鄭州機場夏季雷暴特征數(shù)據(jù)分析及應對措施

張 雪 李 剛

（1.民航河南空管分局，河南 鄭州 450000；2.國機工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院(河南)有限公司，河南 鄭州 450007）

0 引言

雷暴是自然界的一類放電現(xiàn)象，出現(xiàn)時經(jīng)常伴有多種天氣現(xiàn)象的中小尺度的天氣過程，雷暴天氣不僅產(chǎn)生雷電，還時常會伴有大風和暴雨，有時甚至會出現(xiàn)冰雹和龍卷風等強對流性天氣。因雷暴具有電壓高、電流伏值大、能量釋放時間短、危害性大等特點，經(jīng)常給航空安全飛行構成嚴重威脅［1］。長期以來，對機場雷電天氣特征及航班飛行影響的研究，一直受到民航部門及氣象學者的高度重視。鄭州機場指的是鄭州新鄭國際機場，地處河南省鄭州市新鄭市與中牟縣交界處，屬于4F 級國際民用機場。鄭州機場屬溫帶大陸性季風氣候，雷暴天氣較多，特別是夏季發(fā)生概率大，經(jīng)常給航班飛行造成不利影響?；诖耍狙芯恐饕獙︵嵵輽C場夏季雷暴特征分析及對航班飛行的影響進行分析，并給出了科學有效的應對措施，以期為今后更好的確保航班安全飛行、降低飛行事故提供指導。

1 鄭州機場夏季雷暴特征分析

通過對2004—2020 年鄭州機場氣象觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，鄭州機場近17年累計雷暴日數(shù)為280 d，年平均雷暴日數(shù)為16 d，年最多雷暴日數(shù)為22 d（2008 年），雷暴日數(shù)次多值為21 d，出現(xiàn)在2004年、2005 年；年最少雷暴日數(shù)為10 d（2017 年）。圖1 為2004—2020 年鄭州機場雷暴日數(shù)年際變化趨勢，近17 年鄭州機場雷暴日數(shù)總體上呈波動減少變化趨勢，10年平均減少速率為3.627 d。

圖1 2004—2020年鄭州機場雷暴日數(shù)年際變化趨勢

根據(jù)圖2 可知，鄭州機場雷暴一般出現(xiàn)在3—9月，大多數(shù)集中在夏季（6—8 月），該時間段雷暴日數(shù)占年累計總數(shù)的80.36%，特別是盛夏7—8 月為雷暴出現(xiàn)高峰期，占年總數(shù)的61.79%；10 月、11 月偶有雷暴天氣出現(xiàn)，其他月份（12 月、1 月、2 月）無雷暴天氣。

圖2 2004—2020年鄭州機場月累計雷暴日數(shù)分布圖

通過圖3可知，近17年鄭州機場的雷暴天氣的日變化特征呈“單峰”型，日變化比較顯著，從00 時到12時雷暴頻次不斷增多，到12時達雷暴高峰，雷暴頻次達66 次；而從12 時至23 時雷暴不斷減少。通過鄭州機場雷暴頻次日變化不難發(fā)現(xiàn)，鄭州機場各個時刻均可能會出現(xiàn)雷暴天氣，大部分雷暴出現(xiàn)白天（07時至18時），該時間段累計雷暴頻次達602次，占日總頻次的76.30%。特別是中午至午后出現(xiàn)頻次最多，12時、13時累計雷暴頻次均達到60次以上。

圖3 2004—2020年鄭州機場雷暴頻次日變化

綜上可知，鄭州機場雷暴大部分發(fā)生在夏季，出現(xiàn)此類現(xiàn)象的主要原因是夏季副熱帶高壓使西部暖濕氣流特別旺盛，副熱帶高壓加強西伸時，在熱力的作用下，非常適宜于對流的發(fā)展，容易形成雷暴天氣［2］。而從日變化來看，雷暴天氣出現(xiàn)中午至午后的頻次多，這主要是因為太陽輻射的日變化造成氣溫發(fā)生變化，中午至午后是鄭州機場一天中熱力條件和不穩(wěn)定性條件最佳的時間。

