雷暴与飞行

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
Thunderstorm and Flight
Abstract: This paper recommends the formation and development of the thunderstorm. List the feature of each period during its life. Introduce various factors what are dangerous to flight. Analyze various kinds of thunderstorms’ characteristic and the reply steps for each stage of flight. Summarize the flying experience with weather radar under thunderstorm condition. In the end analyze the airplane ALA102 disaster taken place at Airport Dallas.
Key words:thunderstorm；Cumulonimbus；bad weather；weather radar; echo
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。

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）。

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-free vault)。

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
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。

表1 北京等城市雷暴日数（1961—1970）
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
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
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，因而要避免在砧状云附近飞行。

如果飞机误入雷暴，应避免在0℃等温线附近飞行，因为在0℃等温线附近的下降气流中，遭雹击可能性最大。

最好的办法是在距雹云10KM以外飞行.
3.5 下击暴流
在雷暴云中伴随着倾盆大雨存在着强烈的下冲气流，当它冲泻到低空时，在
近地面会形成大于18m/s的外流一——下击暴流。

下击暴流可能存在雷暴的所有侧边，水平尺度4～40km，持续时间约为10～16分钟。

1975年6月24日，EA06机在准备降落时如图9，在海拔500FT遇大雨，海拔400FT处能见跑道灯，随后T秒内空速由71m/s降到63m/s，在300FT处空速突然下降，飞机随即坠入，下
图9 1975年6月24日EA66降落前飞行路径图
降气流速度为6.4m/s的下击暴流中，在200FT空速再度下降，飞机已不可能上升，在离跑道730处，左翼触及跑道灯滑行380m,机毁人亡。

值得注意的是飞机在海拔500FT到400FT时飞机性能变好，空速增加，下降率减小，这是避开的最后机会，飞行员在那一刻就应有所反应。

4 雷暴条件下的飞行处置
4.1 直接准备阶段
当起飞机场、航线和降落站预报有雷雨运动时，必须到气象站了解天气，分析天气形势判明雷暴的强度、分布情况、移动方向、云顶和云底的高度，做好飞行预案。

地面准备原则：①起飞机场有积雨云，轻型飞机不准起飞；②云顶发展到10公里以上的积雨云由于存在危险的乱流、冰雹、雷击，任何飞机都不准进入；
③在雷达荧光屏上出现的强回波呈线状或分布很广时，没有装备雷达的飞机穿越
是危险的。

4.2 飞行实施阶段
4.2.1 雨中起飞
·不得在暴雨中起飞。

·由于机翼表面不光洁导致的升力变差，以及受积水道面滑水现象影响而变差的加速性能和减速性能，都将使起飞滑跑距离增长和决断速度偏大。

应采用校正中断起飞可用距离继续起飞可用距离或减载的方法进行起飞性能计算[7]。

·保持初始转弯高度不低于2000英尺。

·转弯坡度限制在15°以内，在颠簸区内，应改出转弯。

·不得使用减推力起飞。

4.2.2 进离场阶段
当机场扇区内有雷暴活动，在有足够超障余度的情况下，机长应选择不同方向进、离场或延迟起飞，着陆。

根据机载和地面雷达、目视观察、塔台通报等一切手段获取资料，进行判断采取正确措施。

4.2.3 航线飞行
接近雷雨区时，决定穿越还是返航必须考虑的问题：
·飞行员在雷暴中飞行的经验；
·所驾驶飞机能经受的乱流强度；
·机上雷达若是正常的话，根据雷达观察结果来判定哪块积雨云可以穿过，如果机载雷达上的回波特别强，光点特别亮，而且在光斑中出现“黑洞”，这个“黑洞”中乱流很强飞机绝不能由此穿过。

在这里必须注意的是，为了避开伴有危险天气的雷暴，机载雷达是必须利用的设备，但是若以为机上有雷达就可以随意在雷暴区飞行那是错误的。

此外在雷暴的下面飞行也是危险的。

因为雷暴发展到成熟期时，在雨区的中心有强烈的下沉气流，有使飞机坠落撞山的危险。

要绕飞积雨云必须遵守以下原则：
·航线云外绕飞时，选择上风面10km以上间隔，并在0℃等温线以上的高度绕飞，如果选择从云隙中穿过，两块雷暴云之间的空隙应不小于50～70km。

