一次飞机积冰过程云微物理特征分析

彭 冲, 宋 灿

(1．河南省人工影响天气中心,郑州 450003;2．中国气象局云雾物理环境重点开放实验室,北京 100081;3．中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室,郑州 450003)

0 引言

飞机在有过冷云滴或者雨滴的环境中航行时,过冷液滴碰撞到机体表面冻结形成聚集冰层,会使得飞机的升力减小、阻力增大[1]。飞机积冰严重影响飞机的操纵,威胁着飞行安全[2]。飞机积冰的研究对于航空事业发展具有重要的意义。

飞机积冰与气象条件密切相关,国内外学者开展过大量的积冰气象条件的研究[3-8]。迟竹萍[5]研究了山东地区不同天气系统下飞机轻度和中度积冰发生的概率,发现南方气旋系统控制下产生飞机积冰的概率最高,低压倒槽系统出现中度积冰概率最大。王钦等[6]发现中度积冰产生时相对湿度普遍大于90%,0.05～1 Pa·s-1的上升速度有利于中度积冰的产生。孙晶等[7]针对安庆地区一次飞机积冰气象条件进行了分析,得出此次过程地面冷锋伴随着逆温,积冰出现在逆温层底部。张利平等[8]对北疆地区航空器遇到严重积冰的一次过程的研究中,也发现了积冰伴随着逆温层结。

国际民航组织推荐利用温度和湿度计算积冰指数Ic,根据Ic数值将积冰分为四个等级,该算法被广泛应用于积冰预报[9-11]。刘风林等[12]利用山东省150架次飞机积冰报告,对比分析了3种积冰算法(Ic,RAP,RAOB)预报诊断效果,并调整阈值改进了两种预报较好的算法。何新党等[13]利用比湿和液水含量等物理参数,设计了预测飞机积冰的方法。白婷等[14]利用NCEP分析资料结合河南飞机积冰事例,对比分析了三种积冰预报方法的准确性,发现积冰指数法较好的反应了积冰情况。对于不同区域积冰的预报,各种预报算法准确率仍然有待实地观测验证。

积冰区云微物理特征的研究对于了解不同程度积冰形成机制十分重要。飞机观测是对云最直接的观测手段,国内外学者利用机载观测资料对积冰云微物理特征已经开展了一些研究。31架次飞机观测研究表明,飞机积冰发生时平均云滴数浓度约130 个每立方厘米,平均液水含量为0.13 g·m-3,平均有效粒子半径为18 μm[15]。在科罗拉多东北部,粒子半径较小且液水含量较低的冬季大陆层状云造成的积冰多为轻度到中度,且多为霜状[4]。在相同含水量情况下,过冷大滴的存在会导致更加严重的积冰[16-17]。袁敏等[18]利用在宜昌及周边地区的探测数据分析了一次积冰云层云微物理特征。孙晶等[7]研究表明,产生飞机积冰的云中存在丰沛的过冷水,过冷水平均值为0.36 g·m-3,云中基本无冰相粒子。雷达和卫星等遥感探测对于大范围积冰监测预警具有重要意义。冯琬等[19]分析了一次飞机积冰发生时的MODIS观测云微物理特征。Minnis[20]提出了一种基于GOES卫星反演云有效温度、云有效粒子半径、云光学厚度等物理参数的积冰强度划分方法。基于此方法,马俊逸[21]利用FY-2F卫星反演云参数分析判断出积冰强度与飞机积冰报告记录基本吻合。

国内飞机积冰报告有限,飞机积冰的云物理探测资料更是珍贵。本文利用2018年1月24日河南地区一次飞机积冰天气过程的机载探测资料,结合天气雷达和卫星云参数分析积冰产生的云微物理特征。

1 资料介绍与数据处理

本文使用的数据有河南省2018年1月24 日的两次机载观测数据、S波段天气雷达观测数据以及葵花8卫星反演云参数数据。机载探测仪器和资料处理方案如下:

1.1 飞机云物理探测仪器

本次探测飞机为新舟60B-3435号人影作业飞机,探测仪器为美国粒子测量公司DMT(Droplets Measurement Technologies,DMT)的机载探测设备,此套探测仪器能够实时测量出大气的温度、气压、湿度等宏观资料,且可获得云滴粒子谱分布以及大气中的液态含水量,并能给出25～6 200 μm的粒子二维图像,为云微物理特征研究提供详细的资料。DMT仪器介绍如表1所示,其中云粒子探头CDP(Cloud Droplet Probe,CDP)利用Mie散射原理测量大气中小云滴的谱分布,该仪器探测尺度范围为2～50 μm,共分为30个档,前12档的通道间隔为1 μm,后面18档的通道间隔为2 μm。CIP(Cloud Image Probe,CIP)和PIP(Precipitation Image Probe,PIP)为粒子图像探头,利用光电二极管技术实现对云中粒子大小和形状的观测。热线含水量仪(Hot-Wire)可测量云中的液态含水量,当有水滴碰撞到仪器上面时,水滴蒸发带走热量,电路需消耗额外的功率来维持原来的恒定温度,此时电路所消耗的这部分额外功率与碰撞到它上面的水滴的质量是成正比的,根据这一原理,可以实时测量出碰撞到线圈上的液态水的质量。

