一种基于人影飞机结冰观测记录判断云中过冷水的方法

刘星光,张 微

（黑龙江省人民政府人工降雨办公室，黑龙江 哈尔滨 150030）

1 引言

飞机结冰是指飞机机体因过冷水滴冻结或水汽凝华而聚积冰层的现象[1]，通常发生在含有过冷水滴的云、雾、冻雨或湿雪中，影响飞机的稳定性和操纵性，并使导航仪表和无线电通信设备失灵，严重时甚至导致飞行事故[2-4]。过冷水是对0℃以下液态水滴的总称。在过冷却水和冰晶共存的情况下，水滴被消耗、冰晶尺度增加，这就是蒸-凝过程。蒸-凝过程在冷云形成降水、混合态降水增强中发挥重要作用，同时也是人工增雨冷云催化的理论基础。因此，过冷却水对降水形成和人工增雨均有重要意义。

目前，对过冷水或飞机积冰的研究手段主要有飞机探测、数值模拟和卫星资料诊断等方法[5-10]，袁敏等（2017）通过对127次积冰报告的统计分析发现大多数积冰发生在-20℃以上的温度环境中，大多数积冰发生在层积云、雨层云和高层云中[11]；洪延超（2012）总结了层状云及其降水物理研究的部分成果，指出“催化-供给”云是降水性层状云的典型结构，“催化-供给”云相互作用是导致降水的主要过程，其中冰相层是催化云，冰水混合层、液水层是供给云，催化云对降水的贡献低于30%，供给云在70%以上[12]。

受观测手段限制，黑龙江省一直没有开展过冷水的相关研究。飞机结冰的发生与云中过冷水关系密切，多年来，在缺少机载探测设备的情况下，飞机结冰一直是人影工作者判断空中存在过冷水、具有可播条件的判断依据。本文从人影飞机结冰观测记录入手研究降水云中过冷却水的分布特点，并过冷却水在不同降水天气系统中的位置特征进行统计分析。

2 资料和方法

普查黑龙江2003-2018年的人影飞机宏观观测记录，除2010、2011年缺少飞机结冰观测记录外，其余14 a共有86个飞机结冰日、206条飞机结冰记录。飞机结冰记录最多的是5月，共计32 d、55条；3月和8月积冰日数＜5 d、观测记录＜10条；1-2月、11-12月没有飞机结冰观测记录。首先剔除积冰记录＜10条的月份，再对其它记录进行校对、筛选，从中选取59个飞机结冰日、共计62个飞机结冰个例进行分析。

3 结果与分析

3.1 飞机结冰与混合相层的位置关系

冰水混合层是由冰相粒子和过冷水组成的，冰相粒子可以是冰晶、雪或霰，过冷水可以是云滴和雨滴。冰水混合层的底部一般是0℃层，顶部约在-25℃左右。由于大多数积冰发生在-20℃以上的温度环境中，故本文根据飞机结冰位置选择与其距离最近、时间最近的探空资料，提取0℃、-20℃、混合相态厚度数据，以各月飞机结冰个例的自然日为先后次序，逐一描绘出飞机结冰观测高度和混合相层的垂直位置关系（图1）。可以看到，飞机结冰位置普遍在-20-0℃的混合相层中，约占飞机结冰个例的95%，但也有5%出现在环境温度＞0℃的暖层。以2015-2018年为例，黑龙江省开展飞机作业的日数为51 d，有飞机结冰记录的为38 d，飞机积冰日占比为70.6%。其中5月份的飞机作业日为18 d，飞机结冰日为14 d，占比达到77.8%。由此可以推断黑龙江在4-7月、9-10月的降水云中都有过冷水存在，其中5月份的云中过冷水最为丰沛。

图1 飞机结冰位置在混合相态层中的位置

另外，各个例的0℃、-20℃的高度变化较大，但混合相态层的厚度全年变化不大，平均值在3204 m，7月份最高在3326 m，10月份最低在3090 m。若将混合相层分为上层（-20.0-(-13.3℃）)、中间层（-13.3-(-6.7℃））和下层（-6.7-0℃），云中过冷水有37%出现在中间层、49%出现在下层。

3.2 逐月变化特征

4-7月、9-10月云中过冷水的平均高度为3424.45 m，4-7月从2984 m逐渐升高到3857 m，9-10月下降。最高高度与平均高度分布特征一致，极大值出现在7月份，为5634 m。但最低高度的逐月特征不明显(表1)。

表1 云中过冷水位置高度的逐月统计表

3.3 补充条件的利用飞机结冰判断过冷水方法

通过分析发现，飞机结冰现象中有5%记录出现在＞0℃的暖层，即以往用飞机结冰判断空中存在过冷水、具有可播条件的判断依据不严谨，应加上环境温度＜0℃这一条件。

3.4 云中过冷水在降水天气系统中的位置

从上述个例中选取高空、地面观测数据和卫星云图较为完整的55个，对其进行天气系统分型分类。在天气分型中优先分析500 hPa高度场，其次是700 hPa。通过分析发现，云中过冷水出现的天气系统主要为高空涡、高空槽，其中高空槽的个例有32个，高空涡有23个。

从过冷水在天气系统中的分布位置来看(表2)，出现在高空槽前部的最多为23次，占同型天气个例的72%。高空涡的各个位置均有可能出现过冷水，其中涡前部探测到的次数最多为9次，占同型天气个例的39%，其次是在涡的顶部。从过冷水与冷、暖气团的位置关系来看，在各天气系统中出现在冷气团一侧的几率高，但在高空槽前的过冷水则多出现在暖气团或冷暖锋面上。

表2 过冷水在降水天气系统中的位置

3.5 云中过却水出现的降水云分类

对38个飞机结冰观测时刻对照同一时次的红外、可见光云图，按照降水云的对流稳定性进行分类。其中，对应为层积云的有16个，占比42.1%；层云12个，占比31.6%；积云10个，占比26.3%。

4 结论

（1）飞机结冰观测事实与云中过冷水的温度阈值吻合度高达95%，结合0℃层位置可以作为降水云中存在过冷水的判断依据。

（2）云中过冷水出现在混合相层中下部的几率大，约为86%。

（3）高空槽、高空涡是黑龙江省开展飞机增雨作业的主要降水天气系统，其中高空槽前的暖气团或冷暖锋面上、高空涡的前部、高空涡顶部冷气团一侧或冷暖锋面上是过冷水分布的主要区域，层积云、层云中是过冷水分布的主要云型。