2 雷暴天氣對機場航班飛行安全的影響

雷暴天氣是中小尺度天氣共同作用的結果，其出現(xiàn)往往伴隨雷電、強降雨、風切變、顛簸、積冰等天氣現(xiàn)象，會造成機場航班延誤，甚至會引發(fā)航空安全事故。

2.1 雷電

雷暴所包含的能量多，會在較短時間內(nèi)產(chǎn)生劇烈放電現(xiàn)象。如果航班在雷雨活動區(qū)運行，由于機翼、機身等突出點的電場特別強，引發(fā)雷擊的概率很大。結合研究資料了解到，雷達天線是飛機各個區(qū)域中雷擊概率最高的點，其次是機翼，機身被雷擊的可能性較小。一旦航燈、擋風玻璃加熱器以及翼尖等飛機外部設備的防護罩被雷擊，則進入機艙的雷電流會損壞設備和電源［3］。閃電造成的瞬時電磁場會對通信導航系統(tǒng)以及著陸系統(tǒng)等相關設備造成一定程度的干擾，嚴重情況下會導致系統(tǒng)中斷，從而影響航班的安全飛行。

2.2 強降雨

飛機在雷暴云下方、附近或在雷暴云中飛行也會誤入強降水落區(qū)。在雷暴天氣發(fā)生時，特別容易導致發(fā)動機被大量降水侵入，給飛機發(fā)動機的性能帶來不利影響。同時，強降水期間大氣能見度會非常差。一般來說，雨強越大，對航空飛行能見度的影響就愈大。特別是飛機在著陸時若遭遇強降水，則危險系數(shù)會大幅增加。

2.3 風切變

當雷暴發(fā)生時，積雨云下會產(chǎn)生風切變，給航班飛行造成很大影響。鄭州機場夏季多雷陣雨，且時常出現(xiàn)風切變，風切變中存在湍流以及渦流，風切變越大，湍流越強，對航班起降的安全影響越顯著［4］。在航班運行時，假如遭遇低空風切變，會導致航空器性能降低，航空器若具備機動的能量還可能會轉(zhuǎn)危為安。若航空器飛行高度非常低，機動能量余量不足，則航空器往往無法較好地抵御低空風切變，極易引發(fā)航空安全事故。

2.4 顛簸

雷暴云中急劇降低抑或上升的氣流通常會對飛機運行造成不同程度的影響，尤其是在成熟的雷暴云中，最強上升氣流可達50～60 m/s，強度特別強。外界空氣在其作用下也呈不穩(wěn)定狀態(tài)，會導致航空器遭受劇烈的顛簸，使得飛行高度在幾秒內(nèi)下降或者上升幾十米，甚至上百米，在顛簸環(huán)境中飛行，不但會影響飛行員的操作能力，還會給乘客身體帶來不同程度的傷害。嚴重情況下，飛行儀表可能會受損，從而導致飛機失控［5］。

2.5 積冰

雷暴云體很大，云體內(nèi)某些高度常有過冷水滴。高空云頂被風吹出的云砧范圍比較大，高空溫度又特別低。如果飛機進入這些區(qū)域飛行，可能會在短時間內(nèi)遇到強烈的積冰，導致飛機飛行性能下降，增加操控難度。當機翼和機尾發(fā)生積冰時，飛機的氣動和飛行特性都會受到不同程度的破壞，流線型部分的形狀也會出現(xiàn)一些變化，導致機翼和機翼的翼型變形。升力系數(shù)減小，阻力系數(shù)增大，機翼和機尾積冰會增加飛機的重量，導致飛機重心有所改變，破壞原有的氣動性能。此外，飛機結冰還會影響儀表和通信，阻礙機組操作員的目視飛行。擋風玻璃上的積冰會降低透明度，影響機組操作員的視力，特別是在航班起飛和降落階段，很容易導致飛行事故發(fā)生。

