不同微物理方案对一次飞机积冰过程云微物理特征的影响分析

静止轨道卫星，其搭载的红外和可见光自旋扫描辐射计每半小
时获取一次地球圆盘图像。
为了更好地评估飞机积冰过程，本文选用了民航部门使用
较为广泛的飞机积冰指数 ＩＣ指数法（赵树梅，１９９４）。该积冰
指数法的表达式如下：
ＩＣ＝[ ( ＲＨ－５０) ×２] ×[ Ｔ×[ Ｔ＋１４] ／ 相 对 湿 度 （单 位；％），Ｔ表 示 温 度 （单
对模拟区域的设定，我们采取的是 Ｌａｍｂｅｒｔ投影的两重嵌 套网格区域，模拟中心为 ３２°Ｎ，１０４°Ｅ，采用三重嵌套，网格格 距由外到内分别为 ２７ｋｍ、９ｋｍ和 ３ｋｍ，模拟过程选取 ２０１０年 １０ 月 ２５日 ０６时（世界时）作为 ＷＲＦ模式启动时间并积分 ３０ｈ。 模式初边界场采用 ＮＣＥＰＦＮＬ的 １°×１°，主要物理过程参数化 方案包括：ＷＤＭ６云微物理参数化方案（ＷＤＭ６；Ｌｉｍ等，２０１０）， ＫＦ积云对流参数化方案，ＲＲＴＭ长波、短波辐射方案和 ＹＳＵ边 界层参数化方案。
环境科学
科技风 ２０２０年 ４月
ＤＯＩ：１０．１９３９２／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７１７３４１．２０２０１０１３６
不同微物理方案
对一次飞机积冰过程云微物理特征的影响分析
张 迪 刘智新 孙钊钰 闫博芸 吴 迪
中国民航大学空中交通管理学院 天津 ３００３００
摘 要：飞机积冰是威胁航空安全的严重危险天气之一，为理解飞机积冰期间大气环境演变特征及其影响，本文利用中尺度 数值模式 ＷＲＦ对 ２０１０年 １０月 ２６日发生在四川地区的一次飞机积冰个例进行模拟，结果表明：（１）结合卫星数据、再分析资料、 积冰指数可以初步判断飞机积冰发生区域和条件；（２）ＷＲＦ模式中 ＷＤＭ６和 Ｔｈｏｍｐｓｏｎ两种云微物理方案对积冰环流背景的模拟 与实况基本一致，较好地再现了积冰发生前的弱对流不稳定特征和水汽通量输送条件；（３）两种云微物理方案对积冰区云物理量 时空演变特征的模拟存在差异，对于 ＷＤＭ６方案，３７ｋｍ高度云微物理量以云冰为主，３ｋｍ高度以下以云水为主；而在 Ｔｈｏｍｐｓｏｎ方 案中 ３７ｋｍ高度内主要以云水为主，合理地刻画了过冷水粒子，更接近实际积冰环境特征。
拟，比较分析两种云微物理参数化方案（ＷＤＭ６和 Ｔｈｏｍｐｓｏｎ方
案）对此次积冰区云系微物理过程的模拟效果，理解云微物理
方案对积冰区云微物理特征的影响及其机制。
２数据方法及模式方案
２．１资料和方法
本文使用的气象资料包括 ＮａｔｉｏｎａｌＣｅｎｔｅｒｓｆｏｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ
Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ（ＮＣＥＰ）ｆｉｎａｌｒｅａｎａｌｙｓｉｓｄａｔａ（ＦＮＬ；Ｋａｌｎａｙｅｔａｌ．，１９９６）
关键词：飞机积冰；云微物理；过冷水滴；数值模拟
１绪论
飞机积冰是指飞机机体表面某些部位聚集冰层的现象，主
要由云中过冷水滴或降水中的过冷雨碰到飞机机体后结冰形
成的，也可由水汽直接在机体表面凝华而成，其主要出现在温
度低于 ０℃，周围多为过冷云覆盖的环境中（袁敏等，２０１８；周悦
等，２０１４）。理解飞机积冰发生的大气环境特征，合理预报飞机
. Al已l成R为i研g究h飞ts机积R冰es过e程r的v主ed要.方法之一（曹丽霞等，２００４；刘
