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        飛機試飛的自然結(jié)冰潛勢預(yù)測及檢驗評估

        2022-04-28 09:35:48倪洪波李佰平閆文輝李靜張瑩張華倪萍
        氣象科技 2022年2期
        關(guān)鍵詞:云頂潛勢結(jié)冰

        倪洪波 李佰平 閆文輝 李靜 張瑩 張華 倪萍

        (1 中國飛行試驗研究院場務(wù)部氣象臺,西安 710089; 2 上海市氣象服務(wù)中心,上海 200030)

        引言

        飛機結(jié)冰是指機身表面某些部位聚積冰層的現(xiàn)象,主要是由混合相云中過冷云滴或降水中的過冷雨滴碰到機體后凍結(jié)形成的,是非常危險的航空危險性天氣之一[1]。飛機結(jié)冰會破壞飛機的空氣動力學(xué)性能,降低升力,增大阻力,影響飛機的穩(wěn)定性和機動性,甚至造成墜機等事故[2-4]。為了保證投入運營的飛機能夠承受一定程度的飛機結(jié)冰,同時驗證機載防除冰設(shè)備的適用性,運輸類飛機投入運營前必須開展適航審定自然結(jié)冰試飛。運輸類飛機自然結(jié)冰試飛是適航取證試飛過程中高風(fēng)險、高難度的試飛科目。

        美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)利用飛機探測資料制定了適航標準第25部附錄C[5],該附錄利用云中液態(tài)水含量(Liquid Water Content, LWC)、云滴平均有效直徑(Mean Effective Diameter, MED)和環(huán)境溫度(Temperature,T)提供了飛機結(jié)冰環(huán)境的基本描述,其中MED可近似于中值體積直徑(Median Volume Diameter, MVD)。MVD是指云滴尺度上液態(tài)水含量分布的中值,廣泛用于描述飛機結(jié)冰環(huán)境[6]。美國和加拿大等國,都基于統(tǒng)計規(guī)律建立了自己國家的飛行氣象數(shù)據(jù)庫,可以自主組織開展自然結(jié)冰科目試飛[2,7-10]。我國尚沒有專門的自然結(jié)冰試飛研究機構(gòu),現(xiàn)有自然結(jié)冰試飛氣象條件的尋找方法也相對原始,在工程應(yīng)用領(lǐng)域,飛機結(jié)冰的預(yù)報主要以天氣學(xué)定性方法結(jié)合經(jīng)驗預(yù)報為主,數(shù)值預(yù)報技術(shù)尚不成熟,不僅浪費試飛架次,試飛效率偏低,而且存在較大安全隱患。在以運七200A、運12、ARJ21-700等飛機為代表的我國運輸類飛機適航審定過程中,自然結(jié)冰試飛始終是制約型號試飛安全和進度的“瓶頸”科目。

        2020年3月航空工業(yè)試飛中心在陜西地區(qū)開展了國產(chǎn)某大型運輸機自然結(jié)冰試飛,本文結(jié)合該試飛過程,對李佰平等[11]改進的自然結(jié)冰潛勢算法(以下簡稱,改進的結(jié)冰潛勢算法)預(yù)報效果進行了檢驗,并對陜西中北部地區(qū)產(chǎn)生飛機結(jié)冰的氣象條件及試飛結(jié)果進行對比分析,以期為后續(xù)型號飛機適航審定自然結(jié)冰試飛天氣預(yù)報和協(xié)同保障提供技術(shù)支撐。

        1 數(shù)據(jù)資料

        本文所使用的資料主要包括:①地面、高空天氣圖資料;②涇河、崆峒等站探空資料;③西安、寶雞等地多普勒天氣雷達資料;④葵花8號氣象衛(wèi)星資料,包括可見光和紅外云圖等;⑤歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的細網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報模式資料;⑥機載云粒子組合探頭CCP(cloud combination probe)資料,主要用來獲取LWC、MVD和Temp。

