雷暴与飞行

中国民航飞行学院学士论文-1-雷暴与飞行学生：朱黎明指导老师：王永忠摘要：本文从雷暴的形成、发展及各个时期的特点入手，介绍了雷暴天气飞行各种危及安全的因素。概述了各种雷暴的特点，结合飞行各个阶段提出应对措施以及利用机载气象雷达识别雷暴的经验。最后分析了美利坚航空公司102次航班DC-10-30班机在达拉斯机场的飞行事故。关键词：雷暴；积雨云；恶劣天气；气象雷达；回波中国民航飞行学院学士论文-2-ThunderstormandFlightAbstract:Thispaperrecommendstheformationanddevelopmentofthethunderstorm.Listthefeatureofeachperiodduringitslife.Introducevariousfactorswhataredangeroustoflight.Analyzevariouskindsofthunderstorms’characteristicandthereplystepsforeachstageofflight.Summarizetheflyingexperiencewithweatherradarunderthunderstormcondition.IntheendanalyzetheairplaneALA102disastertakenplaceatAirportDallas.Keywords:thunderstorm；Cumulonimbus；badweather；weatherradar;echo中国民航飞行学院学士论文-3-引言在古代人类就对雷暴发生了浓厚的兴趣，100年前随着飞机的诞生，更可以在近距离触摸雷暴，但是人类也因此付出了巨大的代价。雷暴多变及恶劣的天气，使一切接近它的飞机都避之大吉。现代民航运输，一年四季都在进行，航线遍及各大洲，每次飞行都可能受到雷暴的影响。雷暴结构和特点上的复杂性以及其产物：颠簸、积冰、雷击、冰雹、下击暴流使其成为所有天气系统中对飞行影响最大的一种。所以如何在雷暴条件下飞行保障安全，是一个不断学习借鉴和总结经验的过程。根据美国民用航空1962～1988年气象原因飞行事故统计，与雷暴有关的事故达到23起，占总数的47.9%，这些事实充分说明，雷暴是目前航空活动中严重威胁飞行安全的重要因素。在全球看来我国又处于雷暴多发的地区，特图1积雨云发生频率的分布（卢德兰）别是我国华南、华东、西藏地区（如图1阴影部分所示），飞机在飞行各个阶段遭遇雷暴的可能性都较高。所以研究雷暴对飞行的影响，对我国民航事业意义重大。作为一名民航飞行员，首先要在了解雷暴天气飞行特点的基础上，加强地面准备，在飞行实施阶段利用机载气象雷达分析回波，识别出雷暴，及时绕飞或避开，以便更好地为航空安全和效益服务。本文希望通过对前人雷暴条件飞行经验的总结，减少雷暴飞行的威胁系数，提高飞行安全做出帮助。中国民航飞行学院学士论文-4-1雷暴的结构和天气要形成雷暴必须具备的条件：浑厚而明显的不稳定气层，充沛的水汽和足够的冲击力。1.1一般雷暴的结构和天气一般雷暴单体的生命史根据垂直气流状况可分为三个阶段，积云阶段、成熟阶段、消散阶段。积云阶段：内部都是上升气流，并随高度的增加而增强。因为大量水汽在云中凝结并释放潜热，所以云中温度高于同高度上四周空气的温度。成熟阶段：云中除上升气流外，局部出现有系统的下降气流和降水，产生并发展了强烈的湍流、积冰、闪电、阵雨和大风。消散阶段：下降气流遍布云中温度低于周围空气。一般雷暴单体的水平尺度为5～10千米，高度可达12千米，生命期大约一小时左右。一般雷暴过境时气象要素变化：雷暴来临之前，由暖湿不稳定空气控制，地面温度高，湿度大，地面气压一直是下降的，使人感到闷热，这时风向是向云区辐合的，风速较小。当雷暴云达到成熟阶段，随着降水倾泻而下，气温骤降，并在近地面形成“雷暴高压”，风向突变，风速骤增，阵风达20m/s，严重影响飞行。