降水的形成及其对飞行安全的影响和对策研究

张 序,赵 波,谭 力,郝 帅,邓 豪,杨承翌

(1.中国国际航空股份有限公司 运行控制中心西南分控中心 飞行签派室,成都 610202；2.中国国际航空股份有限公司 培训部西南分部,成都 610202；3.中国国际航空股份有限公司 西南分公司成都飞行部,成都 610202；4.西藏航空有限公司 运行控制部,成都 610202)

民航工程

降水的形成及其对飞行安全的影响和对策研究

张 序1,2,赵 波3,谭 力3,郝 帅1,邓 豪1,杨承翌4

(1.中国国际航空股份有限公司 运行控制中心西南分控中心 飞行签派室,成都 610202；2.中国国际航空股份有限公司 培训部西南分部,成都 610202；3.中国国际航空股份有限公司 西南分公司成都飞行部,成都 610202；4.西藏航空有限公司 运行控制部,成都 610202)

分析了降水的基本概念、形成、分类以及降水的主要天气系统。首先对降水可能使航空器发动机熄火、使航空器滑跑滑水等现象做了研究。重点研究了降水伴随的低能见度、低空风切变、航空器积冰对飞行安全的影响，并且分析了飞行人员在各种状况发生的同时可能发生的错误操作。最后对降水伴随的危险进行总结并提出预防和改进的措施，并针对机场保障部门对降水的应对措施进行了分析说明。

航空运输安全；降水；低能见度；积冰；低空风切变

在航空安全中，由环境因素引发的重大飞行事故占飞机事故总数的31%，影响航空运输安全的危险天气因素较多，而在我国航空运输中，降水是主要影响飞行安全的危险天气。因此本文就降水基本概念和对飞行的影响加以分析讨论，并研究了针对降水出现时所带来的危害天气的对策。国内外在降水对飞行的影响方面有一些研究，陈会芝[1]研究了危险天气条件下航空飞行与安全，廖正聪[2]研究了低能见度对飞行的影响，黄方斌[3]研究了雷雨天气对飞行的影响及其对策，张序[4]研究降水中飞行积冰对飞行的影响，许杰[5]研究了降水的形成以及对飞行的影响。但是在这些研究讨论中，就降水的形成以及对民航飞行安全性的影响和对策的分析却不够具体和全面，而具体地从飞行人员角度来谈降水对飞行安全的影响以及对策研究就更少了。本文正是结合国内外论文的这种现状才做的研究。

1 降水的形成

降水主要有两种形成方式，一种是雨滴碰撞，一种是雨滴凝华。雨滴碰撞是指当云中出现了体积差异较大的雨滴后，由于云内气流有不同的方向和速度，使得雨滴之间发生碰撞并且增长，当大雨滴不断地碰撞吸收小雨滴，雨滴重量不断增加，就形成了降水雨滴。雨滴凝华是指在降水的云层中共存着大小雨滴，冷暖雨滴和冰水雨滴。

2 降水的主要天气系统

降水形成的天气系统主要有5种，包括：锋面和锋面气旋的降水、空中切变线和低涡降水、低涡降水、风带中高空槽降水、热带气旋降水。锋面气旋降水是锋面活动引起的，通过气旋的抬升作用使得锋面气旋降水更加强。锋面气旋和锋面都是影响我国降水的主要天气系统，它们可能出现在一年的四季，影响锋面降水的发展和持续时间的长短，主要因素是看锋面暖气团的水汽是否饱和，是否能够得到暖气团水汽的不断供应。空中切变线和低涡是指出现在8.5kPa或7kPa上的中低层天气系统，由于空中切变线气流带来了充足的水汽，并且这些天气系统一般都有较强的上升运动趋势，这使得其成为我国重要的降水系统。低涡所带来的降水大多出现在低涡中心或者低涡中心移动方向的前半部分，有时其后半部分也可能产生降水，但强度不如前部，东北低涡影响范围较大，有的持续时间很长，足以造成东北地区连阴雨天气持续数日。针对高空槽降水，风带中高空槽降水的强度和范围，与风带中高空槽的强弱有关，风带中高空槽越深厚，降水也越强。当风带中高空槽占据的范围很广时，高空槽前的降水区也比较宽广。而热带气旋降水集中在沿海地区，并且在山脉的迎风坡形成暴雨中心，我国南部各岛因为地理位置比较特殊，受地形影响全年皆有暴雨天气，各地出现暴雨的时间同热带气旋的走向和强弱有关。