风林等，２０１１）。许多研究基 于 数 值 产 品 提 出 了 一 些 重 要 的 积
冰指数算法，如美国当前飞机积冰预报产品（ＣＩＰ；Ｂｅｒｎｓｔｅｉｎ等，
２００５）。李耀东等（１９９７）通过使用数值预报产品，预报了一些
航空气象要素、给出了航空气象相关的积冰和颠簸物理指数。
然而，利用中尺度数值模式针对飞机积冰期大气云微物理
过程的模拟研究相对较少，模式中云微物理方案的选取不同是
否会导致飞机积冰区云物理特征的模拟出现差异尚不清楚。
基于此，本文利用中尺度模式 ＷｅａｔｈｅｒＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＦｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ
（ＷＲＦ）对 ２０１０年四川地区发生的一次飞机积冰过程进行模
位；℃）。当 ＩＣ指数介于 ０％到 ４０％之间时，则判定为轻度积
冰；当 ＩＣ指数介于 ４０％到 ７０％之间时，则判定为中度积冰；当
ＩＣ指数大于 ７０％之间时，则判定为有严重积冰出现。以往的
研究表明积冰指数可以在一定程度上诊断积冰范围。 ２．２模式方案简介 为了理解飞机积冰期间的云微物理特征，本文选用了目前
主流的 中 尺 度 数 值 模 式 ＷＲＦｍｏｄｅｌｖ３．９．１（Ｓｋａｍａｒｏｃｋ等， ２００８）对 ２０１０年 １０月 ２６日发生在四川广汉地区发生的一次飞 机积冰事件进行模拟。ＷＲＦ模式系统是由美国研究部门及大 学的科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度同化预报 系统，其目的是提高我们对中尺度天气系统的认识和预报水平 （胡向军等，２００８）。
为了理解飞机积冰期间的云内物理量分布特征，模式中选 用了两种云微 物 理 参 数 化 方 案 进 行 对 比 模 拟 分 析，分 别 采 用 ＷＤＭ６和 Ｔｈｏｍｐｓｏｎ（Ｔｈｏｍｐｓｏｎ等，２００８）云微物理参数化方案。 这两种参数化 方 案 考 虑 了 ５种 水 凝 物 （云 水、云 冰、雨、雪 和 霰），ＷＤＭ６方案在 ＷＤＭ５方案的基础上，还包括有霰和与它 关联的一些过程，Ｔｈｏｍｐｓｏｎ方案改良了较早的 Ｒｅｉｓｎｅｒ方案（楼 小凤等，２００４），还作被用来做理想实验和中纬度冬季观测资料 的比较，取得了 较 好 的 模 拟 效 果。一 些 研 究 也 表 明，该 方 案 可 适用于冻雨天气情况下航空安全保障的预报（Ｚｈａｎｇ等，２０１８）。
积冰区 域，对 飞 行 安 全 的 保 障 具 有 重 要 意 义 （Ｔｈｏｍｐｓｏｎ等，
２０１６；李佰平等，２０１８）。
以往对于飞机积冰的研究多集中于飞机探测和卫星观测
（袁敏等，２０１８；赵阳等，２０１８）、再分析资料的诊断分析（王新炜
等，２００２），但飞机观测成本较高，只能收集某一区域特定高度
上的数据，而卫 星 资 料 其 时 空 连 续 性 较 差。近 年 来，数 值 模 式
再分析资料和 卫 星 云 图 资 料。ＦＮＬ全 球 再 分 析 资 料 是 空 间 分
辨率为 １°×１°、时间间隔为 ６ｈ全球资料。该资料包含了地表
２６个标准等压层、地表边界层和对流层顶的要素信息。本文中
卫星云图资料使用的是风云系列卫星 （ＦＹ２Ｅ）提供的资料。
风云二号（ＦＹ２）静止气象卫星是我国自主研制的第一代地球