基于民用航空规章的结冰气象条件探测数据分析方法.pdf

收稿日期：2 0 2 2 年5月30 日；定稿日期：2 0 2 3年2 月2 0 日作者简介：宁义君，男，198 4年生，硕士，高级工程师，主要从事飞机结冰研究，E国家重点研发计划“中国意大利绿色航空技术一带一路联合实验室建设与飞机低能耗防冰技术联合研究”（2 0 2 2 YFE0203700）资助Aug.2023METEORECHNOLOGY4632023年8 月象第51卷第4期Vol.51,No.4科技基于民用航空规章的结冰气象条件探测数据分析方法宁义君1,2 3朱东宇孙晶4*1,2,3黄鸿虹5（1中国航空工业空气动力研究院，沈阳110 0 34；2 沈阳市飞机结冰与防除冰重点实验室，沈阳110 0 34；3高速高雷诺数气动力航空科技重点实验室，沈阳110 0 34；4中国气象局人工影响天气中心，北京10 0 0 8 1；5中国商飞民用飞机试飞中心，上海2 0 132 3）摘要手我国极度缺乏结冰气象条件中的云层数据，我国民用航空规章第2 5部附录C结冰条件只能复制于美国航空规章，对飞行探测得到的结冰云层数据进行附录C符合性分析的方法也少有研究。附录C结冰条件形成于2 0世纪40 年代末，当时的探测手段与如今采用先进探测仪器所获取的数据形式有很大差异，因此首先明确附录C结冰条件参数的具体定义，根据当前探测仪器测量数据的高分辨率特性，对数据处理与分析方法进行研究。最后基于该方法对安庆结冰气象探测数据进行了分析，从分析结果看，该方法能够清晰呈现所探测结冰云层的结冰条件基本特征及其与附录C的符合性程度。关键词统结冰条件；结冰云层探测；航空规章中图分类号：P413D0I:10.19517/j.1671-6345.20220236文献标识码：A引言当飞机在含有过冷水滴的云层中飞行时，飞机迎风表面，例如机翼前缘、发动机人口和雷达整流罩等部件上会发生结冰现象。飞机结冰会对飞机的气动性能造成严重损害，甚至会造成机毁人亡的事故。在航空业发展初期，飞机在空中飞行遭遇结冰时只能迫降，在地面将冰从蒙皮表面和螺旋桨上除去后继续飞行，随后出现了气囊式除冰套、除冰液、电加热、热气式等防除冰系统用于飞机机翼和螺旋浆的结冰防护。飞机防除冰系统的合理设计需要结冰云层参数作为设计输入，因此飞机防除冰系统的研制促使了对结冰云层参数的研究，从1944年起美国空军和国家航空顾问委员会NACA（Na t i o n a l A d v i s o r yCommittee forAeronautics）合作开展了对结冰云层参数的飞行探测研究1-5。为满足迫切的行业需求，1949年NACA基于这些探测数据发表了用于防除冰系统设计的结冰条件包线，并表示在获得更*通信作者，Email:多的数据、积累更多的经验后再进行修正。不久这些设计包线便被美国民航局采用并写人美国联邦规章第14章航空航天类第2 5部附录CL6，至今这些包线一直作为民用飞机防除冰系统设计的标准结冰条件。同时民用飞机若要取得在结冰条件下的飞行许可，必须在满足附录C要求的大气结冰条件下开展飞行试验，以验证飞机在结冰条件下飞行的安全性。为获取大气结冰条件下的云层数据，国外至今共集中进行了3个时期的结冰云层飞行探测研究。第1个时期是2 0 世纪40 年代末至50 年代初，主要由美国NACA主导，19451950 年冬季从美国中北到西北部地区上空进行了飞行探测，并根据这些数据形成了附录C结冰条件标准，19511953年扩充了数据样本。第2 个时期是2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初，随着2 0 世纪50 年代后出现的电子/光学云粒子探测技术的成熟，对附录C准确性和可靠性的重新评估推动了这一时期的探测研究，包括美国、加拿大、德国、英国、法国等欧美国家都参与其中。后来美国http:/气象科技464象第51卷技科联邦航空管理局(Federal Aviation Administration，FAA)对全球结冰云层探测数据进行了收集和整理门，共积累了北美、欧洲和北大西洋海拔最高至24000ft(7.3km）的过冷云探测数据，有效探测距离共计2 8 0 0 0 nmile（518 56 k m），其中约一半是第1个时期的NACA探测数据。