本發(fā)明涉及飛機(jī)結(jié)冰氣象條件研究，具體涉及一種過冷大水滴潛勢預(yù)報(bào)方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、過冷大水滴(supercooled?large?droplet，sld)泛指直徑超過50μm的過冷液態(tài)水滴。過冷大水滴的動(dòng)力學(xué)特性及結(jié)冰特性是目前飛機(jī)結(jié)冰領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。過冷大水滴結(jié)冰環(huán)境的特點(diǎn)是水滴平均直徑大、分布廣、液態(tài)水含量大、結(jié)冰環(huán)境溫度較高。由于過冷大水滴的直徑較大，在撞擊飛機(jī)表面時(shí)存在顯著的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。例如，過冷大水滴在強(qiáng)氣動(dòng)力作用下會(huì)發(fā)生變形、破碎現(xiàn)象，在撞擊固壁或液膜時(shí)可能發(fā)生鋪展、飛濺等現(xiàn)象。過冷大水滴往往超出了飛機(jī)防除冰保護(hù)的范圍，對飛行安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。過冷大水滴的氣象形成條件預(yù)報(bào)技術(shù)研究對于民機(jī)的研制和安全運(yùn)營保障具有重要意義。

2、目前常規(guī)的過冷大水滴潛勢預(yù)報(bào)方法主要包括cip(current?icing?potential)方法和fip(forecast?icing?potential)方法。cip方法基于衛(wèi)星、雷達(dá)、閃電、飛行員報(bào)告、metar(機(jī)場例行天氣報(bào)告)報(bào)文資料等多源實(shí)況數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)資料計(jì)算出過冷大水滴發(fā)生的潛勢，但由于需要考慮實(shí)況資料預(yù)報(bào)時(shí)效較短。fip方法主要利用數(shù)值預(yù)報(bào)模式資料進(jìn)行過冷大水滴潛勢預(yù)報(bào)，其預(yù)報(bào)時(shí)效較長，但數(shù)值預(yù)報(bào)模式對過冷大水滴潛勢預(yù)報(bào)結(jié)果影響較大。然而，cip方法和fip方法中的預(yù)報(bào)指標(biāo)、因子帶有經(jīng)驗(yàn)性，主要適用于北美地區(qū)，國內(nèi)適用性較低。此外，常規(guī)的潛勢預(yù)報(bào)方法主要考慮了溫度，但對濕度考慮不多，僅在修正系數(shù)中有體現(xiàn)。然而，水汽條件對于大水滴的形成是重要的。因此，常規(guī)預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高。

3、有鑒于此，期望能夠提供一種改進(jìn)的過冷大水滴潛勢預(yù)報(bào)方法和系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、以下給出一個(gè)或多個(gè)方面的簡要概述以提供對這些方面的基本理解。此概述不是所有構(gòu)想到的方面的詳盡綜覽，并且既非旨在標(biāo)識(shí)出所有方面的關(guān)鍵性或決定性要素亦非試圖界定任何或所有方面的范圍。其唯一的目的是以簡化形式給出一個(gè)或多個(gè)方面的一些概念以作為稍后給出的更詳細(xì)描述之序言。

2、本發(fā)明提供了一種過冷大水滴(sld)潛勢預(yù)報(bào)方法，包括：獲取預(yù)報(bào)資料，該預(yù)報(bào)資料包括預(yù)報(bào)范圍以及與該預(yù)報(bào)范圍相關(guān)聯(lián)的地形數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)；基于該預(yù)報(bào)資料運(yùn)行數(shù)值預(yù)報(bào)模式以獲得預(yù)報(bào)結(jié)果，該預(yù)報(bào)結(jié)果包括該預(yù)報(bào)范圍內(nèi)各高度層的溫度、濕度信息、氣壓、垂直速度；基于相對濕度來診斷云層以獲得云層診斷結(jié)果，其中該相對濕度是至少基于該濕度信息來獲得的；基于該云層診斷結(jié)果來確定各云層中sld形成條件的存在性和類型；應(yīng)用各云層中sld形成條件的類型來確定sld潛勢初值；以及利用該垂直速度來對該sld潛勢初值進(jìn)行修訂以獲得sld潛勢預(yù)報(bào)值。