2.6 大風

雷暴來臨之前，經(jīng)常會伴隨大風天氣，一般來說，大風天氣在飛機的起飛和降落期間影響極大。對于雷暴伴隨的大風天氣，不同的飛機型號在起飛與降落時的接受標準也有所差異。對于波音型號，正側(cè)風的最大標準為15 m/s。如果風速超過15 m/s的安全標準，則極易對航班的起降產(chǎn)生不利影響。如果鄭州機場西南陣風的瞬時速度超過安全標準，則不利于航班的正常起飛和降落。如果飛行以側(cè)風橫滾，則風對飛機兩個機翼的影響也將不同。因此會產(chǎn)生傾斜力矩，即產(chǎn)生側(cè)風，則此時著陸的難度系數(shù)會很高。當飛機在強側(cè)風條件下接觸地面時，很容易引起異常問題，例如輪胎破裂和起落架損壞，對飛行安全構成嚴重威脅。

2.7 低能見度

雷暴一般伴隨強降水出現(xiàn)，在夏季強降水結束后，隨著濕度的增加、溫度的驟增，經(jīng)常會導致輻射霧的出現(xiàn)，目前氣象人員對輻射霧的研究已經(jīng)有一定的基礎，但是對極端情況部分霧的研究極少。團霧是人們很熟悉也是經(jīng)常遇見的，這種霧在民航氣象中有一個專有名詞——部分霧（PRFG）：覆蓋機場重要部分的霧，其余部分是晴空，多指影響機場局部區(qū)域的平流霧。霧中能見度小于1 000 m，霧擴散到離地大于等于2 m高度。簡而言之，部分霧即只出現(xiàn)在局部區(qū)域，其余部分可以是能見度大于10 000 m 的天氣。日常交通中，由于霧的濃淡不均，會造成視覺錯誤，駕駛員對距離和車速的判斷都與實際情況相差較大，視距變短，容易發(fā)生相撞事故。尤其是高速公路上車速較高，一旦發(fā)生交通事故，經(jīng)常會引起連鎖反應，最終造成嚴重交通事故。對航空氣象來說，部分霧對飛機的起飛、降落都有極大的影響，根據(jù)出現(xiàn)的位置不同會影響到航班的正常運行，嚴重時可能發(fā)生飛行事故。

3 雷暴天氣下空中交通管制措施

3.1 機場管制部門要加強和相關部門的協(xié)作

雷暴天氣的發(fā)生通常十分迅猛，所以鄭州機場空中交通管制部門應加強與當?shù)貧庀蟛块T的合作，及時向氣象部門獲悉天氣預報情況，以便能在雷暴天氣惡劣天氣發(fā)生之前及時做好雷暴預警以及應急保障工作［6］。此外，鄭州機場管制部門還應強化與附近空管部門的溝通以及合作，相互通報各種飛行信息，及時做好空管的交接，盡可能增強雷暴空中交通管制保障能力。

3.2 建立健全應急響應機制

完善的應急響應機制能夠大幅降低雷暴、大風等突發(fā)惡劣天氣給機場航班運行帶來的危害和損失。為了更好地在雷暴天氣下保障航班安全運行，需要建立健全氣象災害應急響應機制。首先，要有預警系統(tǒng)作為支撐，通過對雷暴惡劣天氣進行詳細分析，制定對應的應急處理方案。空管部門在提前收到雷暴天氣預警信息之后，需要調(diào)配執(zhí)勤備份人員，增強崗位應急能力，利用班前講評會，組織值班管制員提前獲悉天氣發(fā)生和演變趨勢，以便提前應對。若雷暴天氣已經(jīng)出現(xiàn)，值班空管人員在收到機組報告后，需要及時指揮機組繞飛避開雷雨惡劣天氣活動區(qū)，并且積極向機組報告能見度以及跑道視程等具體情況，配合航班安全著陸?？展苋藛T還要在雷暴天氣間歇階段加快機場航班放行速度，不斷提高機場航班運行效率。其次，要保證地空通信設備的正常運行，這就要求空管部門定期安排人員對地空通信設備加強檢查以及日常維護管理，以確保應急通信設備的安全、正常使用，提升應急管理效率。此外，應急響應機制還需要保證隨時有車輛進行救援以及物資運輸，以確保雷暴等惡劣天氣下應急響應處置措施的全面落實，最大程度地保障航班運行安全。