另外还有冻雨（f r e e z i n g r a i n）、冻毛毛雨（freezingdrizzle）和冰晶数据8-10 1，用于形成其他适航规章（2 5部附录O过冷大水滴结冰条件（SupercooledLargeDroplet，SLD)7和33部附录D冰晶结冰条件11）。第3个时期是2 0 世纪90 年代末，由于1994年10月ATR-72飞机事故的发生12，激发了国外对SLD结冰条件的研究，为进一步扩充SLD结冰条件数据样本，从1996 2 0 0 0 年主要在五大湖地区开展了探测研究，例如加拿大冻雨试验（CanadianFreez-ing DrizzleExperiments，CFD E)13,加拿大和美国共同组织的联合结冰研究（Alliance IcingResearchStudy，A IRS)14等项目。根据AIRS项目信息，美国已构建了成熟的结冰条件飞行试验保障体系，包括卫星、雷达、探测仪器、探测飞机等一体化设备，联合卫星、雷达等探测信息预报结冰条件的发生和反演结冰云层的主要特征，用于指导飞机“追云”操作，飞机上搭载多种探测仪器，测量结冰云层详细数据。以上研究奠定了欧美发达国家在飞机结冰条件研究方面的领先地位，并将这些结冰条件标准化，纳人航空适航规章条款，其他国家民用飞机若想进人欧美商业航空市场，必须接受这些结冰适航条款的符合性审定。我国专门针对自然结冰条件开展的探测试验非常少，极度缺乏境内结冰云层数据，我国民用航空规章对结冰条件的规定只能复制于欧美适航规章。但针对水资源利用及人工增雨等需求，我国在结冰气象条件的监测识别和预报反演方法取得了很大进展16-2 5。我国民用飞机发展战略带动了对飞机结冰的系统性研究，通过ARJ21-700、C919等民用飞机的研制，目前我国已基本掌握飞机防除冰系统设计技术。对于自然结冰条件适航符合性验证试飞，由于国内缺少精准的符合附录C结冰条件的目标试验区，只能在国外完成结冰条件飞行试验。2 0 14年，中国商飞试飞中心联合中国气象局、上海市气象局、中国气象局人工影响天气中心、航空工业试飞院、航空工业气动院等单位对国内结冰条件目标试验区开展研究，获得了宝贵的结冰云层探测数据。2 0 2 2 年初，C919飞机不再需要前往国外，而在国内完成了自然结冰符合性试飞，随着国内更多结冰云层探测研究以及民用飞机自然结冰符合性试飞的开展，我国结冰云层数据样本将越来越充实。我国民机在国外完成自然结冰符合性试飞，试飞时的结冰云层探测数据及其分析方法我们无法获取。在我国境内完成的自然结冰飞行试验，一般更注重飞机在结冰条件下飞行品质与结冰防护性能的演示与评估，对于结冰条件与附录C的定量化符合性对比少有研究。本文依据美国FAA报告2 6 提及的一些方法，开展面向民用航空规章结冰条件标准的云层探测数据分析方法研究，为所探测区域结冰条件与附录C的符合性评估提供一种手段，并基于安庆地区的结冰云层探测数据进行了分析，对研究方法的有效性进行了验证。1阝附录C结冰条件用于形成附录C的结冰气象探测数据是由美国研究机构于1945一1948 年冬季分别在密西西比上游流域、北美五大湖地区、美国西部开展的。在当时探测技术条件下，主要采用旋转圆柱（RotatingMulticylinder，RM C)测量结冰云层参数，当飞机穿过合适的过冷云层时将其暴露在自由气流中，经过一段时间后根据圆柱体的结冰量计算出测量段内的结冰云层平均液态水含量（LiquidWaterContent，LWC）和水滴体积中值直径（MediumVolumeDiameter，M VD）。这一系列探测研究历经10 0 0 次测量，遭遇2 40 次结冰，其中层云16 7 次、积云7 3次，最高海拔至2 0 0 0 0 ft（6 k m），有效过冷云测量距离达30 0 0 nmile(5556km)27。为满足迫切的行业需求，基于这些数据进行统计归纳，最终形成了适航规章附录C结冰条件。附录C是将自然结冰条件转化为设计标准，仅考虑了对飞机防除冰系统设计来说重要的参数及其范围，是目前航空领域最权威的飞机结冰条件标准。1.1结冰条件类别自然界中存在着两大类云，层云与积云。