        CCP由美國DMT(Droplet Measurement Technologies)公司生產(chǎn),包含云粒子探頭CDP(Cloud Droplet Probe)、云粒子圖像探頭CIP(Cloud imaging Probe)和Hot-wire液態(tài)水含量傳感器3個主要探測部件,還包括空速管和測量環(huán)境溫度的部件輔助[12]。CDP使用前向散射激光探測技術(shù),用于測量較小云滴的MVD,其測量范圍為2~50 μm,CIP使用64通道圖像測量陣,用來測量較大云滴的MVD,其測量范圍為12.5~1550 μm。Hot-wire測量LWC的范圍是0.0~3.0 g/m3。相關(guān)設(shè)備從20世紀70年代開始被廣泛利用于探測與飛機結(jié)冰相關(guān)的云微物理參數(shù)[13],同時在我國各省市的人工影響天氣部門和氣象科研機構(gòu)也得到了廣泛應(yīng)用[14-18]。由于附錄C要求的MVD為15~50 μm,因此選用CDP測量的MVD作為支撐數(shù)據(jù)。

        2 運輸類飛機適航審定自然結(jié)冰試飛標準

        按中國民用航空總局運輸類飛機適航標準(CCAR25部)附錄C[19],將運輸類飛機自然結(jié)冰試飛科目劃分為連續(xù)最大(層云)結(jié)冰和間斷最大(積云)結(jié)冰2種情況,且對試飛科目實施的環(huán)境溫度、LWC和MVD都分別做出了具體要求。按照某大型運輸機試飛大綱要求,自然結(jié)冰科目試飛執(zhí)行連續(xù)最大(層云)結(jié)冰,要求飛機在滿足條件的結(jié)冰云層中水平飛行45 min 或結(jié)冰厚度達到5.08 cm(2 inch),取較長時間為準,但不超過7.62 cm(3 inch),具體如表1所示。

        表1 某大型運輸機自然結(jié)冰試飛氣象條件及標準要求

        3 基于CIP算法改進的結(jié)冰潛勢算法

        飛機結(jié)冰與環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)之間存在著聯(lián)系,使得利用大氣環(huán)境場參數(shù)確定飛機結(jié)冰潛勢成為可能。李佰平等[11]在Bernstein等(2005)[20]的當前飛機結(jié)冰潛勢(CIP,Current Icing Potential)算法基礎(chǔ)上,提出了一種改進的飛機結(jié)冰潛勢算法。該算法基于云微物理基本概念,建立了綜合溫度、濕度、云頂溫度等要素的結(jié)冰潛勢模糊邏輯診斷方法,可以直接基于大氣溫濕層結(jié)給出結(jié)冰潛勢,能較好地估測多種天氣條件下飛機在飛行中實際遭遇結(jié)冰的情況,且能給出結(jié)冰的區(qū)域和大致高度。由于其命中率高、虛警率低,在自然結(jié)冰試飛保障中具有較高的應(yīng)用價值。最終的結(jié)冰潛勢由下式獲得:

        Icepot=μrhμtmμctt×100%

        (1)

        式中,Icepot為結(jié)冰潛勢,μrh為相對濕度相關(guān)關(guān)系,μtm為溫度相關(guān)關(guān)系,μctt為云頂溫度相關(guān)關(guān)系。圖1給出了溫度、相對濕度、云頂溫度與飛機結(jié)冰潛勢的相關(guān)關(guān)系圖[11]。這種定量的相關(guān)關(guān)系是基于云微物理概念、飛機結(jié)冰試驗的經(jīng)驗參數(shù)和飛機報告分析得到[9,20],改進的結(jié)冰潛勢算法根據(jù)國內(nèi)的相關(guān)試飛報告對相關(guān)參數(shù)有細微的調(diào)整[11]。其中相對濕度越大,越有利于空中過冷水的存在;溫度相關(guān)關(guān)系指示適宜過冷水存在的溫度范圍;云頂溫度相關(guān)關(guān)系指示云粒子的相態(tài),即估計云中包含過冷水的可能性。最終的結(jié)冰潛勢是指飛機結(jié)冰發(fā)生的潛在程度,可以理解為結(jié)冰可能出現(xiàn)的概率和強度。結(jié)冰潛勢大于15% 時,表示至少有機會結(jié)冰;大于40%時,則比較有利于結(jié)冰??紤]到運輸類飛機自然結(jié)冰試飛的目標是抓取滿足CCAR25部附錄C的結(jié)冰條件,因此采用改進的結(jié)冰潛勢算法時,結(jié)冰閾值選擇為40%。

