2023, Vol. 49 
2. 内蒙古通用航空股份有限公司，呼和浩特 010090；
3. 南京信息工程大学大气科学学院，南京 210044
2. Inner Mongolia General Aviation Co., Ltd., Huhhot 010090;
3. School of Atmospheric Sciences, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044
飞机在低于0℃的云层中飞行时，触碰过冷水滴，飞机外壳和暴露在外的仪器设备表面容易冻结形成积冰。当积冰较快或者达到一定的厚度时，由于飞机机身变得不平滑以及积冰引起的机身重量增加等，会影响飞机的气动外形和发动机性能，如颠簸、结冰速率加剧、飞行水平加速度和发动机功率改变，造成偏航；其机械性能也会明显受到影响，出现拖曳增大、升力减小、负重增加，发动机效率降低(Sand et al，1984)，可能加剧飞行风险，甚至造成严重飞行事故。
研究产生飞机积冰的气象条件对航空安全和民用飞机通过积冰试飞试验有重要作用(陈跃等，1989；Schultz and Politovich, 1992；曹丽霞等，2004；迟竹萍，2007；王磊等，2014；李佰平等，2018; 孙晶等，2019；周星旭等，2023)；此外，通过分析和比较云滴谱特征，有助于认识和了解天气系统的云微物理特征，有效提高人工增雨作业效率。所以研究产生飞机积冰的气象条件对人工影响天气的科研和业务也具有重要意义。
飞机积冰主要表现为两种形态(Riley，1937；Minser，1938)：一种坚硬透明，分布较为均匀，称作明冰；另一种为半透明或不透明颗粒状，称作凇冰或者毛冰。高密度的冰附着力大，密度低于0.6 g·cm-3的积冰很容易通过抖振去除(Tattelman，1982)。飞机积冰主要由直径小于50 μm的过冷云滴造成，有些飞机遇到了非迎风面出现的瞬时快速积冰，它们由直径为40~300 μm的大过冷水滴造成，过冷水滴与冰粒混合，如同灰浆与砖块，能加快积冰速度(Sand et al，1984；Politovich，1989)。
飞机结冰主要与云层过冷水含量有关，过冷水含量越高，越容易积冰。过冷水主要分布在温度为-20~0℃的大气环境中，在更冷的云层中含量很少(汪学林等，1982；Schultz and Politovich, 1992)。观测事实表明，含水量变化很大，20世纪60年代以来，我国使用飞机探测资料计算和测量的过冷水含量在层云中一般可以达到0.1~ 0.2 g·m-3，最大值＞0.4 g·m-3，在层积云中可以达到1.0 g·m-3；测量的云滴浓度为101~102个·cm-3，冰晶浓度的变化范围为10-3~101个·cm-3(叶家东等，1992；杨文霞等，2005；金华等，2006；范烨等，2010；廖捷和任芝花，2011；亓鹏等，2019；白婷等，2020；封秋娟等，2021；杨洁帆等，2021；蔡兆鑫等，2021)。飞机积冰与气温和水汽条件密切相关，能够产生大值积冰累计量的地理位置随季节变化(Hobbs and Rangno, 1985)。
虽然近年来关于飞机结冰的微物理研究广泛开展，但关于飞机结冰与天气系统的关系的研究还不多见。一般来说，飞机巡航过程中的结冰与航线上的天气系统背景密切相关。例如在东北和内蒙古地区常见的高空东北冷涡中飞行的飞机常常会产生结冰现象。为了了解飞机在高空冷涡背景下飞行时产生自然结冰的特征和机制，2021年5月，使用Y-12人工增雨飞机携带的美国粒子测量技术公司(Droplet Measurement Technologies, Inc.，DMT)的粒子测量设备，在高空冷涡天气系统中进行了7个架次飞机积冰探测试验，每次都有不同程度的飞机结冰发生，其中达到中度和重度飞机积冰程度的各2个架次。本文着重对5月31日2个架次重度飞机积冰过程取得的探测数据和环境大气条件进行分析，希望能增进关于天气形势背景和飞机结冰的关系以及飞机产生自然结冰的特征和机制的了解。
1 设备和资料2021年5月31日的2个架次探测过程，飞机携带的设备有DMT生产的粒子测量设备(表 1)、露点仪、飞机综合气象要素测量系统AIMMS-20。仪器设备在使用之前进行了校准和标定。
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表 1 飞机携带的DMT探测设备简表 Table 1 List of DMT equipments carried by the aircraft |
对环境大气条件进行分析使用的资料包括：欧洲中期天气预报中心东北亚地区高分辨率逐3 h预报的温度、相对湿度、位势高度、水平风速和总云量百分数；欧洲中期天气预报中心全球高分辨率逐3 h预报的海平面气压和对流有效位能；FY-2E卫星黑体亮温1 h产品；呼伦贝尔市海拉尔站探空资料等。