这两类云最大的区别在于水平距离，层云的水平距离远大于垂直厚度；积云的垂直厚度与水平距离相当，这两类云的成因不同，导致其结冰条件相去甚远。附录C中共有6 幅曲线图，将结冰条件分为两类：图1465宁义君等：基于民用航空规章的结冰气象条件探测数据分析方法第4期3被称为连续最大结冰条件，用于表征层云结冰条件；图46 被称为间断最大结冰条件，用于表征积云结冰条件。飞机在空中飞行时，遭遇层云的概连续最大（层云）大气结冰状态液态水含量与平均有效水滴直径的关系0.91.气压高度范围海平面6 7 0 0 m（2 2 0 0 0 f t）0.82.最大垂直范围198 0 m（6 50 0 f t）0.73.水平范围标准距离17.4nmi1e0.60.5数据来源NACATN1855气温度0(+32 F)I-M 类连续最大0.4-10(+14F)0.3-20(-4E)0.230C(-22F)0.1(a)0人152025303540平均有效水滴直径/um连续最大（层云）大气结冰状态环境温度与气压高度的关系数据来源NACATN2569F03226-520-10148-152-204-10-25-16(b)-30-22L04812162024（千英尺）L01234567气压高度/km1.4连续最大（层云）1.34-1.3大气结冰状态1.2液态水含量系数与云层水平距离关系1.11.0数据来源NACATN27380.90.80.70.60.50.40.33100.2(567891020304050100200300云层水平范围/nmile图1附录C图1 3连续最大结冰条件7率较大，飞机防除冰系统也主要基于连续最大结冰条件，因此这里仅给出附录C连续最大结冰条件的曲线图，见图1ac。1.2温度与海拔将层云结冰条件的测量频率用环境温度-海拔高度的关系体现出来，如图2 所示，图中数字表示在相应环境条件下观测到的结冰次数。附录C连续最大结冰条件海拔-温度包线也由此演化而来，如图1b所示，海拔最高至2 2 0 0 0 ft（6.7 k m），温度最低至-2 2 F（一30），代表当海拔超过2 2 0 0 0 ft（6.7km）、温度低于一2 2 F（一30）时，不会出现连续最大结冰条件，基于连续最大结冰条件设计飞机防除冰系统时无需考虑该范围以外的环境温度和海拔高度条件。国外在文献中也通常称附录C结冰条件为“IcingConditionEnvelope”，这是“包线”一词的由来。321NAC721263230103E1732782073098428212小414727915431064L5f181216V一11524221211d./-42平均3-101211212-163-221-28NACA标准大气-34-400481216202428103气压高度/ft图2层云中不同温度和海拔条件下遭遇结冰情况的频率4(1F=-17.22,1ft=0.30 48 m)1.3LWC与MVD附录C连续最大结冰条件MVD-LWC包线，如图1a所示，表征了层云结冰条件中LWC、M V D466象第51卷科技和周围空气温度的相互关系。这3个参数的组合被认为可以满足设计需求，在固定温度条件下，可根据MVD值唯一确认LWC值，但这并不代表在大气环境中结冰云层始终满足此规律，这里的LWC代表了满足某概率条件下的安全设计极限值。1947年Lewis1第1次提出了LWC可能最大值（ProbableMaximum)的概念，并尝试性地给出了设计值，层云结冰条件下MVD为15m时，LWC设计值为0.8 g/m；积云结冰条件下MVD为2 0 m时，LWC设计值为2.0 g/m，这些条件被认为是全美巡航过程中可能遭遇的最严重结冰环境。1949年其被描述为“不代表自然界中存在的最大值，而是全天候飞行中可能遇到的最大值”。LWC设计值在1947 1949年进行了修订和扩充2，并做成图表形式，即得到了附录C中的MVD-LWC包线。直到1952 年2 7，通过对已有结冰云层数据进行统计分析，给出了“可能最大值”的具体定义：在给定水平距离、大气温度、云中水滴尺寸的情况下，99%的LWC的平均值均小于此值，即10 0 次遇冰测量数据中，仅有1次的LWC平均值高于此标准曲线。该定义同时也决定了飞机防除冰系统的安全级别，即能够在99%的结冰条件下提供有效防护。