表1 DMT仪器介绍

1.2 数据处理计算

文中涉及到物理量的计算公式如下:

有效粒子直径ED:

(1)

中值体积直径MVD:

(2)

液态含水量LWC:

(3)

其中:D和r分别为不同尺度档的直径和半径;n(D)和n(r)为不同通道的粒子浓度,单位cm-3·μm-1;dr和dD为档宽;Dmax和Dmin分别为最大直径和最小直径。

2 飞机观测云微物理特征及演变

2.1 飞行探测概况介绍

2018年1月24日,河南省人工影响天气中心在09:18至12:21(第1次探测)和15:02至17:00(第2次探测)分别开展了两次人工增雨(雪)飞机探测。两次探测的飞行航线如图1所示,其中黑色曲线为09:18至12:21飞行探测的轨迹,灰色曲线为15:02至17:00飞行探测的轨迹,黑色散点分别展示了郑州(星形)和南阳(三角形)探空站所在位置。本次飞行区域在自南向北移动的天气系统前沿,探测云系为层状云系。根据机上宏观记录记载,飞机在探测作业过程中平飞探测区域观测到了积冰。

图1 两次探测的飞行航线

2018年1月24日08:00 L波段探空温湿廓线如图2所示。郑州站08:00探空显示当天整层温度较低,地面温度已低于0 ℃,1.5～2.5 km之间有明显的逆温层结,温度变化率为7 ℃·km-1。逆温层结阻碍了边界层水汽向上的传输,1.5 km以下有相对湿度大于80%的湿区,而2.5 km以上相对湿度很低,基本低于10%。南阳低层水汽条件较郑州好,且南阳地区湿层更厚,1～3.2 km之间相对湿度均值大于90%,5.6 km以上相对湿度低于10%;同样,南阳站地面温度也低于0 ℃,且在1～3 km之间存在较弱的逆温层结。与张利平等[8]和孙晶等[7]研究结果相似,本次积冰过程也伴随有逆温层结出现。

图2 2018年1月24日08:00 L波段探空温湿廓线

2.2 平均云微物理量特征

以机载云粒子探头CDP探测的云粒子浓度Nc大于10个每立方厘米作为云区的判断标准,计算得到了两次探测平均云滴统计特征量如表2所示。由表2可见,第1次探测平均云滴数浓度为99.60 个每立方厘米,平均有效粒子直径为8.26 μm,平均液水含量为0.02 g·m-3。第2次探测平均云滴数浓度为43.42个每立方厘米,平均有效粒子直径为12.91 μm,平均液水含量为0.03 g·m-3。较第1次探测个例,第2次探测得到的云滴数浓度减少,而液水含量和有效粒子半径增加。与加拿大东海岸冬季风暴的研究结果[15]相比,本次观测中积冰区域的云微物理量值均偏小。

表2 两次探测平均云滴统计特征量

2.3 云微物理特征演变

第1次探测温度、高度、粒子数浓度和液水含量等随时间的演变如图3所示,其中图3(a)中黑色实线为飞行高度,灰色实线为温度曲线;图3(b)中灰色虚线为热线含水量仪观测值,黑色实线为CDP计算值,此次观测云区数据主要位于-7～-10 ℃之间。飞机探测的温度和高度如图3(a),液态含水量LWC如图3(b),CDP探测数浓度Nc如图3(c)。图3还展示了部分时刻的CIP粒子图像,由图像可见,记录有积冰形成的时段(图3中方框内),云中存在球形液滴,同时也存在着尺度较大的片状冰晶和辐枝状冰晶,云系性质为冰水共存的混合相态云。通过贝吉龙过程,云中冰晶消耗过冷水增长,会使云中的液水含量减小。而从09:45(T1)和11:45(T4)的粒子图像上可以看到,这些时刻观测到的粒子以不规则的片状和辐枝状冰晶为主,同时有少量的柱状冰晶存在,但未观测到球形粒子。云中小云粒子(直径小于50 μm)粒子浓度较小,液水含量也较低,宏观记录上未记录积冰。本次探测液水含量基本小于0.1 g·m-3,热线观测值稍大于CDP计算值。

图3 第1次探测温度、高度、粒子数浓度和液水含量等随时间的演变

第2次探测温度、高度、粒子数浓度和液水含量等随时间的演变如图4所示。

图4 第2次探测温度、高度、粒子数浓度和液水含量等随时间的演变

飞机探测的温度和高度如图4(a),液态含水量LWC如图4(b),CDP探测数浓度Nc如图4(c)。与第一次观测结果相似,本次云区探测高度4 km,温度-6～-8 ℃。云中存在球形液滴(图4 T2、T3),同时也存在着尺度较大的片状冰晶,云系性质为冰水共存的混合相态云。T1和T4观测粒子以针状和辐枝状冰晶为主,未观测到球形粒子。