        圖1 相對濕度(a)、溫度(b)、云頂溫度(c)與飛機結(jié)冰潛勢的相關(guān)關(guān)系

        4 陜西一次運輸機自然結(jié)冰試飛過程分析

        4.1 第1架次試飛天氣分析及結(jié)冰潛勢預(yù)報檢驗

        4.1.1 天氣過程分析

        2020年3月16日11:20—15:30(BJT,下同),在甘肅東部、陜西西部一帶開展了第1架次結(jié)冰試飛試驗。此次天氣過程主要受西南暖濕氣流北抬和北方冷空氣南下共同影響,高空有西風(fēng)短波槽東移。圖2a為2020年3月16日08:00陜西中部上游的甘肅崆峒站溫度-對數(shù)壓力圖(T-lnp圖),可見濕層較為深厚,估計云底高在2 km左右,云頂高在6 km以上,云頂溫度-22 ℃,云底溫度-2 ℃。根據(jù)08:00崆峒站探空資料計算的結(jié)冰潛勢診斷廓線如圖2b所示,可見結(jié)冰潛勢大值區(qū)高度在2.7~4.5 km,由于云頂溫度偏低,最大結(jié)冰潛勢約44%,在700 hPa高度。此次過程冷暖空氣交匯的中心位置位于秦嶺以南地區(qū),飛行探測區(qū)域主要受冷空氣影響,云頂發(fā)展的高度偏高。

        圖2 2020年3月16日08:00崆峒站T-lnp圖(a),結(jié)冰潛勢診斷廓線(b)

        4.1.2 試飛結(jié)果

        2020年3月16日結(jié)冰試飛從起飛到降落,共用時4 h 10 min,穩(wěn)定結(jié)冰期間飛行速度400 km,飛行高度4.0 km左右。達到既定試驗區(qū)域及飛行高度后,監(jiān)控視頻拍攝到的入云狀態(tài)顯示,飛行高度上云并不連續(xù),沒有形成大范圍穩(wěn)定的云層,13:40機組報告機翼后緣標尺出現(xiàn)淞冰,14:41機組報告翼尖標尺結(jié)冰達2.54 cm。后續(xù)結(jié)冰緩慢,翼尖標尺最大結(jié)冰為3.05 cm,同時翼尖及垂尾上均有明顯結(jié)冰,但遠未達到CCAR25部附錄C要求的結(jié)冰厚度。原因是飛行過程中云層不連續(xù),結(jié)冰現(xiàn)象主要以長時間飛行的累積效應(yīng)為主。CCP探頭提供的MVD、LWC及T隨時間分布如圖3所示,翼尖標尺出現(xiàn)結(jié)冰時段(13:40—14:41),T分布在-8.44~-6.20 ℃之間,MVD分布在5.32~31.97 μm之間,但大部分取值位于包線之外,未達到CCAR25部附錄C要求,LWC分布在0.08~0.98 g·m-3之間,且MVD、LWC變化幅度大,說明云區(qū)分布不均勻,云中粒子大小不一,這與監(jiān)控視頻拍攝到的結(jié)果基本一致。

        圖3 2020年3月16日結(jié)冰試飛CCP探測數(shù)據(jù):(a)中值體積直徑MVD,(b)液態(tài)水含量LWC,(c)溫度T(藍色陰影區(qū)間表示結(jié)冰時段,數(shù)據(jù)進行了1 min中值濾波平滑)

        4.1.3 結(jié)冰潛勢預(yù)報檢驗

        利用ECMWF細網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報模式資料,基于改進的結(jié)冰潛勢算法,給出的2020年3月16日14:00陜西地區(qū)700 hPa及600 hPa等壓面結(jié)冰潛勢預(yù)報結(jié)果如圖4所示。模式預(yù)報顯示結(jié)冰潛勢大值區(qū)主要位于秦嶺及其以南一帶,在實際飛行探測區(qū)域(甘肅東部、陜西西部一帶)預(yù)報的結(jié)冰潛勢在30%~60%之間。這一結(jié)果與利用崆峒站探空資料診斷的結(jié)冰潛勢、實際機載測量結(jié)果和觀察到的結(jié)冰現(xiàn)象基本一致,表明改進的結(jié)冰潛勢算法在結(jié)冰試飛中具有較好的工程應(yīng)用價值。