MVD为云层中LWC分布中点的水滴尺寸，其定义为将总水量等分成两部分的临界尺寸，即直径大于MVD的大水滴总体积与直径小于MVD的小水滴总体积相等。连续最大结冰条件MVD范围为1540 m，温度范围为30 0。最高温度0、最小MVD15m对应的LWC最大，LWC最大值为0.8 g/m，如图1a所示。基于连续最大结冰条件设计飞机防除冰系统时无需考虑该范围以外的环境温度、MVD和LWC条件。1.4水平距离在附录C所有结冰条件参数中，水平距离是正确地诠释和使用附录C时的重要参数，也是易被忽略的概念。飞机结冰之所以关注结冰条件的水平距离，首先是需要明确飞机在一定的温度和LWC条件下一般能够持续飞行多长时间，以设计能力足够的防除冰系统保证飞机在结冰条件下安全飞行。因此在论及MVD-LWC关系时，都是基于该结冰条件所持续的某个水平距离条件下的。同时这也与当时使用旋转圆柱的探测手段有关。旋转圆柱由一组直径从1/8 in（0.3c m)到3in（7.6 c m）的46 个不同金属圆柱组成，当飞机穿过合适的过冷云层时将其暴露在自由气流中，通常持续13min或更长时间，根据每个圆柱体的结冰量计算出测量段内的结冰云层平均LWC和MVD。因此旋转圆柱伸出机体外的持续时间决定了飞行距离的长短。1947年Lewis1最先给出了LWC随飞行时间变化的曲线，用来指出结冰条件下LWC可能最大值随飞行时间的增加而减小的现象，但数据量非常有限。1949年Lewis3基于更多数据进行了改进，并表示为LWC随水平距离的变化曲线，最小飞行距离0.5mile(0.4nmile，0.8 k m），最大飞行距离达到10 0 mile（8 6.9n m ile，16 0.9k m）。1951年Lewis将水平距离扩展至350 mile（30 4n m ile，563.3km)。1952 年Lewis和Bergrun28共同发表了LWC随水平距离变化的曲线，如图3所示。图中采用无量纲的LWC,曲线被分为两种，一种代表层云条件，一种代表积云条件。根据图3呈现的规律，云层水平距离越大，这段距离内的平均LWC可能最大值越小，但飞机防除冰系统设计必须给定具体的参考值，即某距离对应的LWC可能最大值能够满足设计要求。这一距离被称为标准距离，即图3中LWC无量纲系数为1.0对应的距离，这一版距离-LWC关系中层云的标准距离为10 mile(8.7nmile，16.1k m），积云的标准距离为3mile(2.6nmile，4.8 k m），这是在探测研究中最典型的飞行距离。但两人建议层云条件下采用2 0 mile(17.4nmile，32.2 k m）作为标准距离，因为他们建议的LWC设计值与2 0 mile(17.4nmile，1.6级别数据参考文献NACATN18551.41.2P.=0.1层云0.010.001或更小标准距离（10 miles)1.0标准距离（3miles)0.8积云级别工瞬时级别工间断级别连续0.6P.=0.10.4设计值设计值设计值0.01一0.0 0 1或更小0.20.11101001000云层水平距离/mile图3在结冰条件中液态水含量（LWC）随飞行距离的变化曲线2 8(图中P。为概率）467宁义君等：基于民用航空规章的结冰气象条件探测数据分析方法第4期32.2km)正好匹配,10 mile(8.7nmile，16.1k m)对于飞机来说层云范围太短，而超过2 0 mile（17.4n m i l e，32.2km)时LWC可能最大值变小，不能满足设计要求，并将水平距离由10 0 mile(86.9nmile，16 0.9k m)扩展至30 0 mile(260.7nmile，48 2.8 k m)。由这些研究最终演化出附录C水平距离一LWC关系曲线，如图1c所示为连续最大结冰条件的水平距离-LWC调整系数关系曲线，最小水平距离5nmile(9.3km），对应LWC调整系数1.34，最大水平距离310 nmile(574km），对应LWC调整系数0.2,其中调整系数为1.0 对应的距离为17.4nmile，（32.2 k m），即连续最大结冰条件标准距离，图1a即为该标准距离下的MVD-LWC包线。但在某些情况下，飞机需要考虑其它更远距离对应的LWC设计值，此时即可从图1c中获取LWC调整系数来乘以从图1a中获取的LWC值。