CN111874234B - 一种基于Ic指数和相对涡度的积冰预测方法和机载设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Ic指数和相对涡度的积冰预测方法和机载设备，积冰预测方法中在Ic指数算法预报积冰的基础上引入温度和相对涡度作为判断标准。机载设备的工作原理是利用机载接收机接收预测数据产品，在Ic指数算法预报积冰的基础上引入温度和相对涡度作为判断标准，数值模拟预测出飞行区域是否发生积冰以及可能发生积冰的程度，并在显示器上显示出来。本发明克服现有Ic积冰指数仅仅考虑温度和相对湿度两个影响因素，对积冰程度预报合理性欠佳的不足，以供飞行员在飞行之前作出更有效的应对策略，对于飞机飞行安全、空域资源的优化具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于飞机积冰预测技术领域，具体来说涉及一种基于Ic指数算法预报飞机积冰以及积冰程度的方法和机载设备。
背景技术
当飞机在含有过冷水滴的云层中飞行时，机身表面的某些部位迅速凝结成冰，改变其形状和表面特性，严重影响飞机的气动特性，导致阻力增加、升力下降，平尾、垂尾的控制降低，严重时可能会导致飞机失去控制，造成飞行事故。据资料调查统计，美国在1983年至2003年期间积冰导致的飞行事故占总事故的13％。在1990至2000年间由积冰原因导致的事故中，有92％是空中积冰导致的事故。
目前，数值预报法是飞机积冰常用的预报方法，现多使用数值预报或数值预报结合飞机积冰经验公式相结合的方法，如Ic积冰指数、RAOB积冰算法、NAWAU积冰算法、SCEM(vv)积冰指数等。
需要指出的是，影响飞机积冰的主要天气要素包括水汽通量散度、垂直速度、相对涡度等，但国内飞机积冰的预报方法大多使用的Ic指数算法仅考虑大气温度和相对湿度阈值，没有考虑其他天气要素，在时间和空间上存在空报，准确率不高，且对积冰程度预报的合理度也并不高，制约了人们对预测飞机积冰准确程度的提高，飞行中规避空报结冰空域时，也会造成空域资源的浪费。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于Ic指数算法预报飞机积冰以及积冰程度的方法，以期提高对飞机积冰预测的准确度，克服现有Ic积冰指数仅仅考虑温度和相对湿度两个影响因素，对积冰程度预报合理性欠佳的不足，以供飞行员在飞行之前作出更有效的应对策略，对于飞机飞行安全、空域资源的优化具有重要的意义。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于Ic指数和相对涡度的积冰预测方法，具体步骤如下：
步骤1、建立Ic积冰指数预测方程，计算Ic积冰指数：
Ic＝[(Rh-50)×2]×[t×(t+14)/(-49)]
其中：Rh为相对湿度，t为大气温度；
步骤2、根据以下判别依据，预测飞机积冰：
若t>0则飞机无积冰，若t≤0且相对涡度vo≤0则飞机无积冰，若t≤0且vo>0且0≤Ic<50则飞机轻度积冰，若t≤0且vo>0且50≤Ic<80则飞机中度积冰，若t≤0且vo>0且Ic≥80则飞机严重积冰。
一种机载积冰预测设备，包括接收机、计算机处理系统以及积冰预测结果显示系统；
所述的接收机，用于接收大气温度、相对湿度以及相对涡度，将其发送给计算机处理系统；
所述的计算机处理系统，根据接收机接收到的大气温度、相对湿度，计算Ic积冰指数；并根据以下判别依据得到飞机积冰的预测结果：若t>0则飞机无积冰，若t≤0且相对涡度vo≤0则飞机无积冰，若t≤0且vo>0且0≤Ic<50则飞机轻度积冰，若t≤0且vo>0且50≤Ic<80则飞机中度积冰，若t≤0且vo>0且Ic≥80则飞机严重积冰；
所述的积冰预测结果显示系统用于显示飞机积冰的预测结果。