        圖4 2020年3月16日14:00,700 hPa飛機結(jié)冰潛勢預(yù)報(a),600 hPa飛機結(jié)冰潛勢預(yù)報(b)(起報時間:3月14日20:00,填色為結(jié)冰潛勢,紅色線條為溫度(℃);多邊形區(qū)域為試飛的大致飛行探測空域范圍,下同)

        4.2 第2架次試飛天氣分析及結(jié)冰潛勢預(yù)報檢驗

        4.2.1 天氣過程分析

        2020年3月26日11:00—16:30,在甘肅東部到陜西西部一帶開展了第2架次結(jié)冰試飛試驗。如圖5所示,此次結(jié)冰過程主要受西風(fēng)短波槽東移影響,地面配合有較為明顯的冷空氣南下,甘肅東部和陜西中北部有雨轉(zhuǎn)雪天氣,6 h(14:00—20:00)降雨量普遍在0.1~1.0 mm。陜西宜君站在14:00前后有小雨,20:00轉(zhuǎn)為降雪。從西安站雷達回波上看,14:00還未有明顯回波,15:00甘肅正寧縣附近出現(xiàn)15~30 dBz的弱回波,宜君縣附近出現(xiàn)5~15 dBz的弱回波;下午18:00前后回波范圍更大,回波強度以15~30 dBz為主,陜西中部一帶降水逐漸明顯(圖6)。08:00陜西中部上游的崆峒站探空(圖7a)顯示濕層較為深厚,從2.5 km伸展到500 hPa,云頂溫度約-14 ℃,云底溫度約-5 ℃,3 km附近高度有逆溫層,最大結(jié)冰潛勢在90%以上;從20:00涇河站探空(圖7c)來看,高空濕層有一個明顯的發(fā)展和加深,整層的濕度均較大,云頂發(fā)展的高度在7 km 以上。由于云層發(fā)展得過高,云頂溫度偏低,根據(jù)20:00涇河站結(jié)冰潛勢廓線(圖7d),結(jié)冰所在的高度在2.0~5.9 km,但最大結(jié)冰強度只有20%,結(jié)冰氣象條件并不理想。

        圖6 2020年3月26日15:00(a)和17:57(b)西安雷達3層仰角(0.5、1.5、2.4°)組合反射率因子

        4.2.2 試飛結(jié)果

        2020年3月26日結(jié)冰試飛從起飛到降落,共用時5 h 30 min,穩(wěn)定結(jié)冰期間飛行速度380~390 km/h,飛行高度4.0~5.0 km。達到既定試驗區(qū)域及飛行高度后,視頻監(jiān)控顯示飛機處于一片較為連續(xù)穩(wěn)定的云層中。12:26機組報告CCP探頭連接桿上有明顯冰層;12:30機組報告LWC為 0.3 g·m-3,T為-1.0 ℃;13:57監(jiān)控信號恢復(fù),顯示翼尖標尺結(jié)冰達2.54 cm;14:18因左側(cè)翼尖標尺冰塊脫落,需爬升脫冰,然后重新執(zhí)行結(jié)冰試驗;后續(xù)因T偏高(-1.6~0.6 ℃),機體及翼尖標尺結(jié)冰狀況均不太好,結(jié)冰速度較慢;16:00飛機返航。在本架次試飛過程中最接近CCAR25部附錄C標準的時段(12:17—13:10),MVD、LWC及T隨時間分布如圖8藍色陰影區(qū)域所示,可見在總時長為53 min的時間段內(nèi),T變化范圍為-4.02~3.56 ℃,MVD變化范圍為12.27~29.79 μm,LWC變化范圍為0.12~0.53 g·m-3,測量得到的MVD、LWC及T數(shù)值比較穩(wěn)定,說明該段時間內(nèi)飛機處于一片較為連續(xù)的云層中,其與視頻畫面監(jiān)控到的情況一致。在13:10飛機出云,由于飛機所處環(huán)境發(fā)生改變,Hot-wire的熱損較干空氣校準時偏大,所以有計算值輸出,屬于參考基準漂移造成的誤差,其在下次入云前再次進行零位校準時即可修正。從云中液態(tài)水含量和粒子大小分布來看,云的連續(xù)性要優(yōu)于3月16日,但結(jié)冰發(fā)生時,云中溫度偏高,因此結(jié)冰強度較3月16日要弱。結(jié)合雷達和地面降水觀測,在飛行探測時段前期,探測區(qū)域的探空層結(jié)接近于圖7a,云頂溫度在-14 ℃左右,有利于過冷水的維持;在中午前后,隨著降水的發(fā)展,云頂開始抬高,衛(wèi)星云圖顯示大部分區(qū)域云頂溫度在-50~-40 ℃之間(圖略),探測區(qū)域的探空層結(jié)應(yīng)接近于圖7c,此時云中高空以冰晶粒子為主,結(jié)冰潛勢降低。這與實際探測結(jié)果較為吻合。

