郑州机场夏季雷暴特征数据分析及应对措施

张 雪 李 刚

（1.民航河南空管分局，河南 郑州 450000；2.国机工业互联网研究院(河南)有限公司，河南 郑州 450007）

0 引言

雷暴是自然界的一类放电现象，出现时经常伴有多种天气现象的中小尺度的天气过程，雷暴天气不仅产生雷电，还时常会伴有大风和暴雨，有时甚至会出现冰雹和龙卷风等强对流性天气。因雷暴具有电压高、电流伏值大、能量释放时间短、危害性大等特点，经常给航空安全飞行构成严重威胁［1］。长期以来，对机场雷电天气特征及航班飞行影响的研究，一直受到民航部门及气象学者的高度重视。郑州机场指的是郑州新郑国际机场，地处河南省郑州市新郑市与中牟县交界处，属于4F 级国际民用机场。郑州机场属温带大陆性季风气候，雷暴天气较多，特别是夏季发生概率大，经常给航班飞行造成不利影响。基于此，本研究主要对郑州机场夏季雷暴特征分析及对航班飞行的影响进行分析，并给出了科学有效的应对措施，以期为今后更好的确保航班安全飞行、降低飞行事故提供指导。

1 郑州机场夏季雷暴特征分析

通过对2004—2020 年郑州机场气象观测数据统计得出，郑州机场近17年累计雷暴日数为280 d，年平均雷暴日数为16 d，年最多雷暴日数为22 d（2008 年），雷暴日数次多值为21 d，出现在2004年、2005 年；年最少雷暴日数为10 d（2017 年）。图1 为2004—2020 年郑州机场雷暴日数年际变化趋势，近17 年郑州机场雷暴日数总体上呈波动减少变化趋势，10年平均减少速率为3.627 d。

图1 2004—2020年郑州机场雷暴日数年际变化趋势

根据图2 可知，郑州机场雷暴一般出现在3—9月，大多数集中在夏季（6—8 月），该时间段雷暴日数占年累计总数的80.36%，特别是盛夏7—8 月为雷暴出现高峰期，占年总数的61.79%；10 月、11 月偶有雷暴天气出现，其他月份（12 月、1 月、2 月）无雷暴天气。

图2 2004—2020年郑州机场月累计雷暴日数分布图

通过图3可知，近17年郑州机场的雷暴天气的日变化特征呈“单峰”型，日变化比较显著，从00 时到12时雷暴频次不断增多，到12时达雷暴高峰，雷暴频次达66 次；而从12 时至23 时雷暴不断减少。通过郑州机场雷暴频次日变化不难发现，郑州机场各个时刻均可能会出现雷暴天气，大部分雷暴出现白天（07时至18时），该时间段累计雷暴频次达602次，占日总频次的76.30%。特别是中午至午后出现频次最多，12时、13时累计雷暴频次均达到60次以上。

图3 2004—2020年郑州机场雷暴频次日变化

综上可知，郑州机场雷暴大部分发生在夏季，出现此类现象的主要原因是夏季副热带高压使西部暖湿气流特别旺盛，副热带高压加强西伸时，在热力的作用下，非常适宜于对流的发展，容易形成雷暴天气［2］。而从日变化来看，雷暴天气出现中午至午后的频次多，这主要是因为太阳辐射的日变化造成气温发生变化，中午至午后是郑州机场一天中热力条件和不稳定性条件最佳的时间。

2 雷暴天气对机场航班飞行安全的影响

雷暴天气是中小尺度天气共同作用的结果，其出现往往伴随雷电、强降雨、风切变、颠簸、积冰等天气现象，会造成机场航班延误，甚至会引发航空安全事故。

2.1 雷电

雷暴所包含的能量多，会在较短时间内产生剧烈放电现象。如果航班在雷雨活动区运行，由于机翼、机身等突出点的电场特别强，引发雷击的概率很大。结合研究资料了解到，雷达天线是飞机各个区域中雷击概率最高的点，其次是机翼，机身被雷击的可能性较小。一旦航灯、挡风玻璃加热器以及翼尖等飞机外部设备的防护罩被雷击，则进入机舱的雷电流会损坏设备和电源［3］。闪电造成的瞬时电磁场会对通信导航系统以及着陆系统等相关设备造成一定程度的干扰，严重情况下会导致系统中断，从而影响航班的安全飞行。

