民用航空雷暴天气观测与保障浅析

穆汉文

（湖南机场股份有限公司怀化芷江机场分公司 湖南怀化 419100）

民航客机在飞行过程中，其本身及地面设施的安全维护受到许多自然因素的威胁，其中，最重要的因素之一就是雷暴。如果大气条件不稳定，则容易诱发雷暴，在积雨云云中、云间或云地之间产生放电现象，并可伴随暴雨、冰雹和风切变等现象的出现。这种恶劣的天气条件很容易对民航空中飞行安全和地面设施运行安全造成重大影响。如果能够对引起机场雷暴天气的要素进行全面详细的观测分析，了解并熟悉掌握其对飞行安全的影响，便可为机场未来灾害天气预警和民航安全飞行提供有力保障。

1 雷暴天气对空中飞行的影响

1.1 积冰

飞机发动机积冰包括汽化器积冰与进气口积冰，其中，汽化器积冰会导致发动机熄火。如果空气中存在足够的水分子，同时汽化器温度低于冰点，从外界吸入的空气温度会降低15℃，此时极易积冰［1］，文丘里管的内壁和转盘上会积聚越来越多的冰，管口直径缩小，吸入的空气量也随之减少，最终导致发动机熄火。进气口积冰会阻塞进气孔，发动机里无法进入空气，从而导致发动机引擎熄火。属于飞机操纵面的副翼、升降舵及方向舵在飞机出现积冰后，会改变飞机的重心位置，从而影响飞机的控制效率及杠杆力，对飞机的横向、纵向静态与动态的稳定性极为不利。飞机的升力面若积冰，会导致飞机正常飞行升力不足，还会造成飞机失速（机翼失速或者尾翼失速）。机翼表面积冰会导致飞机无法平稳飞行，飞行员若无法观察到尾翼上的积冰，一旦操作失误，极有可能会酿成惨剧。若积冰使得飞机的皮托管和静压孔发生阻塞，则控速表会失效，影响飞机正常飞行。飞机使用的燃料往往很难冻结，但燃料箱中的燃料某些时候会和水混合，在低温环境中，水一旦积冰，燃油口会被小冰块堵塞，导致燃油无法正常运输，在民航飞行过程中，一旦燃油箱积冰，则发动机必定会熄火，从而严重威胁到航班飞行安全。天线上若出现积冰，则往往会导致天线破裂，并对雷达通信造成极大干扰，从而对飞机安全稳定飞行带来不利影响。

1.2 雷电

积雨云内的正、负电荷达到一定数值时，在积雨云中、云外和云底均会产生雷电现象。飞机在大气中飞行时极易遭受雷击，导致燃油箱着火，进而出现航空飞行事故。相关统计数据资料表明，飞机不同部位遭受雷击的概率有很大差异，其中，雷达天线遭受雷击的概率最大。此外，雷击所引发的瞬间磁场还会对仪表盘、磁罗盘、降落系统及导航系统等造成影响，使通信系统紊乱，导致飞机和地面通信网络失去联系，远离既定航线。

1.3 大暴雨

飞机在狂风暴雨中航行时，飞行速度会加快。在航空器转速稳定的情况下，小雨滴进入涡轮增压制冷压缩机后会因为挥发作用吸取发热量，使发动机燃烧室温度降低，温度较低的气体很容易缩小体积，造成发动机压缩比扩大，进而增加航空器发动机的推动力，导致飞机加速。但是，如果降水抗压强度很大，打火不及时，也会造成熄火，尤其是当飞机处在低速降落过程中时。除此之外，大暴雨还会持续导致能见度降低，飞机在强降雨中起降会严重干扰驾驶员的正常工作，威胁航班的安全着陆［2］。

2 机场雷暴天气气象要素

2.1 降水

根据降水量多少，可将雨分成6种，即小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨。由于暴雨的强度变化相对较快，观察者可以用特定方法来估计雨的强度，即仔细聆听雨声、观察雨的速度及短时间内的积水情况。要确定雷暴期间的中度和重度降水，必须使用现代气象探测设备，即多普勒雷达，捕捉垂直向机场或上空移动的降水回波，仔细分析雷达回波高强度区域的分贝强度和降水向机场移动时的模式，并根据实际观测仔细分析中度和重度降水的情况。气象观测员根据长期经验，可以推断出机场有代表性的回声强度，并作为区分中度和重度降水的标准［3］。如果量化常数的值小于标记的雷达回波中的回波强度值，回波强度指数就会大于量化常数的值，则未来一段时间内机场将出现重度降水；反之，则意味着机场将出现中度降水。