        圖7 2020年3月26日08:00崆峒站T-lnp圖(a)和結(jié)冰潛勢廓線(b)、20:00涇河站T-lnp圖(c)和結(jié)冰潛勢廓線(d)

        圖8 2020年3月26日結(jié)冰試飛CCP探測數(shù)據(jù):(a)MVD,(b)LWC,(c)T(藍色陰影區(qū)間表示結(jié)冰時段。數(shù)據(jù)進行了1 min中值濾波平滑)

        4.2.3 結(jié)冰潛勢算法預(yù)報檢驗

        2020年3月26日11:00陜西地區(qū)700 hPa及600 hPa等壓面結(jié)冰潛勢預(yù)報結(jié)果如圖9所示。預(yù)報顯示結(jié)冰潛勢大值區(qū)主要位于甘肅西峰鎮(zhèn)到陜西寶雞一帶,最大結(jié)冰潛勢接近100%,并逐漸東移南壓,在20:00以后移出探測區(qū)域。這與實際探測結(jié)果在結(jié)冰時間和強度上均存在一定程度的偏差。一方面是由于數(shù)值模式對于高低空系統(tǒng)的配置和降水時段的預(yù)報存在偏差,24日20:00起報的模式對探測區(qū)域26日下午高空增濕和降水的發(fā)展演變過程預(yù)報偏晚。更臨近時刻起報(25日20:00)的模式結(jié)果對該過程的把握更為準確,預(yù)報顯示當天14:00以后探測區(qū)域大部結(jié)冰潛勢在60%以下(圖略)。另一方面,目前改進的結(jié)冰潛勢算法并未引入模式預(yù)報的MVD、LWC等云微物理參數(shù)的影響,也未考慮垂直運動的作用,因此對結(jié)冰強度的表征存在一定的局限性。

        圖9 2020年3月26日11:00,700 hPa飛機積冰潛勢預(yù)報(a),600 hPa飛機積冰潛勢預(yù)報(b)(起報時間3月24日20:00,填色為結(jié)冰潛勢)

        4.3 第3架次試飛天氣分析及結(jié)冰潛勢預(yù)報檢驗

        4.3.1 第3架次結(jié)冰試飛天氣過程分析

        2020年3月27日07:00—11:27,在關(guān)中平原西安以東一帶開展了第3架次結(jié)冰試飛試驗。如圖10 所示,27日08:00陜西中南部受高空短波槽及低層切變共同影響,降水主要集中在陜西南部。西安地區(qū)降水主要發(fā)生在26日夜間至27日凌晨,27日08:00以后以陰天或者弱降水為主。27日08:00雷達回波顯示西安以南有降水,回波強度在15~30 dBz,西安以東地區(qū)無明顯的降水回波(圖11a)。27日09:00可見光云圖顯示云層范圍較大,深厚且均勻,云頂偏暗,以大范圍的層狀云系為主。27日08:00涇河站探空資料顯示,高濕區(qū)從地面延伸到4 km以上,云頂有明顯的西北風(fēng)和西南風(fēng)垂直風(fēng)切變,0 ℃層高度在1.5 km附近,云頂溫度在-10 ℃左右,此時云中以過冷水為主,且含量充沛,1.5~4.0 km之間有結(jié)冰條件非常理想,診斷的最大結(jié)冰潛勢達到100%(圖12)。26日夜間至27日凌晨發(fā)生的降水具有一定的沉降清潔作用,降水過后,云中凝結(jié)核偏少,較少的云粒子濃度有利于過冷水直徑的增長,同時較少的粒子濃度減小了云滴的碰并融合作用,有利于云滴的維持。

