1. 引言
航空器积冰对飞行安全构成重大威胁，往往导致航空器空气动力性能下降、操纵性和稳定性恶化及飞行数据不准确等情况。西南地区因其复杂地形及独特的气候特征，航空器积冰现象多发、频发。近年来，随着航空运输业的快速发展，西南空域的航班量显著增加，航空器积冰对航班正常运行的影响日益凸显。深入分析西南空域的航空器积冰特征及其影响机理，对于提高机场的运行效率和确保飞行安全具有重要意义。
精细化的航空器积冰监测预报预警一直是航空气象业务保障中的重难点。刘风林等[1]利用物理量场模拟数据，结合3种积冰算法(ic, rap, raob)，分别进行积冰的诊断预报试验，并对3种诊断预报方法进行了准确率检验；卞双双等[2]利用wrf模式对飞机积冰时的形势场进行模拟，通过双线性插值法对模拟的要素进行降尺度处理，比较不同参数化方案时形势场的预报值和实况值之间的相关性，研究不同参数化方案对飞机积冰形势场的模拟能力；孙晶等[3]对飞机积冰气象条件的外场观测、天气系统、监测识别、预报方法、气候分布等方面进展进行讨论，认为具有对云水显式预报能力的中尺度模式为预报飞机积冰提供了更好的工具。同时将多种监测数据、模式数据相融合的实时积冰潜势系统是新的发展方向；冯琬等[4]结合modis卫星资料诊断积冰发生时的各种云微物理量特征，发现云层较厚且云内温度较低，云中有效粒子半径与过冷液态水路径数值较大，据此进一步验证了modis卫星资料在分析飞机积冰区域的实用性和可靠性；王磊等[5]提利用7个架次有积冰报告的飞机探测资料，对积冰云的微物理特征进行了分析，详细描述了云中相态组成、液水含量、中值体积直径和过冷大滴浓度特征，介绍了基于积冰潜势监测技术的飞机积冰监测系统；王洪芳等[6]分析研究了飞机积冰的物理过程和影响因子，试验对比积冰算法。采用mm5中尺度数值模式和预报产品，建立了飞机积冰预报模型，用历史飞机报告检验及业务运行验证，预报效果较好；张利平等[7]对北疆沿天山地区强降水过程造成航空器严重积冰的天气进行了分析。结果表明500 hpa西南急流和400 hpa以上偏西急流配合中低空冷空气的补充，为积冰天气的形成提供了适宜的条件；蔺少龙等[8]通过分析西南地区的航空器空中积冰报告数据，得到西南地区航空器积冰的强度、时间和空间分布特征；黄盛军等[9]利用新型探测设备微波辐射计探测资料探索积冰的监测数据，为未来提取航路积冰预报预警气象数据指标提供研究依据和方向；刘烈霜等[10]利用常规气象资料和amdar飞机气象资料，对2012年1月5日和23日贵阳机场飞机报告的两次强积冰个例过程进行了客观诊断分析，认为静止锋形成导致的逆温层维持时间长，逆温层顶、逆温厚度基本不变且逆温强度有所增强，是结强积冰主要原因。
然而当前航空器积冰研究虽然取得了一定进展，但仍存在一些不足之处，主要包括：结冰环境的复现困难，导致积冰的云中微物理过程不清楚；积冰多发高度层的研究不够，对积冰多发高度层的分布特征研究尚不够充分。特别是对于积冰变化的原因和气候演变特征的研究不足，这限制了积冰预报的深度和广度。本文旨在通过航空器语音报告分析西南空域航空器积冰的精细化特征，进一步认识航空器积冰形成的机制，为积冰预报预警提供参考。
2. 资料
利用2018~2024年(2024年为1~9月数据)航空器语音报告分析西南空域航空器积冰天气统计学特征，利用常规观测资料结合era5资料将影响航空器积冰的天气形势进行分型。
3. 西南空域航空器积冰统计特征分析
3.1. 西南空域航空器积冰年际变化特征分析
如图1所示，2018~2024年西南空域共收到航空器积冰报告716次，年平均为102次。其中2020年航空器积冰报告次数最多，达到216次；2022年航空器积冰报告积冰次数最少，仅为55次。2018年至2020年航空器积冰报告次数呈现波动增长趋势，与民航快速发展趋势一致；2020年至2022年受“新冠”疫情影响，民航航班锐减，航空器积冰报告次数也相应减少；同样随着2023年初乙类管控后，航空器积冰报告次数随着航班增多逐渐增多。
figure 1. annual variation of aircraft icing reports in southwest airspace from 2018 to 2024
图1. 2018~2024年西南空域航空器积冰报告次数年际变化
3.2. 西南空域航空器积冰年变化特征分析