2 飞机积冰程度与环境气象条件分析飞机积冰程度有很多种划分方法，根据Jeck(2002)的方法，按照积冰厚度达到0.25 in(6.35 mm)所需要的时间，依次分为微量(≥60 min)、轻度(15~<60 min)、中度(5~<15 min)和重度(≤5 min)。
2021年5月(采用北京时，下同)，飞机在冷涡天气系统中进行探测的位置和积冰情况如图 1和表 2所示。在冷涡底部，出现中度和轻度飞机积冰各1个架次(图 1a，1d)；在冷涡顶部和后部，观测到微量积冰(图 1b，1e)；在冷涡正东方向，出现中度飞机积冰1个架次(图 1c)；在冷涡东南部，出现重度飞机积冰2架次(图 1f，1g)。
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图 1 2021年5月(a)4日11时，(b)7日20时，(c)11日14时，(d)23日20时，(e)24日20时，(f)31日14时和(g)31日20时欧洲中期天气预报中心0.25°×0.25°逐3 h预报的600 hPa位势高度(黑色等值线，单位：gpm)、气温(红色等值线，单位：℃)和300 hPa高度层水平风速(填色) 注：蓝实线表示飞机航线位置。 Fig. 1 ECMWF 0.25°×0.25° per 3 h forecast products at (a) 11:00 BT 4, (b) 20:00 BT 7, (c) 14:00 BT 11, (d) 20:00 BT 23, (e) 20:00 BT 24, (f) 14:00 BT 31, and (g) 20:00 BT 31 May 2021 for geopotential height (black isoline, unit: gpm), temperature (red isoline, unit: ℃) at 600 hPa, and horizontal wind speed (colored) at 300 hPa |
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表 2 2021年5月呼伦贝尔市探测飞机积冰情况与环境场特征 Table 2 Observing aircraft icing accretion and the associated environment features for Hulunbuir in May 2021 |
在对流层中低层，冷涡东南象限有偏南暖湿气流输送热量和水汽，上升运动得到发展，当飞机探测高度层的空气接近饱和且过冷水含量充足时，飞机机身表面积冰速度快，可能出现重度飞机积冰。冷涡中心附近的东南象限，水的相变产生的热量收支变化使气流结构变得复杂，是暴雨、冰雹、强风等强天气高发区，飞机在冷涡天气做结冰试飞试验，需要做更多更细致的天气预报和监测工作，以保证飞行安全。
使用欧洲中心数值预报产品、卫星资料、地面观测和探空资料，对7个架次飞机积冰探测的大气环境进行分析(表 2)，探测环境最大云顶高度为11.3 km；对流不稳定能量CAPE≤236 J·kg-1；冷涡暖区中的云顶亮温TBB＞-56℃。这些物理量定性地表示了飞机探测的环境特征，不代表具体的云单体特征。
850 hPa与500 hPa的温度差常用来衡量大气稳定度，在出现飞机积冰的天气过程中，两个气压层的最大温差为28.0~31.2℃。地面气旋中心的加深速度与高空急流和大气稳定度有重要联系，31日08—20时，模式预报的低压中心海平面气压3 h变压最大值为0.7~2.5 hPa，12 h平均变压低于0.6 hPa，地面低压中心气压持续下降的程度小于爆发性气旋(孙艳辉等，2017)。300 hPa高度层急流轴中心风速为50~80 m·s-1，飞机距离高空强风剪切位置大于45 km。
3 2021年5月31日飞机积冰探测与云滴谱特征分析5月31日飞行2个架次，飞机探测位置在冷涡东南部。31日14时(图 1f)，飞行高度层附近为偏南暖湿气流，航线正上方对应300 hPa高空急流出口区左前方，急流轴核心风速为50~55 m·s-1；20时(图 1g)，高空急流和冷涡强度减弱。飞行探测过程中，飞机在10~20 min内出现间歇重度颠簸，全程多次出现中度颠簸。李子良和黄仪方(2008)、孙艳辉等(2012)研究表明，飞机颠簸与高空急流附近的强风切变及湍流有关。
