飞机积冰预报方法及应用场景研究北大核心CSCD

基于两种常用的飞机积冰诊断指数,利用ERA5再分析资料作为积冰发生的大气环境场,构建了飞机积冰诊断预报模型,对采集到的25个华东地区春季积冰个例进行了回算,并分别计算了我国不同纬度典型城市上空飞机积冰发生的时空分布特征,模拟了一次冷空气活动过程中浙江新昌上空积冰区域的时空分布,提出了飞机积冰预报方法的几种应用场景。结果表明:在选取的积冰个例中,积冰(IC)指数法诊断准确率为80%,假霜点温度经验法诊断准确率为92%;假霜点温度经验法考虑了飞机飞行速度与动力增温的影响,并且与冰水粒子浓度和中、低云的云量相关性更好,但在没有飞机真实空速情况下预测的积冰强度不够准确,400 hPa以上高度空报较多;IC指数法和假霜点温度经验法均能有效诊断出积冰易发生高度层和积冰高发时段,也可以有效预报某站点高空积冰强度分布情况,另外假霜点温度经验法可以反演发生积冰时的飞机临界飞行速度。     

河北省电线积冰的气候特征及一次电线积冰天气过程分析

利用河北省1980-2009年20个气象站的电线积冰观测资料,分析了河北省电线积冰的时空分布特征和不同方位电线积冰的特征。结果表明：河北省电线积冰平原多于山区;年际变化较大,呈减少的趋势;季节变化十分明显,1月份电线积冰日数最多;东西方向和南北方向的电线积冰在最大重量上有一定差别。利用常规观测资料、1°×1°间隔6h的NCEP资料和2010年1月1910日黄骅气象站逐时风向风速资料,对一次引起线路舞动的电线积冰天气过程进行了分析。结果表明：这次电线积冰是在地面冷空气与500hPa、700hPa低槽共同影响下由雨凇形成的。20日受冷空气影响,黄骅地面气温快速降至0℃附近,而850hPa温度由零上逐渐转为零下,在对流层低层有逆温层,气温的垂直结构有利于形成雨凇;发生舞动的线路走向与风向夹角较大;舞动发生在较大风速出现之后。     

蓄满-超渗兼容模型与神经网络模型的应用对比研究

利用河北省1980-2009年20个气象站的电线积冰观测资料,分析了河北省电线积冰的时空分布特征和不同方位电线积冰的特征。结果表明：河北省电线积冰平原多于山区;年际变化较大,呈减少的趋势;季节变化十分明显,1月份电线积冰日数最多;东西方向和南北方向的电线积冰在最大重量上有一定差别。利用常规观测资料、1°×1°间隔6h的NCEP资料和2010年1月19-20日黄骅气象站逐时风向风速资料,对一次引起线路舞动的电线积冰天气过程进行了分析。结果表明：这次电线积冰是在地面冷空气与500hPa、700hPa低槽共同影响下由雨凇形成的。20日受冷空气影响,黄骅地面气温快速降至0 ℃附近,而850 hPa温度由零上逐渐转为零下,在对流层低层有逆温层,气温的垂直结构有利于形成雨凇;发生舞动的线路走向与风向夹角较大;舞动发生在较大风速出现之后。     

一次飞机严重积冰的天气条件和云微物理特征

利用2021年2月28日机载探测资料, 结合欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料、陕西省延安站探空资料, 分析飞机发生严重积冰的天气背景和云的宏微观结构特征。此次严重积冰天气是受高空槽、低空切变线、低空急流和地面冷锋共同影响的结果。ERA5再分析资料表明:过冷水大值区主要分布于锋区前部暖侧的700 hPa至600 hPa高度。探空资料表明:飞机探测区环境温度为-9~-3℃, 温度露点差为0℃, 具有发生严重积冰的温度和湿度条件。飞机遭遇严重积冰期间环境温度为-8~-5℃, 云粒子探头观测的液态水含量平均为0.35 g·m-3, 最大为0.7 g·m-3;总水含量仪观测的液态水含量平均为0.5 g·m-3, 最大为0.85 g·m-3, 有11 min大于0.45 g·m-3;云粒子中值体积直径平均为20.3 μm, 云粒子数浓度平均为149.3 cm-3;云粒子数浓度由低层到高层呈增大趋势, 而云粒子中值体积直径变化趋势与之相反。计算表明:国王350飞机在穿云作业时, 云中过冷水含量分别高于0.04 g·m-3, 0.15 g·m-3和0.45 g·m-3时可能遭遇轻度积冰、中度积冰和严重积冰。     