3 降水对飞行安全的影响

3.1 降雨诱发能见度急剧变化

3.1.1 地面能见度的降低

降水的种类、强度以及飞行的速度与能见度的变化关系密切，强度不大的降水时，地面能见度一般大于4 km。地面能见度是确定飞行气象条件和机场开放或关闭的重要依据之一。地面能见度过低容易使飞行员看不清目标物体的轮廓，特别在夜间，不能及时判别相邻航空器的距离，容易造成地面相邻航空器或与障碍物的擦挂，甚至航空器和航空器相撞的事故。

3.1.2 空中能见度的降低

受到视觉方面的生理的影响，在雨中飞行若速度较大时，空中能见度会减少到1 km及以下，如果在强降水中飞行时空中能见度会更低。这是因为降水不仅使能见度变差，而且在它打在风挡玻璃上时形成的水膜折射光线会影响飞行员的视线，这在起飞和着陆阶段最为明显。它使飞行员无法正确判断航空器离跑道高度，容易造成接地不良，加之在该情况下因道面积水而产生不均匀反光，造成飞行员对外界物体的形貌判断也会明显改变,模糊飞行员的视觉。对于夜间飞行，所产生的错觉更为严重。

3.2 降水造成航空器积冰

当降水区域的温度接近于2到-8℃时[6]，过冷的小雨滴在航空器表面容易形成积冰，特别在机翼前缘及上表面最容易积冰。

3.2.1 积冰形成的条件

一般认为，积冰的环境条件是可见湿度(云、雾、雨和雪)和结冰温度。有的事故记录表明，上述积冰条件中的结冰温度并不是绝对的，出现积冰时的环境温度不一定要限制在冰点以下。以下3种情况就是应该注意的积冰危险区域[7]：1)下降阶段。当飞机在较高航线飞行时，飞机表面温度是在0 ℃以下。如飞机下降过程中遇到潮湿空气，即使此时环境温度在冰点以上也可能形成透明冰或霜；2)即使周围环境温度在冰点以上，机翼油箱部位的表面温度也有可能低于0 ℃，当遇到降雨时就可能形成冰并粘附在机翼上；3)虽然在飞行高度上的温度在冰点以上，但如遇到过冷雨，也可能在飞机上形成透明冰。

3.2.2 航空器发动机积冰对飞行的影响

积冰会使发动机进气量减少，进而减少发动机的推力[8]。进气口的积冰破裂后进入发动机，会造成发动机内部的损坏，甚至熄火。如果飞行人员早期就已经打开除防冰设备，航空器的动力很快就恢复了。如果没有，则飞行人员会感觉发动机推力明显不足，并且燃油的消耗也在增大。

3.2.3 航空器机翼积冰对飞行的影响

航空器机翼积冰，会改变机翼翼形，进而改变机翼的气动外形，影响飞机升力，增加航空器阻力，导致失速速度增加、机动性能和着陆性能恶化。飞行人员在操作航空器降落的过程中，因为机翼积冰，所以机翼的翼面效应很差，拉动驾驶杆达不到所需要的转弯坡度，容易过量操作，使得航空器失速坠毁。

3.2.4 航空器尾翼积冰对飞行的影响

航空器尾翼积冰时，可能导致尾翼失速，当尾翼失速发生在进近时，航空器最为危险。因为飞行人员通常在最后进近阶段都会使用全襟翼形态来降低进近速度达到安全落地的目的。这个时候也正是尾翼气动载荷最大的时候，尾翼的少量操作会给航空器的姿态带来很大的改变，不管飞行人员如何操作航空器，想要控制航空器的姿态是很难的。