2.2 能见度

在发生雷暴期间，雨水和水蒸气会导致大气能见度迅速下降，通常可降到1000m 以下，随后，强烈的雷暴云就像雷暴区上空的大锅，大大降低了光源强度及与目标和背景有关的亮度值，因此，即使没有轻雾、薄雾或其他云层，远处场景也会成为一个盲点，使飞行能见度降低。低能见度会对飞行员的判断产生影响，增加操作难度及飞机着陆的高、飘、跳等危险情况的发生，从而造成飞机受损。此外，还会使跑道湿度增加、摩擦系数降低，使飞机在着陆阶段冲出或偏离跑道。

2.3 低空风切变

低空风切变是指600m 以下空气层中风向和风速突然改变的现象，它是雷暴天气期间常见的气象现象，也是飞机起飞和降落时的主要威胁因素。低空风切变主要有两种类型：一种是由超级单体风暴引发的低空风切变，其特点是规模小、持续时间短、强度高；另一种由多单体风暴引发的低空风切变，其在地表附近变成强大的冷空气外流，即向各个方向传播的阵风锋。目前，还没有定性、定量和准确的方法来检测机场的风切变，但可以通过观察个别风暴体的基本特征来寻找风切变的迹象［4］。如果观察到雷云基低靠近地面，高度小于800m，天空大部分是黑暗的，基底有一条快速移动的球形或滚动的云带，那么，从云基低到地面的区域可以认为是一个低风切变的区域。这种云基结构是强大的向上和向下的气流共同作用的结果。云基的强大下行气流在接近地面时变成了强大的冷空气，这可以被认为是导致云基快速移动的外力，随着云基的移动，表面的风速稳定上升，温度急剧下降，压力值稳定上升。如果风暴变成了飑，可以假设低风切变位于从风暴中心到风暴前沿20km的半径内。此外，雷暴前沿的特点是风向和风速在短时间内迅速变化。观察到暴雨前时，机场的气象观测员应尽快向空中交通管制和其他有关人员发出警报，并记录和报告有关情况。

2.4 其他相关气象要素

在雷暴期间，除了降水、风切变、低能见度和其他影响飞机起飞和降落的观测和预报外，还必须仔细分析低云量、温度、风向和风速、气压等气象因素。一般来说，100m以下的碎雨云往往伴随着短时间内出现的大雨，并迅速消散，这种变化和低云的存在很容易被观测者所忽视。雷暴导致气压上升，温度下降，温度和气压的增减随暴风雨的强度变化而变化，应根据雷雨的强度记录气压和温度的增减并做好报告。雷暴期间的风向变化与雷暴的方向和速度变化有很大关系，因此，应仔细做好观测，详细准确地记录和报告。当冰雹和龙卷风同时发生时，观测者易忽视对观察结果的记录，这可能导致测量结果的丢失［5］。

3 民用航空雷暴天气的保障措施

3.1 做好基础设施维护和建设

空中交通管理系统的设备对应系统的不同部分，每个部分有不同的功能，通信设备、导航设备、雷达、监视设备和避雷器等设施设备对飞行都有着重要的作用［6］。地面保障人员必须严格按照规定，在雷雨季节到来前及时进行检查和维修，对于出现的安全问题，必须及时发现并解决，以便在雷暴天气期间能够正常运行。工作人员的培训应侧重于空中交通管制员和气象人员的天气知识和技能提升，空中交通管制员可以通过模拟雷暴天气下的航班保障工作来进一步提高他们的应对能力；气象人员应在雷暴天气来临前做好换季知识培训工作，平时应注意做好雷暴天气经验总结和分析，得出当地雷暴天气规律，不断提高雷暴天气观测和预报能力，能够向空中交通管制员提供及时、准确和有效的天气信息。在信息沟通建设方面，气象部门应与各气象服务用户签订好服务保障协议，及时、准确地向管制部门和其他相关用户通报天气变化情况；管制部门也需要主动加强与气象部门的沟通，以便在雷暴天气时及时获得有效信息，做好航班保障工作。因此，做好硬件和“软件”建设显得尤为重要，这将进一步提高地面保障能力，减少雷暴等恶劣天气对航班保障的负面影响。

