我國干旱地區(qū)一次直升機(jī)自然結(jié)冰試飛天氣個例分析

王澤林，倪洪波，裴昌春

（1.中國飛行試驗研究院，陜西 西安710089；2.泉州市氣象局，福建 泉州362000）

飛機(jī)積冰是指飛機(jī)機(jī)身表面某些部位積聚冰層的現(xiàn)象， 它是由于云中的過冷水滴或降水中的過冷云、雨滴碰到機(jī)體后凍結(jié)而成。直升機(jī)主要在6000 m以下的低中空飛行，由于低空和低速的飛行特點，當(dāng)直升機(jī)在結(jié)冰天氣條件下飛行時，旋翼、尾槳、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道、風(fēng)擋、天線等部位可能會形成嚴(yán)重的冰層聚積，對直升機(jī)飛行性能、操縱品質(zhì)、發(fā)動機(jī)性能等造成嚴(yán)重影響，尤其是旋翼、槳葉的積冰會導(dǎo)致飛行阻力增加，需用功率增加，并引起槳葉失速、空速受限、續(xù)航時間和航程顯著下降等問題，嚴(yán)重威脅飛行安全[1-2]。

國外對飛機(jī)積冰的研究開展較早， 從20 世紀(jì)40 年代開始，美國就對飛機(jī)自然結(jié)冰做了大量的探測和理論研究， 制定了飛機(jī)自然結(jié)冰環(huán)境中的飛行標(biāo)準(zhǔn)[3-5]。 國內(nèi)許多學(xué)者也對此問題進(jìn)行了大量的觀測研究，但研究多限于固定翼飛機(jī)，針對旋翼機(jī)積冰方面目前仍較少有研究涉及。 陳躍等[6]對國產(chǎn)Y-12型飛機(jī)在新疆地區(qū)進(jìn)行自然結(jié)冰試飛期間所獲得的資料進(jìn)行了個例分析， 對影響飛機(jī)積冰的液態(tài)水含量、 體積中值直徑和滴譜等氣象因素的水平和垂直分布進(jìn)行了討論。 張興才[7]分析了烏魯木齊地區(qū)飛機(jī)積冰的天氣形勢與特點， 結(jié)果表明飛機(jī)穿越鋒區(qū)或在鋒區(qū)附近飛行時，更容易造成飛機(jī)積冰。 黃海波[8]分析了新疆地區(qū)的積冰特點：該地區(qū)飛機(jī)積冰大多數(shù)都發(fā)生在秋、冬、春三季，積冰主要是鋒面云系造成。 大量文獻(xiàn)研究表明： 飛機(jī)積冰溫度一般在0～-15 ℃，輕度積冰在0～-12 ℃出現(xiàn)最多，中度積冰在-2～-12 ℃出現(xiàn)最多， 強(qiáng)積冰發(fā)生在-8～-10 ℃最多[9-12]，積冰過程多伴有弱的上升運動[13-14]。

近年來，軍、民用直升機(jī)的全天候使用需求日益強(qiáng)烈， 而具備在一定的結(jié)冰環(huán)境條件下安全飛行是全天候使用的基本要求，因此，自然結(jié)冰試飛已經(jīng)作為直升機(jī)試飛的重要課題。本文旨在通過分析2018年3 月17 日與27 日國產(chǎn)某型直升機(jī)在我國干旱區(qū)——新疆五家渠進(jìn)行的直升機(jī)的自然結(jié)冰試飛個例，利用NCEP/NCAR 再分析資料、機(jī)測液態(tài)水含量資料結(jié)合常規(guī)氣象資料， 探尋飛機(jī)機(jī)身積冰發(fā)生時的天氣要素及環(huán)流特征， 總結(jié)干旱地區(qū)直升機(jī)結(jié)冰天氣預(yù)報及保障方法，為我國軍、民用直升機(jī)在干旱地區(qū)執(zhí)行飛行任務(wù)時面臨的自然結(jié)冰氣象保障服務(wù)提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐， 總結(jié)直升機(jī)飛行結(jié)冰天氣潛勢預(yù)報指標(biāo)，探討結(jié)冰天氣預(yù)報技術(shù)。

