王迪，柳倩

（沈阳航空航天大学 民用航空学院，辽宁 沈阳 110136）

0 引 言

飞机空中积冰是指机体表面某些部位聚集冰层的现象，多由云中液态水滴、大气中的水汽在机体表面冻结或凝结而成。空中积冰严重影响着飞机的飞行安全，轻则造成航班延误，重则导致机毁人亡。对空中积冰的发生规律及分布范围进行预测、分析，为保障飞机的飞行安全提供气象服务，指引飞机避开或脱离积冰区域飞行（即为飞行员做出正确的改航决策提供参考），对于提高飞机飞行安全和效率具有十分重要的现实意义。

国内外多个领域的研究学者对积冰预测方法进行了研究。美国学者利用世界区域预报系统（World Area Forecast System,WAFS）[1]提供的环境温度、相对湿度格点数据，结合航线剖面图，估算积冰指数、积冰可能出现的位置和高度。葛思源[2]基于飞机积冰报告资料，对霜点法、修正霜点法、假霜点判别法及积冰指数法四种积冰预报方法的准确性进行了验证。卞双双[3，4]采用美国气象界联合开发的新一代中尺度预报模式和同化系统（Weather Research Forecast,WRF）对空中积冰的形势场（包括高度场、温度场和湿度场）进行数值模拟试验。赵阳[5]利用美国高垂直分辨率CloudSat 卫星数据，根据云类型、云中温度、相对湿度、液态水含量等统计值，识别飞机积冰潜势及呈现的纬向、海陆及季节差异特征。

本文利用大气再分析数据对空中积冰的发生规律及分布范围进行定量化预测，结合积冰的形成条件进行积冰成因分析及预测准确性校验。在此基础上，通过绘制积冰分布范围图，结合图形有针对性地提出规避、脱离积冰区的飞机改航策略，为保障空中交通安全、高效运行提供决策和参考。

1 空中积冰的形成条件及定量表征

空中积冰的形成与大气环境的温度、湿度、云况、环流形势等天气条件[3-6]密切相关，通过数值分析方法可以对积冰情况进行量化表征。

1.1 积冰形成条件

本文基于大气温度、湿度计算积冰指数，结合云中液态水含量进行积冰指数计算结果校验，并借助水汽通量散度、垂直速度进行空中积冰成因及发展趋势分析。

1.1.1 温度

飞机飞入较冷的云层或降水区时，机体表面容易形成积冰[7]。据统计，空中积冰一般发生在-20℃～0℃的低温大气环境，但不同地区产生不同程度积冰的温度范围稍有差异。研究表明，四川省空中积冰形成的温度范围在-10 ℃～-2 ℃，其中：轻度积冰最容易形成于-10 ℃～0 ℃；形成中度积冰的大气环境温度更低，在-12 ℃～-2 ℃之间；严重积冰形成的温度范围最低，在-10 ℃～-8 ℃之间[8]。

此外，当飞机从较高的航线下降时，环境温度虽然在0 ℃以上，但由于飞机长时间飞行于0 ℃以下的高空环境，机身表面的温度仍然低于0 ℃，此时如果飞入湿度大的云层或遭遇降水，也会在机体表面形成积冰。

1.1.2 湿度

空中积冰常形成于含水量或相对湿度较大的冷云中。统计资料表明，85%的空中积冰均发生在相对湿度大于70%的气象条件下，其中：轻度积冰多发生在相对湿度为80%～90%的天气，中度积冰更容易形成于相对湿度在90%以上的天气。湿度越高，积冰发生的可能性越大、积冰强度越强。

1.1.3 云中液态水含量

云中液态水是表征云物理特性的重要参数之一，与降水（雨、雪、霜）有着密切联系。当飞机在液态水含量大于0的云中穿行时，若机体表面温度过低，就会使过冷水滴冻结在机体表面而产生空中积冰。云中液态水含量越大，形成积冰的可能性越大、积冰越严重。