3.2 加强机场雷暴天气监测预报预警

积雨云的单体通常在500hPa 处沿着上升气流的方向移动，而积雨云的云砧在大气阻力的影响下进一步加长，因此，可以结合积雨云加长的方向来确定积雨云未来的运动方向。在雷雨季节，机场气象台站应密切监测云层和天空条件的变化，并结合探测仪器，如多普勒雷达回波和闪电定位传感器，提供有关机场中雷暴方向、持续时间和强度的实时信息，密切监测积雨云的渗透情况。如果积雨云穿过机场，它可以向几个方向扩散并笼罩机场。如果检测到闪电向天顶移动，其他闪电可能会在主方向或邻近方向跟随，应进行仔细观察，以避免混淆，并详细记录闪电主体的方位；如果闪电和雷暴在多个方位角连续发生，应仔细识别，提前预测系统的运动路径，并结合探测设备进行连续观测，并应当及时向管制部门通报天气情况。在特殊天气情况下，关注本场雷达的回波发展趋势，关注本场区域各气象要素的变化情况，及时发布特殊天气报告，以确保飞机的正常起降和相关地面设施的安全。

3.3 做好应急演练工作

雷暴天气对飞行安全影响重大，对空管运行保障也是一种挑战，机场空管保障部门应特别注重实战应急演练的开展。演练前，要制订科学合理的演练计划，提前做好天气状况和趋势的查询。演练过程中，应制订科学、适当和有效的控制计划和程序，保证演练的安全正常实施，在演练中，提高各岗位之间的协作效能，规范信息沟通程序。演练结束后，应做好评估及总结工作，改进工作方法，完善保障措施。做好应急演练，旨在提高管制员和气象员在雷暴天气环境下对业务知识的理解和运用能力，增强人员的个人应对处置能力，以达到提高整体空管运行保障能力、保障飞行安全的目的。

3.4 引入先进的指挥技术与气象探测设备

采用先进的气象探测设备，对于提高应对雷暴天气的早期预警能力至关重要。目前，多普勒雷达是使用最广泛的具有良好反馈的气象仪器之一，它可以准确地识别稳定云和积雨云，对于识别强对流条件下的雷暴天气也很有效。通过对多普勒回波进行分析，可以更好地判断是局部的热对流雷暴还是系统引起的雷暴。局部的热对流雷暴规模较小，对地面的影响范围仅为9～10km，初步分析表明，它们大多是相对孤立的散射体，而不是位置固定的整体，有清晰的外轮廓，整个亮度平衡良好，反转率低。使用多普勒雷达，可以通过反射回波对雷暴形成、发展和跟踪的实际过程进行透彻的分析，这大大提高了气象观测的准确性和及时性，避免了传统人工观测可能出现的错误判断。为了使雷暴天气期间的空中交通管理更加科学合理，应该对空中交通管制设施进行更安全、更先进和更优化的部署［7-8］。例如，与相邻航班同时飞行会导致安全事故，而在雷雨期间，这种情况更容易发生，为了避免这种情况，飞机必须以正确的队形飞行，管制员必须确保飞机以垂直间隔飞行，并在任何时候都保持稳定的高度间隔，如果相邻的飞机平行飞行，管制员可以通过将它们分成扇形或组来控制它们，并改变它们的位置关系，以便它们能够安全飞行。

4 结语

综上所述，恶劣天气不但会影响飞机的安全运行，还会严重阻碍公共交通事业的健康发展。提高观测技术手段，做好对机场雷暴的全面观测和分析，迅速制定有效的保护措施，对机场的安全运行和民航的安全飞行起着关键作用。气象观测工作人员应努力提升自身业务能力，提高观测的及时性和准确性，以有效避免传统人工观测方法造成的误差，确保航班的安全飞行和机场设备的安全运行得到有效保障。同时，空管单位要做好基础设施建设和应急演练工作，提高空管人员的专业技术水平。