1 試飛過程簡介

2018 年3 月17 日16：10—16：40（BT，以下時間均為BT）， 試驗機(jī)在87.14°E，44.37°N 位置2 km范圍內(nèi)，完成了首架次的自然結(jié)冰試飛。 從圖1a 可見，此次試飛，直升機(jī)機(jī)身積冰表面粗糙不平，不透明，呈白瓷色，積冰厚度<0.5 cm，屬于輕度積冰。 試飛期間，飛機(jī)由云底入云，云中無降水，飛行高度1800～2100 m（海拔高度），飛行速度120～160 km/h。

2018 年3 月27 日11：00—11：45， 試驗機(jī)在86.77°E，44.45°N 位置2 km 范圍內(nèi)， 完成了第二架次的自然結(jié)冰試飛。從圖1b 可見，此次試飛，直升機(jī)機(jī)身積冰表面光滑、通體透明，屬于明冰，積冰厚度在1～2 cm，屬于輕—中度積冰。 在這次自然結(jié)冰試飛中， 飛機(jī)的一些性能參數(shù)發(fā)生明顯變化。 試飛期間，飛機(jī)由云底入云，云下有降水，飛行高度2000～2200 m（海拔高度），飛行速度120～160 km/h。

2 直升機(jī)飛行自然結(jié)冰天氣的天氣尺度環(huán)流形勢演變

從3 月17 日14 時500 hPa 高度場與地面氣壓場疊加圖（圖2a）可見，500 hPa 高度場巴爾喀什湖地區(qū)有冷渦東移，試飛點處于冷渦前部。地面氣壓場上，新疆西北部有一高壓，其中心位于巴爾喀什湖北部，中心值＞1030 hPa，冷鋒從新疆北部伸至新疆西部， 試飛點位于其前側(cè)， 冷空氣已經(jīng)影響到新疆西部。 在700 hPa 高度（圖2b），巴爾喀什湖地區(qū)風(fēng)場有氣旋性輻合，試飛點受輻合區(qū)前部偏南氣流影響，試飛點及其周圍100～200 km 范圍相對濕度＜60%，其西部及東北部，相對濕度＞90%。 在850 hPa 高度（圖2c）， 試飛點及其北部有一切變線，-4 ℃冷中心位于巴爾喀什湖地區(qū)，0 ℃線伸至試飛點西側(cè)。

圖1 3 月17 日（a）與3 月27 日（b）自然結(jié)冰試飛掛架積冰狀況

圖2 3 月17 日14 時500 hPa 高度場和地面氣壓場（a），700 hPa 風(fēng)場與相對濕度（b）和850 hPa 風(fēng)場與溫度場（c）

從3 月27 日08 時500 hPa 高度場與地面氣壓場疊加圖（圖3a）可見，500 hPa 高度場巴爾喀什湖以西有淺槽東移。 地面氣壓場上，天山南部為一低壓，新疆西北部為一高壓， 高壓中心位于巴爾喀什湖地區(qū)，冷鋒從蒙古西部伸向天山地區(qū)，試飛點處于冷鋒后部的冷高壓前沿。 在700 hPa 高度（圖3b），天山北部地區(qū)有相對濕度大值區(qū)， 試飛點及其北部的相對濕度＞90%。 在850 hPa 高度（圖3c），0 ℃線位于新疆北部，呈東—西走向，冷空氣位置偏北，強(qiáng)度較弱。