飞机空中积冰的气象条件分析及数值预报试验

利用2000年3月至2005年6月山东飞机增雨作业季节,90架次飞机宏观观测资料,对飞机积冰的气象条件和积冰特征进行了分析;并利用PSU/NCAR MM5非静力数值模式,对2005年5月16日增雨作业过程进行了个例研究,在模式准确地预测出了降水的发展趋势和降水范围的基础上,用模式预报场计算的积冰指数和实际飞行观测资料进行了对比试验。结果表明,地面倒槽和冷锋,是山东飞机增雨作业季节的主要作业天气;低压倒槽出现轻度及中度以上积冰所占的比率最大,但南方气旋出现积冰的概率最高,达53.3%;MM5模式预报场计算的积冰指数和垂直上升运动场的叠加,能较好地反映最可能发生积冰的区域、时间及积冰强度,可作为确定飞机增雨作业安全飞行航线的依据。     

四川盆地低空飞行的气象条件分析

根据2011～2018年四川省152个站点逐日08、14、20时的常规地面观测资料、逐小时加密自动站资料，以及3个探空站08时探空资料，详细分析了四川盆地低空(3000m以下)飞行的气象条件，包括不同高度层风场、温度、低云等气象要素的时空分布特征，以及对通用航空飞行器的影响。结果表明:四川盆地一年之中春季以及一日之中下午地面风对通航飞行的影响最大，秋季最小；盆地西北地区850hPa以下存在逆温层以及风向的切变，因此容易产生飞机颠簸，700hPa高度层因风向均匀而受到切变的影响最小；冬季盆地西北地区最易产生飞机积冰，且850hPa高度最容易发生中度积冰；盆地中部低云对飞行的影响最小。      

华山电线积冰日气象条件

选用华山气象站1980—2008年电线积冰观测资料,将其转换为标准冰厚,并与每日4次温度、湿度、水汽压、风速、降水量等进行相关分析。结果表明:华山标准冰厚为0~20mm。积冰主要为5mm以下,出现频率达87.56%。风速为2.1~8m/s,积冰出现频率达75.72%。15mm以上积冰只出现在日平均风速为1.1~16m/s时,并以4.1~8m/s出现频率最大,为0.45%,占该厚度的60%。出现积冰时的水汽压(日4次水汽压中的最大值)多为3.1~7hPa,15mm以上积冰只出现水汽压为4.1~8hPa时。出现积冰的湿度多为81%~100%;15mm 以上积冰也出现在该湿度范围内。当20-08时降水量为5mm以下,华山积冰出现频率达91.03%;15mm以上积冰出现在降水量为0.1~20mm时,并以5.1~20mm频率最大。华山积冰时,14时气温主要为-9.9~5o C,积冰频率达88.24%。15mm以上的积冰也出现在该温度范围内,并以-4.9~0o C间频率最大,为0.45%。华山14时气温为-4.9~0o C、日平均湿度为90%~100%时,积冰出现频率最大,为25.41%,大于四分之一,其中出现5mm 以下积冰的频率为21.19%。15mm 以上积冰主要出现条件为-4.9~0o C、湿度90%以上,出现频率为0.45%,占该厚度的66%。
 

     