3.2.5 航空器空速管积冰对飞行的影响

航空器空速管积冰或者静压孔积冰，会使航空器气压式高度表、升降速率表和空速表等仪表的指示错误，甚至失效。飞行人员可以通过使用备用静压源来解决，但是需要注意的是，使用备用静压源和空速管除冰设备后，高度表的指示正常，但是会有误差，高度表指示高于实际高度，这意味着飞行人员可能处于危险之中，却毫不知情，特别是在山区飞行，高度表指示误差会酿成大祸。航空器的静压孔堵塞，升降速率表指示为零，此时，虽然空速会随着油门的变化而变化，但是空速表指示错误，因为静压保持不变。当速度很小时，飞行人员可以通过增大油门来改出，但是当航空器空速表指示错误时，这种危险很容易被掩盖，因为航空器在高空飞行时没有参照物，飞行人员很难通过视觉判断速度大小。另外，在管制区域，空中交通管制员要求飞行人员通过修正并保持空速来保持航空器之间的间隔，当空速表指示错误时，飞行人员飞行时指示仍是空速，不管是大于还是小于实际空速，对飞行的安全威胁都是很大的。

3.3 强降水形成风切变

强降雨区域，特别是伴随着雷暴的强降雨，在积雨云下会产生风切变，风切变对于低速航空器是相当危险的[9-10]。航空器处于着陆阶段时，速度较低，起落架和襟翼都处于放下位，阻力较大，航空器各方面的性能都较低，高度也低。一旦遇上风切变，航空器很难保持正常姿态，危及着陆安全。

3.3.1 顺风风切变对起飞着陆的影响

顺风风切变有3种情况:(1)航空器从逆风区进入顺风区;(2)航空器从静风区进入顺风区;(3)航空器从小顺分区进入大顺风区。顺风风切变是非常危险的，它使得航空器的空速减小，升力下降，如果飞行人员不及时地加大油门，并且增大俯仰角度，航空器将低于正常的下滑高度，使得进近的安全高度得不到保障，容易造成航空器不能越障进近，或者航空器过早接地等危险。

3.3.2 逆风风切变对起飞着陆的影响

逆风风切变有3种情况:(1)航空器从顺风区进入逆风区;(2)航空器从静风区进入逆风区;(3)航空器从小逆风区进入大逆风区。逆风风切变使得航空器空速增加，升力上升，它对于飞行的危害相对较低。但若果飞行员不适当地减少油门，减小俯仰迎角，航空器结构会因为速度过大而损坏。另外航空器遭遇逆风风切变会使得进近时高于下滑道，在降落时也有可能使飞机冲出跑道。

3.3.3 侧风风切变对起飞着陆的影响

侧风风切变值得是航空器从无侧风状态进入侧风状态，或者从侧风状态进入无侧风状态。航空器遭遇侧风风切变时，航空器的航向姿态会受到影响，风切变强度越大，危险越大。因为侧风风切变是阵性的，总是突然给航空器一个相左或者向右的力，飞行人员操作不当时，容易过量操作，使航空器不能对准跑道中线，进而威胁了航空器的降落安全。

3.3.4 垂直风切变对起飞着陆的影响

垂直风切变指的是航空器进入下击暴流区，飞机的性能是先变好，后变坏的。特别在下击暴流区的中心位置时，航空器受到强烈的下冲气流，性能急剧降低。飞行人员往往会错误地认为有的逆风风切变总是单一存在的，其实大多逆风风切变都是下击暴流前端。经验不足的飞行人员发现空速增大时，会做出收油门增大仰角的动作。他们不知道的是接下来就是下冲气流最强的时候，然而处于低速高迎角的航空器此时的性能是最差的时候，航空器非常不安全。紧接着是下击暴流的后端，强顺风加上下冲气流，使得航空器很容易失速坠毁。