3 直升機(jī)飛行自然結(jié)冰天氣的中尺度動力和熱力特征

為得到結(jié)冰試飛期間大氣的動力、熱力特征，利用16 日08 時—19 日02 時，26 日08 時—29 日02時的NCEP/NCAR 再分析資料， 得到試飛點位置（87°E，44°N）的溫度、比濕廓線圖，溫度平流、垂直速度廓線圖，水汽通量散度廓線圖（圖4、圖5），Ic積冰指數(shù)廓線圖（圖6）。此外，考慮當(dāng)?shù)睾０胃叨扔绊?，文中分析討?00 hPa 以上高度層物理量。

3.1 3 月17 日試飛情況

從溫度、比濕廓線（圖4a）可見，在17 日14 時后600 hPa 以下有明顯冷空氣，對應(yīng)的比濕場上，比濕值在14 時后整層迅速增大，說明隨著冷空氣的影響，濕暖空氣不斷抬升。17 日14 時—18 日08 時，高比濕值層（q＞3 g/kg）伸至750 hPa，17 日14 時—18日02 時，高比濕中心值＞4 g/kg。 從溫度平流和垂直速度廓線（圖4b）可見，17 日08 時—17 日14 時在600 hPa 以下有上升運動大值區(qū)，17 日14 時—18日14 時在800 hPa 以下有弱冷平流。從水汽通量散度廓線（圖4c） 可見，17 日14 時—18 日08 時，在900～800 hPa 高度， 有＞-1.5×10-7g/cm2·hPa·s 的水汽輻合中心。 在結(jié)冰試飛期間（16:00—16:40，高度1800～2100 m（約800～780 hPa），溫度介于0～-4 ℃，處于輕—中度積冰的溫度范圍； 比濕值為3～3.5 g/kg，處于高比濕值層； 垂直速度為-0.2～-0.4 Pa/s；積冰發(fā)生在冷暖平流交匯處；水汽通量散度＞-1.2×10-7g/cm2·hPa·s， 位于水汽輻合中心， 低層有強(qiáng)水汽輻合，高層有弱水汽輻散。

3.2 3 月27 日試飛情況

從溫度、比濕廓線（圖5a）可見，26 日14 時后700 hPa 以下有明顯冷空氣，0 ℃層由700 hPa 降低至800 hPa，對應(yīng)比濕場上，26 日14 時后，中低層比濕值迅速增加，27 日02 時—28 日14 時， 高比濕值層（q＞3 g/kg）伸至600 hPa 附近，26 日20 時—27 日14 時，在900～850 hPa 高度，比濕中心值>5 g/kg。 從溫度平流、垂直速度廓線（圖5b）可見， 27 日02—14 時850～750 hPa 有上升運動大值區(qū)，低層冷平流分布主要與低層上升運動大值區(qū)對應(yīng)， 在27 日02—14 時850～750 hPa 高度有弱冷平流。 從水汽通量散度廓線（圖5c）可見，27 日02—14 時，在850～800 hPa 高度，有強(qiáng)度＞-0.6×10-7g/cm2·hPa·s 的弱水汽輻合中心，26 日14 時—27 日20 時，750～600 hPa為水汽輻散中心。從圖5 可以看出，在結(jié)冰試飛期間（27 日11:00—11:45， 高度2000～2200 m（約790～770 hPa）），溫度介于0～-2 ℃，處于輕—中度積冰的溫度范圍；比濕值接近4.5 g/kg，處于高比濕值層；垂直速度為-0.2～-0.4 Pa/s；積冰發(fā)生在弱冷平流中心附近；處于弱水汽輻合中心邊緣，水汽通量散度＞-0.3×10-7g/cm2·hPa·s，在750 hPa 上部、850 hPa 下部為水汽輻散區(qū)，試飛高度層有水汽輻合，其上部與下部均為水汽輻散區(qū)。

圖3 3 月27 日08 時500 hPa 高度場和地面氣壓場（a），700 hPa 風(fēng)場與相對濕度（b）及850 hPa 風(fēng)場與溫度場（c）

