气候变化和人类活动加剧了中国飞机结冰的风险：一项基于首次发布的飞行员报告的为期13年的全国性分析

《Journal of Environmental Sciences》：Climate change and human activities amplify aircraft icing risks in china: a 13-year nationwide analysis using first released pilot reports

飞机结冰时空分异机制及气候变暖影响研究基于2011-2023年中国PIREPs数据，揭示西南高发、东部中等、西北低发的空间梯度由地形、经济活动和气溶胶排放驱动，垂直风险分层（2-8km）源于中低层湿度-温度耦合与高空急流抬升，冬季结冰频率为夏季7.3倍且结冰层随变暖以500m/年上升，区域机制包括北方气溶胶微物理效应、四川盆地地形蓄湿和沿海海洋-急流相互作用。

　　

魏张|吕彤|高思思|张崇宇|张洪泰|胡敏华|杨婷

南京航空航天大学民航学院，中国南京211106

摘要

飞机结冰对航空安全构成了日益严重的环境威胁，然而其与气候变化和人为活动的关联仍缺乏定量研究。本研究利用中国首个公开的13年（2011-2023年）飞行员报告（PIREPs）数据集，并结合多源环境和气象数据，揭示了区域气候动态和人为因素如何影响中国范围内飞机结冰的时空分布和形成机制。主要发现包括：（1）结冰现象在西南地区最为频繁，东部较为中等，西北地区较少，这种差异受到地形、经济活动和气溶胶排放的显著影响；（2）结冰风险存在垂直分层现象，在2-8公里高度达到峰值，这与中低空的水汽-温度耦合以及高空的急流抬升作用有关；（3）冬季结冰事件显著多于夏季（夏季是冬季的7.3倍），且自2018年以来主要结冰层高度呈上升趋势（每年约500米），这与全球变暖导致的冻结层高度上升密切相关；（4）不同地区的结冰机制各具特点：华北地区受锋面系统和气溶胶微物理效应影响，四川盆地则受地形限制的水汽影响，沿海地区则受海洋与急流相互作用的影响。这些结果强调了环境变化在加剧航空灾害中的关键作用，并为开发具有气候适应性的预警系统和缓解策略提供了科学依据。

引言

飞机结冰是指飞机穿越含有过冷水滴的云层时，由于水滴与机身接触而在飞机冷表面上形成冰层的现象（Frohboese和Anders，2007）。这是威胁飞行安全的关键气象灾害之一（Caliskan和Hajiyev，2013；Cao等人，2018）。结冰的物理机制及其时空演变一直是航空气象研究的核心课题（Bolgiani等人，2018；Du等人，2023）。结冰通过改变飞机的空气动力性能（Zhou等人，2018）或引发控制系统故障（Bromfield等人，2023）对飞行安全构成多方面威胁，尤其是在低速和低空爬升及进近阶段风险尤为突出（Cao等人，2018）。尽管现代飞机普遍安装了防冰系统，但全球范围内与结冰相关的事故仍然频繁发生（Guo等人，2021；Boyd和Guinn，2024；Liu等人，2024），这表明这一问题依然严重。

结冰事件受到气象条件和人类活动的多维影响。观测研究表明，结冰可能发生在0-8000米的高度范围内（Sand等人，1984），温度范围为-30至0°C（FAA，2016），其中近一半的事件发生在-12至-8°C之间以及1500-4000米的高度范围内。城市化过程中的城市热岛效应和工业排放可能会增加过冷水含量并诱发结冰（Bolgiani等人，2018），从而改变局部大气层的稳定性（Jacobson和Ten Hoeve，2012；Liu等人，2020）。值得注意的是，全球变暖导致的极端天气事件频率增加正在重塑结冰发生的环境背景（Zhu等人，2017；Cannon，2025），进一步增加了预测的不确定性。在数值模拟中，Thompson等人（2017）指出模型常常低估了过冷水的存在（Fernández-González等人，2014），而地形特征对结冰有显著影响，但在低分辨率模型中这种影响会被减弱（Bolgiani等人，2018）。目前的研究主要集中在欧洲和北美，然而作为世界第二大民用航空客运市场（中国民航局，2024），中国的结冰研究深度与其航空规模严重不匹配，同时面临更复杂的挑战：（1）地形差异显著，中国的三级地形（青藏高原 > 四川盆地 > 东部平原）通过热动力学过程深刻改变了区域环流和水汽传输，导致结冰形成机制具有独特性；（2）观测系统薄弱，因为结冰数据主要依赖于飞行员报告（PIREPs），缺乏标准化的检测网络，现有研究多为短期案例，不利于机制验证和模型开发；（3）风险分布不平衡，东部机场的货物吞吐量是西部的4.7倍（中国民航局，2024），但西北地区低频事件中94%的结冰强度为中等到严重，这种“低频但高影响”的模式在欧洲和北美较为罕见。

本研究利用2011-2023年间中国飞行员报告（PIREPs）中的第一手结冰数据，并结合多源气象数据，旨在实现三个关键目标：（1）识别多尺度时空差异特征；（2）阐明控制过冷水生成的热力学-动力学耦合机制；（3）量化气候变暖背景下结冰风险高度的垂直迁移响应。这些发现有助于优化航空气象预警系统并修订适航标准，对提升飞行安全具有重要意义。

方法与材料

本研究基于2011-2023年间中国的飞行员报告（PIREPs），对飞机结冰的时空特征进行了多尺度分析。对收集到的原始飞行员报告（PIREPs）进行了严格的数据清洗和标准化处理，包括删除信息不完整的报告（发生时间、飞行高度和精确地理位置）以及消除同一天内重复的事件。

中国飞机结冰事件的空间差异及多尺度驱动因素

2011至2023年间，中国结冰事件的空间分布表现出显著异质性（图1a）。统计数据显示，各省年平均结冰事件数量约为10起，累计平均为130起。其中，四川省记录的结冰事件总数最多（906起，年平均69.7起），占所有案例的22.5%；而河北省报告的结冰事件最少（5起）。区域分布显示...

结论

本研究基于13年（2011-2023年）的飞行员报告数据，首次揭示了中国结冰的分布图及其在气候变暖下的上升趋势。中国飞机结冰事件表现出明显的空间梯度，高发区集中在西南地区（年平均69.7起）和东部沿海地区（占总事件的19%），这一现象由地形动力学和航空活动强度共同驱动。

未引用参考文献

美国联邦航空管理局（FAA），2016；López等人，2024；中国民航局（CAAC），2024

CRediT作者贡献声明

魏张：撰写初稿，概念构思。吕彤：正式分析。高思思：正式分析。张崇宇：数据整理。张洪泰：资金获取，概念构思。胡敏华：调查研究。杨婷：撰写、审稿与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号42275122）的支持。