一次飛機(jī)積冰條件下的云粒子結(jié)構(gòu)分析

龐朝云

(1.甘肅省人工影響天氣辦公室,甘肅蘭州730020;2.成都信息工程學(xué)院,四川成都610225)

飛機(jī)積冰是指飛機(jī)機(jī)身表面某些部位聚集冰層的現(xiàn)象,它是由于云中過冷水滴或降水中的過冷雨滴碰到機(jī)體后凍結(jié)而成,也可由水汽直接在機(jī)體表面凝華而成[1]。在航行中飛機(jī)發(fā)生積冰,使飛機(jī)的空氣動(dòng)力性能變差、升力減少、阻力增大,輕者影響飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性,重者使飛機(jī)通信中斷、儀表失靈、甚至?xí)?dǎo)致機(jī)毀人亡的惡性事故。飛機(jī)積冰的概率取決于很多因素,主要是：天氣條件、飛行高度上云的概率、云的含水量、氣溫、云中水滴和冰晶的大小及其在單位時(shí)間內(nèi)落在單位面積上的數(shù)量、水滴的冰結(jié)速度、氣流繞過飛機(jī)各部位的特點(diǎn)(飛機(jī)的空氣動(dòng)力特性)以及飛行速度。公寬平[2]認(rèn)為就季節(jié)而言,不同季節(jié)飛機(jī)積冰頻率不同,在冬、春兩季積冰頻率比較高,運(yùn)7飛機(jī)在3000～6000m,相對(duì)積冰機(jī)率要高。李子良[3]認(rèn)為輕度積冰發(fā)生在0℃～-10℃,中積冰多在-2℃～-12℃出現(xiàn),強(qiáng)積冰多在-8℃～-10℃出現(xiàn),積冰多發(fā)生在高濕區(qū)位置。王洪芳等[4-5]認(rèn)為云中過冷水含量越大,積冰強(qiáng)度也越大。陳躍等[6]認(rèn)為過冷水含量超過1g/m3時(shí),積冰最嚴(yán)重。曹麗霞等[7]就積冰預(yù)報(bào)中云微物理參數(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和討論,認(rèn)為外場觀測是認(rèn)識(shí)云物理過程最重要的途徑,其中機(jī)載資料作為直接入云獲得的探測資料,能提供準(zhǔn)確可靠的實(shí)況數(shù)據(jù),并真實(shí)地反映云層的微物理特性。

利用空中觀測資料和機(jī)載儀器采集資料分析影響飛機(jī)積冰的微物理?xiàng)l件,總結(jié)飛機(jī)積冰的一般規(guī)律,增強(qiáng)飛行安全保障能力。

1 探測儀器及資料來源

探測儀器為安-26型飛機(jī)和機(jī)載溫濕度儀、PMS粒子探測系統(tǒng)、GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。安-26型飛機(jī)為運(yùn)輸機(jī)型,飛行高度在3500～6500m,飛行速度300～450km/h,每次均在云中飛行。溫濕度儀為北京大學(xué)研制,可安裝在飛機(jī)機(jī)艙外部,直接探測空中溫度和濕度,并安裝有GPS,對(duì)飛機(jī)所在位置和高度進(jìn)行定位。并裝有美國粒子測量系統(tǒng)公司生產(chǎn)的機(jī)載PMS探測系統(tǒng),裝備的3個(gè)探頭分別為 FSSP-100(量程：0.75μ m～47μ m)、OAP-2D-C(量程：25μ m ～ 800μ m)和 OAP-2D-P(量程：200μ m ～ 6400μ m),其中 FSSP 用于測量云滴譜,OAP-2D-C 用于測量云粒子譜和二維圖像,OAP-2D-P用于測量雨滴譜。這套系統(tǒng)能夠得到包括溫度、氣壓、高度、空速等資料,也能夠得到云粒子濃度、含水量、粒子的平均直徑等數(shù)據(jù)資料[8]。上述儀器分別裝于機(jī)翼中翼下部前緣和飛機(jī)外掛架下部。