例如MVD为15m，温度为一10，飞行穿越10 0 nmile（18 5k m）连续最大结冰条件的可能最大LWC值，从图1a中查得0.6g/m，再乘以图1c中查得的LWC调整系数0.46,即0.2 8 g/m。1.5使用方法附录C结冰条件应用于飞机防除冰系统设计时，一般遵循以下流程：（1）根据飞机飞行包线选择典型海拔高度条件，在海拔-温度包线范围选择所需大气温度，但不能超出包线范围。(2)在确定温度条件后，通常给定MVD以确定LWC值，例如温度为一10、MVD为2 0 m时，根据图1a可查得LWC为0.415g/m。（3)若需要考虑更长或更短的结冰条件暴露距离，LWC还需要乘以由图1c得到的LWC调整系数。2与附录C对比分析方法不同于附录C形成时期的探测方法（旋转圆柱），从2 0 世纪50 年代后期，云微物理探测已逐渐开始使用电子/光学云粒子探测仪器，这种高分辨率探测仪器能够提供秒量级的数字测量结果。可以看出两种方法测量的云层数据形态明显不同，前者为平均值，后者为瞬态值。因此高分辨率探测数据的单个数据点只代表云层参数的瞬时波动特性，不能代表云层局部或整个区域的结冰条件特征，且直接分析这么大的数据量容易被其繁穴和波动所困扰。通常采取的做法是将大量瞬态数据进行固定时间或距离的平均再与附录C进行对比2 9-30 1，这种数据处理方法虽然与早期使用旋转圆柱测量结果相似，但无法有效排除云间隙等无效数据，即使在使用旋转圆柱测量时仍然尽可能避开云间隙等非结冰条件区域。高分辨率探测仪器在飞行时连续测量，虽然其中包括了大量非结冰条件无效数据，但同时也可依此识别出云间隙，并将非过冷云数据剔除出去。因此，结冰云层探测数据与附录C的符合性分析主要分为两大步，第1步是采取一种高分辨率探测数据平均方法，将其处理为与附录C参数特性相匹配的数据形式；第2 步是将处理后的数据形式与附录C相应结冰条件包线进行对比。但由附录C的MVD-LWC包线关系可知，其是基于标准距离建立的，严格意义上任何基于非标准距离平均的LWC数据都不能与其直接对比（该问题很容易被忽略）。而飞行探测距离很难与标准距离一致，可行的做法是利用附录C距离-LWC关系中LWC调整系数将MVD-LWC包线转化为距离-LWC包线2 7 另外，由于附录C的LWC代表的是“可能最大值”，探测数据越接近包线，代表所探测结冰条件越趋于1%的最严酷条件。但在自然结冰符合性试飞时，遭遇极值条件的概率很小，此时将探测数据与附录C进行对比，是将探测数据与附录C的LWC可能最大值进行定量比较。2.1探测数据平均方法根据附录C定义可知，其LWC是基于不同距离的平均值，为探测数据与之相匹配，也需要基于距离进行平均，这里先阐述几种飞行距离定义。在早期采用旋转圆柱测量技术时期，测量所得到的结冰条件参数都是基于某段飞行距离的平均值，即平均距离（AveragingDistance，A D），其可以是单向飞行路径，也可以是圆形、反复或倾斜路径等，但这种方法不足之处在于无法识别云间隙，任意短暂的云间隙都可能包含在AD内。当飞行保持水平时，此时距离可称为水平距离（H o r i z o n t a l Ex t e n t，H E），H E可以是云、云系统或结冰区域的部分或整个宽度，HE是水平单向的，可避免云层内部区域的重复测量。Jeck8基于HE，并限定更多条件在一定空间范围内连续均衡，例如大气温度变化幅度土1.5,MVD变化幅度土2.5m等，468象第51卷技科将该HE对应的云区间称之为一个“结冰事件（icingevent)”。基于该定义对FAA所收集的2 8 0 0 0 nmile结冰云层探测数据进行处理，共转化为6 7 0 0 例结冰事件，如图4所示。6O-1940年代NACA数据5口-1950 年代NACA数据数据库中美国夏季数据(四.8)/鲁早学然+数据库中美国冬季数据99%-数据库中非美国层云数据数据库中非美国积云数据4层云95%390250%积云199%00.1110100平均距离/n.mile图4FAA结冰云测量电子化数据库结冰事件处理结果8 而本文主要目的在于为民用飞机自然结冰符合性试飞提供一种结冰条件附录C符合性分析方法，自然结冰符合性试飞与结冰云层探测研究目的不同，自然结冰符合性试飞目的在于验证一个飞行架次内飞机带冰飞行品质和结冰防护性能，主要关注该架次内的结冰条件特征；结冰云层探测研究目的在于尽可能获取所经历云层内的结冰条件特征，主要关注数据的详实性和可靠性。