民用航空雷暴天氣觀測(cè)與保障淺析

穆漢文

（湖南機(jī)場(chǎng)股份有限公司懷化芷江機(jī)場(chǎng)分公司 湖南懷化 419100）

民航客機(jī)在飛行過(guò)程中，其本身及地面設(shè)施的安全維護(hù)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(wěn)定，則容易誘發(fā)雷暴，在積雨云云中、云間或云地之間產(chǎn)生放電現(xiàn)象，并可伴隨暴雨、冰雹和風(fēng)切變等現(xiàn)象的出現(xiàn)。這種惡劣的天氣條件很容易對(duì)民航空中飛行安全和地面設(shè)施運(yùn)行安全造成重大影響。如果能夠?qū)σ饳C(jī)場(chǎng)雷暴天氣的要素進(jìn)行全面詳細(xì)的觀測(cè)分析，了解并熟悉掌握其對(duì)飛行安全的影響，便可為機(jī)場(chǎng)未來(lái)災(zāi)害天氣預(yù)警和民航安全飛行提供有力保障。

1 雷暴天氣對(duì)空中飛行的影響

1.1 積冰

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)積冰包括汽化器積冰與進(jìn)氣口積冰，其中，汽化器積冰會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。如果空氣中存在足夠的水分子，同時(shí)汽化器溫度低于冰點(diǎn)，從外界吸入的空氣溫度會(huì)降低15℃，此時(shí)極易積冰［1］，文丘里管的內(nèi)壁和轉(zhuǎn)盤(pán)上會(huì)積聚越來(lái)越多的冰，管口直徑縮小，吸入的空氣量也隨之減少，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。進(jìn)氣口積冰會(huì)阻塞進(jìn)氣孔，發(fā)動(dòng)機(jī)里無(wú)法進(jìn)入空氣，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)引擎熄火。屬于飛機(jī)操縱面的副翼、升降舵及方向舵在飛機(jī)出現(xiàn)積冰后，會(huì)改變飛機(jī)的重心位置，從而影響飛機(jī)的控制效率及杠桿力，對(duì)飛機(jī)的橫向、縱向靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定性極為不利。飛機(jī)的升力面若積冰，會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)正常飛行升力不足，還會(huì)造成飛機(jī)失速（機(jī)翼失速或者尾翼失速）。機(jī)翼表面積冰會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)無(wú)法平穩(wěn)飛行，飛行員若無(wú)法觀察到尾翼上的積冰，一旦操作失誤，極有可能會(huì)釀成慘劇。若積冰使得飛機(jī)的皮托管和靜壓孔發(fā)生阻塞，則控速表會(huì)失效，影響飛機(jī)正常飛行。飛機(jī)使用的燃料往往很難凍結(jié)，但燃料箱中的燃料某些時(shí)候會(huì)和水混合，在低溫環(huán)境中，水一旦積冰，燃油口會(huì)被小冰塊堵塞，導(dǎo)致燃油無(wú)法正常運(yùn)輸，在民航飛行過(guò)程中，一旦燃油箱積冰，則發(fā)動(dòng)機(jī)必定會(huì)熄火，從而嚴(yán)重威脅到航班飛行安全。天線上若出現(xiàn)積冰，則往往會(huì)導(dǎo)致天線破裂，并對(duì)雷達(dá)通信造成極大干擾，從而對(duì)飛機(jī)安全穩(wěn)定飛行帶來(lái)不利影響。

1.2 雷電

積雨云內(nèi)的正、負(fù)電荷達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，在積雨云中、云外和云底均會(huì)產(chǎn)生雷電現(xiàn)象。飛機(jī)在大氣中飛行時(shí)極易遭受雷擊，導(dǎo)致燃油箱著火，進(jìn)而出現(xiàn)航空飛行事故。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)資料表明，飛機(jī)不同部位遭受雷擊的概率有很大差異，其中，雷達(dá)天線遭受雷擊的概率最大。此外，雷擊所引發(fā)的瞬間磁場(chǎng)還會(huì)對(duì)儀表盤(pán)、磁羅盤(pán)、降落系統(tǒng)及導(dǎo)航系統(tǒng)等造成影響，使通信系統(tǒng)紊亂，導(dǎo)致飛機(jī)和地面通信網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系，遠(yuǎn)離既定航線。

1.3 大暴雨

飛機(jī)在狂風(fēng)暴雨中航行時(shí)，飛行速度會(huì)加快。在航空器轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下，小雨滴進(jìn)入渦輪增壓制冷壓縮機(jī)后會(huì)因?yàn)閾]發(fā)作用吸取發(fā)熱量，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度降低，溫度較低的氣體很容易縮小體積，造成發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比擴(kuò)大，進(jìn)而增加航空器發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)力，導(dǎo)致飛機(jī)加速。但是，如果降水抗壓強(qiáng)度很大，打火不及時(shí)，也會(huì)造成熄火，尤其是當(dāng)飛機(jī)處在低速降落過(guò)程中時(shí)。除此之外，大暴雨還會(huì)持續(xù)導(dǎo)致能見(jiàn)度降低，飛機(jī)在強(qiáng)降雨中起降會(huì)嚴(yán)重干擾駕駛員的正常工作，威脅航班的安全著陸［2］。