        圖10 2020年3月27日08:00,500 hPa高度場和700 hPa風(fēng)場(a)以及地面圖(b)(圖a中藍色:500 hPa槽線,棕色:700 hPa切變線,D為700 hPa低壓中心)

        圖11 2020年3月27日08:02西安雷達3層仰角(0.5、1.5、2.4°)的組合反射率因子(a),09:00葵花8號衛(wèi)星可見光云圖(b)

        圖12 2020年3月27日08:00涇河站T-lnp圖(a)和診斷的結(jié)冰潛勢(b)

        4.3.2 試飛結(jié)果

        2020年3月27日結(jié)冰試飛從起飛到降落,共用時4 h 27 min,穩(wěn)定結(jié)冰期間飛行速度380~390 km/h,飛行高度4.0 km左右。本架次試飛由于氣象條件理想,飛機起飛后很快就入云,共進行了3輪自然結(jié)冰試驗,試驗期間MVD、LWC及T隨時間分布如圖13藍色陰影區(qū)域所示。

        圖13 2020年3月27日結(jié)冰試飛CCP探測數(shù)據(jù):(a)MVD,(b)LWC,(c)T。(藍色陰影區(qū)間表示結(jié)冰時段,數(shù)據(jù)進行了1 min中值濾波平滑)

        第1輪結(jié)冰試驗(07:16—08:00),總時長為54 min,T變化范圍為-3.18~-1.27 ℃,MVD變化范圍為14.62~25.16 μm,LWC變化范圍為0.00~0.84 g·m-3。07:16儀表監(jiān)控顯示出現(xiàn)結(jié)冰信號;07:32機組報告翼尖標尺積冰厚度達2.54 cm,冰形呈“羊角”狀;08:00地面監(jiān)控顯示翼尖標尺結(jié)冰厚度接近7.62 cm,已完全滿足CCAR25部附錄C標準,聯(lián)系機組出云做既定動作。需要注意的是,07:40左右,Hot-wire探頭出現(xiàn)短時凍結(jié)現(xiàn)象,部分數(shù)據(jù)不準,當冰脫落時會造成得到的數(shù)據(jù)突變,出現(xiàn)個別“野值”。

        第2輪結(jié)冰試驗(08:30—08:42),總時長為12 min,結(jié)冰迅速,氣象條件非常理想,T變化范圍為-3.85~-1.74 ℃,MVD變化范圍為10.50~24.54 μm,LWC變化范圍為0.06~0.64 g·m-3。08:30機載監(jiān)測儀器顯示有結(jié)冰信號;8:35監(jiān)控視頻顯示翼尖標尺結(jié)冰厚度達2.54 cm;08:42機組報告翼尖標尺結(jié)冰厚度有5.08 cm,已完全滿足CCAR25部附錄C標準,準備出云做動作。第2輪結(jié)冰試驗期間,積冰最強時,垂尾最大積冰面積有40 %。

        第3輪結(jié)冰試驗(10:09—11:03),總時長為56 min,T變化范圍為-3.48~-1.50 ℃,MVD變化范圍為9.27~32.18 μm,LWC變化范圍為0.02~0.55 g·m-3。10:09地面監(jiān)控視頻顯示翼尖標尺有結(jié)冰;10:23機組報告翼尖標尺結(jié)冰厚度達2.54 cm;11:03機組報告翼尖標尺結(jié)冰厚度達有5.08 cm,已完全滿足CCAR25部附錄C標準,11:07指揮員聯(lián)系機組開始做動作。