怀化近15年降雹时空分布及其环境参量特征分析

利用怀化地区11个国家气象站2004—2018年降雹日资料、地面和高空常规观测资料,对怀化地区近15年降雹时空分布、冰雹天气的主要形势以及环境参量特征进行了统计分析。结果表明:1)怀化地区中部降雹多,冰雹天气主要发生在2月和3月的午后到傍晚,冰雹直径较小。2)高架对流类是怀化地区降雹最主要的天气形势。怀化一般处于地面冷高压底部或底后部;850 hPa或925 hPa以下为东北风或北风,是一个强冷垫;850 hPa有切变线、干线和锋区;700 hPa有强暖湿气流沿锋面(强冷垫)做斜升运动。3)怀化高架对流冰雹天气发生的主要环境参量特征为700 hPa与500 hPa温度差≥11℃;850 hPa与500 hPa垂直风切变≥20 m/s;700 hPa比湿≥3.28 g/kg;0℃高度为3.2～4.0 km,-20℃高度为6.3～8.0 km,且0℃到-20℃层的厚度≥2.7 km。     

安庆地区一次飞机积冰的气象条件分析

利用卫星、雷达、探空、飞机等观测资料和NCEP再分析资料,以及数值模拟结果,对2016年3月8—9日我国安庆地区的云系特征和飞机积冰气象条件进行了分析,并对比了几种积冰指数算法的计算结果。结果表明,此次飞机积冰发生在寒潮天气背景下,强冷空气造成锋面逆温。实测飞机积冰现象出现在对流降雨结束后的层积云层顶部,积冰高度对应高空锋区逆温层底部,云顶高度约为3.4 km,云顶温度为-10℃,无降水和雷达回波,云中主要为过冷水,丰沛时段飞机观测过冷水平均值为0.36 g·m~(-3),基本无冰相粒子。当云顶高度再度抬升,冰相粒子增多时,过冷水含量减少,不利于积冰现象发生。多种积冰指数对比分析表明,CIP初始积冰潜势算法较好体现了此次层积云飞机积冰特征。CPEFS模式模拟出了与实测比较一致的云宏微观结构。     

基于模糊逻辑的飞机积冰预测指数

使用北京人工影响天气办公室提供的2014-2017年京津冀地区飞行记录积冰个例样本与机载观测数据,2016年全国空中报告积冰、非积冰个例样本和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第5代全球气候大气再分析数据（ERA5）,基于模糊逻辑隶属度函数,定义了以气温和相对湿度为判别基础并考虑垂直速度和云量影响的积冰指数I_p（icing potential index）,用于判断飞机在空中发生积冰事件的可能性。检验结果表明:该指数对积冰事件的判别准确率为80.2%,与目前国内常用的经典积冰指数（I_c）相比,其判别准确率有明显提升,且漏报率和虚警率均显著降低（分别为9.4%和10.4%）,结合数值预报产品可对飞机在空中特定位置发生积冰事件的可能性进行预测。     

华山电线积冰日气象条件

选用华山气象站1980－2008年电线积冰观测资料,将其转换为标准冰厚,并与每日4次温度、湿度、水汽压、风速、降水量等进行相关分析。结果表明：华山标准冰厚为O～20mm。积冰主要为5mm以下,出现频率达87．56％。风速为2．1～8m／s,积冰出现频率达75．72％。15mm以上积冰只出现在日平均风速为1．1～16m／s时,并以4．1～8m／s出现频率最大,为0．45％,占该厚度的60％。出现积冰时的水汽压（日4次水汽压中的最大值）多为3．1～7hPa,15mm以上积冰只出现在水汽压为4．1～8hPa时。出现积冰的湿度多为81％～100％;15mm以上积冰也出现在该湿度范围内。当20—08时降水量为5mm以下,华山积冰出现频率达91．03％;15mm以上积冰出现在降水量为0．1～20mm时,并以5．1～20mm频率最大。华山积冰时,14时气温主要为-9．9～5℃,积冰频率达88．24％。15mm以上的积冰也出现在该温度范围内,并以-4．9～0℃间频率最大,为0．45％。华山14时气温为-4．9～0℃、日平均湿度为90％～100％时,积冰出现频率最大,为25．41％．大于四分之一．其中出现5mm以下积冰的频率为21．19％。15mm以上积冰主要出现条件为-4．9～0℃、湿度90％以上,出现频率为0．45％,占该厚度的66％。     