·如果飞机升限、油料等条件允许，可以从云上飞过，距雷暴云顶至少有
500米的余度，因此飞越前应对飞机性能，云顶高等准确了解，避免擦云顶飞行。

这里有一个简单的式子可以获得绕过积雨云所需的最小高度：
H=h+d×tgθ
H为绕飞所需的高度，h为飞机当前高度，d为飞机距云区距离，θ为天线仰角。

另外雷暴可以在十几或二三十分钟发生很大的变化，原来判断可以绕过去，可是等飞机飞过去云体就可能增大或连成一片，所以一定要慎重。

在实际飞行中往往遇到的是积雨云群而不是积雨云单体。

到目前为止的方法是首先推测一下穿过积雨云群的情况然后应采取下列措施。

·了解航线上积雨云区的宽度、强度和高度。

这些在大多数情况下虽然可
由将机上雷达放在最大距离刻度来探知，但必要时还要通过航管取得地面雷达的情报。

这是因为机上雷达的波长较短衰减较大，显示出来的雨区的范围比实际要小。

·将驾驶舱所有的灯光都打开，使之尽可能亮一些。

这是为了防止闪电造成目眩。

·决定穿过积雨云区的飞行高度。

最不利的高度是在0℃——10℃（大约在0℃层以上1500米左右）附近。

一般的经验认为1200米—1800米是最有利的高度。

不过为了防止撞山，要选择比最高的山顶高出1200米。

·在进入雷暴区之前要将飞机的功率保持在使飞机的乱流响应的最小速度。

这样才能使飞机在雷暴云中保持一定的功率。

这是因为在雷暴云中表速要受垂直气流的影响而变化。

·机上雷达要像下面一样进行连续的监视：在积雨云中可使用小的距离刻度进行观察，但要注意时时改变距离刻度以便观察全部情况；改变天线的角度，连续观察上、下回波的变化，注意冰雹的危险和下游积雨云的急速的发展。

这是因为积云发展时从突破0℃层开始，经过15分钟左右在积雨云中就会出现最恶劣的天气。

·在积雨云中由于电荷的作用使磁罗盘、中波收讯机失效，要利用VOR，在没有VOR的地区穿过大范围的积雨云区时有可能弄不清楚自己的位置所以要特
别注意。

不过在陆上飞行时也可以利用机上雷达给自己定位。

4.2.4 雨中落地
·反对盲目地抢在雷雨前落地，要留有充分的退出余地。

·五边在1000英尺以上建立好着陆形态，做好着陆准备。

·使用雨刷和排雨剂。

·由于入口速度增加1%，导致着陆距离增加2%[7]，加上接地速度过大而容易引发滑水现象，滑跑中方向控制困难等原因，易冲出跑道，所以采取下列措施对于发挥着陆性能至关重要：保持规定的进近速度。

在目标区扎实接地，前轮尽快放下，及时使用刹车和反推。

5 机载雷达回波分析
雷暴云在雷达屏幕上显示出明显的回波。

从回波的分布可以清楚地看出雷暴是孤立分散的，或是连绵成带状的，片状的。

从回波的亮度变化可以看出雷暴云的强度变化，亮度越亮呈品红色，边缘廓线清晰，回波看上去很密实，说明雷暴云发展旺盛有雷雨。

有时回波还出现一些特殊的形状，有的成钩状（图10），有的像手指，这些特殊形的回波是雷暴云中上升气流很强的部位，它常是冰雹的征
图10 冰雹云的钩状回波
兆，龙卷风也多出现在这些区域，对它们要十分警惕。