海拉尔站的探空表明(图 2)，海拉尔站上空为整层的偏南风，31日08时，最大湿层在2~3 km，0℃层高度为2.17 km(779.1 hPa)；20时，600 hPa高度层以上为干层，600 hPa以下为湿层，0℃层高度上升至2.73 km(720.8 hPa)。对流层顶高度为10.7~11.1 km(234.6~219.1 hPa)，在15.1~17.2 km(120~86.7 hPa)存在第二对流层顶。
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图 2 2021年5月31日(a)08时和(b)20时海拉尔站温度-对数压力图 Fig. 2 T-lnp diagram for Hailar Sounding Station at (a) 08:00 BT and (b) 20:00 BT 31 May 2021 |
在2个架次飞行探测过程中，粒子测量设备CAS DPOL测量的云滴平均有效直径(mean effective diameter，MED)与其中值体积直径(median volume diameter，MVD, 是某一粒子尺度范围液态水含量分布的中值)大小相当；在大粒子增多的情况下，PIP(CIP)测量的MED和MVD数值相差超过1 mm，MVD数值更大。本文更多地使用MED分析云滴谱特征和飞机结冰条件，主要有两方面原因，一是中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准①使用MED描述大气结冰条件，二是MED更贴近云滴尺度谱的真实情况。
① 中国民用航空局，2016.中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准[CCAR-25-R4]附录C.http://www.caac.gov.cn/index.html/运输类飞机适航标准.pdf
3.1 2021年5月31日第一次积冰探测飞机在5月31日11:14起飞，11:35—12:05期间共燃烧6根碘化银烟条进行增雨作业，后续飞行航线位于其上风方且远离碘化银播撒区。飞行过程中，飞机机翼和撑杆出现明冰，飞机携带的探测设备表面积冰，播撒器外表面出现瞬时冻结形成的颗粒状积冰，飞机挡风玻璃和外部挂件积冰厚度达到4 cm(图 3)，发动机出气孔(非迎风面)积冰厚度大于1 cm，螺旋桨挂冰。
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图 3 2021年5月31日(a)13:55:11和(b)13:56:08飞机挡风玻璃重度积冰 Fig. 3 Intense ice accumulation on aircraft windshied at (a) 13:55:11 BT and (b) 13:56:08 BT 31 May 2021 |
31日11:24:11—14:02:16，飞机在低于0℃的环境中飞行。如图 4所示，11:27:33—11:53:18和11:54:56—13:56:51期间飞机分别在4.2 km和3.8 km高度平飞，环境气压平均值分别为596 hPa和620 hPa，空气密度平均值为0.779 kg·m-3和0.806 kg·m-3，随飞行高度下降，环境大气压力上升，空气密度增大；飞机结冰温度为-6~-4℃，温度露点差约为3℃，相对湿度为80%~90%，飞机速度为60~70 m·s-1。空气垂直速度在零值附近波动，一般不超过±5 m·s-1(图略)。
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图 4 2021年5月31日11:24:11—14:02:16机载探测设备每秒测量的海拔高度、气压、相对湿度、温度(实线)和温度露点差(虚线)、空气密度和飞机速度 Fig. 4 The onboard equipments-measured 1 second altitude, pressure, relative humidity, temperature (solid line) and the difference between temperature and dewpoint (dashed line), air density and flying speed of aircratf during 11:24:11 BT-14:02:16 BT 31 May 2021 |
如图 5所示，11:24:11—13:19:48，热线仪测量的平均液态水含量(LWC)为0.15 g·m-3；13:29:30 —13:40:38(灰色影区)，LWC明显增长，平均值达到0.25 g·m-3，其中，13:40:32—13:40:35，连续4 s测得的LWC>2.0 g·m-3；13:46:00—14:02:16，测得LWC＜0.0 g·m-3。13:29:30—13:40:38，即LWC高值时，PIP、CIP测量的云滴平均有效直径数值明显偏低，CAS DPOL测量的云滴平均有效直径集中在10~20 μm，CIP测量的云粒子浓度明显偏高。