1.1.4 水汽通量散度

水汽通量散度是指单位时间向中心聚积或从中心辐散的水汽量，可由比湿、风计算得到。水汽通量散度体现水汽流动的方向和流通量，取值有正负之分：正值表示水汽自中心区域向四周辐散，称中心区域为水汽源，水汽源的降水概率和强度一般较小；负值表示水汽从周围区域汇聚到中心区域，称中心区域为水汽汇，水汽汇的降水概率和强度一般较大。

1.1.5 垂直速度

大气的垂直运动速度会促进水汽和热量的输送，影响降水的产生和维持，是积冰预报中不可忽略的物理量。大气垂直速度有正负之分：负值表示大气垂直向上运动，气团抬升，使气团内湿度增加、温度降低，有利于降水的形成和保存；正值表示大气垂直向下运动，气团下降过程中气团湿度下降、温度上升，不利于降水的形成。

1.2 积冰定量表征

利用大气环境的气象观测资料对空中积冰进行定量预测，相比于积冰物理过程模拟、冰风洞实验模拟方法，运算速度更快，数值分析结果也能够满足实际应用要求。空中积冰定量表征的经典算法包括Ic积冰指数、RAOB 积冰指数、法国气象中心（SCEM）积冰指数[9]等。

本文采用积冰预测准确率较高的Ic积冰指数对积冰程度进行量化表征。研究表明，大气环境的相对湿度小于50%时，天气晴朗、无云，积冰概率几乎为0；大气环境的相对湿度大于50%时，则可能产生积冰；大气环境的相对湿度接近100%时，可能存在降水。此外，考虑到容易产生积冰的大气环境温度范围为-14～0 ℃，国际民航组织（ICAO）提出Ic 积冰指数，利用相对湿度和大气温度两项指标粗略判断空中积冰强度。计算方法为：

其中，RH 为相对湿度（%），T为温度（℃）。相对湿度在50%～100%范围内变化时，积冰指数取值在0～100 之间；温度在-14～0℃范围时，认为可能有积冰发生。积冰强度根据Ic指数的高低划分为轻度积冰、中度积冰、严重积冰三个等级。

本文基于云中液态水含量进行积冰校验：积冰指数和液态水含量均大于0，可能形成空中积冰；否则不会有积冰发生。

2 空中积冰预测

各国研究中心依托气象站、气象卫星定期收集高分辨率气象数据，并利用特定的预报模式和同化系统对观测资料进行“再分析”，最终形成包含大气、陆地、海洋气候参数在内的再分析数据集。本文主要基于不同气压面上的大气温度、湿度、风速、云况、降水等再分析数据展开研究。

2.1 数据来源及绘图软件

本文研究所用数据来源于欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）提供的可公开访问、下载的大气环境格点数据。利用2005年1—12月的月平均数据，经纬度范围：经度100°E～120°E、纬度30°N～50°E；等压面：300～1 000 hPa；气象数据类别：相对湿度（Relative Humidity）、云中液态水含量（Specific cloud liquid water content）、比湿（Specific humidity）、温度（Temperature）、风水平分量（U component of wind）、风垂直分量（V component of wind）、垂直速度（Vertical velocity）。本文重点关注民航飞行任务较多的四川成都双流机场（103.95°E、30.57°N）周边空域。

积冰指数、积冰范围采用当今气象界广泛使用的气象数据处理和显示软件GrADS（Grid Analysis and Display System）进行图形化绘制。气象数据在GrADS 中被视为纬度、经度、层次和时间的4 维场，通过内嵌函数实现基本气象要素场（如风场、温度场、相对湿度场、速度场等）、重要天气系统发展形势场（如散度、涡度、风切变等）的图形化绘制。