圖4 3 月16 日08 時—19 日02 時，比濕和溫度廓線（a），垂直速度和溫度平流廓線（b）及水汽通量散度廓線（c）

3.3 直升機(jī)飛行自然結(jié)冰天氣中Ic 積冰指數(shù)的垂

直分布

國際民航組織建立了計算積冰強(qiáng)度的Ic 積冰指數(shù)：Ic=[（RH-50）×2]×[T×（T+14）/（-49）]， 其中RH 為相對濕度，T 為溫度（℃）。積冰強(qiáng)度根據(jù)Ic 指數(shù)的不同進(jìn)行如下劃分： 0＜Ic≤50，判斷有輕度積冰；50＜Ic≤80，判斷有中度積冰；Ic＞80 判斷有嚴(yán)重積冰[15]。

從圖6a 可見，17 日14 時以后積冰指數(shù)迅速增大， 高積冰指數(shù)集中在17 日20 時—18 日20 時850～650 hPa 高度。 新疆西部的冷渦外圍云系在14時后開始影響試飛點， 冷渦影響試飛點的主要時間為17 日20 時—18 日14 時，這與Ic 積冰指數(shù)大值區(qū)有很好對應(yīng)。 17 日結(jié)冰試飛期間，Ic 積冰指數(shù)為20～30，判斷有輕度積冰。從圖6b 可見，27 日結(jié)冰試飛期間，Ic 積冰指數(shù)為30～40，判斷有輕度積冰。

4 直升機(jī)飛行自然結(jié)冰天氣云中液態(tài)水含量特征

由圖7 可見，3 月17 日飛機(jī)在云中飛行約30 min，整個飛行過程中云層基本連續(xù)， 液態(tài)水含量值波動較大， 可分3 段： 前10 min， 液態(tài)水含量較低，在15%～40%區(qū)間波動；10～17 min，液態(tài)水含量在40%～80%；17～30 min，液態(tài)水含量在20%～80%波動。3 月27 日飛機(jī)在云中飛行約45 min，整個飛行過程中云層連續(xù)，液態(tài)水含量穩(wěn)定在40%～80%，均值保持在60%左右。

圖5 3 月26 日08 時—29 日02 時比濕和溫度廓線（a），垂直速度和溫度平流廓線（b）及水汽通量散度廓線（c）

圖6 3 月16 日08 時—19 日02 時（a）與3 月26 日08 時—29 日02 時（b）Ic積冰指數(shù)廓線

圖7 3 月17 日（a）與3 月27 日（b）自然結(jié)冰試飛云中液態(tài)水含量變化趨勢

5 直升機(jī)飛行自然結(jié)冰天氣預(yù)報方法

在此次自然結(jié)冰試飛氣象保障中， 利用數(shù)值模式產(chǎn)品結(jié)合探空、雷達(dá)、衛(wèi)星云圖等資料對積冰區(qū)域及高度進(jìn)行預(yù)報，以3 月27 日積冰預(yù)報為例說明積冰天氣預(yù)報指標(biāo)應(yīng)用及保障方法。

通過中期數(shù)值模式產(chǎn)品分析， 在3 月27 日08時—31 日08 時北疆地區(qū)將出現(xiàn)雨夾雪天氣過程，云層中有較大積冰潛勢。在27 日飛行前對天氣實況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，觀測資料表明：08 時以后，觀測點上空低云量增多，云底高維持在1500 m 左右，地面溫度11～12 ℃，無降水。 08 時烏魯木齊站高空有多層云，低層云約2100～3000 m，中層云約4800～5000 m，高層云約6200～6400 m，700 hPa 上部有一淺薄的逆溫層，0 ℃層高度約為2000 m，在2000～3000 m 有較高積冰概率。 衛(wèi)星實況監(jiān)測表明（圖8），05—11 時，五家渠地區(qū)西北部被大范圍的層狀云覆蓋， 云系自西向東移動，云頂黑體亮溫低于-30 ℃，云系后部發(fā)展旺盛。雷達(dá)回波監(jiān)測表明：07—10 時，五家渠地區(qū)西北100 km 范圍內(nèi)有降水回波，回波比較均勻，強(qiáng)度在5～15 dBZ，回波緩慢東移，從垂直結(jié)構(gòu)來看，回波頂在約5 km，回波向下有所增長，地面有降水形成。 微波輻射計連續(xù)監(jiān)測表明：3 月27 日04—09時，3 km 以下有較弱冷空氣，0 ℃層高度在2000～2200 m，08 時后， 低層相對濕度顯著增大， 整層濕度＞60%，1.5～3 km 高度相對濕度在70%～80%，在2～2.2 km 高度有淺薄的過冷水層，含量0.01～0.02 g/m3。