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图 5 2021年5月31日11:24:11—14:02:16机载探测设备每秒测量的液态水含量(虚线：LWC=0.05 g·m-3等值线)、粒子浓度和云滴平均有效直径 注：灰色阴影区表示LWC高值时段。 Fig. 5 The onboard equipments-measured 1 second LWC (dashed line: LWC=0.05 g·m-3), cloud particle number concentration and the mean effective diameter of cloud drops during 11:24:11-14:02:16 BT 31 May 2021 |
考虑到探测设备测量的粒子尺度范围有重叠，数据比较存在一定的困难。如果将所有测量结果组合在一起，如图 6所示(水平和垂直坐标均使用对数坐标)，可以看到，13:29:30—13:40:38，高值液态水含量(筛选LWC≥0.2 g·m-3的时刻)对应的平均有效直径在15~100 μm的粒子浓度显著偏高，达到100~200个·cm-3(2.0×105个·L-1)；平均有效直径在100~2000 μm的粒子浓度＜1个·cm-3。
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图 6 2021年5月31日11:24:11—13:46:00(灰色)和13:29:30—13:40:38(蓝色，取LWC≥0.2 g·m-3的测量值)PIP、CIP和CAS DPOL测量的云粒子浓度随云滴平均有效直径的变化 Fig. 6 The PIP, CIP and CAS DPOL-measured cloud particle number concentration changing with the mean effective diameter of cloud drops during 11:24:11-13:46:00 BT (grey) and 13:29:30-13:40:38 BT (blue, LWC≥0.2 g·m-3) on 31 May 2021 |
DMT探测计时范围为11:14:06—14:28:39，温度范围为-7.17~16.29℃。对PIP采集的高空冷涡东南象限的粒子图像进行选择举例，温度范围为-5.99~0.60℃，如图 7所示，在温度为0.60℃时，云中为液态雨滴，温度为0.25℃时，雨滴与未完全融化的冰粒共存；线形、柱形和边缘融化的球形冰粒在-6~-1℃都有分布；单片的雪花出现在云内气温为-6~-4℃的环境中。粒子增长方式主要表现为球形冰粒之间碰并粘附，雪片勾连，雪片、球形冰粒碰冻过冷水凇附增长。
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图 7 2021年5月31日11:25:53—14:03:20 PIP采集的二维降水粒子图像 注：图像下方标注了图像采集时刻的温度、飞机高度和图像采集时间。 Fig. 7 Particle images produced by PIP during 11:25:53-14:03:20 BT 31 May 2021 |
如图 7所示，31日13:31:22，PIP图像上表现为大量直径约1 mm凇附的球形冰粒和微小粒子，此时的过冷水含量为0.52 g·m-3，同样的粒子图像持续出现在13:30:51—13:31:45，13:34:37—13:35:00，13:35:17—13:36:26和13:38:59—13:40:35，这样的高值过冷水含量导致飞机携带的播撒器外壳出现颗粒状瞬时积冰(图 8)。CIP图像上分布着高浓度直径约为35 μm的过冷水云滴和冰晶粒子(图 9)，从实测图上看，这一段时间飞机基本上是在过冷水环境中飞行，偶尔会有100 μm以上的过冷大滴，过冷滴一般是直径小于50 μm的小液滴，也不排除是小冰晶的情况，但在飞机结冰情况下可以佐证这里面存在大量的过冷滴。
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图 8 2021年5月31日13:35:37播撒器外表面颗粒状积冰 Fig. 8 Granular ice on the outside surface of the seeding machine carried by the aircraft at 13:35:37 BT 31 May 2021 |