如图2(a)所示，2018~2024年西南空域各年航空器积冰报告次数年变化趋势差异不大。2018年12月出现最多(51次)、11月次之(16次)、3~9月几乎无航空器积冰报告；2019年1月出现最多(38次)，2月次之(14次)；2020年1月出现最多(100次)，12月次之(54次)；2021年1月出现最多(50次)，12月次之(39次)；2022年12月出现最多(27次)，2月次之(11次)；2023年2月出现最多(27次)，1月次之(15次)；2024年2月出现最多(36次)，1月次之(32次)。如图2(b)所示，西南空域航空器积冰报告总次数年变化整体呈“u”型分布，航空器积冰报告总次数在冬季(12月~次年2月)最多，夏季甚少出现。其中，1月出现次数最多，达244次；12月次之，为181次。航空器出现积冰的最主要原因是冬季大气环境温度整体较低，若湿度层较厚，当水汽达到饱和时，便十分有利于出现积冰现象，积冰主要发生在层状云中。夏半年大气环境温度整体较高，航空器不易出现积冰，夏季少有的积冰现象主要是由于航空器穿过对流发展较旺盛的积雨云中。
figure 2. annual changes in the number of aircraft icing reports (a) and total number (b) in southwest airspace from 2018 to 2024
图2. 2018~2024年西南空域航空器积冰报告次数(a)及总次数(b)年变化
3.3. 西南空域航空器积冰日变化特征分析
figure 3. daily variation of aircraft icing frequency (a) and total frequency (b) in southwest airspace from 2018 to 2024
图3. 2018~2024年西南空域航空器积冰次数(a)及总次数(b)日变化
如图3(a)所示，2018~2024年西南空域各年航空器积冰报告次数年变化趋势差异不大。2018年主要出现在09:00~10:00 (北京时间，下同)、13:00、22:00，01:00~06:00几乎无积冰报告；2019年主要出现在09:00~23:00，01:00~08:00无积冰报告；2020年主要出现在09:00~24:00，01:00~08:00几乎无积冰报告；2021年主要出现在09:00~22:00，02:00~07:00无积冰报告；2022年主要出现在15:00~18:00，00:00~09:00无积冰报告；2023年主要出现在09:00~21:00，01:00~06:00无积冰报告；2024年主要出现在09:00~15:00，01:00~07:00无积冰报告。如图3(b)所示，西南空域航空器报告总次数日变化特征显著，09:00~11:00、18:00~19:00出现次数较多，峰值出现在10:00；01:00~08:00甚少出现。夜间大气整层温度相比白天较低，但凌晨至早晨航班相对白天较少，因此01:00~08:00相对白天时段航空器积冰报告更少。
3.4. 西南空域航空器积冰高度特征分析
如图4所示，西南空域航空器积冰高度主要集中在对流层中下层6000 m高度以下，4000 m以下高度发生次数最多。这主要是因为对流层中下层较低环境温度时常配合较湿的大气环境，导致积冰频发。6000 m以上高度发生次数最少，这主要是因为对流层中上层虽然环境温度更低，但水汽含量过少，航空器不易发生积冰。
figure 4. aircraft icing height in southwest airspace from 2018 to 2024
图4. 2018~2024年西南空域航空器积冰高度
3.5. 西南空域航空器积冰强度特征分析
航空器积冰的厚度标准划分通常用于测试和评估飞机在特定环境条件下的性能和安全性。根据gjb150.22a-2009《装备实验室环境试验方法第22部分：积冰/冻雨试验》中提出了积冰厚度的推荐标准。具体如下：
1) 试验等级a：冰层厚度为6 mm，轻度积冰；
2) 试验等级b：冰层厚度为13 mm，中度积冰；
3) 试验等级c：冰层厚度为37 mm，中至严重积冰；
4) 试验等级d：冰层厚度为75 mm，严重积冰。
这些标准可以帮助工程师和研究人员模拟不同程度的积冰条件，以确保飞机设计能够承受实际飞行中可能遇到的极端环境。在实际应用中，飞机制造商和运营商会根据这些标准来指导飞机的设计、维护和运营决策。
如图5所示，西南空域航空器积冰强度以中等强度最多，严重积冰次之，轻度积冰出现最少(这可能跟轻度积冰影响较少，不易被发现有关)。弄清航空器积冰程度，可以给航空器飞行前期准备的除冰方案提供了一定的参考。
figure 5. aircraft icing intensity in southwest airspace from 2018 to 2024
图5. 2018~2024年西南空域航空器积冰强度
4. 西南空域航空器积冰的影响系统分析