計(jì)算微物理量使用如下方法[9-10]：

其中D為i等級(jí)云粒子的中值直徑;N(D)為單位體積內(nèi)i等級(jí)云粒子的數(shù)濃度;N為單位體積內(nèi)云粒子總數(shù);V為有效取樣體積;n(Di)為1幀內(nèi)i等級(jí)云粒子的個(gè)數(shù);TAS為飛機(jī)的真空速;SE為儀器的有效取樣面積;T為每幀譜數(shù)據(jù)的取樣時(shí)間。

積冰強(qiáng)度(I)等級(jí)使用文獻(xiàn)[11]中的標(biāo)準(zhǔn),單位：(mm/min),即I＜0.6為弱積冰;0.6≤I＜1.1為中度積冰;1.1≤I＜2.0為強(qiáng)度積冰;I≥2.0為極強(qiáng)積冰。

2 飛行探測情況

2.1 飛行概況及宏觀觀測

2003年9月19日08時(shí)54分,飛機(jī)從中川機(jī)場起飛,10時(shí)12分到達(dá)華亭上空進(jìn)入云中,有輕微顛簸,10時(shí)15分出現(xiàn)積冰,飛行高度6300m左右,10時(shí)20分出現(xiàn)中度以上積冰,由于積冰嚴(yán)重,10時(shí) 28分,飛機(jī)降低高度除冰。12時(shí)09分飛機(jī)落地,飛機(jī)飛行速度約為380km/h。航線如圖1所示。

2.2 云中溫濕度

10時(shí)15分出現(xiàn)積冰時(shí),由圖2知,相對(duì)濕度增加達(dá)85%左右,溫度為-6℃左右。事實(shí)與李子良等[3-4]分析一致。10時(shí)28分,飛機(jī)降低高度后,雖然相對(duì)濕度仍然在80%以上,但溫度上升到-5℃,飛機(jī)積冰明顯減弱,表明溫度低于-5℃時(shí)出現(xiàn)積冰的機(jī)率大。

圖1 2003年9月19日探測作業(yè)航線

圖2 高空溫度和相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化

3 天氣形勢和云系宏觀特征

由于飛機(jī)積冰出現(xiàn)在溫度低于0℃過冷水滴的云層中,所以凡有利于形成云層的天氣形勢,如鋒、西風(fēng)槽和切變線等,只要溫濕條件具備,都有利于產(chǎn)生積冰。由飛行報(bào)告可見,在鋒面系統(tǒng)和氣旋系統(tǒng)中,云中飛機(jī)積冰的可能性比較大。

2003年9月19日,受西北冷空氣和西太平洋副熱帶高壓外圍西南暖濕氣流共同影響,由圖3(a)知,08時(shí)500hPa高空槽線位于銀川-平?jīng)?紅原一線,在甘肅黃河以東地區(qū)出現(xiàn)大范圍中低云為主的降水云系。積冰出現(xiàn)地點(diǎn)距平?jīng)鎏娇照緝H40km左右,用平?jīng)鎏娇照举Y料分析,平?jīng)稣?00hPa和700hPa溫度露點(diǎn)差均為0℃,空氣達(dá)到飽和,可見高低空濕度都很大,0度層高度在4500m,云層分為兩層,為As-Ac結(jié)構(gòu),積冰出現(xiàn)在As云中,上午10時(shí)平?jīng)稣境霈F(xiàn)降水。圖3(b)分析了19日08時(shí)平?jīng)稣旧峡账康拇怪狈植记闆r,平?jīng)稣菊麑铀窟_(dá)到30.84mm,在700hPa至500hPa水汽含量最為豐富。

圖3 2003年9月19日08時(shí)500hPa高空?qǐng)D及水汽含量垂直分布圖

4 云層微物理結(jié)構(gòu)