3.3 提升空中交通管制員綜合素質(zhì)

在雷暴惡劣天氣狀況下，不管是機組人員，還是管制員均受到極大考驗，特別是管制員在保障航班安全運行中發(fā)揮著十分重要的作用。面對雷暴天氣，正常機場應加強對空中交通管制員的培訓，提升管制員的綜合素質(zhì)。首先，要針對鄭州雷雨、強降水，低能見度天氣多發(fā)的特點，為管制人員開設雷暴過程保障案例復盤以及交流、大面積航班延誤保障等課程。與此同時，要結合航班運行實際，加強管制人員訓練科目的內(nèi)容設計，定期對管制員進行雷暴天氣條件下模擬控制演練，讓管制員具備更多豐富的實踐經(jīng)驗，極大地提升了鄭州機場雷暴惡劣天氣條件下的運行保障能力。其次，要加強管制人員的反應能力以及判斷能力的培訓。遇到惡劣天氣時，管制員需要在最短的時間內(nèi)對航班飛行狀態(tài)進行分析以及評估，并且及時對航班進行管理且發(fā)布科學合理的指令［7］。最后，要加強管制員的決策能力的培養(yǎng)，提升應急處理能力，以便在發(fā)生雷暴惡劣天氣情況時，管制員可以及時預測飛行器的飛行狀態(tài)，且在遇到突發(fā)狀況時能夠快速靈活地適應實際情況，為航班安全飛行提供服務保障。

3.4 提升對管制及機組的通報服務水平

在遇到惡劣天氣時，及時、準確提供較前端的通報服務，會對飛行帶來不容小覷的影響。發(fā)布報文是氣象目前的常規(guī)做法，但是具有一定的局限性與延時性，必須達到特定標準才能進行操作，而對外通報服務是一個比較靈活又較直觀的方式。及時的通報服務對管制發(fā)布指令能帶來幫助，對機組做出決策能提供依據(jù)，對航班飛行航線的調(diào)整也能提供理論支持。合理溝通并商討出具體的通報細則，對管制、氣象雙崗聯(lián)動，機組、管制雙崗配合都能帶來積極的影響。

4 結語

①鄭州機場近17 年累計雷暴日數(shù)為280 d，年平均雷暴日數(shù)為16 d；鄭州機場雷暴日數(shù)總體上呈波動減少變化趨勢，10 年平均減少速率為3.627 d；鄭州機場雷暴大多數(shù)集中在夏季（6—8 月），該時間段雷暴日數(shù)占年累計總數(shù)的80.36%。出現(xiàn)此類現(xiàn)象的主要原因是在夏季副熱帶高壓的影響下，西部暖濕氣流特別旺盛，副熱帶高壓加強西伸時，在熱力的作用下，非常適宜對流的發(fā)展，容易形成雷暴天氣。

②雷暴出現(xiàn)過程中往往伴隨雷電、強降雨、風切變、顛簸、積冰等天氣現(xiàn)象，會造成機場航班延誤，甚至會引發(fā)航空安全事故。針對雷暴天氣的危害，應積極采取合理的空中交通管制措施，并且要加大管制員的培訓力度，提升管制員的業(yè)務素質(zhì)，以更好地為航班的安全運行提供服務保障。

③近年來對雷暴的觀測研究也越來越重要，目前大部分國際機場已經(jīng)安裝部分雷電探測輔助工具，如閃電定位儀、雷達探測、雷電監(jiān)測等，這為氣象人員研究雷暴提供了一定的技術支持，也為后續(xù)對雷電的統(tǒng)計有較大幫助。