2.2 强降雨

飞机在雷暴云下方、附近或在雷暴云中飞行也会误入强降水落区。在雷暴天气发生时，特别容易导致发动机被大量降水侵入，给飞机发动机的性能带来不利影响。同时，强降水期间大气能见度会非常差。一般来说，雨强越大，对航空飞行能见度的影响就愈大。特别是飞机在着陆时若遭遇强降水，则危险系数会大幅增加。

2.3 风切变

当雷暴发生时，积雨云下会产生风切变，给航班飞行造成很大影响。郑州机场夏季多雷阵雨，且时常出现风切变，风切变中存在湍流以及涡流，风切变越大，湍流越强，对航班起降的安全影响越显著［4］。在航班运行时，假如遭遇低空风切变，会导致航空器性能降低，航空器若具备机动的能量还可能会转危为安。若航空器飞行高度非常低，机动能量余量不足，则航空器往往无法较好地抵御低空风切变，极易引发航空安全事故。

2.4 颠簸

雷暴云中急剧降低抑或上升的气流通常会对飞机运行造成不同程度的影响，尤其是在成熟的雷暴云中，最强上升气流可达50～60 m/s，强度特别强。外界空气在其作用下也呈不稳定状态，会导致航空器遭受剧烈的颠簸，使得飞行高度在几秒内下降或者上升几十米，甚至上百米，在颠簸环境中飞行，不但会影响飞行员的操作能力，还会给乘客身体带来不同程度的伤害。严重情况下，飞行仪表可能会受损，从而导致飞机失控［5］。

2.5 积冰

雷暴云体很大，云体内某些高度常有过冷水滴。高空云顶被风吹出的云砧范围比较大，高空温度又特别低。如果飞机进入这些区域飞行，可能会在短时间内遇到强烈的积冰，导致飞机飞行性能下降，增加操控难度。当机翼和机尾发生积冰时，飞机的气动和飞行特性都会受到不同程度的破坏，流线型部分的形状也会出现一些变化，导致机翼和机翼的翼型变形。升力系数减小，阻力系数增大，机翼和机尾积冰会增加飞机的重量，导致飞机重心有所改变，破坏原有的气动性能。此外，飞机结冰还会影响仪表和通信，阻碍机组操作员的目视飞行。挡风玻璃上的积冰会降低透明度，影响机组操作员的视力，特别是在航班起飞和降落阶段，很容易导致飞行事故发生。

2.6 大风

雷暴来临之前，经常会伴随大风天气，一般来说，大风天气在飞机的起飞和降落期间影响极大。对于雷暴伴随的大风天气，不同的飞机型号在起飞与降落时的接受标准也有所差异。对于波音型号，正侧风的最大标准为15 m/s。如果风速超过15 m/s的安全标准，则极易对航班的起降产生不利影响。如果郑州机场西南阵风的瞬时速度超过安全标准，则不利于航班的正常起飞和降落。如果飞行以侧风横滚，则风对飞机两个机翼的影响也将不同。因此会产生倾斜力矩，即产生侧风，则此时着陆的难度系数会很高。当飞机在强侧风条件下接触地面时，很容易引起异常问题，例如轮胎破裂和起落架损坏，对飞行安全构成严重威胁。

2.7 低能见度

雷暴一般伴随强降水出现，在夏季强降水结束后，随着湿度的增加、温度的骤增，经常会导致辐射雾的出现，目前气象人员对辐射雾的研究已经有一定的基础，但是对极端情况部分雾的研究极少。团雾是人们很熟悉也是经常遇见的，这种雾在民航气象中有一个专有名词——部分雾（PRFG）：覆盖机场重要部分的雾，其余部分是晴空，多指影响机场局部区域的平流雾。雾中能见度小于1 000 m，雾扩散到离地大于等于2 m高度。简而言之，部分雾即只出现在局部区域，其余部分可以是能见度大于10 000 m 的天气。日常交通中，由于雾的浓淡不均，会造成视觉错误，驾驶员对距离和车速的判断都与实际情况相差较大，视距变短，容易发生相撞事故。尤其是高速公路上车速较高，一旦发生交通事故，经常会引起连锁反应，最终造成严重交通事故。对航空气象来说，部分雾对飞机的起飞、降落都有极大的影响，根据出现的位置不同会影响到航班的正常运行，严重时可能发生飞行事故。

3 雷暴天气下空中交通管制措施

3.1 机场管制部门要加强和相关部门的协作

雷暴天气的发生通常十分迅猛，所以郑州机场空中交通管制部门应加强与当地气象部门的合作，及时向气象部门获悉天气预报情况，以便能在雷暴天气恶劣天气发生之前及时做好雷暴预警以及应急保障工作［6］。此外，郑州机场管制部门还应强化与附近空管部门的沟通以及合作，相互通报各种飞行信息，及时做好空管的交接，尽可能增强雷暴空中交通管制保障能力。

