近年来，随着我国航空工业的发展，国产大飞机的试飞对气象服务的需求日益强烈。对标波音、空客等主流飞机制造商，我国民用飞机迈向商业运营的最大难题在于适航取证阶段，尤其对于特殊天气科目试飞，由于缺乏气象研究和实践基础，试验效率偏低，往往需要多年多次的试验。
基于中国气象局创新发展专项“飞机自然结冰潜势预报关键技术研究”和上海市气象局局立重大项目“基于华东区域模式的飞机积冰潜势和云微物理参数预报方法研究与试验”，开展基于大气温湿层结特征的飞机结冰诊断和预报技术研究，研发了全国试飞气候资源分析评估产品，成果用于中国商飞民用飞机试飞中心、中国飞行试验研究院等单位，为ARJ21和C919提升试飞取证效率提供有效气象支持，自然结冰、大侧风、高温高湿等特殊天气试飞科目不断刷新国内试飞记录，打破了国产民机依赖国外机构在北美地区开展结冰试验的垄断。
(一)科技成果：面向试飞及航空安全的气象应用技术
(1)基于大气温湿层结特征的飞机结冰诊断和预报技术研发
以往国内的飞机结冰相关研究采样主要来自于人影作业和飞行报告，或缺少完备的观测资料，或个例代表性不够，因此相关研究不能准确地给出飞机结冰发生时的典型环境场特征。且由于数据采样的偏差，对结冰云层的液态水含量和中值体积直径等相关云微物理特征的分析代表性也较差，对于型号结冰试飞的工程应用支持不足，造成了无法在国内完成民用飞机自然结冰试飞取证的困扰。
围绕飞机自然结冰试飞取证的需求，基于多个典型飞机结冰个例和机载观测信息，结合多源观测资料，首次给出国内有利于飞机结冰发生时的大气环境特征和云微物理参数特征。相关飞机结冰个例的云层液态水含量和中值体积直径等参数代表性好，可以与适航标准开展对比，其中多次的采样数据均符合适航标准的要求，为在国内开展符合全球标准的飞机结冰型号试飞提供了有力依据和坚定信心。
以往国内常用的飞机结冰潜势诊断算法较少考虑云和降水微物理特征，因此提供的潜在飞机结冰区域往往偏大，且造成了大范围的空报，在飞机结冰试飞和保障飞行安全中有较大的局限性。研发了一种改进的飞机结冰诊断算法(基于大气温湿层结特征的飞机结冰潜势诊断算法)。该算法直接基于大气温湿层结给出结冰潜势，应用简便，部分参数根据国内试飞情况进行了调整，增加了融化层的识别，给出冻雨下的结冰潜势。利用 70个飞机结冰个例进行了验证评估，发现与国内同类算法相比，该算法能较好地反映多种情况下的空中飞机结冰特征，与实际探测具有更高的符合度，且对于飞机结冰发生的高度和严重程度也具有一定的表征能力。
基于改进的飞机结冰诊断算法和高分辨率数值模式，研发了不同高度层的飞机结冰潜势预报产品、飞机结冰强度和类型、过冷水含量等参数的预报参考产品，并在型号结冰试飞保障中提供协同指挥的气象决策技术支持。相关成果保障某型号大型运输机 和中国商飞 C919 在国内完成结冰科目试飞。其中 C919 于 2022年 1-2 月利用 5 架次在国内完成自然结冰审定试飞，实现了在国内按照国际适航标准完成航空器自然结冰试飞零的突破，试飞效率与 ARJ21 和运 12F 在北美试飞时的效率相当，实现了飞机结冰气象条件的精准预报，气象保障水平与北美试飞气象保障机构提供的服务相当，有力保障了型号研制进度。
图1 基于大气温湿层结特征的飞机结冰潜势诊断算法
(2)全国试飞气候资源分析评估产品
飞机在取得型号合格证前需要在一系列特殊天气下进行试飞动作，这些特殊天气具有极端性，且出现的频次低，因此对气象服务具有极高的要求。利用若干年来全国机场的例行天气报告(METAR)和机场特殊天气报文(SPECI)以及全国站点探空观测资料，对飞机适航审定科目试验中要求的特殊天气气候进行了评估，包括大风、侧风、高温、高温高湿、高寒以及飞机结冰等，主要分析评估了这些特殊气象出现的机场和空域以及出现的时间、伴随的天气现象等，以期为特殊天气条件试飞寻找合适的机场、空域和时间窗口期。研究成果显示，我国的试飞气候资源相对比较丰富，如高寒可以选择在以海拉尔为代表的冬季高纬度机场、高温可以选择夏季的吐鲁番机场、高原或高高原可以选择以青海格尔木和四川稻城亚丁为代表的高海拔机场、大风和侧风可以选择以内蒙古锡林浩特为代表的北方机场、高温高湿试验可以选择以南昌瑶湖为代表的我国南方机场、自然结冰试飞可以选择我国西南及周边地区。其中，采用飞机结冰诊断算法，首次给出了我国中度及以上结冰条件的时空分布特征，其相应结冰条件的出现频率量级与型号试飞保障的期望和实施过程具有较好的契合度，在型号试飞规划中具有重要的参考意义。同时，基于常规试飞活动对天气的敏感阈值，给出了全国机场可飞天的统计评估。
该成果提供了国内首份面向试飞需求的全国试飞气候资源分析评估报告，在中国商飞试飞中心和中国飞行试验研究院的型号试飞保障得到了应用，提升了试飞气象决策服务的科学性，为特殊天气试飞和常规科目试飞选择窗口期和区域提供了依据，促进试飞效率的提高。
图2 我国 1 月份中度及以上结冰出现频率的可能分布(单位：%)
(二)科技成果转化应用情况
成果填补了国内试飞气象保障服务领域的空白，为国产飞机提升试飞取证效率提供了有效的气象支持，实现了国内试飞气象保障技术的自主可控。开发的航空气象产品在中国商飞民用飞机试飞中心、中国飞行试验研究院、华东通航服务中心等处得到应用。在飞机结冰试飞方面，先后保障某型号大型运输机和中国商飞 C919 在国内完成科目试飞，有效缩短了型号研制周期，节省了大量的经费。中国商飞感谢信指出，C919 在国内完成自然结冰审定试飞，实现了在国内按照国际适航标准完成航空器自然结冰试飞零的突破，标志着我国已全面掌握自然结冰试飞这一重大关键核心技术。中国飞行试验研究院的报道指出，C919 在国内完成自然结冰试飞，节省型号研制经费上亿元以上。
