MODIS衛(wèi)星資料在飛機(jī)積冰識(shí)別中的應(yīng)用

馮琬+吳俊杰

摘 要：根據(jù)一次航空器報(bào)告中的積冰現(xiàn)象，分析了影響該次積冰的天氣系統(tǒng)背景，并結(jié)合MODIS衛(wèi)星資料診斷積冰發(fā)生時(shí)的各種云微物理量特征，發(fā)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)東北進(jìn)近方位云層較厚且云內(nèi)溫度較低，云中有效粒子半徑與過(guò)冷液態(tài)水路徑數(shù)值較大，據(jù)此進(jìn)一步驗(yàn)證了MODIS衛(wèi)星資料在分析飛機(jī)積冰區(qū)域的實(shí)用性和可靠性。

關(guān)鍵詞：MODIS；飛機(jī)積冰；微物理參數(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.171188

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）007-0142-03

0 引言

飛機(jī)積冰指飛機(jī)機(jī)身表面某些部位聚集冰層的現(xiàn)象，是由于飛機(jī)穿云時(shí)被云中或降水中的過(guò)冷水滴碰撞到機(jī)身凍結(jié)而成。飛機(jī)積冰是嚴(yán)重威脅航行安全的天氣因素，因此有越來(lái)越多學(xué)者參與到有關(guān)飛機(jī)積冰的研究當(dāng)中，并總結(jié)出飛機(jī)積冰的系列氣象條件。黃麗娟[1]統(tǒng)計(jì)出華北地區(qū)形成積冰的主要天氣形勢(shì)與積冰的高發(fā)時(shí)間；劉開宇等[2-3]通過(guò)個(gè)例分析發(fā)現(xiàn)飛機(jī)積冰的溫度與濕度條件，而在濕度較大的弱上升區(qū)更有利于積冰形成；王磊、龐朝云等[4-5]利用積冰云的微物理特征分析，描述了云中相態(tài)、液態(tài)水分含量、云中粒子濃度與體積直徑資料對(duì)積冰的影響等。

目前利用常規(guī)氣象資料分析飛機(jī)積冰現(xiàn)象較為常見，也有助于判斷大范圍飛機(jī)積冰產(chǎn)生的區(qū)域和強(qiáng)度，但由于其空間與時(shí)間精度受限，往往不能較為精確地分析和預(yù)判積冰區(qū)域的具體位置與程度。衛(wèi)星資料具備的多光譜、覆蓋面廣和觀測(cè)時(shí)次多等優(yōu)勢(shì)，能很好地彌補(bǔ)常規(guī)氣象資料探測(cè)積冰區(qū)的問(wèn)題。利用衛(wèi)星資料可以識(shí)別云頂溫度以及云中液態(tài)水含量等重要的積冰影響因子。2003年，王新煒等[6-7]利用EOS/MODIS衛(wèi)星資料反演出積冰算法中所需的氣象要素，并對(duì)積冰個(gè)例進(jìn)行驗(yàn)證；2005年，Minnis[8]根據(jù)極軌衛(wèi)星的特點(diǎn)，提出綜合使用MODIS和AVHR數(shù)據(jù)對(duì)近極地地區(qū)的積冰情況進(jìn)行監(jiān)控的方法。

本文針對(duì)一次飛機(jī)積冰報(bào)告，分析天氣系統(tǒng)背景，并結(jié)合MODIS衛(wèi)星資料診斷積冰發(fā)生時(shí)的各種云微物理量特征，以判斷分析造成本次飛機(jī)積冰的主要因素，以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)積冰的預(yù)警服務(wù)。

1 數(shù)據(jù)資料

2015年11月20日，世界時(shí)04：35，新疆空管接到航班報(bào)告，在烏魯木齊機(jī)場(chǎng)進(jìn)近區(qū)上空750m～2 000m高度處遭遇到強(qiáng)烈積冰。本文所分析的天氣背景情況來(lái)自積冰當(dāng)日世界時(shí)00時(shí)NCEP＼＼NCAR一天4次的再分析資料，衛(wèi)星資料來(lái)自當(dāng)日世界時(shí)04：35時(shí)的MODIS衛(wèi)星的二級(jí)云產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