目前飞机都已搭载高分辨率探测器，且自然结冰试飞为完成试飞科目有可能重复穿越某个结冰区域，已不太可能重现旋转圆柱测量方法得到的数据。若选择“结冰事件”方法处理，其对一段结冰云层区域的界定非常严格，因此通过该方法对探测数据进行平均后，单个结冰事件的水平距离会偏小，从图4可知，结冰事件最大水平距离有10 0 nmile(185km），与附录C最大水平距离310 nmile(574km)相比相差很大，且自然结冰试飞不太关注局部区间内的结冰条件特征。因此本文根据另外一种飞行距离的定义对探测数据进行平均。飞机在结冰条件下飞行直到离开结冰区域称为一个结冰遭遇（Icing Encounter)27)，其所经历的距离称为暴露距离（Exposure distance，ED）。ED 与AD、H E的大概关系如图5所示，由于HE界定严格，一般其属于ED某个区间，而AD可以大于也可以小于ED。无论采用哪种平均方法，实际上都是将大量瞬HEADED云间隙ED图5不同飞行距离概念示意图（ED 代表暴露距离，AD代表平均距离，HE代表水平距离）态数据转化为数据处理单元，可称之为结冰条件单元，该结冰条件单元包含附录C所有参数属性LWC、M VD、大气温度、海拔高度以及飞行距离等，与附录C参数属性是一致的，从而实现与附录C的直接对比分析。而基于ED对探测数据进行平均的优势在于可以评估结冰云层的连续性、结冰遭遇经历个数、单个结冰遭遇结冰条件特征，最终评估整个飞行架次所经历的结冰条件与附录C的符合性。2.2附录C形式转化如前文所述，附录C的MVD-LWC包线关系是基于标准距离建立的，而探测数据平均处理后的结冰条件单元对应不同的飞行距离，因此需将附录C进行形式上的等价转化2 7。可以在给定MVD的情况下，通过附录C的MVD-LWC包线，例如图1a，得到各温度条件下的LWC，再乘以水平距离-LWC调整系数关系曲线中不同水平距离对应的LWC调整系数，例如图1c,将附录C的MVD-LWC包线转化为水平距离LWC包线，如图6 所示为基于MVD15m和MVD20m的水平距离-LWC包线。由于转化后的水平距离-LWC包线是基于不同固定MVD值的，可根据探测数据具体MVD分布情况选择相应的水平距离LWC包线。由于MVD15m对应的LWC值最大，代表了附录C规定的结冰条件中最严酷的LWC状态，也可优先选择基于MVD15m的水平距离-LWC包线与探测数据进行对比，代表与历史统计的最严酷结冰状态进行比较。3安庆探测数据分析2016年3月9日中国气象局、上海市气象局、中国气象局人工影响天气中心、中国商飞试飞中心在安徽省安庆市使用“新舟6 0”人工影响天气飞机联合开展了自然结冰探测试验，共计两架次飞行试验，469宁义君等：基于民用航空规章的结冰气气象条件探测数据分析方法第4期1.21.215m20um1.01.00.8-00.8-0(o-.3)/MT-10(om.8)/MT-10-20-200.6-30-300.660.40.40.20.200050100150200250300050100150200250300水平距离/nmile水平距离/nmile图6附录C连续最大结冰条件基于MVD15m和MVD20m的水平距离-LWC包线2 7 使用了HotwireLWC、BCP、CIP等高分辨率云粒子探测仪器31。第1架次飞行时，飞机报告在3km高度观测到2 4cm飞机机体结冰现象；第2 架次飞行时机体未出现明显的结冰现象，但能发现有冰晶碰撞机窗，从测量结果看大气中结冰粒子主要呈现冰晶状态。国内鲜有自然结冰气象条件探测研究，本次探测试验为我国提供了非常珍贵的自然结冰气象条件数据。图7 显示了第一架次飞行时机载高分辨率探0.88(e.8)/0.60.)/MT40.20.300(e.8)/MT-d8(e-W.8)/MT-dI00.12200100-0.0600.00201.015100.5500.01040000./50200010008:3809:0709:3610:0410:3311:0211:3112:00时间图7安庆结冰云层机载仪器探测结果（2 0 16 年3月9日安徽省安庆市上空第1架次飞行结冰云层测量数据，测量频率1s）测仪器整个架次的连续测量数据。