彭 沖, 宋 燦

(1．河南省人工影響天氣中心,鄭州 450003;2．中國氣象局云霧物理環(huán)境重點開放實驗室,北京 100081;3．中國氣象局河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點開放實驗室,鄭州 450003)

0 引言

飛機在有過冷云滴或者雨滴的環(huán)境中航行時,過冷液滴碰撞到機體表面凍結(jié)形成聚集冰層,會使得飛機的升力減小、阻力增大[1]。飛機積冰嚴重影響飛機的操縱,威脅著飛行安全[2]。飛機積冰的研究對于航空事業(yè)發(fā)展具有重要的意義。

飛機積冰與氣象條件密切相關(guān),國內(nèi)外學者開展過大量的積冰氣象條件的研究[3-8]。遲竹萍[5]研究了山東地區(qū)不同天氣系統(tǒng)下飛機輕度和中度積冰發(fā)生的概率,發(fā)現(xiàn)南方氣旋系統(tǒng)控制下產(chǎn)生飛機積冰的概率最高,低壓倒槽系統(tǒng)出現(xiàn)中度積冰概率最大。王欽等[6]發(fā)現(xiàn)中度積冰產(chǎn)生時相對濕度普遍大于90%,0.05～1 Pa·s-1的上升速度有利于中度積冰的產(chǎn)生。孫晶等[7]針對安慶地區(qū)一次飛機積冰氣象條件進行了分析,得出此次過程地面冷鋒伴隨著逆溫,積冰出現(xiàn)在逆溫層底部。張利平等[8]對北疆地區(qū)航空器遇到嚴重積冰的一次過程的研究中,也發(fā)現(xiàn)了積冰伴隨著逆溫層結(jié)。

國際民航組織推薦利用溫度和濕度計算積冰指數(shù)Ic,根據(jù)Ic數(shù)值將積冰分為四個等級,該算法被廣泛應(yīng)用于積冰預報[9-11]。劉風林等[12]利用山東省150架次飛機積冰報告,對比分析了3種積冰算法(Ic,RAP,RAOB)預報診斷效果,并調(diào)整閾值改進了兩種預報較好的算法。何新黨等[13]利用比濕和液水含量等物理參數(shù),設(shè)計了預測飛機積冰的方法。白婷等[14]利用NCEP分析資料結(jié)合河南飛機積冰事例,對比分析了三種積冰預報方法的準確性,發(fā)現(xiàn)積冰指數(shù)法較好的反應(yīng)了積冰情況。對于不同區(qū)域積冰的預報,各種預報算法準確率仍然有待實地觀測驗證。

積冰區(qū)云微物理特征的研究對于了解不同程度積冰形成機制十分重要。飛機觀測是對云最直接的觀測手段,國內(nèi)外學者利用機載觀測資料對積冰云微物理特征已經(jīng)開展了一些研究。31架次飛機觀測研究表明,飛機積冰發(fā)生時平均云滴數(shù)濃度約130 個每立方厘米,平均液水含量為0.13 g·m-3,平均有效粒子半徑為18 μm[15]。在科羅拉多東北部,粒子半徑較小且液水含量較低的冬季大陸層狀云造成的積冰多為輕度到中度,且多為霜狀[4]。在相同含水量情況下,過冷大滴的存在會導致更加嚴重的積冰[16-17]。袁敏等[18]利用在宜昌及周邊地區(qū)的探測數(shù)據(jù)分析了一次積冰云層云微物理特征。孫晶等[7]研究表明,產(chǎn)生飛機積冰的云中存在豐沛的過冷水,過冷水平均值為0.36 g·m-3,云中基本無冰相粒子。雷達和衛(wèi)星等遙感探測對于大范圍積冰監(jiān)測預警具有重要意義。馮琬等[19]分析了一次飛機積冰發(fā)生時的MODIS觀測云微物理特征。Minnis[20]提出了一種基于GOES衛(wèi)星反演云有效溫度、云有效粒子半徑、云光學厚度等物理參數(shù)的積冰強度劃分方法。基于此方法,馬俊逸[21]利用FY-2F衛(wèi)星反演云參數(shù)分析判斷出積冰強度與飛機積冰報告記錄基本吻合。

國內(nèi)飛機積冰報告有限,飛機積冰的云物理探測資料更是珍貴。本文利用2018年1月24日河南地區(qū)一次飛機積冰天氣過程的機載探測資料,結(jié)合天氣雷達和衛(wèi)星云參數(shù)分析積冰產(chǎn)生的云微物理特征。