figure 6. the impact system of aircraft ice accumulation in southwest airspace from 2018 to 2024
图6. 2018~2024年西南空域航空器积冰的影响系统
如图6所示，按照影响航空器积冰的环流形势，西南空域航空器积冰分为急流型、高空槽型、冷空气型、切变线型、冷空气型与切变线型混合型、其他型。其中冷空气型最多、切变型、高空槽型次之、急流型最少。
以2024年1月17日为例，贵阳机场气象台当日收到7份航空器积冰报告，具体情况见表1。2024年1月17日早晨至夜间航空器空中积冰均可能发生、高度集中在标准气压高度3900米至6000米之间、方位集中在东经106˚至108˚、北纬26˚至27˚，强度为中至严重积冰。
table 1. aircraft icing situation in guizhou airspace on january 17, 2024
表1. 2024年1月17日贵州空域航空器积冰情况
序号 |
北京时间 |
高度 (标准气压高度) |
强度 |
方位 |
1 |
09:31 |
5700 |
严重 |
e108˚ 17'20", n27˚ 02'19" |
2 |
13:15 |
6000 |
中 |
e107˚ 30'10", n26˚ 57'30" |
3 |
13:56 |
6000 |
中 |
e106˚ 52'30", n26˚ 51'20" |
4 |
17:59 |
4600 |
中 |
e107˚ 10'10", n26˚ 30'22" |
5 |
20:29 |
5700 |
中 |
e108˚ 09'26", n26˚ 47'40" |
6 |
21:26 |
4200 |
中 |
e107˚ 37'16", n26˚ 34'13" |
7 |
23:51 |
3900 |
中 |
e107˚ 17'27", n26˚ 57'11" |
(a) 500 hpa
(b) 700 hpa
(c) 850 hpa
(d) 贵阳站探空
figure 7. at 20:00 on january 17, 2024, the circulation patterns at 500 hpa (a), 700 hpa (b), 850 hpa (c) (wind feather: wind, unit: m/s; red line: temperature, unit: ˚c; green shadow: relative humidity, unit: %; gray shadow: terrain) and (d)sounding map of guiyang station
图7. 2024年1月17日20时环流形势(a) 500 hpa、(b) 700 hpa、(c) 850 hpa (风羽：风，单位：m/s；红线：温度，单位：℃；绿色阴影：相对湿度，单位：%；灰色阴影：地形)及(d) 贵阳站探空
如图7(a)所示，2024年1月17日20时，贵州空域500 hpa受南支槽前西南气流控制，温度为−12℃至−16℃；如图7(b)所示，贵州空域700 hpa受西南急流控制，贵州北部、东部及南部相对湿度较大，温度为2℃至4℃；如图7(c)所示，850 hpa贵州北部至西北部受切变线影响，贵州中部、东部及南部受西南急流控制，贵州大部相对湿度较大。整个贵州空域中东部均为一致上升气流，有利于云雨生成。从贵阳站探空图(图7(d))可知，17日20时云底高度约4000 m左右，云顶高度在5000 m左右。从温度垂直廓线可知，云中温度在−8℃至−12℃之间，说明该区间的云为冰相与过冷却水混合组成的云，一旦航空器在4000~5000 m之间穿越云层，很可能会出现积冰现象，且积冰的程度与航空器在云中飞行的时间以及航空器自身的融冰能力有关。
5. 结论
前人对于积冰变化的原因和气候演变特征的研究不足，这限制了积冰预报的深度和广度。本文通过航空器语音报告分析西南空域航空器积冰的时间、高度、强度、影响系统等特征，进一步认识航空器积冰形成的机制，为积冰预报预警提供一定的参考。得到以下结论：
1) 2018~2024年西南空域共出现航空器积冰报告716次，年平均102次，且航空器积冰报告次数与航班量呈明显正相关。西南空域各年航空器积冰报告趋势差异不大，航空器积冰报告总次数年变化整体呈“u”型分布，冬季出现最多，夏季甚少出现。一日中的09:00~11:00、18:00~19:00航空器积冰出现最多，01:00~08:00甚少出现。
2) 西南空域航空器积冰在4000 m以下高度发生次数最多，6000 m以上较少；强度以中等强度最多，严重积冰次之，轻度积冰出现最少。
3) 西南空域航空器积冰冷空气型最多、切变型、高空槽型次之、急流型最少。