4.1 水平分布

2003年9月19日由機(jī)載FSSP-100探頭1檔(2μ m～47μ m)探測云中粒子微物理結(jié)構(gòu)。由圖4(a)知,10時(shí)12分飛機(jī)入云后,粒子總濃度迅速增大,粒子濃度在0.05～5.91個(gè)/cm3,濃度均值為0.93個(gè)/cm3,最大值出現(xiàn)在10時(shí)17分,為5.91個(gè)/cm3。由圖4(b)可見,10時(shí) 12分左右,云中含水量迅速增大,均值為 0.0043g/m3,最大值出現(xiàn)在10時(shí)23分,為0.0233g/m3。由圖4(c)可見粒子平均直徑為1.57μ m,10時(shí)39分出現(xiàn)平均濃度直徑最大值32.3μ m,探測結(jié)果與李淑日[12]、趙增亮等[13]在西北地區(qū)的探測結(jié)果量級(jí)上基本一致。分析二維探頭2DP資料(圖略)可見10時(shí)15分出現(xiàn)積冰時(shí),雨滴總濃度達(dá)到229個(gè)/m3,平均粒子直徑為821.4μ m,雨滴總濃度最大值出現(xiàn)在10時(shí)26分58秒,達(dá)5204個(gè)/m3,且d＞400μ m的粒子總濃度達(dá)2858個(gè)/m3,最大總含水量和最大平均直徑都出現(xiàn)在 10時(shí)24分18秒,分別為0.975g/m3和1025.7μ m。

積冰出現(xiàn)在粒子總濃度和含水量較大區(qū)域,且雨滴濃度和平均直徑的增大對(duì)積冰的出現(xiàn)起重要作用。

圖4 粒子數(shù)濃度、液態(tài)含水量液態(tài)含水量變化和平均濃度直徑隨時(shí)間變化

4.2 垂直分布

10時(shí)12分至10時(shí)38分飛機(jī)由6340m下降到5220m,fssp-100探測粒子濃度和含水量的垂直分布如圖5所示,總粒子濃度在6316m出現(xiàn)最大值5.91個(gè)/cm3,含水量的最大值出現(xiàn)在6308m,為0.0233g/m3,平均粒子濃度直徑在6200m以上保持較大值,這正是飛機(jī)出現(xiàn)積冰的高度。可見在6200m以上,云中粒子濃度、含水量以及平均濃度直徑都較大,容易導(dǎo)致飛機(jī)出現(xiàn)積冰。分析2DP資料發(fā)現(xiàn)雨滴最大濃度、最大直徑和最大含水量也出現(xiàn)在6300m左右。

圖5 粒子數(shù)濃度、液態(tài)含水量和平均濃度直徑隨高度分布圖

4.3 積冰前后云粒子譜分布

由圖6知,10時(shí)12分02秒～10時(shí)12分 57秒未出現(xiàn)積冰時(shí),共12組數(shù)據(jù)平均后粒子譜呈單峰型,譜寬窄,小粒子較多,含水量為 0.000164g/m3。10時(shí) 19分02秒～10時(shí)19分57秒出現(xiàn)積冰前期,共12組數(shù)據(jù)平均后粒子譜呈多峰,譜寬增大,大粒子增多,含水量為0.00424g/m3。而在10時(shí)22分02秒～10時(shí)22分57秒積冰嚴(yán)重時(shí),共12組數(shù)據(jù)平均后粒子譜呈雙峰,大粒子突然增多,含水量為0.0115g/m3。從未出現(xiàn)結(jié)冰到結(jié)冰前期到結(jié)冰中期,D＞20μ m的云滴濃度占總云滴濃度分別為6.5%、46.9%、76.3%,大粒子所占比例明顯增大,含水量也呈量級(jí)增加,表明大粒子對(duì)發(fā)生積冰貢獻(xiàn)值較大。

圖6 積冰過程中的云粒子譜的演變

5 結(jié)論

由以上資料分析表明,2003年9月19日發(fā)生在甘肅東部的積冰天氣具有如下特征：

(1)通常飛機(jī)積冰形成于溫度低于0℃的云中水汽含量較大區(qū)域,而出現(xiàn)較強(qiáng)積冰的溫度低于-5℃。

(2)積冰出現(xiàn)在粒子總濃度和含水量較大區(qū)域。

(3)雨滴濃度和和平均直徑的增大對(duì)積冰的出現(xiàn)具有重要作用。

(4)大粒子對(duì)發(fā)生積冰貢獻(xiàn)值較大。

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