1 資料介紹與數(shù)據(jù)處理

本文使用的數(shù)據(jù)有河南省2018年1月24 日的兩次機載觀測數(shù)據(jù)、S波段天氣雷達觀測數(shù)據(jù)以及葵花8衛(wèi)星反演云參數(shù)數(shù)據(jù)。機載探測儀器和資料處理方案如下:

1.1 飛機云物理探測儀器

本次探測飛機為新舟60B-3435號人影作業(yè)飛機,探測儀器為美國粒子測量公司DMT(Droplets Measurement Technologies,DMT)的機載探測設(shè)備,此套探測儀器能夠?qū)崟r測量出大氣的溫度、氣壓、濕度等宏觀資料,且可獲得云滴粒子譜分布以及大氣中的液態(tài)含水量,并能給出25～6 200 μm的粒子二維圖像,為云微物理特征研究提供詳細的資料。DMT儀器介紹如表1所示,其中云粒子探頭CDP(Cloud Droplet Probe,CDP)利用Mie散射原理測量大氣中小云滴的譜分布,該儀器探測尺度范圍為2～50 μm,共分為30個檔,前12檔的通道間隔為1 μm,后面18檔的通道間隔為2 μm。CIP(Cloud Image Probe,CIP)和PIP(Precipitation Image Probe,PIP)為粒子圖像探頭,利用光電二極管技術(shù)實現(xiàn)對云中粒子大小和形狀的觀測。熱線含水量儀(Hot-Wire)可測量云中的液態(tài)含水量,當有水滴碰撞到儀器上面時,水滴蒸發(fā)帶走熱量,電路需消耗額外的功率來維持原來的恒定溫度,此時電路所消耗的這部分額外功率與碰撞到它上面的水滴的質(zhì)量是成正比的,根據(jù)這一原理,可以實時測量出碰撞到線圈上的液態(tài)水的質(zhì)量。

表1 DMT儀器介紹

1.2 數(shù)據(jù)處理計算

文中涉及到物理量的計算公式如下:

有效粒子直徑ED:

(1)

中值體積直徑MVD:

(2)

液態(tài)含水量LWC:

(3)

其中:D和r分別為不同尺度檔的直徑和半徑;n(D)和n(r)為不同通道的粒子濃度,單位cm-3·μm-1;dr和dD為檔寬;Dmax和Dmin分別為最大直徑和最小直徑。

2 飛機觀測云微物理特征及演變

2.1 飛行探測概況介紹

2018年1月24日,河南省人工影響天氣中心在09:18至12:21(第1次探測)和15:02至17:00(第2次探測)分別開展了兩次人工增雨(雪)飛機探測。兩次探測的飛行航線如圖1所示,其中黑色曲線為09:18至12:21飛行探測的軌跡,灰色曲線為15:02至17:00飛行探測的軌跡,黑色散點分別展示了鄭州(星形)和南陽(三角形)探空站所在位置。本次飛行區(qū)域在自南向北移動的天氣系統(tǒng)前沿,探測云系為層狀云系。根據(jù)機上宏觀記錄記載,飛機在探測作業(yè)過程中平飛探測區(qū)域觀測到了積冰。

圖1 兩次探測的飛行航線

2018年1月24日08:00 L波段探空溫濕廓線如圖2所示。鄭州站08:00探空顯示當天整層溫度較低,地面溫度已低于0 ℃,1.5～2.5 km之間有明顯的逆溫層結(jié),溫度變化率為7 ℃·km-1。逆溫層結(jié)阻礙了邊界層水汽向上的傳輸,1.5 km以下有相對濕度大于80%的濕區(qū),而2.5 km以上相對濕度很低,基本低于10%。南陽低層水汽條件較鄭州好,且南陽地區(qū)濕層更厚,1～3.2 km之間相對濕度均值大于90%,5.6 km以上相對濕度低于10%;同樣,南陽站地面溫度也低于0 ℃,且在1～3 km之間存在較弱的逆溫層結(jié)。與張利平等[8]和孫晶等[7]研究結(jié)果相似,本次積冰過程也伴隨有逆溫層結(jié)出現(xiàn)。