2 機(jī)場(chǎng)雷暴天氣氣象要素

2.1 降水

根據(jù)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(qiáng)度變化相對(duì)較快，觀察者可以用特定方法來(lái)估計(jì)雨的強(qiáng)度，即仔細(xì)聆聽(tīng)雨聲、觀察雨的速度及短時(shí)間內(nèi)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(xiàn)代氣象探測(cè)設(shè)備，即多普勒雷達(dá)，捕捉垂直向機(jī)場(chǎng)或上空移動(dòng)的降水回波，仔細(xì)分析雷達(dá)回波高強(qiáng)度區(qū)域的分貝強(qiáng)度和降水向機(jī)場(chǎng)移動(dòng)時(shí)的模式，并根據(jù)實(shí)際觀測(cè)仔細(xì)分析中度和重度降水的情況。氣象觀測(cè)員根據(jù)長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)，可以推斷出機(jī)場(chǎng)有代表性的回聲強(qiáng)度，并作為區(qū)分中度和重度降水的標(biāo)準(zhǔn)［3］。如果量化常數(shù)的值小于標(biāo)記的雷達(dá)回波中的回波強(qiáng)度值，回波強(qiáng)度指數(shù)就會(huì)大于量化常數(shù)的值，則未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)機(jī)場(chǎng)將出現(xiàn)重度降水；反之，則意味著機(jī)場(chǎng)將出現(xiàn)中度降水。

2.2 能見(jiàn)度

在發(fā)生雷暴期間，雨水和水蒸氣會(huì)導(dǎo)致大氣能見(jiàn)度迅速下降，通?？山档?000m 以下，隨后，強(qiáng)烈的雷暴云就像雷暴區(qū)上空的大鍋，大大降低了光源強(qiáng)度及與目標(biāo)和背景有關(guān)的亮度值，因此，即使沒(méi)有輕霧、薄霧或其他云層，遠(yuǎn)處場(chǎng)景也會(huì)成為一個(gè)盲點(diǎn)，使飛行能見(jiàn)度降低。低能見(jiàn)度會(huì)對(duì)飛行員的判斷產(chǎn)生影響，增加操作難度及飛機(jī)著陸的高、飄、跳等危險(xiǎn)情況的發(fā)生，從而造成飛機(jī)受損。此外，還會(huì)使跑道濕度增加、摩擦系數(shù)降低，使飛機(jī)在著陸階段沖出或偏離跑道。

2.3 低空風(fēng)切變

低空風(fēng)切變是指600m 以下空氣層中風(fēng)向和風(fēng)速突然改變的現(xiàn)象，它是雷暴天氣期間常見(jiàn)的氣象現(xiàn)象，也是飛機(jī)起飛和降落時(shí)的主要威脅因素。低空風(fēng)切變主要有兩種類型：一種是由超級(jí)單體風(fēng)暴引發(fā)的低空風(fēng)切變，其特點(diǎn)是規(guī)模小、持續(xù)時(shí)間短、強(qiáng)度高；另一種由多單體風(fēng)暴引發(fā)的低空風(fēng)切變，其在地表附近變成強(qiáng)大的冷空氣外流，即向各個(gè)方向傳播的陣風(fēng)鋒。目前，還沒(méi)有定性、定量和準(zhǔn)確的方法來(lái)檢測(cè)機(jī)場(chǎng)的風(fēng)切變，但可以通過(guò)觀察個(gè)別風(fēng)暴體的基本特征來(lái)尋找風(fēng)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(dòng)的球形或滾動(dòng)的云帶，那么，從云基低到地面的區(qū)域可以認(rèn)為是一個(gè)低風(fēng)切變的區(qū)域。這種云基結(jié)構(gòu)是強(qiáng)大的向上和向下的氣流共同作用的結(jié)果。云基的強(qiáng)大下行氣流在接近地面時(shí)變成了強(qiáng)大的冷空氣，這可以被認(rèn)為是導(dǎo)致云基快速移動(dòng)的外力，隨著云基的移動(dòng)，表面的風(fēng)速穩(wěn)定上升，溫度急劇下降，壓力值穩(wěn)定上升。如果風(fēng)暴變成了颮，可以假設(shè)低風(fēng)切變位于從風(fēng)暴中心到風(fēng)暴前沿20km的半徑內(nèi)。此外，雷暴前沿的特點(diǎn)是風(fēng)向和風(fēng)速在短時(shí)間內(nèi)迅速變化。觀察到暴雨前時(shí)，機(jī)場(chǎng)的氣象觀測(cè)員應(yīng)盡快向空中交通管制和其他有關(guān)人員發(fā)出警報(bào)，并記錄和報(bào)告有關(guān)情況。