3、在一些實(shí)施例中，sld形成條件的類型包括融化機(jī)制和碰并增長機(jī)制，其中融化機(jī)制滿足：云層中存在溫度大于0℃的層次，并且大于0℃的層次上方和下方存在溫度小于0℃的層次，并且其中碰并增長機(jī)制滿足：云頂溫度大于等于-14℃，并且云層中最低溫度小于0℃。

4、在一些實(shí)施例中，云層診斷結(jié)果表明僅存在單層云，并且基于云層診斷結(jié)果來確定各云層中sld形成條件的存在性和類型進(jìn)一步包括：基于各高度層的溫度來判斷所述單層云中是否存在溫度大于0℃的層次；基于判斷結(jié)果以及單層云的云頂溫度和云層中最低溫度來確定單層云中sld形成條件的存在性和類型。

5、在一些實(shí)施例中，云層診斷結(jié)果表明存在多層云，并且基于云層診斷結(jié)果來確定各云層中sld形成條件的存在性和類型進(jìn)一步包括：基于多層云中相鄰兩層云之間的夾層相對濕度來判斷相鄰兩層云之間是否有影響；如果相鄰兩層云之間沒有影響，則獨(dú)立判斷每一層云中sld形成條件的存在性和類型；如果相鄰兩層云之間有影響，則在下層云中存在sld形成條件時(shí)，基于上層云的云頂溫度來判斷所述sld形成條件的類型是否為碰并增長機(jī)制。

6、在一些實(shí)施例中，應(yīng)用各云層中sld形成條件的類型來確定sld潛勢初值進(jìn)一步包括：在sld形成條件的類型為碰并增長機(jī)制情況下，通過下式獲得sld潛勢初值：

7、sp0＝c·mt·q

8、其中sp0表示sld潛勢初值，c為常系數(shù)，q為比濕，mt表示溫度隸屬度函數(shù)。

9、在一些實(shí)施例中，應(yīng)用各云層中sld形成條件的類型來確定sld潛勢初值進(jìn)一步包括：在sld形成條件的類型為融化機(jī)制情況下，通過下式獲得sld潛勢初值：

10、

11、其中sp0表示sld潛勢初值，t為攝氏溫度。

12、在一些實(shí)施例中，利用垂直速度來對sld潛勢初值進(jìn)行修訂進(jìn)一步包括：在垂直速度為向上垂直速度并且滿足預(yù)設(shè)條件的情況下，按水面飽和水汽壓重新計(jì)算相對濕度；基于重新計(jì)算的相對濕度來進(jìn)行云層診斷以獲得新的云層診斷結(jié)果；利用新的云層診斷結(jié)果來獲得新的sld潛勢初值作為sld潛勢預(yù)報(bào)值。

13、在一些實(shí)施例中，利用垂直速度來對sld潛勢初值進(jìn)行修訂進(jìn)一步包括：在垂直速度為向下垂直速度的情況下，根據(jù)下式來修訂sld潛勢初值：

14、sp＝sp0·(1-b·ω)

15、其中sp是經(jīng)修訂的sld潛勢，sp0是sld潛勢初值，b為常數(shù)，ω是垂直速度并且ω＞0。

16、在一些實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括：以可視化方式按特定的空間和時(shí)間分辨率來輸出sld潛勢預(yù)報(bào)值。

17、本發(fā)明還提供了一種過冷大水滴(sld)潛勢預(yù)報(bào)系統(tǒng)，包括：預(yù)報(bào)資料獲取模塊，其被配置成：獲取預(yù)報(bào)資料，該預(yù)報(bào)資料包括預(yù)報(bào)范圍以及與該預(yù)報(bào)范圍相關(guān)聯(lián)的地形數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)；數(shù)值模式預(yù)報(bào)模塊，其被配置成：基于該預(yù)報(bào)資料運(yùn)行數(shù)值預(yù)報(bào)模式以獲得預(yù)報(bào)結(jié)果，該預(yù)報(bào)結(jié)果包括該預(yù)報(bào)范圍內(nèi)各高度層的溫度、濕度信息、氣壓、垂直速度；云層診斷模塊，其被配置成：基于相對濕度來診斷云層以獲得云層診斷結(jié)果，其中該相對濕度是至少基于該濕度信息來獲得的；sld判斷模塊，其被配置成：基于該云層診斷結(jié)果來確定各云層中sld形成條件的存在性和類型；潛勢初值確定模塊，其被配置成：應(yīng)用各云層中sld形成條件的類型來確定sld潛勢初值；以及潛勢初值修訂模塊，其被配置成：利用該垂直速度來對該sld潛勢初值進(jìn)行修訂以獲得sld潛勢預(yù)報(bào)值。

