic 积冰指数为30～40。

（3）利用地面观测、卫星云图、雷达、探空、微波辐射计等资料，综合数值预报产品，可以有效地预报出适宜自然结冰试飞区域范围和高度层， 为直升机执行任务提供气象保障服务。