民用航空雷暴天氣觀測與保障淺析

穆漢文

（湖南機場股份有限公司懷化芷江機場分公司 湖南懷化 419100）

民航客機在飛行過程中，其本身及地面設施的安全維護受到許多自然因素的威脅，其中，最重要的因素之一就是雷暴。如果大氣條件不穩定，則容易誘發雷暴，在積雨云云中、云間或云地之間產生放電現象，并可伴隨暴雨、冰雹和風切變等現象的出現。這種惡劣的天氣條件很容易對民航空中飛行安全和地面設施運行安全造成重大影響。如果能夠對引起機場雷暴天氣的要素進行全面詳細的觀測分析，了解并熟悉掌握其對飛行安全的影響，便可為機場未來災害天氣預警和民航安全飛行提供有力保障。

1 雷暴天氣對空中飛行的影響

1.1 積冰

飛機發動機積冰包括汽化器積冰與進氣口積冰，其中，汽化器積冰會導致發動機熄火。如果空氣中存在足夠的水分子，同時汽化器溫度低于冰點，從外界吸入的空氣溫度會降低15℃，此時極易積冰［1］，文丘里管的內壁和轉盤上會積聚越來越多的冰，管口直徑縮小，吸入的空氣量也隨之減少，最終導致發動機熄火。進氣口積冰會阻塞進氣孔，發動機里無法進入空氣，從而導致發動機引擎熄火。屬于飛機操縱面的副翼、升降舵及方向舵在飛機出現積冰后，會改變飛機的重心位置，從而影響飛機的控制效率及杠桿力，對飛機的橫向、縱向靜態與動態的穩定性極為不利。飛機的升力面若積冰，會導致飛機正常飛行升力不足，還會造成飛機失速（機翼失速或者尾翼失速）。機翼表面積冰會導致飛機無法平穩飛行，飛行員若無法觀察到尾翼上的積冰，一旦操作失誤，極有可能會釀成慘劇。若積冰使得飛機的皮托管和靜壓孔發生阻塞，則控速表會失效，影響飛機正常飛行。飛機使用的燃料往往很難凍結，但燃料箱中的燃料某些時候會和水混合，在低溫環境中，水一旦積冰，燃油口會被小冰塊堵塞，導致燃油無法正常運輸，在民航飛行過程中，一旦燃油箱積冰，則發動機必定會熄火，從而嚴重威脅到航班飛行安全。天線上若出現積冰，則往往會導致天線破裂，并對雷達通信造成極大干擾，從而對飛機安全穩定飛行帶來不利影響。

1.2 雷電

積雨云內的正、負電荷達到一定數值時，在積雨云中、云外和云底均會產生雷電現象。飛機在大氣中飛行時極易遭受雷擊，導致燃油箱著火，進而出現航空飛行事故。相關統計數據資料表明，飛機不同部位遭受雷擊的概率有很大差異，其中，雷達天線遭受雷擊的概率最大。此外，雷擊所引發的瞬間磁場還會對儀表盤、磁羅盤、降落系統及導航系統等造成影響，使通信系統紊亂，導致飛機和地面通信網絡失去聯系，遠離既定航線。

1.3 大暴雨

飛機在狂風暴雨中航行時，飛行速度會加快。在航空器轉速穩定的情況下，小雨滴進入渦輪增壓制冷壓縮機后會因為揮發作用吸取發熱量，使發動機燃燒室溫度降低，溫度較低的氣體很容易縮小體積，造成發動機壓縮比擴大，進而增加航空器發動機的推動力，導致飛機加速。但是，如果降水抗壓強度很大，打火不及時，也會造成熄火，尤其是當飛機處在低速降落過程中時。除此之外，大暴雨還會持續導致能見度降低，飛機在強降雨中起降會嚴重干擾駕駛員的正常工作，威脅航班的安全著陸［2］。

2 機場雷暴天氣氣象要素

2.1 降水

根據降水量多少，可將雨分成6種，即小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨。由于暴雨的強度變化相對較快，觀察者可以用特定方法來估計雨的強度，即仔細聆聽雨聲、觀察雨的速度及短時間內的積水情況。要確定雷暴期間的中度和重度降水，必須使用現代氣象探測設備，即多普勒雷達，捕捉垂直向機場或上空移動的降水回波，仔細分析雷達回波高強度區域的分貝強度和降水向機場移動時的模式，并根據實際觀測仔細分析中度和重度降水的情況。氣象觀測員根據長期經驗，可以推斷出機場有代表性的回聲強度，并作為區分中度和重度降水的標準［3］。如果量化常數的值小于標記的雷達回波中的回波強度值，回波強度指數就會大于量化常數的值，則未來一段時間內機場將出現重度降水；反之，則意味著機場將出現中度降水。