根据当时的观察，所经历的云为层云结冰条件，因此后续对比分析都是基于附录C连续最大结冰条件。从LWC数值上看，本架次飞行至少穿越了一次明显的结冰区域，同时云间隙区域也较大。为降低探测数据波动，将原始数据每5s平均一次。根据LWC测量仪器精度，LWC0.05g/m,大气温度0m的测量区间，其它数据都为无效数据。按此方法将飞行探测数据处理后，可筛选出17 例结冰遭遇，如图8 所示，最大暴露距离有2 8 nmile（51.9k m）。123456789012B456M0.60.50.4M(c-u.a)/MT0.30.21111110.100510152025距离/nmile图8 安庆结冰云层测量数据结冰遭遇筛选结果（2 0 16 年3月9日安徽省安庆市上空第1架次飞行结冰云层测量数据，将秒级测量数据转化为若干段结冰遭遇）470第51卷象技科将这些结冰遭遇的结冰条件参数在各自的暴露距离ED内进行代数平均，其中MVD-LWC平均值关系如图9所示。从瞬态值来看，LWC最大值超过0.6g/m；从平均值来看，LWC最大值只有0.30 3g/m，两者之间的差异也说明了高分辨率探测数据平均处理的必要性。0.40.350.30.25(c-=.8)/MT0.20.150.10.05010152025MVD/um图9安庆结冰云层测量数据结冰遭遇MVD-LWC平均值分布（2 0 16 年3月9日安徽省安庆市上空第1架次飞行结冰云层测量数据，转化为若干段结冰遭遇后，在距离内取平均值，显示MVD-LWC分布关系）附录C的海拔-温度包线与飞行距离无关，因此可直接与平均处理后的探测数据直接对比，如图10所示，可见第1架次所有结冰遭遇都在附录C连续最大结冰条件所规定的海拔-温度包线范围内。将所有结冰遭遇LWC平均值与转化后的附录C水平距离-LWC包线进行对比，同时将所有结冰遭遇按不同MVD和大气温度范围进行分类，如图11所示。本架次探测云层温度介于一10 0 之间，MVD介于1530 m之间，从对比图可以看出，最大暴露距离ED28nmile（51.9k m）对应的结冰遭遇，温度均值为一5，MVD均值为18.5m，LW C均值为0.30 3g/m。首先与一10 温度条件下水平距离-LWC包线（蓝色实线）相比，距该温度条件下最严酷的LWC极值（包线值）仍相差一定距离；其次与附录C图1中温度一5,MVD18.5m对应的LWC包线值0.57 9g/m相比，只达到极值的52.3%。0-100./-20-3005000100001500020000海拔/ft图10安庆结冰云层测量数据结冰遭遇与附录C海拔-温度包线对比（2 0 16 年3月9日安徽省安庆市上空第1架次飞行结冰云层测量数据，转化为若干段结冰遭遇后，在距离内取平均值，显示海拔-温度分布关系，并与附录C海拔-温度包线进行对比）0MVD15um-10-20-30MVD15T-1000.8MVD1520T-100MVD2030T-100(r=.8)/MT0.60.40.25101520253035404550距离/nmile图11安庆结冰云层测量数据结冰遭遇与附录C基于MVD15m的水平距离-LWC包线对比（2 0 16 年3月9日安徽省安庆市上空第1架次飞行结冰云层测量数据，转化为若干段结冰遭遇后，在距离内取平均值，显示距离-LWC分布关系，并与附录C距离-LWC包线进行对比）因此，从定性分析来看，该结冰遭遇的暴露距离ED大于连续最大结冰条件标准距离17.4nmile（32.2 k m），温度、MVD、LW C条件能够满足一般飞机实现在该段结冰云层内进行“回转”飞行，以保证足够的结冰条件飞行时间或结冰量要求；从定量471第4期宁义君等：基于民用航空规章的结冰气象条件探测数据分析方法分析来看，该结冰遭遇实际LWC平均值达到附录C包线值的52.3%，可以说该结冰遭遇的附录C符合性为52.3%。4结论从结冰遭遇定义出发，建立了高分辨率探测数据平均处理方法，能够将秒量级的海量探测数据转化为若干结冰条件单元。每个结冰条件单元都包含附录C所有参数属性-LWC、M VD、大气温度、海拔高度以及飞行距离等，既符合附录C的参数特性，也充分利用了高分辨率探测数据特性以识别云间隙。