        4.3.3 結(jié)冰潛勢算法預(yù)報檢驗

        圖14和圖15給出了EC模式對3月27日08:00和11:00陜西地區(qū)700 hPa和600 hPa高度的結(jié)冰潛勢預(yù)報。模式預(yù)報的結(jié)冰潛勢大值區(qū)主要位于西安及其以東一帶,且隨著時間逐漸東移減弱。在實際飛行探測區(qū)域(西安以東一帶)預(yù)報的結(jié)冰潛勢在100%,與實際飛行探測結(jié)果基本一致。從模式預(yù)報的結(jié)冰潛勢剖面和風(fēng)溫濕剖面來看,西安上空的結(jié)冰潛勢大值區(qū)主要發(fā)生在27日上午,26日下午隨著中層濕度的發(fā)展,有一定的結(jié)冰潛勢但是維持時間短且低層濕度偏差,總體結(jié)冰條件仍不是非常理想;夜間由于濕層高度發(fā)展較高,降水明顯,結(jié)冰潛勢進一步減弱;27日凌晨,隨著降水停歇,高空濕度減弱,低層濕度維持,中低層云體深厚,2~4 km高度的結(jié)冰潛勢均在100%,結(jié)冰條件非常理想;到11:00之后,隨著600 hPa的濕度減弱,結(jié)冰潛勢變差(圖16)。從事后飛行反饋來看,預(yù)報的結(jié)冰潛勢變化與實際一致。圖17給出了中國氣象局上海數(shù)值預(yù)報模式系統(tǒng)對27日08:00西安涇河站南北向和東西向的水成物剖面預(yù)報,在27日08:00,西安上空云相態(tài)以云水為主,0 ℃層以上的云水即對應(yīng)導(dǎo)致飛機結(jié)冰的云中過冷水,云頂高度在4.5 km左右,因此有利于飛機結(jié)冰發(fā)生的高度從0°層(約1.5 km)到4.5 km。西安以南和以東的云層則發(fā)展得較為旺盛,云頂普遍在10 km以上,相態(tài)以雪(冰晶)為主。中國氣象局上海數(shù)值預(yù)報模式系統(tǒng)的云中水成物預(yù)報能較好地表征飛機結(jié)冰發(fā)生時的云中相態(tài)。

        圖14 2020年3月27日08:00,700 hPa飛機積冰潛勢預(yù)報(a),600 hPa飛機積冰潛勢預(yù)報(b)(起報時間3月25日20:00,填色為結(jié)冰潛勢)

        圖15 2020年3月27日11:00,700 hPa(a)和600 hPa(b)飛機積冰潛勢預(yù)報(起報時間3月25日20:00。填色為結(jié)冰潛勢)

        圖16 2020年3月26—28日西安咸陽機場氣象要素預(yù)報剖面:(a)結(jié)冰潛勢,(b)相對濕度(紅色等值線為溫度(℃),填色為結(jié)冰潛勢和相對濕度,起報時間2020年3月25日20:00)

        圖17 2020年3月27日08:00沿西安涇河站南北向(a)和東西向(b)的水成物剖面預(yù)報(起報時間3月26日20:00)

        5 3次自然結(jié)冰試飛協(xié)同保障及結(jié)果比較

        5.1 3次自然結(jié)冰試飛協(xié)同保障

        在國產(chǎn)某大型運輸機自然結(jié)冰試飛過程中,采用塔臺和監(jiān)控雙指揮體系,氣象技術(shù)人員全程參與試飛準備階段的任務(wù)協(xié)同和試飛實施階段的協(xié)同指揮。在試飛準備階段的任務(wù)協(xié)同中,氣象技術(shù)人員向試飛指揮員和機組講解結(jié)冰天氣預(yù)報結(jié)論,給出建議開展結(jié)冰試飛的區(qū)域及高度,提出結(jié)冰試飛可能存在的風(fēng)險和防范措施。在試飛實施階段的協(xié)同指揮中,氣象技術(shù)人員利用衛(wèi)星云圖、天氣雷達探測資料和航危報資料,結(jié)合參試飛機實時下傳的空中飛行視頻和試飛機組報告,實時監(jiān)測、分析最佳結(jié)冰云區(qū)的位置和高度,隨時向指揮員給出飛行的目標位置。由于適宜結(jié)冰的天氣區(qū)落點具有隨機性,可以開展自然結(jié)冰試飛的區(qū)域相對有限,試飛實施過程中,參試飛機不能根據(jù)最佳結(jié)冰天氣落區(qū)和氣象條件變化隨機“追云”,結(jié)冰試飛的效率和質(zhì)量均受到影響。