进一步，所述的接收机包括接收天线、输入电路、高频放大器、混频器、中频放大器、解调器以及低频放大器；接收天线接收地面设备发出的数值预报产品，输入电路从接收天线所接收到的数值预报产品中提取地面设备发出的大气温度、相对湿度以及相对涡度，高频放大器对输入电路的输出进行放大，混频器将高频放大器的输出转换为中频信号，中频放大器将混频器的输出进行放大，解调器对中频放大器的输出进行解调，低频放大器对解调器的输出进行放大。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明在Ic指数算法预报积冰的基础上引入温度和相对涡度作为判断标准，以期提高对飞机积冰预测的准确度，克服现有Ic积冰指数仅仅考虑温度和相对湿度两个影响因素，对积冰程度预报合理性欠佳的不足，以供飞行员在飞行之前作出更有效的应对策略，对于飞机飞行安全、空域资源的优化具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明所述的基于Ic指数算法预报飞机积冰以及积冰程度流程图；
图2为本发明所述某区域某时刻550百帕积冰预测设备显示信息图。
具体实施方式
现结合附图以及具体实例对本发明所采用的基于Ic指数算法预报飞机积冰以及积冰程度的预报方法和机载设备进行详细说明。
所述建立的Ic积冰指数预测方程如(1)所示，用于计算Ic积冰指数，初步判断飞机积冰情况。
Ic＝[(Rh-50)×2]×[t×(t+14)/(-49)] (1)
其中Rh为相对湿度(％)，t为温度(℃)，均取自数值预报产品。公式中相对湿度部分表示大气中的水汽条件以及水滴大小的变化过程，相对湿度分别为100％和50％时取最大最小值。温度部分表示水滴大小及数量随温度变化的规律，当温度t＝-14℃和0℃时取最小值0，当温度T＝-7℃时，[t×(t+14)/(-49)]部分取最大值1，即水滴大小及数量的变化在t＝-14℃～0℃的范围内变化。国际民航组织推荐Ic积冰指数进行如下划分：0＜Ic≤50，判断有轻度积冰；50＜Ic≤80，判断有中度积冰；Ic＞80，判断有严重积冰，但由于仅仅考虑温度和相对湿度阈值，没有考虑其他大气因素，虚警率较高。过冷水是直接判断是否可能发生积冰的因素，而温度小于0℃是过冷水存在的必要条件，大量文献研究表明积冰温度一般在0～-15℃，因此引入t<0作为判断是否发生积冰的直接条件。
相对涡度是影响积冰形成的重要的天气要素，可以表示气流运动的情况。当大气相对涡度为正值时，表明该区域存在正涡度，空中的正涡度平流有利于引起上升运动，而上升运动携带的水汽有利于飞机积冰的形成，因此引入相对涡度进一步提高积冰预测的准确性。
上述基于Ic指数算法预报飞机积冰以及积冰程度流程图如图1所示，本发明对飞机积冰的判断依据是若t>0则飞机无积冰，若t≤0且相对涡度vo≤0则飞机无积冰，若t≤0且vo>0且0≤Ic<50则飞机轻度积冰，若t≤0且vo>0且50≤Ic<80则飞机中度积冰，若t≤0且vo>0且Ic≥80则飞机严重积冰。
本发明提供一种机载积冰预测设备，包括接收机、计算机处理系统以及积冰预测结果显示系统；所述的接收机，用于接收大气温度、相对湿度以及相对涡度，将其发送给计算机处理系统；所述的计算机处理系统，根据接收机接收到的大气温度、相对湿度，计算Ic积冰指数；并根据以下判别依据得到飞机积冰的预测结果：若t>0则飞机无积冰，若t≤0且相对涡度vo≤0则飞机无积冰，若t≤0且vo>0且0≤Ic<50则飞机轻度积冰，若t≤0且vo>0且50≤Ic<80则飞机中度积冰，若t≤0且vo>0且Ic≥80则飞机严重积冰；所述的积冰预测结果显示系统用于显示飞机积冰的预测结果。
