基于多源遥感观测资料及云尺度模式的飞机积冰发生机理与预测

According to aircraft icing prediction research, aircraft icing is highly relayed on the concenstration of super-cooled water droplets and the efficiency of ice crystal aggregation. It is a frontier topic that used cloud-scale process to research aircraft icing in international aviation weather’s research, nevertheless, this frontier topic is still in an initial stage. Firstly, this study manage to combine cloud-scale process with aircraft icing prediction, and integrate mesoscale weather forecast model with cloud-scale model, and marry together the multiform remote sensing data of TRMM satellite, Doppler radar and airborne particle measuring system, try to fine the observational and numerical evidence, and diagnose the embedded convection, the process and disappearing of super-cooled water droplets, the coagulation and coalescence of mixed cloud particle that cloud-scale process affect on aircraft icing. Secondly, the study also manage to find the mechanism that how can cloud-scale process predict aircraft icing, and calculate the criterion for cloud parameterization that can used to predict aircraft icing. Thirdly, we will use neural networks model to establish the procedure that use cloud-scale process to forecast the intensity, type and shape of aircraft icing based on synoptic meteorology method, try to find some new results in this frontier topic, and enhance the scientific knowledge of aircraft icing prediction.

飞机积冰的预测研究表明：飞机积冰与决定过冷水含量与冰晶增长效率的云尺度过程密切相关。云尺度过程预测飞机积冰的方法与机制是当前国际上航空气象学的一个前沿课题，目前这个前沿课题的研究正处于起步阶段。本研究项目拟将此学科前沿问题与飞机积冰预测实践结合起来；将中尺度模式与云分辨模式结合起来；把TRMM卫星、雷达及机载等多源遥感观测资料结合起来，提出云尺度过程影响飞机积冰的观测和数值证据，诊断嵌入对流、过冷水生消、冰水粒子凝结碰并等云尺度过程对积冰的影响，揭示出云尺度过程预测飞机积冰的物理机制，并给出预测积冰的云参数判据，结合神经网络方法初步建立起天气学分析基础上的云尺度预测飞机积冰强度、类型、冰型曲线的流程，争取得到学科前沿的新结果，为飞机积冰预测理论提供新的科学认识。

利用CloudSat卫星资料对飞机积冰报告中的积冰类型、云类、温度和过冷水含量进行统计分析，检验了2B-CWC-RO水凝物含量数据产品对不同云类的过冷水的识别能力，发现其能较好地识别出层积云、高层云和雨层云中的过冷水，但未能识别-20℃以下卷状云和对流云的过冷水。利用MODIS卫星资料诊断了一次航空器积冰的各种云微物理量特征，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。利用长序列的NCEP/DOE AMIP-II再分析资料计算出的积冰指数，分析了我国积冰发生的时空分布及典型积冰区的环流特征和天气尺度类型，发现我国严重积冰发生频率冬季最高夏季最低，冬季主要发生在北疆、长江中上游地区，春、秋过渡季节严重积冰主要出现在青藏高原至西南地区北部。环流形势分析表明，长江中上游地区的积冰主要为两槽一脊型和阻塞型，北疆地区的积冰与中高纬度的EU环流型异常有关。利用DMT粒子测量系统的飞机探测资料对一次积冰过程中的云结构、粒子谱分布等微物理环境进行了研究，获得单次非降水云系的微观结构，谱分布表明，积冰云层上部CAS、CIP和PIP谱宽均比云层下部宽，云层上部的CAS谱型为双峰型，CIP和PIP谱型为多峰型，云层下部的CAS、CIP和PIP谱型分别为负指数型、多峰型和不连续型。水平分布表明，云层下部以小粒子为主，云层上部出现了大云滴和冰雪晶粒子，粒子数浓度和中值直径波动较大。调试了一个高分辨模式的WRF模式，对飞机探测的非降水云系以及一次锋面云系的飞机积冰个例的天气尺度和其中的云尺度过程进行数值模拟，模拟出了两次不同云系积冰的关键微物理过程，找出了不同类型云中对过冷水生消、冰水粒子凝结碰并以及冰粒子溶解升华等水成物转化项对飞机积冰的贡献，以及云尺度过程中过冷水形成的具体细节，凝练出影响飞机积冰的数值证据和关键物理机制。开展机翼结冰过程中的过冷水滴的运动轨迹数值研究，分析了来流攻角和水滴直径对水滴轨迹的影响。