2.4 其他相關(guān)氣象要素

在雷暴期間，除了降水、風(fēng)切變、低能見(jiàn)度和其他影響飛機(jī)起飛和降落的觀測(cè)和預(yù)報(bào)外，還必須仔細(xì)分析低云量、溫度、風(fēng)向和風(fēng)速、氣壓等氣象因素。一般來(lái)說(shuō)，100m以下的碎雨云往往伴隨著短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的大雨，并迅速消散，這種變化和低云的存在很容易被觀測(cè)者所忽視。雷暴導(dǎo)致氣壓上升，溫度下降，溫度和氣壓的增減隨暴風(fēng)雨的強(qiáng)度變化而變化，應(yīng)根據(jù)雷雨的強(qiáng)度記錄氣壓和溫度的增減并做好報(bào)告。雷暴期間的風(fēng)向變化與雷暴的方向和速度變化有很大關(guān)系，因此，應(yīng)仔細(xì)做好觀測(cè)，詳細(xì)準(zhǔn)確地記錄和報(bào)告。當(dāng)冰雹和龍卷風(fēng)同時(shí)發(fā)生時(shí)，觀測(cè)者易忽視對(duì)觀察結(jié)果的記錄，這可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)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(chǔ)設(shè)施維護(hù)和建設(shè)

空中交通管理系統(tǒng)的設(shè)備對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的不同部分，每個(gè)部分有不同的功能，通信設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、雷達(dá)、監(jiān)視設(shè)備和避雷器等設(shè)施設(shè)備對(duì)飛行都有著重要的作用［6］。地面保障人員必須嚴(yán)格按照規(guī)定，在雷雨季節(jié)到來(lái)前及時(shí)進(jìn)行檢查和維修，對(duì)于出現(xiàn)的安全問(wèn)題，必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決，以便在雷暴天氣期間能夠正常運(yùn)行。工作人員的培訓(xùn)應(yīng)側(cè)重于空中交通管制員和氣象人員的天氣知識(shí)和技能提升，空中交通管制員可以通過(guò)模擬雷暴天氣下的航班保障工作來(lái)進(jìn)一步提高他們的應(yīng)對(duì)能力；氣象人員應(yīng)在雷暴天氣來(lái)臨前做好換季知識(shí)培訓(xùn)工作，平時(shí)應(yīng)注意做好雷暴天氣經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和分析，得出當(dāng)?shù)乩妆┨鞖庖?guī)律，不斷提高雷暴天氣觀測(cè)和預(yù)報(bào)能力，能夠向空中交通管制員提供及時(shí)、準(zhǔn)確和有效的天氣信息。在信息溝通建設(shè)方面，氣象部門(mén)應(yīng)與各氣象服務(wù)用戶簽訂好服務(wù)保障協(xié)議，及時(shí)、準(zhǔn)確地向管制部門(mén)和其他相關(guān)用戶通報(bào)天氣變化情況；管制部門(mén)也需要主動(dòng)加強(qiáng)與氣象部門(mén)的溝通，以便在雷暴天氣時(shí)及時(shí)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(shè)顯得尤為重要，這將進(jìn)一步提高地面保障能力，減少雷暴等惡劣天氣對(duì)航班保障的負(fù)面影響。

3.2 加強(qiáng)機(jī)場(chǎng)雷暴天氣監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警

積雨云的單體通常在500hPa 處沿著上升氣流的方向移動(dòng)，而積雨云的云砧在大氣阻力的影響下進(jìn)一步加長(zhǎng)，因此，可以結(jié)合積雨云加長(zhǎng)的方向來(lái)確定積雨云未來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向。在雷雨季節(jié)，機(jī)場(chǎng)氣象臺(tái)站應(yīng)密切監(jiān)測(cè)云層和天空條件的變化，并結(jié)合探測(cè)儀器，如多普勒雷達(dá)回波和閃電定位傳感器，提供有關(guān)機(jī)場(chǎng)中雷暴方向、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度的實(shí)時(shí)信息，密切監(jiān)測(cè)積雨云的滲透情況。如果積雨云穿過(guò)機(jī)場(chǎng)，它可以向幾個(gè)方向擴(kuò)散并籠罩機(jī)場(chǎng)。如果檢測(cè)到閃電向天頂移動(dòng)，其他閃電可能會(huì)在主方向或鄰近方向跟隨，應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)觀察，以避免混淆，并詳細(xì)記錄閃電主體的方位；如果閃電和雷暴在多個(gè)方位角連續(xù)發(fā)生，應(yīng)仔細(xì)識(shí)別，提前預(yù)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)路徑，并結(jié)合探測(cè)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并應(yīng)當(dāng)及時(shí)向管制部門(mén)通報(bào)天氣情況。在特殊天氣情況下，關(guān)注本場(chǎng)雷達(dá)的回波發(fā)展趨勢(shì)，關(guān)注本場(chǎng)區(qū)域各氣象要素的變化情況，及時(shí)發(fā)布特殊天氣報(bào)告，以確保飛機(jī)的正常起降和相關(guān)地面設(shè)施的安全。

