四种飞机积冰预报方法的比较与分析

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摘要： 飞机积冰是对航空飞行安全危害最严重的气象要素之一。本文利用2013年无锡等地的飞机积冰报告资料，对目前常用的四种飞机积冰诊断预报方法进行检验，比较这四种方法对飞机积冰个例预报的准确性。结果表明，仅考虑温湿条件的霜点法对云中过冷水滴含量的影响估计不足，预报效果差，漏报率偏高。修正霜点法对飞机积冰的预报效果明显改善，预报准确率达70.0%以上。假霜点判别法和积冰指数法对飞机积冰有无预报效果均较好，准确率达88%，漏报率也较低。但积冰指数法对积冰强度预报明显偏强，空报率也略偏高。

Abstract： The aircraft icing is one of the most serious meteorological factors to aviation safety. By using the aircraft icing reports of Wuxi etc. in 2013， this papaer takes an inspection of the four commonly used methods of aircraft icing diagnosing and forecasting， and the accuracy of the four methods are compared for the case of aircraft icing prediction. The results show that the frost point method， which only considers the temperature and humidity conditions， is not enough to estimate the influence of the supercooled water droplets in the cloud， and the prediction effect is poor， the missing report rate is high. Modified frost point method for aircraft icing forecast effect is improved obviously， and the forecast accuracy rate can achieve over 70.0%. False frost point discrimination and icing index method for aircraft icing prediction all have a good effect， whose accurate rate is 88%， and the missing rate is lower. But the icing index method for forecasting icing intensity is stronger， and vacancy rate is slightly higher.

P键词： 飞机积冰；效果检验；霜点法；假霜点判别法

Key words： aircraft icing；effect test；frost point method；false frost point method

中图分类号：V321.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）14-0226-03

0 引言

飞机积冰对航空飞行安全危害非常严重。飞机发生积冰能使飞机的空气动力性能变差，升力减小，阻力增大，影响飞机的稳定性和操纵性，甚至导致飞行事故。从40年代起，共有126起因飞机积冰造成的飞行事故。例如，1980年4月15日，一架设备先进的“超黄蜂”直升飞机在我国某地云中飞行，进入了积冰区，造成旋翼积冰，三台发动机停车，引起旋翼挥舞颤抖打坏尾梁，切断尾动轴，导致飞机空中解体。1994年10月31日，美国一架ATR72飞机在芝加哥国际机场下降高度时，因机翼积冰而失速坠毁，机组和乘客共68人全部遇难。2004年11月21日，一架CRJ-200在包头起飞，因没有落实地面除冰霜制度，致使飞机带冰、霜起飞，离地后飞机机翼失速临界迎角减小，无法控制，引发坠机空难[1、2]。随着航空技术的快速发展，尽管现代飞机的防冰、除冰装置日趋完善，在一定程度上减轻了积冰对飞行的危害，但是无论什么飞机，不论其有何种防冰装置，它只能在结冰前或结冰初期起到预防或除冰的作用。一旦发生强的飞机积冰，任何防冰或除冰装置都是无能为力的。因此，飞机积冰仍是影响飞行安全的关注重点。

1 积冰预报方法

飞机积冰是指飞机机体表面某些部位聚积冰层的现象，它主要由云中过冷水滴或降水中的过冷雨滴碰到飞机机体后冻结形成的，也可由水汽直接在机体表面凝华而成[3]。飞机积冰通常在温度0～-20℃、温度露点差小于5℃范围内发生较多，强积冰多发生在温度-5～-10℃、温度露点差小于4℃的范围内。飞机积冰一般与过冷水滴的含量、大小，飞机的飞行速度、云中飞行时间，积冰部位的曲率半径等因素有关，但目前对于云的微物理结构作大范围的定量测量还有一定的困难，飞机积冰预报主要依靠统计、数值预报模式输出或诊断等方法。本文选取霜点法、修正霜点法、假霜点判别法及积冰指数预报法等四种诊断方法，通过实际飞机报告，检验四种方法预报的准确性。

1.1 霜点法

在温度低于0℃的云中，如果有过冷水滴存在，则过冷水面的饱和水汽压应该是饱和的，过冷水滴所在区域温度T就必然低于其霜点温度Tf。因此，通过比较云中的温度与霜点温度，就可以判断云中水汽压相对冰面是否饱和，进而判断是否有过冷水滴存在。飞机在含过冷水滴的云中飞行易产生积冰。判别法为[3]：

Tf=-8D=-8（T-Td）？叟T有积水

1.2 修正霜点法

由于霜点法在实际应用时效果较差，有人又对其进行了改进，给出了修正经验公式[3]。

Tf=-kD，其中k=8exp[-（T/D）1/2]。当Tf≥T，有积冰，否则无积冰。

1.3 假霜点判别法

综合考虑飞机的动力增温及飞行高度上的温湿条件，假霜点判别法给出了假霜点温度 Tfi[3]：

1.4 积冰指数法

利用美国国家环境预报中心和国家大气研究中心联合处理的全球大气40年（1958-1997）再分析资料，王新炜等在飞机积冰指数的基础上，构建一个新的积冰指数VV[4]：