圖2 2018年1月24日08:00 L波段探空溫濕廓線

2.2 平均云微物理量特征

以機載云粒子探頭CDP探測的云粒子濃度Nc大于10個每立方厘米作為云區(qū)的判斷標準,計算得到了兩次探測平均云滴統(tǒng)計特征量如表2所示。由表2可見,第1次探測平均云滴數(shù)濃度為99.60 個每立方厘米,平均有效粒子直徑為8.26 μm,平均液水含量為0.02 g·m-3。第2次探測平均云滴數(shù)濃度為43.42個每立方厘米,平均有效粒子直徑為12.91 μm,平均液水含量為0.03 g·m-3。較第1次探測個例,第2次探測得到的云滴數(shù)濃度減少,而液水含量和有效粒子半徑增加。與加拿大東海岸冬季風暴的研究結(jié)果[15]相比,本次觀測中積冰區(qū)域的云微物理量值均偏小。

表2 兩次探測平均云滴統(tǒng)計特征量

2.3 云微物理特征演變

第1次探測溫度、高度、粒子數(shù)濃度和液水含量等隨時間的演變?nèi)鐖D3所示,其中圖3(a)中黑色實線為飛行高度,灰色實線為溫度曲線;圖3(b)中灰色虛線為熱線含水量儀觀測值,黑色實線為CDP計算值,此次觀測云區(qū)數(shù)據(jù)主要位于-7～-10 ℃之間。飛機探測的溫度和高度如圖3(a),液態(tài)含水量LWC如圖3(b),CDP探測數(shù)濃度Nc如圖3(c)。圖3還展示了部分時刻的CIP粒子圖像,由圖像可見,記錄有積冰形成的時段(圖3中方框內(nèi)),云中存在球形液滴,同時也存在著尺度較大的片狀冰晶和輻枝狀冰晶,云系性質(zhì)為冰水共存的混合相態(tài)云。通過貝吉龍過程,云中冰晶消耗過冷水增長,會使云中的液水含量減小。而從09:45(T1)和11:45(T4)的粒子圖像上可以看到,這些時刻觀測到的粒子以不規(guī)則的片狀和輻枝狀冰晶為主,同時有少量的柱狀冰晶存在,但未觀測到球形粒子。云中小云粒子(直徑小于50 μm)粒子濃度較小,液水含量也較低,宏觀記錄上未記錄積冰。本次探測液水含量基本小于0.1 g·m-3,熱線觀測值稍大于CDP計算值。

圖3 第1次探測溫度、高度、粒子數(shù)濃度和液水含量等隨時間的演變

第2次探測溫度、高度、粒子數(shù)濃度和液水含量等隨時間的演變?nèi)鐖D4所示。

圖4 第2次探測溫度、高度、粒子數(shù)濃度和液水含量等隨時間的演變

飛機探測的溫度和高度如圖4(a),液態(tài)含水量LWC如圖4(b),CDP探測數(shù)濃度Nc如圖4(c)。與第一次觀測結(jié)果相似,本次云區(qū)探測高度4 km,溫度-6～-8 ℃。云中存在球形液滴(圖4 T2、T3),同時也存在著尺度較大的片狀冰晶,云系性質(zhì)為冰水共存的混合相態(tài)云。T1和T4觀測粒子以針狀和輻枝狀冰晶為主,未觀測到球形粒子。

2.4 LWC與MVD相關(guān)性

積冰強度由云液態(tài)含水量、云滴直徑、環(huán)境氣溫等變量共同決定。液水含量越高、云滴尺度越大,則積冰強度相應(yīng)也越大。國外根據(jù)大量飛機積冰的探測研究,建立了飛機自然積冰環(huán)境中的飛行標準[22]。本節(jié)選取了兩次機載探測的過冷云區(qū)數(shù)據(jù),分析LWC與MVD的相關(guān)關(guān)系。2個架次共獲得了5 914個云區(qū)數(shù)據(jù)。將LWC等對數(shù)間隔分為了8檔(具體每檔的范圍為: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,計算不同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公式對觀測結(jié)果進行擬合,LWC與MVD相關(guān)性統(tǒng)計擬合分析的結(jié)果如圖5所示,其中,星號為MVD的中值,陰影表示1/4和3/4分位值,灰色實線展示在此LWC區(qū)間內(nèi)MVD的最大和最小值,黑色實線為擬合曲線。由圖可見,MVD與LWC有較好的正相關(guān)關(guān)系,使用函數(shù)Y=AXb可以較好地對LWC和MVD關(guān)系進行描述,擬合參數(shù)為A=32.78,b=0.29,相關(guān)系數(shù)0.7。本次過程液水含量值較低,基本低于0.1 g·m-3,根據(jù)現(xiàn)有飛行標準附錄C[22]積冰程度不會影響,到飛行安全。