GrADS 软件运行环境、图形绘制界面如图1所示。图形绘制过程为：

图1 GrADS 绘图软件

（1）气象数据加载。数据可以是格点资料，也可以是站点资料；数据可以是二进制、GRIB 码、NetCDF 格式。

（2）图形参数配置。包括时间、等压面、经纬度、图形颜色、线型、等值线间隔等。

（3）调用函数绘制基本气象要素场、重要天气系统发展形势场，也可以进行不同要素的叠加绘制。

2.2 空中积冰预测

2.2.1 积冰发生的季节规律

气象学上的四季划分如下：3—5月为春季；6—8月为夏季；9—11月为秋季；12—2月为冬季。利用2005年1—12月的月平均数据，基于大气环境温度、相对湿度两类气象参数，代入式（1）计算Ic积冰指数。图2是800 hPa 等压面（1 900 m 飞行高度）春、夏、秋、冬四季代表性月份（1月、4月、7月、10月）Ic积冰指数及液态水含量分布图，图中黑色曲线代表积冰指数等值线，彩色曲线代表液态水含量等值线，黑色实心点代表成都双流机场所在位置。

图2 四季积冰指数及液态水含量分布图

积冰指数等值线覆盖区域表明温度在-14℃～0℃区间、相对湿度大于50%时，存在积冰的可能性。结合积冰发生的基本条件——是否存在云中液态水，进一步校验积冰发生的可能性。具体做法：观察积冰指数等值线与液态水含量等值线是否有重叠区域，若二者存在重叠区域（Ic积冰指数、液态水含量均大于0 时），代表空中积冰大概率会发生，并进一步确定积冰的空域范围；若二者无重叠（Ic积冰指数、液态水含量中至少一方取值为0），则判定空中积冰不会发生。通过对比发现，冬季发生空中积冰的概率较大、范围较广，其他季节鲜有发生。该结论与实际情况吻合：西南地区河流、湖泊较多，水汽较大，常年气候湿润，属于较容易发生积冰的地域，积冰报告数的比例在春、冬季节明显大于夏、秋季节，1、2、11、12月发生积冰频率最高。进一步分析得出：冬季易发生轻度积冰（积冰指数40～50）的范围大致为：经度104°E～110°E、纬度31°N～35°N。

2.2.2 空中积冰成因分析

本文结合水汽通量散度、垂直速度两类气象要素对积冰成因进行分析。利用2005年1月的月平均数据中的纬向风、经向风气象数据，绘制水汽通量散度在800 hPa 等压面的平面分布及300～1 000 hPa 等压面的垂直分布图，如图3所示。

图3（a）显示，易发生积冰的区域（经度104°E～110°E、纬度31°N～35°N）水汽通量散度多为负值，并且在104°E、31°N 附近为水汽汇，水汽通量散度极值为-0.4×10-7g/（cm2· hPa · s），表明四周的水汽向该区域汇集。图3（b）显示，800 hPa 等压面以下的飞行高度水汽通量散度为负，800 hPa 等压面以上的飞行高度水汽通量散度为正，表明低层有水汽辐合，高层有水汽辐散，这样的垂直结构有利于水汽在800 hPa 等压面（1 900 m 飞行高度）汇合，进一步增加该高度层降水、空中积冰发生的概率。

图3 水汽通量散度及垂直剖面

利用2005年1月的月平均数据中的垂直速度数据，绘制垂直速度在800 hPa 等压面的平面分布及300～1 000 hPa等压面的垂直分布图，如图4所示。

图4（a）显示，易发生积冰的区域（经度104°E～110°E、纬度31°N～35°N）垂直速度多为负值，在104° E、32° N 附近存在负垂直速度中心，极值为-15×10-2Pa/s。图4（b）垂直速度的垂直剖面显示，650～1 000 hPa 等压面垂直速度同样为负值，表明存在大气垂直向上运动，气团抬升，气团内湿度增加、温度降低，有利于降水的形成和保存，进一步增加空中积冰的发生概率。

图4 研究区域垂直速度及剖面

综合水汽通量散度、垂直速度两种天气要素场的诊断结果，最终得出：经度104°E～110°E、纬度31°N～35°N 区域存在形成空中积冰的有利条件，空中积冰概率较大。