飞机积冰云微物理特征分析及监测技术研究

利用7个架次有积冰报告的飞机探测资料,对积冰云的微物理特征进行了分析,详细描述了云中相态组成、液水含量、中值体积直径和过冷大滴浓度特征。介绍了基于卫星、数值模式输出和地面观测资料的飞机积冰潜势监测技术,在与20个飞机探测积冰报告对比中,积冰监测可识别率为90%,并应用飞机积冰潜势监测技术具体分析了2010年10月26日的积冰个例。最后介绍了基于积冰潜势监测技术的飞机积冰监测系统,该系统能够支持水平分辨率为20 km、垂直分辨率为25 hPa、时间分辨率为1 h的飞机积冰潜势产品的运算和显示,该系统可为实际业务提供参考。     

湘西地区高架雷暴类冰雹的基本特征与关键预报因子

利用常规气象观测资料,对2005—2014年湖南省湘西州2—3月高架雷暴类冰雹的时空分布特征、天气系统配置及环境场要素特征等进行统计分析,探讨高架雷暴类冰雹发生发展的物理机制。结果表明,湘西早春时期的高架雷暴类冰雹南部地区多于中北部地区,具有一定的日变化。影响高架雷暴类冰雹的主要天气系统为高空槽、700hPa急流以及冷空气等。潜势预报指标包括:850hPa相对湿度大于等于92%,700hPa相对湿度大于等于60%,500hPa相对湿度小于等于48.5%;850hPa存在强的温度锋区,温差大于等于13℃/5个纬度;700hPa与500hPa的温差大于等于15℃;700hPa有风速大于等于16m·s~(-1)的西南急流,且850hPa与700hPa的垂直风切变大于等于19m·s~(-1);0℃层高度为3~4km,-20℃层高度为6~7km。     

“04.12.21”飞机积冰天气过程数值特征分析

通过对2004年12月21日发生在民航太原机场附近的飞机积冰过程分析认为：华北地面高压和河套地区高空槽形成的“回流＋倒槽”形势是此次积冰的天气背景,在具备暖湿环境的条件下,在冷暖空气交汇区域靠近冷空气一侧易发生积冰;除去飞机动力增温影响后,强积冰所需环境温度大致在-6～-10℃之间;弱上升气流和冷平流已经侵入的区域内有利于积冰的形成;WAFS数值预报产品可较有效地描述天气系统发展的动力结构和机制,具有较好的积冰形势预报能力,而在国际民航组织向成员国推荐的积冰指数基础上重新构造的积冰指数可以更好地预报积冰天气的发生区域.     

江西省积冰特征分析及重冰区不同重现期最大标准冰厚推算

用江西境内85个国家气象站近30年雨凇、雾凇观测记录分析了江西省积冰日的年际、年代际变化及分布特点。结果表明江西地区的积冰天气事件近30年来总体呈现发生频次减少,强度增强的特征;高山气象站的积冰事件的发生频率显著高于平原、丘陵气象站。积冰高发区主要分布在西、北山区及中部环鄱阳湖及抚河流域以南。另外,充分考虑2011年前后气象部门观测导线线径的变化,利用建站至今16个观冰站电线积冰数据对全省范围的最大电线积冰最大标准厚度进行了推算,结果更符合电力行业对电线积冰工程气象数据的需求。结果表明,除赣北山区外,全省大部分地区2 m高度电线积冰最大标准冰厚度小于20 mm,“轻冰区”范围较多。应重点关注高海拔山区的电线积冰的致灾状况并加以预防。针对该区域架空输电线路电线积冰设计的实际需要,采用极值I型概率分布函数结合高山站-庐山站的观测数据进行了推算,20 m高度百年一遇的最大标准冰厚达到71.1 mm,在计算不同走向的导线设计冰厚时迎风向与非迎风向的比例系数推荐设定为1.2,该结果可为现阶段江西“重冰区”电力工程项目规划设计中预防冰灾提供有力支持,为有效节省项目建设成本和科学预防气象灾害之间寻求平衡点提供气象保障。     