通过本文研究，有以下结论：(1)通过对安庆探测数据的处理及与附录C对比分析，验证了本文所论述的分析方法能够清晰呈现所探测结冰云层的结冰条件基本特征及其与附录C的符合性程度。(2)附录C结冰条件是基于国外结冰云层探测数据形成的，并不能代表我国境内结冰条件特征，若要积累我国境内结冰条件充足样本数据，还需要开展更多探测研究。在积累充足样本数据后，如何进行数据分析以及标准化还需进一步深人研究。参考文献1 Lewis W.A Flight Investigation of the Meteorological Condi-tions Conducive to the Formation of Ice on Airplanes R.U SWashington:NACA TN1393,1947.2Lewis W,Jones A R.Recommended Values of MeteorologicalFactors to be Considered in the Design of Aircraft Ice-Preven-tion Equipment RJ.U S W a s h i n g t o n:NA CA T N1855,1949.3Lewis W,Hoecker W H.Observations of Icing ConditionsEncountered in Flight During 1948 RJ.U S Washington:NACATN1904,1949.4Hacker P T,Dorsch R G.A Summary of Meteorological Con-ditions Associated with Aircraft Icing and a Proposed Methodof Selecting Design Criterions for Ice-Protection EquipmentR.USWashington:NACATN2569,1951.5Kline D B.Investigation of Meteorological Conditions Associ-ated with Aircraft Icing in Layer-type Clouds for 1947-48 Win-ter R.USWashington:NACATN1793,1949.6Lewis W.Review of Icing Criteria RJ.U S Washington:FAA,1969.7CFR 14 Part 25,Airworthiness Standard:Transport CategoryAirplanes S.U S Washington:FAA.2014.8Jeck R K.Advances in the Characterization of SupercooledClouds for Aircraft Icing Applications R.U S Washington:DOT/FAA/AR-07/4,2008.9Jeck R K.A New Data Base of Supercooled Cloud Variablesfor Altitudes up to 10,ooo Feet AGL and the Implications forLow Altitude Aircraft Icing R.U S Washington:DOT/FAA/CT-83/21,1983.1o Masters C O.A New Characterization of Supercooled CloudsBelow 10,0o0 Feet AGL R.U S Washington:DOT/FAA/CT-83/22,1983.11 Jeck R K.Snow and Ice Particle Sizes and Mass Concentra-tions at Altitudes up to 9 km(30,000 Ft)R.U S 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