根據(jù)對衛(wèi)星、雷達(dá)和地面觀測等資料的分析，給出了自然結(jié)冰試飛天氣潛勢預(yù)報。 預(yù)計，3 月27 日11—14 時， 五家渠西北部100 km 范圍內(nèi)會出現(xiàn)有利于直升機(jī)自然結(jié)冰試飛的天氣條件， 低層云范圍為2000～3000 m，0 ℃層在2 km 高度， 在2～2.2 km有淺薄過冷水層， 云中有降水，2～3 km 高度十分有利于飛行結(jié)冰，可擇時開展自然結(jié)冰試飛。 但是，這些有利于自然結(jié)冰的環(huán)境條件對于直升機(jī)執(zhí)行任務(wù)而言是負(fù)面影響更嚴(yán)重，甚至存在墜機(jī)風(fēng)險，需要避開不利的結(jié)冰天氣出現(xiàn)時段。

圖8 3 月27 日05—13 時FY2G 云頂黑體亮溫分布（單位：℃）

6 結(jié)論

2018 年3 月17 日和27 日，在新疆北部五家渠市開展了直升機(jī)在自然結(jié)冰天氣條件下的試飛，得到了我國干旱地區(qū)直升機(jī)飛行自然結(jié)冰天氣的基本要素特征。

（1）3 月17 日自然結(jié)冰試飛期間， 云中液態(tài)水含量波動較大， 在低水含量區(qū)域飛行10 min，中度水含量區(qū)域飛行7 min， 在輕—中度區(qū)域飛行了13 min。 30 min 飛行后，飛機(jī)掛架上形成粗糙不平，不透明，呈白瓷色的凇冰，積冰厚度＜0.5 cm，屬于輕度積冰。此次試飛點受高空冷渦影響，位于低層輻合區(qū)前部偏南氣流區(qū)，以及地面冷鋒前部暖區(qū)。直升機(jī)所處高空環(huán)境溫度為0～-4 ℃，比濕值為3～3.5 g/kg，試飛高度層位于水汽輻合中心，伴有弱上升運動，積冰發(fā)生在冷暖平流交匯處；Ic 積冰指數(shù)為20～30。

（2）3 月27 日自然結(jié)冰試飛期間， 云中液態(tài)水含量較為穩(wěn)定， 全程45 min 在中度水含量區(qū)域飛行，飛機(jī)掛架上形成表面光滑、通體透明的明冰，積冰厚度1～2 cm，屬于輕—中度積冰。 此次試飛點受高空淺槽影響，位于低層相對濕度大值區(qū)，以及地面冷鋒后部的冷高壓區(qū)； 直升機(jī)在空中飛行時的大氣溫度為0～-2 ℃，空氣中比濕值接近4.5 g/kg，試飛高度層位于弱水汽輻合中心邊緣，伴有弱上升運動，積冰發(fā)生在弱冷平流中心附近；Ic 積冰指數(shù)為30～40。

（3）利用地面觀測、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)、探空、微波輻射計等資料，綜合數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，可以有效地預(yù)報出適宜自然結(jié)冰試飛區(qū)域范圍和高度層， 為直升機(jī)執(zhí)行任務(wù)提供氣象保障服務(wù)。