圖5 LWC與MVD相關(guān)性統(tǒng)計擬合分析的結(jié)果

3 雷達回波及衛(wèi)星云參數(shù)分析

3.1 雷達組合反射率和垂直剖面分析

飛行區(qū)域的雷達回波如圖6所示,飛行區(qū)域(圖中黑色方框)軌跡疊加中間時刻的雷達組合反射率如圖6(a)、圖6(c),圖6(b)和圖6(d)為兩架次沿飛行軌跡的雷達回波剖面,其中實線為飛機飛行高度。本次飛機積冰過程雷達回波水平分布較為均勻,具有明顯的層狀云降水特征,天氣雷達回波觸及地面,地面產(chǎn)生了降水。由組合反射率圖可見,積冰區(qū)域回波強度整體較弱,雷達反射率最大值不超過25 dBZ,飛行積冰高度的雷達反射率基本在5～10 dBZ之間。隨著高度的降低,降水粒子尺度不斷增大,由于雷達反射率與粒子尺度的6次方成正比,因此雷達反射率隨高度降低有明顯的增強。

圖6 飛行區(qū)域的雷達回波

3.2 衛(wèi)星云參數(shù)分析

飛機機載設(shè)備探測頻率為1 Hz,每秒鐘有一組觀測數(shù)據(jù)。提取飛機飛行位置的最近時間最近像素點的葵花8衛(wèi)星云參數(shù)進行研究分析,飛機飛行位置的衛(wèi)星云參數(shù)平均值如表3和所示,機載探測區(qū)域COT(a)和CER(b)頻率分布圖如圖7所示。結(jié)果表明,飛行區(qū)域云系發(fā)展旺盛,光學厚度(Cloud Optical Thickness,COT)較大,超過90%的樣本光學厚度大于40,光學厚度平均值分別為67.4和84.2。云頂有效粒子半徑(Cloud Effective Radius,CER)較小,分布在0～15 μm之間,其中有效粒子半徑在5～10 μm之間的樣本最多,約占總樣本的60%,兩次探測區(qū)域的衛(wèi)星反演有效粒子半徑平均值分別為8.9 μm和7.6 μm。由于飛行區(qū)域有限,且云系分布相對均勻,兩次探測的云頂高度和溫度分布范圍較窄,云頂高度6～7 km,云頂溫度-15～-20 ℃。由表3可見兩次探測的云頂高度(Cloud Top Height,CTH)平均值分別為6.4 km和6.5 km, 云頂溫度(Cloud Top Temperature,CTT)平均值分別為-16.2 ℃和-17.4 ℃。

表3 飛機飛行位置的衛(wèi)星云參數(shù)平均值

圖7 機載探測區(qū)域COT(a)和CER(b)頻率分布圖

4 結(jié)論

本文利用2018年1月24日河南地區(qū)一次飛機積冰天氣過程的機載探測資料,結(jié)合天氣雷達和衛(wèi)星云參數(shù)分析了積冰產(chǎn)生的云微物理特征。研究結(jié)果表明:

(1)本次探測云系為層狀云系,平均有效粒子直徑小于15 μm,平均液態(tài)含水量低于0.1 g·m-3。

(2)積冰區(qū)域云中存在球形液滴,同時也存在著尺度較大的片狀冰晶和輻枝狀冰晶,云系性質(zhì)為冰水共存的混合相態(tài)云。

(3)云中液態(tài)含水量隨中值體積直徑增大而增大,函數(shù)Y=32.78X0.29可以較好地描述液態(tài)含水量與中值體積直徑的關(guān)系。

(4)積冰區(qū)域整體回波強度較弱,飛機積冰高度的雷達反射率為5～10 dBZ,云系光學厚度較大,有效粒子半徑較小,平均云頂高度6～7 km,云頂溫度約-17 ℃。

本文基于兩架次飛機探測研究,得到了此次積冰過程發(fā)生的云微物理特征及液態(tài)含水量與中值體積直徑的相關(guān)關(guān)系。建立適合我國的適航標準需要更多不同液態(tài)含水量、不同積冰強度的探測資料分析。