唐揚剛

（中國飛機強度研究所飛機氣候環(huán)境適應性研究室，陜西 西安710065）

民用飛機在使用的過程中會遭遇降雪天氣，降雪會對飛機的使用帶來不利影響，因此民用飛機在投入運營前必須證明其在降雪環(huán)境下的適用性。目前，利用氣候實驗室模擬的降雪環(huán)境進行適用性驗證越來越多的得到了應用。中國大型氣候實驗室已具備開展降雪試驗的硬件能力，但是由于此前未進行過該類試驗，缺乏試驗經驗，對于降雪環(huán)境參數(shù)之間的內在關系不明確，特別是對于降雪時實驗室內的能見度處在一個什么樣的水平沒有清晰的認識。

國內外學者對于降雪時能見度的計算方法進行了研究，如RASMUSSEN 等對自然降雪時的能見度與降雪強度的關系進行了分析[1]；POMEROY 等基于觀察數(shù)據(jù)，給出了能見度與風速的經驗公式[2]，文獻[3]基于加拿大北極大陸架研究所觀測得到的能見度與風速值，采用文獻[2]的經驗公式對數(shù)據(jù)進行了擬合；MATSUZAWA 等根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，分析了能見度與雪通量的關系，并給出了擬合公式[4]。上述研究都是基于自然降雪環(huán)境，由于實驗室降雪與自然降雪存在較大的差異[5]，基于自然降雪環(huán)境建立的能見度計算方法并不適用。本文基于散射理論，分析了實驗室降雪環(huán)境的能見度計算方法，給出了實驗室能見度包線，并進行了試驗驗證。

1 能見度的定義

能見度是指視力正常（對比閾值0.05）的人，在當時天氣條件下，能夠在天空背景中看到和辨認的目標物（黑色、大小適度）的最大水平距離[6]。從上述定義可以看出能見度的觀測值取決于人眼的生理特征、目標物和背景物的光學特征以及視線內大氣的光學特征，能見度的這種定義其定量性不夠好，測量性不強。因此通常采用氣象光學視程（MOR）來描述能見度，MOR 的定義為：白熾燈發(fā)出色溫為2 700 K的平行光束的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長度[6]。根據(jù)氣象光學視程的定義，當其他因素已經確定時，通過測量大氣透過率或者衰減系數(shù)就可以間接推導出能見度的數(shù)值。

2 氣候實驗室降雪環(huán)境能見度計算方法

KOSCHMIEDER 在1924 年創(chuàng)立了柯西米德定律，從而奠定了能見度測量的理論基礎，在大氣均勻的條件下，能見度與衰減系數(shù)的存在以下關系[7]：

式（1）中：τ為對比閾值，通常取為0.05；μ為衰減系數(shù)。

在氣候實驗室中，光強的衰減通常包括了空氣分子的吸收與散射、雪粒子的吸收與散射，其中空氣分子的吸收和散射效應相對較弱，而光在短距離內傳播時，雪粒子的吸收作用也可以忽略不計，因此可以直接利用雪粒子的散射系數(shù)代替總的衰減系數(shù)，這也是目前前向散射式能見度測量儀的前提假設。那么在實驗室降雪環(huán)境下，衰減系數(shù)等于散射系數(shù)：

式（2）中：n為雪粒子數(shù)濃度；Qε為雪粒子消光效率因子；σ為雪粒子橫截面積。

研究表明，隨著粒子的增大，對于以一定波長的入射的光波來說，消光效率因子最終會趨于常數(shù)2。對于雪粒子來說，其粒子半徑基本在微米量級，相較于入射光的納米量級，可以認為雪粒子的消光效率因子為2。

式（3）中：ni為每立方厘米中半徑為ri的雪粒子數(shù)濃度；ri為雪粒子半徑，cm；

將式（3）代入式（1）中得到能見度計算方法為：

降雪環(huán)境下總含水量計算方法為：

式（5）中：TWC為單位體積空氣內的總含水量，g/cm3；ρi為雪粒子密度，g/cm3。

文獻[9]的研究表明，雪粒子的密度ρi與雪粒子ri半徑成反比關系，干雪密度為：

將式（6）代入式（5）得到：

聯(lián)立式（7）與（4）計算得到：

此時能見度單位為cm，TWC單位為g/cm3，將能見度單位換算為m，TWC單位換算為g/m3則最終得到：

對于濕雪，其密度表達式為[9]：

采用與上述干雪環(huán)境下能見度計算相同的方法得到濕雪環(huán)境下能見度的計算公式為：

EASA 給出的適航符合性驗證方法AMC25.1093（b）中要求降雪時的總含水量為1 g/m3，揚雪時的總含水量為3 g/m3，將該數(shù)值代入能見度計算公式，得到氣候實驗室能見度包線，如圖1 所示。

圖1 氣候實驗室降雪環(huán)境能見度包線

3 能見度包線試驗驗證

為驗證上述包線的合理性，進行了實驗室降雪環(huán)境模擬試驗，采用PWD-10 能見度儀對試驗過程中的能見度進行了實時測量，試驗如圖2 所示。

此次降雪試驗持續(xù)了約30 min，總含水量均值為1.49 g/m3，根據(jù)本文建立的能見度計算公式，實驗室能見度應在114～488 m 之間，將測量得到的能見度值與理論值進行對比分析，如圖3 所示，圖中陰影區(qū)域為采用本文建立的能見度計算方法得到了實驗室能見度范圍。

由圖3 可知，能見度測量值大部分都在理論計算結果的范圍內，表明本文基于散射理論建立的能見度包線可反映氣候實驗室降雪環(huán)境的能見度變化情況，對于實驗室降雪試驗的開展具有參考價值。

圖2 實驗室降雪環(huán)境能見度測量

圖3 理論與實測能見度對比

4 結論

本文針對目前氣候實驗室降雪環(huán)境下室內能見度范圍不清楚的問題，開展了實驗室降雪環(huán)境下能見度包線分析，得到了以下結論：基于散射理論，分別分析了干雪和濕雪條件下能見度計算方法，建立了對應的計算公式，繪制了實驗室降雪環(huán)境下能見度包線；開展了降雪試驗，對比分析了能見度測量值與理論計算值，表明本文建立的實驗室降雪環(huán)境能見度包線具備一定的合理性。