2 天氣形勢(shì)分析

從08點(diǎn)850hPa的天氣環(huán)流圖上看，歐亞大陸高緯的烏拉爾山受到強(qiáng)大冷高壓環(huán)流控制，受環(huán)流形勢(shì)影響，冷空氣主體持續(xù)盤旋在60°N的烏山一帶。而在巴湖西側(cè)還有一冷性低壓生成。結(jié)合500hPa形勢(shì)場(chǎng)看出，巴湖西側(cè)有明顯的冷空氣軸延伸，與此同時(shí)，中緯度的巴湖及新疆地區(qū)有較強(qiáng)的西風(fēng)氣流輸送，使冷空氣進(jìn)一步東移。烏魯木齊位于其東側(cè)，受冷空氣影響，使當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)低溫天氣。

圖2是08時(shí)的垂直環(huán)流、溫度和相對(duì)濕度沿88°E的垂直截面。大氣溫度是飛機(jī)積冰最重要的影響因素之一，再配合適宜的濕度條件，極易發(fā)生中度及以上的積冰。由于受冷空氣影響，新疆大部分地區(qū)氣溫明顯偏低，等溫線向新疆北部一帶傾斜，這在對(duì)流層低層尤為顯著。地窩堡機(jī)場(chǎng)（87°36E，43°46N）位于等溫線傾斜程度較大的地區(qū)，850hPa的溫度約在0℃以下。從相對(duì)濕度剖面圖看，高濕區(qū)則幾乎包括了北疆地區(qū)的對(duì)流層低層，隨著海拔高度增加，濕度迅速下降。地窩堡機(jī)場(chǎng)正好處于高濕區(qū)，合適的溫度與濕度的配合是此次飛機(jī)積冰的重要原因。另外，飛機(jī)降落到2 000m才開始出現(xiàn)積冰，查看垂直環(huán)流情況得知，機(jī)場(chǎng)附近的垂直氣流上升速度較慢，飛機(jī)處于弱的上升氣流區(qū)，該上升氣流有利于各種顆粒物保持懸浮狀生長(zhǎng)而有利飛機(jī)積冰的累積。綜合的氣象要素表明，飛機(jī)在進(jìn)近降落時(shí)遭遇到有利積冰的溫度、濕度和垂直速度，于是積冰在較短時(shí)間內(nèi)生成。

3 衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析

衛(wèi)星資料來(lái)自飛機(jī)積冰發(fā)生時(shí)（03：45UTC）烏魯木齊地窩堡機(jī)場(chǎng)及周邊地區(qū)（87°36E ，43°46N）的MODIS云產(chǎn)品數(shù)據(jù)（MOD06_L2.A2015324.0435.006.2015324203932），從光學(xué)厚度、云頂溫度、有效粒子半徑和過(guò)冷水滴等對(duì)積冰影響較大的因素來(lái)分析診斷當(dāng)時(shí)云中各種微物理量的分布，以判定影響飛機(jī)積冰的區(qū)域。

光學(xué)厚度是判斷當(dāng)?shù)厥欠裼性茖痈采w的重要參數(shù)，也是比較飛機(jī)是否存在積冰條件的直接判據(jù)之一。圖3（a）是大氣光學(xué)厚度分布，地窩堡機(jī)場(chǎng)周圍的大氣光學(xué)厚度分布不均，機(jī)場(chǎng)東北側(cè)進(jìn)近區(qū)域的光學(xué)厚度值明顯偏大，即機(jī)場(chǎng)北側(cè)均有云層覆蓋，且東北方的云層厚度較大。

不同的溫度環(huán)境所形成云的種類也不一致。當(dāng)云頂溫度高于0℃時(shí)，即暖云，也即其下大部分云層溫度都高于0℃，不符合積冰的溫度條件。因此，對(duì)于飛機(jī)積冰，需要重點(diǎn)關(guān)注的是冷云，以及云頂溫度靠近和低于0℃的云層。從云頂溫度分布圖3（b）看，云頂溫度低于0℃（273K）的地區(qū)仍然集中位于機(jī)場(chǎng)的東北角方向。因此，結(jié)合光學(xué)厚度值與云頂溫度分布，地窩堡機(jī)場(chǎng)的東北方云層較厚且云內(nèi)溫度較低，有適合飛機(jī)積冰產(chǎn)生的基本條件。