雷暴过境后，各气象要素又恢复正常（见图2）。图2雷暴过境气象要素的变化1.2组织化雷暴结构和天气根据布朗宁和卢德兰的研究，组织化的大积雨云在初期主要是在右侧面有新生的单体一个接一个地发展起来，形成巨大的积雨云后，在外观上就成为稳定的形态，从云体的右侧楔入的潮湿的下层空气与从后面来的插入上升气流下面并在低层向后部离去的中层气流构成了这种积雨云云中的气流（图3）。中国民航飞行学院学士论文-5-图3伴有大冰雹的积雨云中的气流图4(a)强雷暴的PPI模式(b)为沿着(a)图中AB处的垂直剖面图降水粒子因其大小不同而以不同速度下落，较小的降水粒子受水平气流的作用向下风方向漂移。其结果如图4(a)(b)那样的钩状回波。在图上可以看到在钩状的部分有着一个轮廓清楚而近于垂直的“墙”，在它的前面是一个伸展到高出砧状云底部以上的无回波区(echo-freevault)。这并不是因为没有云，而是有强烈的湍流。从图4(b)可知，由于有强烈的上升气流雨滴落不下来的缘故，龙卷风和冰雹发生在这个区域。1.2.1飑线飑线是由排列成带状的多个雷暴或积雨云群组成的强对流天气带。从天气图上宏观来看，巨大的积雨云发展的地区是发生在下层流入的偏南暖湿气流和上层较强的偏西气流的交点附近。将这种条件模式化就成为如图5所示。也就是说低层吹偏南风(VL),上层吹偏西风(Vu)时,如有积雨云发展，由于积雨云中垂直气流很强，可以认为云中的风等于云周围的下层风和上云层风的平均值（图5虚线的箭头）。这样图5在有垂直切变的气流中，积雨云周围的垂直一来在图5的右部（急流的下气流，VL下层风、Vu上层风、Vc云中的风速游）如双线箭头所示，相对于积雨云的风在低层是向积雨云吹入，在上层是从云中向外吹出的。另一方面在气流中，某一物体其周围的气压变化是物体的上游中国民航飞行学院学士论文-6-方向气压上升，下游的方向气压下降，图5中在积雨云的右侧，低层气压上升，上层气压下降，其值也达到最大。在这种条件下，垂直方向的运动方程可用下式表示：dw/dt=g(△T/Te-ω/p+δω/δpn)这里△T表示任意高度上云中与周围的虚温(Te)差值，ω为流体力学上的气压，它是实际气压P与静力学气压Pn之差，在上式中略去较小的项后可写成下列形式：dw/dt≈g(△T/Te+δω/δp)当δω/δp＞—△T/Te时，下层即使不是热力不稳定，也有从下向上的作用力，在先前生成的大积雨云的右下游有新的积雨云发生，也就形成了飑线。雷达或飞机观察结果大多数和这种说法有良好的一致性。1.3雷暴的活动特征1.3.1雷暴的变化和移动雷暴单体一面变化一面移动，矮小的积雨云沿低层风风向移动，高大的积雨云沿高层风风向移动。组织化的雷暴在先生成的积雨云下风方向生成新的积雨云，一面移动一面经过成熟期而减弱。下一个新生云体又重复这一相同过程，即组织化雷暴的传播。1.3.2雷暴的季节变化一年中雷暴出现最多的季节是夏季，春秋次之，冬季除华南地区外，全国极少有雷暴出现如表1。月份123456789101112全年雷暴日数地点哈尔滨0.10.22.68.7106.64.10.433北京0.93.28.5128.33.10.436西安1.62.63.95.25.70.80.320上海0.20.92.92.13.47.18.16.30.332武汉0.41.22.65.24.14.411113.10.30.30.443南昌0.71.95.18.98.17.29.8135.10.70.40.561广州0.10.43.46.3121714158.62.10.179海口0.30.52.6112123222215111.2122表1北京等城市雷暴日数（1961—1970）中国民航飞行学院学士论文-7-2各种雷暴的特点根据形成雷暴冲击力不同，可分为热雷暴，地形雷暴和天气系统雷暴。2.1热雷暴热雷暴往往发生在大尺度天气系统较弱的情况下，或在性质均匀的气团内部，随气温的日变化热雷暴有明显的日变化，表现为多出现在午后，入夜之后就逐渐消散，夏季飞华南、华东地区午后到站，要特别注意热雷暴。