2 积冰飞机报告资料

本文利用2013年无锡等地的19个飞机积冰报告个例（见表1），通过目前常用的四种计算飞机积冰的诊断判别方法，比较这些方法对飞机积冰个例预报的效果，探讨四种预报方法的适用性，为飞机积冰预报提供参考借鉴。

3 飞机积冰预报效果检验

3.1 预报评定标准

①准确率。

预报有且实况有和预报无且实况无的为预报正确。

准确率=预报正确天数/总样本数×100%

②空报率。

预报有，实况无即为空报。

空报率=空报天数/预报积冰天数×100%

③漏报率。

预报无，实况有即为漏报。

漏报率=漏报天数/出现积冰天数×100%

3.2 预报效果检验

由于霜点法与修正霜点法只能判断是否有积冰出现，而不能判断积冰强度。因此，本文利用霜点法、修正霜点法只对飞机积冰情况进行有无预报效果检验。而对假霜点判别法及积冰指数法进行积冰有无预报以及强度预报效果检验。验证结果见表2、表3。

由表2、表3可知，利用霜点法对飞机积冰有无预报的效果很差，漏报率很高，25个检验高度出现的积冰全部漏报，准确率为24.0%，漏报率100%，空报率0%。霜点法漏报率偏高，主要是因为霜点法在对飞机积冰的预报中，仅考虑到一定的温湿条件下，云中水汽压对冰面不饱和时，冰的升华作用对飞机积冰的不利影响，而忽略了云中过冷水滴含量对飞机积冰的影响。

修正霜点法对飞机积冰有无预报的效果明显改善。预报积冰正确18个，漏报4个，空报3个。准确率为72.0%，漏报率21.1%，空报率16.7%。

假霜点判别法对飞机积冰的有无预报及强度预报效果均较好，准确率明显高于霜点法和修正霜点法。预报积冰正确22个，漏报2个，空报1个。准确率为88.0%，漏报率10.5%，空报率5.6%。而且，假霜点判别法对飞机积冰高度的预报也较准确，例如序号24、25，飞机报告3500～5500m高度有轻度积冰，利用实测探空资料计算，5500m高度预报有轻度积冰，而3000m高度预报没有积冰，与飞机报告相符。

利用积冰指数法对飞机积冰的有无预报效果也较好。预报积冰正确22个，漏报1个，空报2个。准确率为88.0%，漏报率5.3%，空报率10.0%。可见，积冰指数法和假霜点判别法对飞机积冰的有无预报效果均较好，积冰指数法漏报率最低。如果在航行中，飞机机型对积冰要求很高，可使用积冰指数法预报积冰，宁空勿漏。但是对比飞机报告，积冰指数法预报的积冰强度明显偏强了一等级，漏报率虽然降低了，但空报率也提高了，在实际保障中可根据经验做适当订正。

4 飞机积冰防范措施

飞机积冰对飞行危害很大。因此，在飞行活动中应尽量规避它，不能在积冰区长时间飞行，一旦出现积冰，要正确处置设法消除。

①由于积冰主要发生在有过冷水滴的云中，因此，飞行前要预先了解航线及空域上的云层、降水和温度的分布情况，结合飞行速度，大概判明可能发生积冰的区域以及高度，选择绕航或调整高度的方式，避开积冰区。

②如果航线必须经过积冰区，就要提前打开防冰装置，选择强度最弱、时间最短的航线通过积冰区。

③如果积冰强度弱，对飞行影响不大，而且积冰区飞行时间不长时，可按既定航线和高度继续飞行。

④如果积冰强度强，除冰装置又不能把冰清除掉，应采取改变飞行高度或航向的方法，尽快脱离积冰区。

⑤高速飞机在飞行时发现有积冰，可采取加大飞行速度的方法来减轻或消除积冰。根据飞行经验，某型飞机以最大速度平飞12分钟，可消融10-15mm的冰层。

⑥防（除）冰装置是防止和消除积冰的重要手段。飞行前，应检查这些装置是否处于良好的工作状态。飞行中，提前打开防（除）冰装置，防（除）冰效果更好。

5 结论

利用2013年无锡等地的19个飞机积冰报告资料，比较检验目前常用的四种飞机积冰诊断预报方法。结果得出：

①霜点法漏报率很高，预报效果最差。修正霜点法对积冰预报效果有所改善，准确率可达70%以上。

②假霜点判别法和积冰指数法对飞机积冰有无预报效果均较好，准确率达88%，漏报率也较低。但积冰指数法对积冰强度预报明显偏强，空报率也略偏高。

③飞机积冰对飞行危害很大，因此在飞行活动中应正确处置预防和规避飞机积冰。

参考文献：

[1]陈锦荣.气象与飞行安全[M].北京气象出版社，2006.

[2]白秋华.飞行与积冰[M].北京气象出版社，1987.

[3]赵树海.航空气象学[M].北京气象出版社，1994.

[4]潘玉萍，张晓强，韩锐，等.东南地区飞机积冰预报方法效果检验及规避措施.第30届中国气象学会年会，2013.