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图 9 2021年5月31日13:31:22:92CIP采集的二维降水粒子图像 Fig. 9 Particle images produced by CIP at 13:31:22:92 BT 31 May 2021 |
大气连续(间歇)最大结冰强度由云层液态水含量、云层水滴平均有效直径和周围温度三个变量决定②，对应每一个确定的云滴平均有效直径和环境气温，存在一个云层液态水含量(LWC)的可能最大值。1964年以来，连续最大(层云)大气结冰条件一直用来设计和检测飞机机身的防除冰功能，间歇最大(积云)大气结冰条件用来设计和检测飞机引擎(Jeck，2002)。按照附录C中LWC随飞行距离变化的比例系数，Jeck(2002)将最大大气结冰条件转换为LWC与水平距离相关，对某一特定平均有效直径和环境气温，距离平均的云层最大可能LWC随有效飞行距离(云层LWC≥0.05 g·m-3)增加而降低。
② 美国联邦航空运输类飞机适航标准，United States Code of Federal Regulations, 2021. Title 14-Aeronautics and Space, Chapter 1-Federal Aviation Administration, Department of Transportation, Subchapter C-Aircraft. Part25-Airworthiness Standards: Transport Category Airplanes, Appendix C, Part Ⅰ-Atmospheric Icing Conditions. http://federal.elaws.us/cfr/title14.chapteri.subchapterc.part25.appc.
31日11:24:11—14:02:16，总的有效飞行距离在310 n mile(574 km)以内。如图 10所示，在有效飞行距离达到145 n mile (268 km)以后，测量的LWC达到环境气温为-10℃(0℃)，云滴平均有效直径为20 μm(25 μm)时对应的液态水含量。12:25:00—13:40:38, 测量的云滴平均有效直径的平均值为13.7 μm，13:29:30—13:40:38，云滴平均有效直径为15~100 μm的粒子浓度明显偏高，因此，虽然航路上的云滴平均有效直径时高时低，但是航路上的确存在着连续最大(层云)大气结冰条件。
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图 10 2021年5月31日11:24:11—14:02:16连续最大(层云)大气结冰条件 注：句点表示该时段热线仪每秒测量的液态水含量；黑线和红线分别代表 0℃和-10℃时对应云滴平均有效直径的距离平均云层最大液态水含量。 Fig. 10 Continuous maximum (stratiform clouds) atmospheric icing conditions during 11:24:11-14:02:16 BT 31 May 2021 |
大气最大结冰条件，对温度、液态水含量和云滴平均有效直径的分布都有要求，一般需要有更高的过冷水含量。当云层过冷水含量相对较低时，飞机在云滴平均有效直径更大的环境中飞行更易于产生积冰。
3.2 2021年5月31日第二次积冰探测5月31日17:16起飞，17:35—18:45期间共燃烧14根碘化银烟条进行增雨作业, 飞机航线主要位于碘化银播撒区。在飞机积冰探测过程中，飞机外部探测设备表面，发动机出气孔、机身侧面和飞机进气孔结冰，积冰呈揪块样，不透明。
3.2.1 DMT探测设备数据分析31日17:25:14—20:01:06，飞机探测的环境气温低于0℃，19:30:00后的云中粒子数明显减少，LWC＜0.05 g·m-3，对这部分数据不进行分析。如图 11所示，17:26:56—17:46:23和17:53:22—19:30:00，飞机在3.5 km高度平飞，平均大气压力642 hPa，空气密度为0.836 g·m-3；17:48:42—17:50:47，飞机平飞高度约为4.16 km。飞机积冰的环境温度为-5~-4℃，温度露点差低于1℃时，相对湿度大于90%(最高达到95%~100%)，飞机速度为57~79 m·s-1。