18、在一些實(shí)施例中，sld形成條件的類型包括融化機(jī)制和碰并增長機(jī)制，其中融化機(jī)制滿足：云層中間存在溫度大于0℃的層次，并且大于0℃的層次上方和下方存在溫度小于0℃的層次，并且其中碰并增長機(jī)制滿足：云頂溫度大于等于-14℃，并且云層中最低溫度小于0℃。

19、在一些實(shí)施例中，云層診斷結(jié)果表明僅存在單層云，并且sld判斷模塊被進(jìn)一步配置成：基于各高度層的溫度來判斷所述單層云中是否存在溫度大于0℃的層次；基于判斷結(jié)果以及單層云的云頂溫度和云層中最低溫度來確定單層云中sld形成條件的存在性和類型。

20、在一些實(shí)施例中，云層診斷結(jié)果表明存在多層云，并且sld判斷模塊被進(jìn)一步配置成：基于多層云中相鄰兩層云之間的夾層相對濕度來判斷相鄰兩層云之間是否有影響；如果相鄰兩層云之間沒有影響，則獨(dú)立判斷每一層云中sld形成條件的存在性和類型；如果相鄰兩層云之間有影響，則在下層云中存在sld形成條件時(shí)，基于上層云的云頂溫度來判斷所述sld形成條件的類型是否為碰并增長機(jī)制。

21、在一些實(shí)施例中，潛勢初值確定模塊被進(jìn)一步配置成：在sld形成條件的類型為碰并增長機(jī)制情況下，通過下式獲得sld潛勢初值：

22、sp0＝c·mt·q

23、其中sp0表示sld潛勢初值，c為常系數(shù)，q為比濕，mt表示溫度隸屬度函數(shù)。

24、在一些實(shí)施例中，潛勢初值確定模塊被進(jìn)一步配置成：在sld形成條件的類型為融化機(jī)制情況下，通過下式獲得sld潛勢初值：

25、

26、其中sp0表示sld潛勢初值，t為攝氏溫度。

27、在一些實(shí)施例中，潛勢初值修訂模塊被進(jìn)一步配置成：在垂直速度為向上垂直速度并且滿足預(yù)設(shè)條件的情況下，按水面飽和水汽壓重新計(jì)算相對濕度；基于重新計(jì)算的相對濕度來進(jìn)行云層診斷以獲得新的云層診斷結(jié)果；利用新的云層診斷結(jié)果來獲得新的sld潛勢初值作為sld潛勢預(yù)報(bào)值。

28、在一些實(shí)施例中，潛勢初值修訂模塊被進(jìn)一步配置成：在垂直速度為向下垂直速度的情況下，根據(jù)下式來修訂sld潛勢初值：

29、sp＝sp0·(1-b·ω)

30、其中sp是經(jīng)修訂的sld潛勢，sp0是sld潛勢初值，b為常數(shù)，ω是垂直速度并且ω＞0。

31、在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括輸出模塊，其被配置成：以可視化方式按特定的空間和時(shí)間分辨率來輸出sld潛勢預(yù)報(bào)值。

32、本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其存儲(chǔ)用于過冷大水滴(sld)潛勢預(yù)報(bào)的計(jì)算機(jī)程序，這些計(jì)算機(jī)程序能被處理器執(zhí)行以執(zhí)行前述sld潛勢預(yù)報(bào)方法。

33、本發(fā)明的技術(shù)方案在過冷大水滴潛勢預(yù)報(bào)中充分考慮了濕度，通過濕度來診斷云層，基于云層診斷結(jié)果來進(jìn)行情景分類并基于不同情景進(jìn)行判斷。同時(shí)，還利用垂直速度對過冷大水滴潛勢進(jìn)行修訂，進(jìn)一步提高了預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。通過可視化方式按特定的時(shí)間和空間分辨率輸出潛勢預(yù)報(bào)，使得潛勢預(yù)報(bào)結(jié)果更加直觀，有利于進(jìn)行后續(xù)分析和判斷。本發(fā)明的過冷大水滴潛勢預(yù)報(bào)方法具有良好的國內(nèi)適用性，能夠?yàn)檫^冷大水滴氣象條件研究及在運(yùn)營中的飛機(jī)規(guī)避過冷大水滴氣象條件提供氣象保障支持。