2.2 能見度

在發生雷暴期間，雨水和水蒸氣會導致大氣能見度迅速下降，通?？山档?000m 以下，隨后，強烈的雷暴云就像雷暴區上空的大鍋，大大降低了光源強度及與目標和背景有關的亮度值，因此，即使沒有輕霧、薄霧或其他云層，遠處場景也會成為一個盲點，使飛行能見度降低。低能見度會對飛行員的判斷產生影響，增加操作難度及飛機著陸的高、飄、跳等危險情況的發生，從而造成飛機受損。此外，還會使跑道濕度增加、摩擦系數降低，使飛機在著陸階段沖出或偏離跑道。

2.3 低空風切變

低空風切變是指600m 以下空氣層中風向和風速突然改變的現象，它是雷暴天氣期間常見的氣象現象，也是飛機起飛和降落時的主要威脅因素。低空風切變主要有兩種類型：一種是由超級單體風暴引發的低空風切變，其特點是規模小、持續時間短、強度高；另一種由多單體風暴引發的低空風切變，其在地表附近變成強大的冷空氣外流，即向各個方向傳播的陣風鋒。目前，還沒有定性、定量和準確的方法來檢測機場的風切變，但可以通過觀察個別風暴體的基本特征來尋找風切變的跡象［4］。如果觀察到雷云基低靠近地面，高度小于800m，天空大部分是黑暗的，基底有一條快速移動的球形或滾動的云帶，那么，從云基低到地面的區域可以認為是一個低風切變的區域。這種云基結構是強大的向上和向下的氣流共同作用的結果。云基的強大下行氣流在接近地面時變成了強大的冷空氣，這可以被認為是導致云基快速移動的外力，隨著云基的移動，表面的風速穩定上升，溫度急劇下降，壓力值穩定上升。如果風暴變成了颮，可以假設低風切變位于從風暴中心到風暴前沿20km的半徑內。此外，雷暴前沿的特點是風向和風速在短時間內迅速變化。觀察到暴雨前時，機場的氣象觀測員應盡快向空中交通管制和其他有關人員發出警報，并記錄和報告有關情況。

2.4 其他相關氣象要素

在雷暴期間，除了降水、風切變、低能見度和其他影響飛機起飛和降落的觀測和預報外，還必須仔細分析低云量、溫度、風向和風速、氣壓等氣象因素。一般來說，100m以下的碎雨云往往伴隨著短時間內出現的大雨，并迅速消散，這種變化和低云的存在很容易被觀測者所忽視。雷暴導致氣壓上升，溫度下降，溫度和氣壓的增減隨暴風雨的強度變化而變化，應根據雷雨的強度記錄氣壓和溫度的增減并做好報告。雷暴期間的風向變化與雷暴的方向和速度變化有很大關系，因此，應仔細做好觀測，詳細準確地記錄和報告。當冰雹和龍卷風同時發生時，觀測者易忽視對觀察結果的記錄，這可能導致測量結果的丟失［5］。

3 民用航空雷暴天氣的保障措施

3.1 做好基礎設施維護和建設

空中交通管理系統的設備對應系統的不同部分，每個部分有不同的功能，通信設備、導航設備、雷達、監視設備和避雷器等設施設備對飛行都有著重要的作用［6］。地面保障人員必須嚴格按照規定，在雷雨季節到來前及時進行檢查和維修，對于出現的安全問題，必須及時發現并解決，以便在雷暴天氣期間能夠正常運行。工作人員的培訓應側重于空中交通管制員和氣象人員的天氣知識和技能提升，空中交通管制員可以通過模擬雷暴天氣下的航班保障工作來進一步提高他們的應對能力；氣象人員應在雷暴天氣來臨前做好換季知識培訓工作，平時應注意做好雷暴天氣經驗總結和分析，得出當地雷暴天氣規律，不斷提高雷暴天氣觀測和預報能力，能夠向空中交通管制員提供及時、準確和有效的天氣信息。在信息溝通建設方面，氣象部門應與各氣象服務用戶簽訂好服務保障協議，及時、準確地向管制部門和其他相關用戶通報天氣變化情況；管制部門也需要主動加強與氣象部門的溝通，以便在雷暴天氣時及時獲得有效信息，做好航班保障工作。因此，做好硬件和“軟件”建設顯得尤為重要，這將進一步提高地面保障能力，減少雷暴等惡劣天氣對航班保障的負面影響。