2.2.3 空中积冰高度层分布

根据300～1 000 hPa 等压面积冰指数&云中液态水含量的垂直分布图，得到冬季各月份可能发生空中积冰的高度层分布特性。

2005年1月、2月、12月积冰指数和液态水含量的垂直分布如图5所示。通过观察各高度层积冰指数等值线与液态水含量等值线是否存在重叠区域，来校验发生积冰的可能性。不难发现，成都双流机场附近空中积冰的高度层在2005年1月 为875～625 hPa，2月 为825～625 hPa，12月为850～650 hPa。

图5 300～1 000 hPa 等压面积冰指数和液体含水量垂直分布图

由积冰指数的数值大小可以初步判断积冰的严重程度。2月、12月发生轻度积冰的平均高度（700～750 hPa 等压面）高于1月发生中度积冰的平均高度（750～800 hPa 等压面），研究结果与实际情况一致[10]。

3 积冰情况下的改航策略分析

飞机的飞行航线上一旦存在积冰区，空域管理的复杂度就会显著增加，同时由积冰导致的飞行风险也会升级。若飞行航线上存在积冰可能，且积冰强度不大、预计飞行时间很短，则空中积冰对飞机飞行安全的影响不大，飞机可按原计划的航路、航向继续飞行；如飞行航线上积冰严重，或积冰覆盖范围大、预计飞行时间较长，应迅速采取改航措施避开、脱离积冰区。因此，提前预测积冰区的范围及积冰强度，有针对性地提出改航策略，对于保障空中交通安全、高效运行具有重要意义。

制定改航策略的关键是判断积冰区的范围，包括其在等压面上的水平范围以及跨越不同等压面的垂直高度。当判断出积冰水平范围较大时，可采取改变高度的方法；水平范围较小时，则可改变航向。通常建议优先改变高度。

本文以积冰易发的冬季为例，分析积冰区的空域范围。2005年1月、2月、12月，积冰区的纬向（同一经度不同纬度）、经向（同一纬度不同经度）分布如图6所示。对比发现，冬季的3 个月份，积冰区的纬向分布范围明显小于经向分布范围。具体而言，1月积冰区的纬向跨越范围为30° N～32° N，经向跨越范围为102° E～112° E；2月积冰区的纬向跨越范围为30°N～36°N，经向跨越范围为100°E～120°E；12月积冰区的纬向跨越范围为30°N～33°N，经向跨越范围为102°E～111°E。因此，冬季（1月、2月、12月），若飞机在机场附近空域（图中黑色实心点）遭遇积冰，沿纬度方向（南北向）调整航向优于沿经度方向（东西向）调整航向。进一步观察发现，飞机向北调整航向、下降高度（飞机飞向更高等压面）有助于其尽快避开、脱离积冰区。

图6 冬季不同月份积冰区的纬向、经向分布图

4 结 论

本文基于大气环境再分析数据对飞机空中积冰发生的规律及分布范围进行预测、分析，并通过积冰成因分析，验证研究方法的有效性。在此基础上提供针对性的空中改航策略，用以引导飞机快速、精准避开及脱离积冰区，保障空中交通安全、高效地运行。最终得出以下结论：

（1）联合应用Ic积冰指数与液态水含量两类指标，有助于提高空中积冰预测的准确率，有效减少误报、漏报、误警、虚警的发生。

（2）通过利用再分析数据绘制的积冰指数与液态水含量的水平分布和垂直剖面图，可以更加形象、直观地确定积冰强度、积冰的平面及垂直分布范围，所得出的积冰发生的季节规律、高度层分布特性等研究结论与已有研究成果、积冰案例报告相吻合，从而验证了本文研究方法的正确性。

（3）基于空中积冰预测结果，可以为飞行员、签派员、管制员制定和调整飞行计划，引导飞机合理避开积冰区域提供借鉴和参考。