四川盆地低空飞行飞机积冰的气象条件分析

利用常规气象资料和机载温度探测资料(OAT),对2015—2016年冬季四川盆地7次低空飞行(3000m以下)飞机积冰的个例进行了诊断分析。结果表明:冬季在四川盆地内3000m以下飞行,导致飞机积冰的环流形势包括冷锋型、低槽型、西南气流型以及弱脊型,其中前三种形势更有利于中度积冰的产生。飞机积冰均发生在穿过温度小于0℃的云中,出现中度积冰的温度范围在-4^-2℃,轻度积冰温度范围在-1~0℃,在这一温度范围内,相对湿度越大越有利于积冰的产生,其中产生中度积冰时相对湿度均在90%以上。在有利的环流形势以及一定的温度和相对湿度条件下,垂直上升气流速度在-1.0^-0.05Pa·s-1之间更有利于中度积冰的产生,-0.05~0Pa·s-1之间更有利于轻度积冰的产生。     

江西省电线积冰特征及温度层结分析

利用1970—2010年江西省16个气象站电线积冰监测资料和对应时段周边探空数据,将江西省分为赣北、赣中、赣南,分区合成分析江西省电线积冰特征和温度层结特征,主要结论如下:(1)江西省电线积冰日数逐年减少,90年代以后维持较低水平;(2)全省以雨凇型积冰为主,且赣北、赣中发生较为频繁;(3)赣北雨凇过后容易出现雾凇现象,造成持续电线积冰;(4)赣北、赣中雨凇型积冰温度层结符合"3层模型",融化层平均温度为1.5℃,800~900hPa为较强逆温层;赣南则类似于"1层模型",温度层结存在变化,但整层维持在0℃以下。     

飞机积冰环境下的液态水含量及滴谱个例分析

本文就1986—1987年冬季,国产Y-12型飞机在新疆地区进行飞机防、除冰试验期间所获得的资料,进行了个例分析,对影响飞机积冰的液态水含量、体积中值直径和滴谱等气象因素的水平和垂直分布进行了讨论。     

江西省冻雨垂直温度层结分析及预报

利用1960-2013年江西省89个气象观测站常规观测资料,采用统计分析和插值处理方法,对江西106次冻雨过程垂直温度层结进行分析,并建立冻雨预报思路。结果表明：江西省冻雨发生通常伴随1000-850 hPa剧烈降温和700 hPa增温,925-700 hPa存在明显逆温。融化层是冻雨发生的必要条件,87.7 %样本融化层位于700 hPa,9.4 %样本融化层位于850 hPa;一般以1000 hPa温度<1.0 ℃、925 hPa和850 hPa温度<-2.0 ℃和700 hPa温度≥0.0 ℃作为江西冻雨预报的温度阈值标准,同时也应注意融化层位于850 hPa的情况。地面气温越低,越有利于冻雨形成,冻雨发生时最低气温为0.0 ℃以下,平均气温为1.0 ℃以下。冷暖空气持续在27°-28 °N交汇,且鄱阳湖以南至抚河流域平均气温＜1.0 ℃和最低气温＜0.0 ℃出现比其他地区多,造成该区域冻雨发生频次比其他地区明显偏多。另外,通过大气逆温层结、地面气温与冻雨的对应关系,建立基于模式资料和常规观测资料的自动诊断方法。     

基于CloudSat识别飞机积冰环境中的过冷水滴

利用CloudSat资料对127次积冰报告的积冰类型、云类、温度和过冷水含量进行统计分析,结果表明:大多数积冰发生在-20℃以上的温度环境中,-20℃以下只发生了4次。明冰主要发生在-5~0℃;毛冰主要发生在-20~-10℃;混合冰主要发生在-15~-5℃。大多数积冰发生在层积云、雨层云和高层云中。过冷水含量随着温度降低而减少,并且过冷水含量的分布范围随着温度降低而变窄。2B-CWC-RO产品垂直剖面上水凝物含量数据能较好地识别出层积云、高层云和雨层云中的过冷水,但未能识别-20℃以下卷状云和对流云的过冷水。