进一步，所述的接收机包括接收天线、输入电路、高频放大器、混频器、中频放大器、解调器以及低频放大器；接收天线接收地面设备发出的数值预报产品，输入电路从接收天线所接收到的数值预报产品中提取地面设备发出的大气温度、相对湿度以及相对涡度，高频放大器对输入电路的输出进行放大，混频器将高频放大器的输出转换为中频信号，中频放大器将混频器的输出进行放大，解调器对中频放大器的输出进行解调，低频放大器对解调器的输出进行放大。由于接收到的信号往往很微弱且混频器中所产生的噪声往往比较大，使解调器不能正常工作，直接影响接收机的接收效率，因此在混频器前一级设置高频放大器，高频放大器对微弱的高频信号具有放大的作用，以此来提高信噪比。中频放大器的作用是将混频器输出的中频信号放大，其增益直接影响借手机的灵敏度。解调器的作用是将信号进行解调，将原来的信号从的中频信号中剥离出来，恢复原来的低频信号。低频放大器用于放大低频信号，以满足终端器件的需要。
所述的积冰预测结果显示系统的输入端用于连接计算机系统，接收积冰预测数据，将预测的积冰程度用不同的符号显示出来。
本发明的机载积冰预测设备是利用机载接收机接收预测数据产品，在Ic指数算法预报积冰的基础上引入温度和相互涡度作为判断标准，数值模拟预测出飞行区域是否发生积冰以及可能发生积冰的程度，并在显示器上显示出来。
下面结合附图和具体实例对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实例：2010年10月26日，某飞机在31.38°N，105.8°E附近出现中重度飞机积冰，飞行纪录显示积冰时间为03：33～03:55(UTC)，飞行高度为4700m。机载积冰预测设备在00：00时550百帕高空的积冰预报如图2所示。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于Ic指数和相对涡度的积冰预测方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、建立Ic积冰指数预测方程，计算Ic积冰指数：
Ic＝[(Rh-50)×2]×[t×(t+14)/(-49)]
其中：Rh为相对湿度，t为大气温度；
步骤2、根据以下判别依据，预测飞机积冰：
若t>0则飞机无积冰，若t≤0且相对涡度vo≤0则飞机无积冰，若t≤0且vo>0且0≤Ic<50则飞机轻度积冰，若t≤0且vo>0且50≤Ic<80则飞机中度积冰，若t≤0且vo>0且Ic≥80则飞机严重积冰。
2.一种机载积冰预测设备，其特征在于，包括接收机、计算机处理系统以及积冰预测结果显示系统；
所述的接收机，用于接收大气温度、相对湿度以及相对涡度，将其发送给计算机处理系统；
所述的计算机处理系统，根据接收机接收到的大气温度、相对湿度，计算Ic积冰指数；并根据以下判别依据得到飞机积冰的预测结果：若t>0则飞机无积冰，若t≤0且相对涡度vo≤0则飞机无积冰，若t≤0且vo>0且0≤Ic<50则飞机轻度积冰，若t≤0且vo>0且50≤Ic<80则飞机中度积冰，若t≤0且vo>0且Ic≥80则飞机严重积冰；其中，Ic积冰指数的计算公式为：Ic＝[(Rh-50)×2]×[t×(t+14)/(-49)]，Rh为相对湿度，t为大气温度；
所述的积冰预测结果显示系统用于显示飞机积冰的预测结果。
3.如权利要求2所述的一种机载积冰预测设备，其特征在于，所述的接收机包括接收天线、输入电路、高频放大器、混频器、中频放大器、解调器以及低频放大器；接收天线接收地面设备发出的数值预报产品，输入电路从接收天线所接收到的数值预报产品中提取地面设备发出的大气温度、相对湿度以及相对涡度，高频放大器对输入电路的输出进行放大，混频器将高频放大器的输出转换为中频信号，中频放大器将混频器的输出进行放大，解调器对中频放大器的输出进行解调，低频放大器对解调器的输出进行放大。
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