        5.2 3次自然結(jié)冰試飛結(jié)果比較

        以結(jié)冰效果最為理想的第3架次(3月27日)為參照,對比分析第1架次(3月16日)和第2架次(3月26日)試飛過程,結(jié)果如表2所示。3月16日冷暖空氣交匯中心位于秦嶺以南地區(qū),試飛的區(qū)域偏北,結(jié)冰時段T中值為-7.30 ℃,為3架次最低的,LWC中值為0.41 g·m-3,為這3架次最高的。但是MWD中值10.18 μm,為3架次中粒徑最小的,顯著低于CCAR25部附錄C最低標準,且MVD標準偏差為4.04,為3架次中粒徑波動最大的。說明雖然結(jié)冰厚度達到3.05 cm,但本架次云不連續(xù),云滴尺度不一是影響結(jié)冰效率的最主要原因。3月26日高空短波槽東移影響,地面配合有較為明顯的冷空氣南下,盡管T、LWC及MVD均在附錄C標準要求的范圍內(nèi),但因云中溫度偏高,T中值為-1.77 ℃,為這3架次最高的,且T標準偏差為1.12,為這3架次中環(huán)境溫度波動最大的,結(jié)冰試飛條件要素配置不理想,結(jié)冰厚度并不強(表2)。

        表2 3架次自然結(jié)冰試飛過程對比

        6 結(jié)論

        利用多源資料結(jié)合改進的結(jié)冰潛勢算法,從天氣條件、飛機結(jié)冰潛勢預(yù)報、試飛實施、探測結(jié)果等方面,分析了2020年3月16日、26日和27日在閻良機場開展的3架次自然結(jié)冰試飛過程,同時對數(shù)值模式的預(yù)報結(jié)果進行了檢驗評估。分析認為:

        (1)基于CIP算法改進的結(jié)冰潛勢算法能夠較好地反映飛機在空中遭遇結(jié)冰的情況,是當前開展飛機積冰預(yù)報服務(wù)的主要手段,目前結(jié)冰區(qū)域預(yù)報相對準確,但是結(jié)冰強度的預(yù)報需要進一步優(yōu)化。

        (2)基于改進的結(jié)冰潛勢算法,全球模式和區(qū)域模式能夠預(yù)報飛機結(jié)冰在空間和時間上的發(fā)生發(fā)展和演變趨勢,但依賴于模式對大氣環(huán)境場的預(yù)報效果。模式的水成物預(yù)報能夠提供較好的參考,但相關(guān)云微物理參數(shù)還需要與多源觀測資料做進一步的評估。

        (3)不同的天氣系統(tǒng)影響下,飛機結(jié)冰條件存在較大的差異。從3次結(jié)冰過程分析來看,西風(fēng)系統(tǒng)因水汽條件不足,結(jié)冰氣象條件較南支系統(tǒng)要差;高空冷空氣未到達試飛區(qū)域前,云中環(huán)境溫度偏高,結(jié)冰強度較低;冷暖空氣交匯的區(qū)域,LWC較高,MVD較為合適,結(jié)冰較強。

        運輸類飛機適航審定自然結(jié)冰科目試飛,必須在滿足MVD、LWC及T指標的嚴苛條件中,持續(xù)飛行45 min或結(jié)冰厚度達到5.08 cm,試飛難度和風(fēng)險很高。自然結(jié)冰科目試飛既需要尋找和捕捉適宜的天氣條件,也需要優(yōu)質(zhì)的結(jié)冰潛勢算法準確預(yù)報飛機結(jié)冰,還有賴于氣象技術(shù)人員在自然結(jié)冰試飛實施階段提供科學(xué)高效的協(xié)同指揮保障。

        致謝:在本文的寫作過程中,中國氣象局云霧物理環(huán)境重點開放實驗室周旭博士提出了修改意見,并給予悉心指導(dǎo)。在此特致以誠摯的感謝!

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