3.4 大暴雨能使航空器发动机熄火

航空器进入降水区，过多雨滴进入发动机汽缸，点火不及时容易造成发动机喘振，严重时会造成发动机熄火。对于螺旋桨发动机的航空器，只要有雨滴进入发动机汽缸，航空器发动机就有可能喘振甚至熄火。

3.5 降水影响跑道的使用

机场在降雨时或者降雨后，由于雨水来不及流出道面，或者机场排水能力不够的情况下，跑道以及滑行道会产生积水现象。当航空器在湿跑道上滑行时，轮胎会与跑道表面上的积水接触，轮胎会挤压水面，水面会给轮胎一个反作用力，这个反作用力的水平分力会阻碍轮胎前进，这个反作用力的垂直分力会使轮胎不断的弹起，减少轮胎与跑道表面的接触面积，进而减少轮胎与跑道表面的摩擦力，减弱了航空器的操控性和航空器的刹车效应，使得航空器容易偏离或者冲出跑道。

4 遭遇降水的对策研究

4.1 降水低能见度的应对办法

飞行人员在持续降水区域飞行时，因为能见度差，通常比较紧张，急于寻找机场，导致精力分配不均匀，忽视了航空器飞行姿态和高度，容易造成飞行事故[11]。对于这种情况，飞行人员一定要沉着冷静，严格按照飞行计算机所提示的数据飞行,严格按照仪表规则飞行,尽量使用自动驾驶仪系统操纵飞机平稳飞行,建立直观的视觉参考。当断开飞机自动驾驶仪系统后,飞行人员切记不要盲目修正,避免粗猛的过量的操纵动作,飞行人员应该柔和地操纵飞机,使飞机保持稳定的飞行状态。

当降落机场不符合最低降落标准时，一定要果断复飞，不能执意降落，在平时的飞行训练中，飞行人员应加强对于在复杂天气下的飞行训练，训练自己在复杂天气情况下对飞机的管理能力。对于夜间飞行，降水所带来的低能见度更加恶劣，一些经验不足的飞行人员，在降落过程中，过早打开航空器着陆灯，会在航空器前面形成光屏，使得飞行人员看不清机场跑道入口，给飞行操作带来困难。因此有经验的飞行人员会在看清机场跑道入口，并且有把握安全落地时，才打开航空器的着陆灯。

4.2 冷降水航空器积冰的解决办法

地面起飞前检查飞机是否结是非常重要的，即使有空中除冰装置的航空器也必须在起飞前除冰，除冰的方法可以采用机械除冰法、加热除冰法和化学药剂除冰法。机械除冰法常用于清理低速航空器的机翼和尾翼的积冰，加热除冰法应用最广泛，使积冰部位的温度达到0度以上，以达到除冰的效果，化学药剂除冰法多用于防止螺旋桨上的积冰，把化学药剂喷洒在螺旋桨叶片上，降低了结冰的冰点，达到除冰的效果。对在空中飞行的航空器，如果知道前方有可能有积冰区，应该提前打开除防冰装置；如果积冰发生在暖锋云层下面，飞行人员操控航空器下降高度就可以脱离积冰区；如遇到的是过冷冻雨，飞行人员操控航空器上升高度就可以脱离积冰区,飞行中飞行人员应该密切注意飞机积冰的出现和强度。飞机积冰时，应该柔和操作，尽量避免急剧上升下降、急转弯、大坡度转弯等大动作。着陆时不要把油门收光，避免飞机失速。

4.3 遭遇降水风切变的解决办法

及时正确地判断风切变的强度大小和类型，做出相应的措施，是减轻和避免风切变的最佳办法[12]。判别风切变的方法有：目视判别方法、飞机仪表判别方法、机载风切变警报系统和地面风切变探测系统。而针对风切变可以有3个方面的应对措施：(1)对飞行的机组成员进行风切变模拟训练，提高他们对风切变的应对处理能力，让他们感受各种强度类型的风切变，以便在实际情况下能更好低处理风切变；(2)提高飞行人员对风切变的理解水平和重视性。事先飞行人员应该仔细认真地了解和熟悉航路的天气预报和天气实况，利用一切经验手段，尽可能地避开风切变的影响；(3)如前行航班遭遇风切变时，飞行人员应该尽量避开风切变飞行，而不应该过度自信，相信自己的飞行技术能够应对风切变的影响。