3.2 加強機場雷暴天氣監測預報預警

積雨云的單體通常在500hPa 處沿著上升氣流的方向移動，而積雨云的云砧在大氣阻力的影響下進一步加長，因此，可以結合積雨云加長的方向來確定積雨云未來的運動方向。在雷雨季節，機場氣象臺站應密切監測云層和天空條件的變化，并結合探測儀器，如多普勒雷達回波和閃電定位傳感器，提供有關機場中雷暴方向、持續時間和強度的實時信息，密切監測積雨云的滲透情況。如果積雨云穿過機場，它可以向幾個方向擴散并籠罩機場。如果檢測到閃電向天頂移動，其他閃電可能會在主方向或鄰近方向跟隨，應進行仔細觀察，以避免混淆，并詳細記錄閃電主體的方位；如果閃電和雷暴在多個方位角連續發生，應仔細識別，提前預測系統的運動路徑，并結合探測設備進行連續觀測，并應當及時向管制部門通報天氣情況。在特殊天氣情況下，關注本場雷達的回波發展趨勢，關注本場區域各氣象要素的變化情況，及時發布特殊天氣報告，以確保飛機的正常起降和相關地面設施的安全。

3.3 做好應急演練工作

雷暴天氣對飛行安全影響重大，對空管運行保障也是一種挑戰，機場空管保障部門應特別注重實戰應急演練的開展。演練前，要制訂科學合理的演練計劃，提前做好天氣狀況和趨勢的查詢。演練過程中，應制訂科學、適當和有效的控制計劃和程序，保證演練的安全正常實施，在演練中，提高各崗位之間的協作效能，規范信息溝通程序。演練結束后，應做好評估及總結工作，改進工作方法，完善保障措施。做好應急演練，旨在提高管制員和氣象員在雷暴天氣環境下對業務知識的理解和運用能力，增強人員的個人應對處置能力，以達到提高整體空管運行保障能力、保障飛行安全的目的。

3.4 引入先進的指揮技術與氣象探測設備

采用先進的氣象探測設備，對于提高應對雷暴天氣的早期預警能力至關重要。目前，多普勒雷達是使用最廣泛的具有良好反饋的氣象儀器之一，它可以準確地識別穩定云和積雨云，對于識別強對流條件下的雷暴天氣也很有效。通過對多普勒回波進行分析，可以更好地判斷是局部的熱對流雷暴還是系統引起的雷暴。局部的熱對流雷暴規模較小，對地面的影響范圍僅為9～10km，初步分析表明，它們大多是相對孤立的散射體，而不是位置固定的整體，有清晰的外輪廓，整個亮度平衡良好，反轉率低。使用多普勒雷達，可以通過反射回波對雷暴形成、發展和跟蹤的實際過程進行透徹的分析，這大大提高了氣象觀測的準確性和及時性，避免了傳統人工觀測可能出現的錯誤判斷。為了使雷暴天氣期間的空中交通管理更加科學合理，應該對空中交通管制設施進行更安全、更先進和更優化的部署［7-8］。例如，與相鄰航班同時飛行會導致安全事故，而在雷雨期間，這種情況更容易發生，為了避免這種情況，飛機必須以正確的隊形飛行，管制員必須確保飛機以垂直間隔飛行，并在任何時候都保持穩定的高度間隔，如果相鄰的飛機平行飛行，管制員可以通過將它們分成扇形或組來控制它們，并改變它們的位置關系，以便它們能夠安全飛行。

4 結語

綜上所述，惡劣天氣不但會影響飛機的安全運行，還會嚴重阻礙公共交通事業的健康發展。提高觀測技術手段，做好對機場雷暴的全面觀測和分析，迅速制定有效的保護措施，對機場的安全運行和民航的安全飛行起著關鍵作用。氣象觀測工作人員應努力提升自身業務能力，提高觀測的及時性和準確性，以有效避免傳統人工觀測方法造成的誤差，確保航班的安全飛行和機場設備的安全運行得到有效保障。同時，空管單位要做好基礎設施建設和應急演練工作，提高空管人員的專業技術水平。