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图 11 2021年5月31日17:25:14—19:30:00机载探测设备每秒测量的海拔高度、气压、相对湿度、温度(实线)和温度露点差(虚线)、空气密度和飞机速度 Fig. 11 The onboard equipments-measured 1 second altitude, pressure, relative humidity, temperature (solid line) and the difference between temperature and dewpoint (dashed line), air density and flying speed of aircraft during 17:25:14-19:30:00 BT 31 May 2021 |
空气垂直速度在零值附近波动(图 12)，一般不超过±5 m·s-1，数值大小受飞机垂直位移影响显著。在整个探测过程中，垂直速度与飞机在垂直方向的位移是相反的，飞机上升时垂直速度是负值，飞机降低高度时，垂直速度为正值。
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图 12 2021年5月31日17:25:14—17:41:57 AIMMS-20测量的大气垂直速度 注：灰色阴影区表示LWC高值时段。 Fig. 12 Air vertical velocity measured by the AIMMS-20 during 17:25:14-17:41:57 BT 31 May 2021 |
如图 13所示，5月31日17:25:14—17:41:57测量的平均LWC为1.04 g·m-3，环境温度露点差低于0℃(图 11)，水汽压大于饱和水汽压，空气过饱和，各设备都探测到高值的粒子浓度，随机人员反映结冰速度特别快；17:41:58—19:30:00探测的LWC普遍较低，去除负值和零值后的平均LWC为0.08 g·m-3。
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图 13 2021年5月31日17:25:14—19:30:00机载探测设备每秒测量的液态水含量(虚线：LWC=0.05 g·m-3等值线)、粒子浓度和云滴平均有效直径 Fig. 13 The onboard equipments-measured 1 second LWC (dashed line: LWC=0.05 g·m-3), cloud particle number concentration and the mean effective diameter of cloud drops during 17:25:14-19:30:00 BT 31 May 2021 |
17:25:14—19:30:00，把PIP、CIP和CAS DPOL测量的云滴数据组合在一起，如图 14所示，粒子尺度分布显示出对流天气特有的尺度不连续特征。选取17:25:14—17:29:59和18:00:44—18:42:39期间LWC≥0.2 g·m-3的云滴谱特征进行分析表明，高值液态水含量时所显示的云滴平均有效直径集中在10~50 μm。
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图 14 2021年5月31日17:25:14—19:30:00(灰色)和17:25:14—17:29:59, 18:00:44—18:42:39(蓝色，取LWC≥0.2 g·m-3的测量值)PIP、CIP和CAS DPOL测量的云粒子浓度随云滴平均有效直径的变化 Fig. 14 The PIP, CIP and CAS DPOL-measured cloud particle number concentration changing with the mean effective diameter of cloud drops during 17:25:14-19:30:00 BT (grey) and 17:25:14-17:29:59 BT, 18:00:44-18:42:39 BT (blue, LWC≥0.2 g·m-3) on 31 May 2021 |
DMT探测设备计时范围为17:14:05—20:03:33，测得的气温变化范围为-7.59~10.21℃。对PIP采集的粒子图像进行选择举例，温度范围为-7.46~ 4.25℃，如图 15所示，在气温为4.25℃时，云中为液态雨滴；2~3℃时，雨滴和形状不规则的未完全融化冰块共存，能够看到大块的冰水聚合物；-1~2℃时，云中存在大量球形冰粒；针形和柱形冰粒主要分布在-6~-4℃，球形冰粒在温度为-6~2℃的范围内都能看到，单片的雪花出现在气温低于-4℃的云内环境中。下午，云层中的粒子直径明显增大，在低于-4℃的环境条件下，直径为0.5~1.2 mm结构密实边缘融化的球形冰粒，与雪花、针形和柱形冰粒，及其他球形冰粒之间相互碰并粘附增长(图 15，18: 30:53，19:07:38的粒子图像)，云层中的冰晶粒子存在显著的凇附增长过程。17:25:14—17:41:57，LWC高时, 云中主要分布着2.0~2.5 mm的软雹，CIP图像上看到的仍然是高浓度的过冷云滴和微小冰粒(图 16)，几个大粒子是冰晶，同时出现飞机机身结冰，说明飞行环境中存在过冷水，飞机是在混合相态的云层中飞行。