只有當(dāng)云中存在過(guò)冷水滴時(shí)，也即穿越液水云或混合相云時(shí)，飛機(jī)才有發(fā)生積冰的真正條件。影響飛機(jī)積冰強(qiáng)度的主要因素則包括云中過(guò)冷水滴的含量與水滴大小。一般而言，過(guò)冷水滴含量越高，液態(tài)水滴粒子直徑越大，積冰則越容易產(chǎn)生，積冰強(qiáng)度越強(qiáng)。圖3（c）是用來(lái)表征水滴粒子大小的物理量，有效粒子半徑RE，圖3（d）表征過(guò)冷水含量，過(guò)冷云液態(tài)水路徑SLWP。可以看出，機(jī)場(chǎng)北面的有效粒子半徑數(shù)值偏大，云內(nèi)實(shí)際粒子較大，計(jì)算出的實(shí)際液水路徑也直接證明了云中含有大量液態(tài)水粒子。所以機(jī)場(chǎng)東北方仍然是云中有效粒子半徑與過(guò)冷液態(tài)水路徑數(shù)值較大的地區(qū)，積冰的可能性大大增加。endprint

參考Minnis P提出的積冰強(qiáng)度依據(jù)，結(jié)合有效粒子半徑、云頂溫度和云中液態(tài)水路徑3個(gè)參數(shù)制作可能的飛機(jī)積冰強(qiáng)度分類（見表1），圖4是計(jì)算出的地窩堡機(jī)場(chǎng)積冰強(qiáng)度的劃分?？梢钥闯觯瑥?qiáng)積冰區(qū)正好主要位于地窩堡機(jī)場(chǎng)東北方向一帶，強(qiáng)積冰的地理位置大致位于87.6°E-88.2°E，43.8°N-44.1°N。

積冰的垂直高度情況則可以通過(guò)云底高度與凍結(jié)高度來(lái)判斷。飛機(jī)一般在穿越冷云時(shí)容易產(chǎn)生積冰，準(zhǔn)確的云底高度與凍結(jié)高度可以提供較為精細(xì)化的積冰分布。由圖5（a）可知，機(jī)場(chǎng)片區(qū)的云底高度在2 000m左右，云底高度由北向南逐漸降低，越靠近機(jī)場(chǎng)，云層越低。凍結(jié)高度的分布與云底高度的走勢(shì)基本類似，如圖5（b）所示，呈現(xiàn)出北高南低的態(tài)勢(shì)。積冰層的厚度應(yīng)該位于云底高度之上，凍結(jié)高度以下，即用兩者的差值可推測(cè)積冰的垂直分布，如圖5（c）所示。積冰區(qū)在機(jī)場(chǎng)東北角分布較厚，垂直高度在1 000m左右，越靠近本場(chǎng)，積冰厚度則越薄。結(jié)合云底高度的分布來(lái)看，東北角云底較高，積冰區(qū)偏厚，機(jī)場(chǎng)上空云底較低，積冰區(qū)較薄，飛機(jī)在起飛或進(jìn)近過(guò)程中有遭遇到持續(xù)積冰的可能，離機(jī)場(chǎng)越遠(yuǎn)，積冰強(qiáng)度越大，積冰高度越高。

4 結(jié)果分析

本文根據(jù)一次航空器報(bào)告中的積冰現(xiàn)象，分析了影響此次積冰的天氣系統(tǒng)背景，并結(jié)合MODIS衛(wèi)星資料診斷積冰發(fā)生時(shí)的各種云微物理量特征，得到以下結(jié)果：

（1）中緯度地區(qū)存在較強(qiáng)的西風(fēng)氣流輸送，烏魯木齊受冷空氣影響，而且飛機(jī)在進(jìn)近降落時(shí)遭遇到有利積冰的溫度、濕度和垂直速度等條件，容易在較短時(shí)間內(nèi)生成積冰。

（2）衛(wèi)星微物理資料分析表明，機(jī)場(chǎng)東北進(jìn)近方位云層較厚且云內(nèi)溫度較低，云中有效粒子半徑與過(guò)冷液態(tài)水路徑數(shù)值較大，積冰的可能性大大增加。

（3）通過(guò)測(cè)算，該次強(qiáng)積冰的地理范圍為87.6°E-88.2°E，43.8°N-44.1°N。東北角云底較高，積冰區(qū)偏厚，機(jī)場(chǎng)上空云底較低，積冰區(qū)較薄，飛機(jī)在起飛或進(jìn)近過(guò)程中有遭遇到持續(xù)積冰的可能。

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