4.4 机场对于降水的应对措施

在降水天气的管制运行中，机场地面部门应当充分了解跑道道面情况，例如积冰程度、积水程度以及跑道道面受污染的程度。同时机场地面部门还应了解其对飞机的影响程度，是否适合飞机起降，对飞机的起降过程有什么特殊要求，然后及时通告进近的航空器。此外，机场地面部门应该监控和测试跑道道面摩擦系数，同时及时向航空器通报跑道道面降水的严重程度和刹车效应等级等情况，降低危险系数[13-14]。

5 结论

降水的形成是复杂的，可以通过雨滴的碰撞形成，也可以通过雨滴的凝华形成，降水按性质可以分为阵性降水、间歇性降水、连续性降水，降水从形态上主要可以分为固态降水和液态降水。降水能诱发地面能见度和空中能见度急剧地降低，有时它打在风挡玻璃上形成的水膜折射光线会影响飞行员的视线，这在起飞和着陆阶段是很危险的[15]。当降水区域的温度于2℃到-8℃时，过冷的小雨滴在航空器表面容易形成积冰，不同的积冰对飞机的危害程度不一样，不同位置的积冰对航空器的性能影响也不一样。降水伴随的风切变对于低速航空器是非常危险的，一旦遇上风切变，航空器很难保持正常姿态，危及着陆安全。强降水恶化航空器气动构型，降低航空器性能，降落操作不当时，容易使航空器过早接地。降水使得航空器在起飞着陆中出现滑水现象，减小航空器轮胎和跑道道面的摩擦力，使得航空器不易操控，容易偏离跑道或者冲出跑道。飞行人员在持续降水区域飞行时，因为能见度差，通常比较紧张，急于寻找机场，导致精力分配不均匀，忽视了航空器飞行姿态和高度，容易造成飞行事故。机组之间应该合理配合，管理好航空器。另外加强低能见度的模拟飞行，反复训练。飞行前，航空器必须要除冰，飞行中主要是对积冰的预防，在进入可能有积冰的区域，应该提前打开除、防冰装置。降水会伴随着风切变，飞行人员可以依靠目视判别、飞机仪表判别、机载风切变警报系统和地面风切变探测系统来判别风切变，通过使用必要的最大推力和控制航空器的俯仰姿态来改出。但是这种技术是非常微妙的，所以飞行人员应该尽可能地避开有可能存在风切变的地区飞行。机场应该通过气象资料对降水天气进行预警，还应该对着陆条件进行检查。

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(责任编辑：宋丽萍 英文审校：刘敬钰)

Researchoftheformationofprecipitationanditsinfluenceontheflightsafetyandthecountermeasures

ZHANG Xu1,2，ZHAO Bo3，TAN Li3，HAO Shuai1，DENG Hao1,YANG Cheng-yi4

(1.Dispatch Office of Southwest Sub-control Center,Operation Control Center,Air China Limited,Chengdu 610202,China；2.Training department of Southwest,Operational part-time instructor,Air China Limited,Chengdu 610202,China；3.Chengdu Flying Department,Southwest Branch,Air China Limited,Chengdu 610202,China；4.Tibet airlines flight operation control department,Chengdu 610202,China)

This paper analyzes the influence of precipitation accompanied by low visibility,low-level wind shear,aircraft icing on flight safety,and the possible error operation made by flight crew in various conditions,such as aircraft engine flameout,aircraft taxiing and skiing.Finally,this paper puts forward the countermeasures to the airport security department regarding precipitation.

flight safety;precipitation;low visibility;icing;low-level wind shear

2014-06-26

张序(1982-)，男，四川简阳人，助理工程师，主要研究方向：航班的运行控制与精细化放行、驾驶舱资源管理，E-mail:zhangxulikeyou@sina.com。

2095-1248(2014)06-0073-05

F562

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.06.013