3.2 建立健全应急响应机制

完善的应急响应机制能够大幅降低雷暴、大风等突发恶劣天气给机场航班运行带来的危害和损失。为了更好地在雷暴天气下保障航班安全运行，需要建立健全气象灾害应急响应机制。首先，要有预警系统作为支撑，通过对雷暴恶劣天气进行详细分析，制定对应的应急处理方案。空管部门在提前收到雷暴天气预警信息之后，需要调配执勤备份人员，增强岗位应急能力，利用班前讲评会，组织值班管制员提前获悉天气发生和演变趋势，以便提前应对。若雷暴天气已经出现，值班空管人员在收到机组报告后，需要及时指挥机组绕飞避开雷雨恶劣天气活动区，并且积极向机组报告能见度以及跑道视程等具体情况，配合航班安全着陆。空管人员还要在雷暴天气间歇阶段加快机场航班放行速度，不断提高机场航班运行效率。其次，要保证地空通信设备的正常运行，这就要求空管部门定期安排人员对地空通信设备加强检查以及日常维护管理，以确保应急通信设备的安全、正常使用，提升应急管理效率。此外，应急响应机制还需要保证随时有车辆进行救援以及物资运输，以确保雷暴等恶劣天气下应急响应处置措施的全面落实，最大程度地保障航班运行安全。

3.3 提升空中交通管制员综合素质

在雷暴恶劣天气状况下，不管是机组人员，还是管制员均受到极大考验，特别是管制员在保障航班安全运行中发挥着十分重要的作用。面对雷暴天气，正常机场应加强对空中交通管制员的培训，提升管制员的综合素质。首先，要针对郑州雷雨、强降水，低能见度天气多发的特点，为管制人员开设雷暴过程保障案例复盘以及交流、大面积航班延误保障等课程。与此同时，要结合航班运行实际，加强管制人员训练科目的内容设计，定期对管制员进行雷暴天气条件下模拟控制演练，让管制员具备更多丰富的实践经验，极大地提升了郑州机场雷暴恶劣天气条件下的运行保障能力。其次，要加强管制人员的反应能力以及判断能力的培训。遇到恶劣天气时，管制员需要在最短的时间内对航班飞行状态进行分析以及评估，并且及时对航班进行管理且发布科学合理的指令［7］。最后，要加强管制员的决策能力的培养，提升应急处理能力，以便在发生雷暴恶劣天气情况时，管制员可以及时预测飞行器的飞行状态，且在遇到突发状况时能够快速灵活地适应实际情况，为航班安全飞行提供服务保障。

3.4 提升对管制及机组的通报服务水平

在遇到恶劣天气时，及时、准确提供较前端的通报服务，会对飞行带来不容小觑的影响。发布报文是气象目前的常规做法，但是具有一定的局限性与延时性，必须达到特定标准才能进行操作，而对外通报服务是一个比较灵活又较直观的方式。及时的通报服务对管制发布指令能带来帮助，对机组做出决策能提供依据，对航班飞行航线的调整也能提供理论支持。合理沟通并商讨出具体的通报细则，对管制、气象双岗联动，机组、管制双岗配合都能带来积极的影响。

4 结语

①郑州机场近17 年累计雷暴日数为280 d，年平均雷暴日数为16 d；郑州机场雷暴日数总体上呈波动减少变化趋势，10 年平均减少速率为3.627 d；郑州机场雷暴大多数集中在夏季（6—8 月），该时间段雷暴日数占年累计总数的80.36%。出现此类现象的主要原因是在夏季副热带高压的影响下，西部暖湿气流特别旺盛，副热带高压加强西伸时，在热力的作用下，非常适宜对流的发展，容易形成雷暴天气。

②雷暴出现过程中往往伴随雷电、强降雨、风切变、颠簸、积冰等天气现象，会造成机场航班延误，甚至会引发航空安全事故。针对雷暴天气的危害，应积极采取合理的空中交通管制措施，并且要加大管制员的培训力度，提升管制员的业务素质，以更好地为航班的安全运行提供服务保障。

③近年来对雷暴的观测研究也越来越重要，目前大部分国际机场已经安装部分雷电探测辅助工具，如闪电定位仪、雷达探测、雷电监测等，这为气象人员研究雷暴提供了一定的技术支持，也为后续对雷电的统计有较大帮助。