3.3 做好應(yīng)急演練工作

雷暴天氣對(duì)飛行安全影響重大，對(duì)空管運(yùn)行保障也是一種挑戰(zhàn)，機(jī)場(chǎng)空管保障部門(mén)應(yīng)特別注重實(shí)戰(zhàn)應(yīng)急演練的開(kāi)展。演練前，要制訂科學(xué)合理的演練計(jì)劃，提前做好天氣狀況和趨勢(shì)的查詢。演練過(guò)程中，應(yīng)制訂科學(xué)、適當(dāng)和有效的控制計(jì)劃和程序，保證演練的安全正常實(shí)施，在演練中，提高各崗位之間的協(xié)作效能，規(guī)范信息溝通程序。演練結(jié)束后，應(yīng)做好評(píng)估及總結(jié)工作，改進(jìn)工作方法，完善保障措施。做好應(yīng)急演練，旨在提高管制員和氣象員在雷暴天氣環(huán)境下對(duì)業(yè)務(wù)知識(shí)的理解和運(yùn)用能力，增強(qiáng)人員的個(gè)人應(yīng)對(duì)處置能力，以達(dá)到提高整體空管運(yùn)行保障能力、保障飛行安全的目的。

3.4 引入先進(jìn)的指揮技術(shù)與氣象探測(cè)設(shè)備

采用先進(jìn)的氣象探測(cè)設(shè)備，對(duì)于提高應(yīng)對(duì)雷暴天氣的早期預(yù)警能力至關(guān)重要。目前，多普勒雷達(dá)是使用最廣泛的具有良好反饋的氣象儀器之一，它可以準(zhǔn)確地識(shí)別穩(wěn)定云和積雨云，對(duì)于識(shí)別強(qiáng)對(duì)流條件下的雷暴天氣也很有效。通過(guò)對(duì)多普勒回波進(jìn)行分析，可以更好地判斷是局部的熱對(duì)流雷暴還是系統(tǒng)引起的雷暴。局部的熱對(duì)流雷暴規(guī)模較小，對(duì)地面的影響范圍僅為9～10km，初步分析表明，它們大多是相對(duì)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(gè)亮度平衡良好，反轉(zhuǎn)率低。使用多普勒雷達(dá)，可以通過(guò)反射回波對(duì)雷暴形成、發(fā)展和跟蹤的實(shí)際過(guò)程進(jìn)行透徹的分析，這大大提高了氣象觀測(cè)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，避免了傳統(tǒng)人工觀測(cè)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤判斷。為了使雷暴天氣期間的空中交通管理更加科學(xué)合理，應(yīng)該對(duì)空中交通管制設(shè)施進(jìn)行更安全、更先進(jìn)和更優(yōu)化的部署［7-8］。例如，與相鄰航班同時(shí)飛行會(huì)導(dǎo)致安全事故，而在雷雨期間，這種情況更容易發(fā)生，為了避免這種情況，飛機(jī)必須以正確的隊(duì)形飛行，管制員必須確保飛機(jī)以垂直間隔飛行，并在任何時(shí)候都保持穩(wěn)定的高度間隔，如果相鄰的飛機(jī)平行飛行，管制員可以通過(guò)將它們分成扇形或組來(lái)控制它們，并改變它們的位置關(guān)系，以便它們能夠安全飛行。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，惡劣天氣不但會(huì)影響飛機(jī)的安全運(yùn)行，還會(huì)嚴(yán)重阻礙公共交通事業(yè)的健康發(fā)展。提高觀測(cè)技術(shù)手段，做好對(duì)機(jī)場(chǎng)雷暴的全面觀測(cè)和分析，迅速制定有效的保護(hù)措施，對(duì)機(jī)場(chǎng)的安全運(yùn)行和民航的安全飛行起著關(guān)鍵作用。氣象觀測(cè)工作人員應(yīng)努力提升自身業(yè)務(wù)能力，提高觀測(cè)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，以有效避免傳統(tǒng)人工觀測(cè)方法造成的誤差，確保航班的安全飛行和機(jī)場(chǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行得到有效保障。同時(shí)，空管單位要做好基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和應(yīng)急演練工作，提高空管人員的專業(yè)技術(shù)水平。