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图 15 2021年5月31日17:22:46—19:07:38 PIP采集的二维降水粒子图像 注：图像下方标注了图像采集时刻的温度、飞机高度和图像采集时间。 Fig. 15 Particle images produced by PIP during 17:22:46-19:07:38 BT 31 May 2021 |
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图 16 2021年5月31日17:29:03:27CIP采集的二维降水粒子图像 Fig. 16 Particle images produced by CIP at 17:29:03:27 BT 31 May 2021 |
随着飞机在云中有效飞行距离(LWC≥0.05 g· m-3)的增加，飞机自然结冰对过冷水含量的要求降低。17:25:14—17:41:57，在过饱和大气环境中的液态水含量可能满足间歇最大(积云)大气结冰条件；17:41:58—19:30:00，探测的LWC普遍较低，去除负值和零值后的平均LWC为0.08 g·m-3。
4 结论2021年5月，呼伦贝尔市在高空冷涡天气系统中进行了7个架次飞机积冰探测，其中重度飞机积冰出现在高空冷涡的东南象限。本文通过对飞机携带的DMT探测设备取得的资料进行分析，得到了飞行环境的高度、温度、湿度、空气密度和气压等物理量，以及飞机速度、云层液态水含量、云粒子图像、云滴浓度和尺度等方面的特征，结合人工拍摄的影像资料，分析了飞机结冰的特征和机制，对大气结冰条件进行了讨论；为了更好地保障飞行安全，本文还使用了欧洲中期天气预报中心数值预报产品、卫星遥感和探空资料等，对飞机结冰探测的环境场特征进行了分析。得到的主要结论有：
(1) 做飞机积冰测试，从飞机起飞到安全降落的全过程，需要防范出现强对流、强风切变和强天气引发低能见度的风险。在高空冷涡东南部进行飞机积冰试验，以下环境场条件可供参考：①不出现深对流，云顶高度不超过11.3 km；②对流不稳定能量CAPE≤236 J·kg-1，500 hPa和850 hPa两个气压层的温差T500-850≥-31.2℃；③低压中心海平面气压3 h变压低于2.5 hPa，12 h平均变压低于0.6 hPa，地面低压中心气压持续下降的程度远小于爆发性气旋；④300 hPa高度急流轴心风速为50~55 m·s-1，飞机距离高空强风剪切的位置大于45 km。
(2) 5月31日2个架次飞机探测的巡航高度为3.5~4.2 km，环境气温为-8~-4℃，飞机速度为57~79 m·s-1。热线仪测量的LWC，在低值时段的平均值为0.08~0.15 g·m-3；在高值时段的平均值达到0.25~1.04 g·m-3，主要来自高浓度的过冷云滴，导致飞机外壳出现瞬时积冰。液态水含量高值时段，云滴平均有效直径为15~100 μm的粒子浓度显著偏高，达到100~200个·cm-3。
(3) 飞机采集到冷涡东南象限航线上的云层粒子图像，有雨滴，软雹，球形、线形和柱形冰粒，及雪花等，云粒子增长方式主要表现为碰并聚合和凇附增长。下午，飞机探测设备测量到的云粒子直径明显增大，在2~3℃的环境大气中，存在未完全融化的冰块和冰水聚合物。
(4) 5月31日，第一架次飞行，通过增加飞行距离能够满足连续(层云)大气结冰条件；第二架次飞行，在过饱和大气环境中飞机结冰速度很快，可能满足间歇(积云)大气结冰条件。
(5) 对飞机积冰程度的评估要求在探测过程中对同一结冰部位每5分种进行一次拍摄取证，在飞机结冰取证方面需要进一步的完善；云层LWC是云物理研究的重要内容，可以同时使用多个设备进行测量。本文对飞机结冰的特征和机制进行了初步的讨论，探测设备测量的云滴平均有效直径反映了粒子尺度的平均效果，云层过冷水含量与云滴直径分布情况的联系有待进行更细致的计算和研究。
致谢：感谢中国科学院大气物理所黄敏松老师指导完成了DMT探测探测设备简表，提供了CIP粒子图像。
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