2.4 LWC与MVD相关性

积冰强度由云液态含水量、云滴直径、环境气温等变量共同决定。液水含量越高、云滴尺度越大,则积冰强度相应也越大。国外根据大量飞机积冰的探测研究,建立了飞机自然积冰环境中的飞行标准[22]。本节选取了两次机载探测的过冷云区数据,分析LWC与MVD的相关关系。2个架次共获得了5 914个云区数据。将LWC等对数间隔分为了8档(具体每档的范围为:10-3～10-2.75,10-2.75～10-2.5,10-2.5～10-2.25,10-2.25～10-2,10-2～10-1.75,10-1.75～10-1.5,10-1.5～10-1.25,10-1.25～10-1,计算不同LWC下MVD的中值、1/4和3/4分位值以及最大最小值。使用Y=AXb公式对观测结果进行拟合,LWC与MVD相关性统计拟合分析的结果如图5所示,其中,星号为MVD的中值,阴影表示1/4和3/4分位值,灰色实线展示在此LWC区间内MVD的最大和最小值,黑色实线为拟合曲线。由图可见,MVD与LWC有较好的正相关关系,使用函数Y=AXb可以较好地对LWC和MVD关系进行描述,拟合参数为A=32.78,b=0.29,相关系数0.7。本次过程液水含量值较低,基本低于0.1 g·m-3,根据现有飞行标准附录C[22]积冰程度不会影响,到飞行安全。

图5 LWC与MVD相关性统计拟合分析的结果

3 雷达回波及卫星云参数分析

3.1 雷达组合反射率和垂直剖面分析

飞行区域的雷达回波如图6所示,飞行区域(图中黑色方框)轨迹叠加中间时刻的雷达组合反射率如图6(a)、图6(c),图6(b)和图6(d)为两架次沿飞行轨迹的雷达回波剖面,其中实线为飞机飞行高度。本次飞机积冰过程雷达回波水平分布较为均匀,具有明显的层状云降水特征,天气雷达回波触及地面,地面产生了降水。由组合反射率图可见,积冰区域回波强度整体较弱,雷达反射率最大值不超过25 dBZ,飞行积冰高度的雷达反射率基本在5～10 dBZ之间。随着高度的降低,降水粒子尺度不断增大,由于雷达反射率与粒子尺度的6次方成正比,因此雷达反射率随高度降低有明显的增强。

图6 飞行区域的雷达回波

3.2 卫星云参数分析

飞机机载设备探测频率为1 Hz,每秒钟有一组观测数据。提取飞机飞行位置的最近时间最近像素点的葵花8卫星云参数进行研究分析,飞机飞行位置的卫星云参数平均值如表3和所示,机载探测区域COT(a)和CER(b)频率分布图如图7所示。结果表明,飞行区域云系发展旺盛,光学厚度(Cloud Optical Thickness,COT)较大,超过90%的样本光学厚度大于40,光学厚度平均值分别为67.4和84.2。云顶有效粒子半径(Cloud Effective Radius,CER)较小,分布在0～15 μm之间,其中有效粒子半径在5～10 μm之间的样本最多,约占总样本的60%,两次探测区域的卫星反演有效粒子半径平均值分别为8.9 μm和7.6 μm。由于飞行区域有限,且云系分布相对均匀,两次探测的云顶高度和温度分布范围较窄,云顶高度6～7 km,云顶温度-15～-20 ℃。由表3可见两次探测的云顶高度(Cloud Top Height,CTH)平均值分别为6.4 km和6.5 km, 云顶温度(Cloud Top Temperature,CTT)平均值分别为-16.2 ℃和-17.4 ℃。

表3 飞机飞行位置的卫星云参数平均值

图7 机载探测区域COT(a)和CER(b)频率分布图

4 结论

本文利用2018年1月24日河南地区一次飞机积冰天气过程的机载探测资料,结合天气雷达和卫星云参数分析了积冰产生的云微物理特征。研究结果表明:

(1)本次探测云系为层状云系,平均有效粒子直径小于15 μm,平均液态含水量低于0.1 g·m-3。

(2)积冰区域云中存在球形液滴,同时也存在着尺度较大的片状冰晶和辐枝状冰晶,云系性质为冰水共存的混合相态云。

(3)云中液态含水量随中值体积直径增大而增大,函数Y=32.78X0.29可以较好地描述液态含水量与中值体积直径的关系。

(4)积冰区域整体回波强度较弱,飞机积冰高度的雷达反射率为5～10 dBZ,云系光学厚度较大,有效粒子半径较小,平均云顶高度6～7 km,云顶温度约-17 ℃。

本文基于两架次飞机探测研究,得到了此次积冰过程发生的云微物理特征及液态含水量与中值体积直径的相关关系。建立适合我国的适航标准需要更多不同液态含水量、不同积冰强度的探测资料分析。