特点：范围小、孤立分散、各个雷暴间通常有明显间隙。2.2地形雷暴地形雷暴是暖湿不稳定空气有山脉迎风坡被迫抬升而形成的雷暴，在我国东南沿海丘陵地区、华南、西南高原山区飞行要注意地形雷暴出现。特点：形成很快，位置相对固定，面积较大，云底低，云中气流剧烈，降水强度大，此种雷暴不宜从云下飞过。2.3天气系统雷暴2.3.1冷锋雷暴冷锋雷暴是全国最重要的雷暴之一，冷锋强，锋面坡度长，移动快，有利于冷锋雷暴的形成。特点：强度大，许多个雷暴沿锋线排列成行，组成宽几千米至几十千米，长几百千米的狭长雷暴带，冷锋雷暴白天夜间均可出现，下午和前半夜较强，移动速度30～60km/hr。2.3.2静止锋雷暴静止锋雷暴在我国长江以南地区出现较多，一般出现是在每年的6-9月，在地面锋线的两侧，呈分散块状分布。特点：范围较广，持续时间长，强度不如冷锋雷暴，但常隐藏在深厚的层状云系中，云中飞行易误入其中，准静止锋雷暴多产生于后半夜。2.3.3暖锋雷暴暖锋雷暴在我国比较少见，主要产生于东北地区，雷雨区宽度比冷锋雷暴大得多，与静止锋雷暴一样，暖锋雷暴多产生于后半夜。特点：强度较弱，隐藏于层状云中不易发现，积雨云形成于较高地方。2.3.4冷涡雷暴中国民航飞行学院学士论文-8-冷涡是指出现在空中（700百帕以上）的冷性低压。北方冷涡产生于贝加尔湖、蒙古一带，向东北或华北一带移动，可连续三、四天。特点：北方冷涡雷暴有明显的变化，一般出现在午后或傍晚。西南涡产生于四川盆地，当低温东移时，常在东部和东南部偏南气流中产生雷暴。2.3.5槽线和切变线雷暴夏半年，当空气化较暖湿又不稳定的时候，槽线和切变线的辐合上升运动，往往给雷暴提供了有利条件，空中槽雷暴沿槽线呈带状分布，或零星分布，在我国切变线雷暴在江淮地区、华南、西南较多见。3雷雨对飞行的影响雷暴活动区飞行，除云中飞行的一般困难外，还会遇到强烈的湍流、积冰、闪电击、阵雨和恶劣能见度，有时还会遇到冰雹，下击暴流，低空风切变和龙卷。飞行条令中明确规定：“禁止雷暴云或积雨云中飞行”。下面说明雷暴区飞行可能会遇到恶劣天气。3.1颠簸早在1950年阿克曼的调查结果认为不仅雷暴云中有乱流，云外也有，颠簸区的范围约为云区的3.5倍[2]。在雷暴云中如图6，上升下降气流对飞行严重威胁，最强的气流速度差甚至达到50～60m/s，通常湍流自云底向上增强，到云的中部和中上部达到最强(6000～7000m)。在雷暴云中飞行，都会遇到强烈的飞机颠簸，造成操纵困难，飞行仪表的感应元件，仪表示度失图6积雨云区颠簸的水平分布真特别是空速表，是危及飞行安全的一个主要危险因素。在云外较强的颠簸多发生在云体的下风方向，上风方向基本上是轻度颠簸，对飞行威胁不大。3.2积冰最强的积冰多见于积雨云成熟阶段的上升气流区（如图7），而且常常积明冰，云的顶部和边缘部分积冰相对较弱，云内下部温度在0℃以上没有积冰。据统计在零度以下的积雨云中飞行，积冰的发生率达到89％，强积冰的发生率为中国民航飞行学院学士论文-9-42％，是雷暴条件飞行严重威胁安全的一个因素。由于雷暴的厚度达到10公里以上，如飞机在积雨云中遇积冰应改变航向尽快脱离积冰区。图7雷暴云中的积冰3.3雷击飞机受到的雷暴往往造成重大的事故。其中最危险的是点燃油箱内的气体。但是为数最多的事故是飞机表面被击穿，非金属材料（合成树脂、玻璃纤维）遇破坏。现代飞机上几乎所有的仪表都必须有电源，飞机一旦被击中会造成仪表、通信、导航、着陆系统瘫痪，就不能飞行了。在雷暴云中、云下、云体附近都有可能被闪电击中（图8）。特别是春秋季节，由于雷暴隐藏在层状云中，机截雷达信号衰减图8雷暴云中电荷分布及闪电示意图严重，因而不能及时发现和判断。3.4冰雹飞行中遇到冰雹，由于相对速度很大、雷达罩、机翼、水平安定面易受损伤。值得注意的是，飞行中并不总是在雷暴中才会受到冰雹的袭击，有时雷暴会将冰雹从风暴推倒数英里之外，特别是有砧状云向外延伸的雷暴，因而