气象雷达不仅能显示出雷暴云的平面分布，还能显示出某一方向上的垂直结构。

从此可以测定雷暴云的厚度，强中心所在的高度和云的距离。

图11是一块正在下冰雹的雷暴云的回波，顶高13500米，冰雹云回波顶的高度在12——13公里以上。

有了雷达探测可以使我们比较清楚地看出雷暴云的范围大小。

如果雷
达回波在光亮的中出现“黑洞”，这里不是没有云，而是云中有很强的乱流。

从实际飞行来看，隐藏在宽广的层状云系中的雷暴最容易误入。

为了区别积雨云和雨层云回波可利用有些经验进
行判断，积雨云回波的特征是反射信
号很强且水平梯度值很大。

这个结果
可以用改变接受机增益的方法在平显
上求的：等回波周线彼此靠的很近，
则发射源便是积雨云。

在决定绕飞以
后左右座在选择雷达距离圈时，主飞
的要小一些，而另一边则要放远一些，
以便全面掌握雷暴动态，防止钻进“死
胡同”。

由此可见用雷达探测是掌握雷
暴云的有效方法。

通过阅读雷达屏幕图11 雷暴云的高显回波
对雷暴云的具体位置、强度、厚度、有无冰雹以及云之间有没有空隙等情况都了解得比较清楚，因而能可靠地引导飞机选择安全的飞行路径。

6 事例
6.1 事故经过
4月13日晚11点53分，美利坚航空公司102次航班DC-10-30班机从檀香山机场起飞，巡航中较顺利，着陆前约30分钟时，机长向客舱乘务员通报了有关DFW机场周围的雷雨云情况及进近中的湍流问题之后开始下降。

在获得向17/18号跑道的进近航路飞行许可后不久，天气开始发生了大变化，雷达回波从黄色逐渐变成为红色，对机上雷达回波的变化，机组成员交换了意见。

根据雷达回波的变化，他们要求改向35/36号跑道进近着陆，但由于当时机场内及周围交通量大未获得许可。

机组一边与机场管制员交换有关飞行情况及回波的变化信息，一边继续飞行。

这期间虽然2次受雷击，但机体未发现异常现象。

获得用ILS向17L跑道进近许可后开始最终进近。

14日上午6时59分43秒，该机在17L跑道着陆中偏离跑道。

6.2 事故分析
事故飞机在仪表进近及实施着陆过程中，面临着覆盖整个机场上空的雷雨云引起的暴风雨。

副驾驶断定事故机在跑道上方约50英尺时处于安全着陆位置，需要复飞，而机长认为能够安全着陆，便接过去驾驶着陆。

机体虽以适当速度在跑道中心线接地，但在距离17L跑道终端约4303英尺的位置。

着陆后不久机体开始偏右，随后便偏出跑道。

6.3 天气情况
1)气象情报及预报
从檀香山机场出发时，机组就收到了有关达拉斯.沃斯堡机场周围及进近空域可能有雷雨和湍流的详细天气预报。

在巡航中，从美利坚航空公司飞行管理及各管制机构也频繁地得到了包括达拉斯.沃斯堡机场南北有相当强的雷雨云情况在内的最新气象情报。

美利坚航空公司气象负责人及飞行管理人员曾给机组人员说明过飞机到达时预计会有雷雨云、中到大的降雨、低空风切变、地面风发生大变化和20—40海里/时的阵风等情况。

2)雷雨云情况
美利坚航空公司的102次航班DC-10-30班机在着陆时，强雷雨的回波线正好在17L跑道上通过。

3)阵风影响
伴随着25—32海里/时阵风的强雷雨回波线前锋已到达17L跑道周围，但根据气象情报等在跑道上没有这种风的影响。

4）低空风切变警报系统
尽管提供了注意风切变信息，但注意警报又被解除，所以未传达给事故飞机。

6.4 事实认定
1）美利坚航空公司102次航班飞机接地时，遇到由中到强的降雨的同时，雷雨云的回波也从17L跑道上通过。

2）接地时，美利坚航空公司102次航班飞机遭受到15海里/时的侧风，侧风逐渐加强。

3）机长对来自右边强大的侧风忽视了修正，在机体受侧风影响的情况下几乎没使用方向舵，而是通过使用不适当的前轮转向操纵，导致机体偏离跑道右侧。

另外，也没有实施把驾驶杆向前推的操作。

4）管制业务虽然不是本事故的主要原因，但程序上不完备，没能以适时的形式向美利坚航空公司102次航班飞机提供风切变信息。

在接地前交换驾驶任何时候都是一种危险的事态，加上严峻的气象状况，再加上紧接着接地及着陆滑跑操作、业务分担交错，在极短的时间内业务量就会猛增。

在此特别感谢指导我的指导老师王永忠。

结论
综上所述可以得到以下结论：
（1）雷暴结构上存在强烈的上升下降气流，含有颠簸、积冰、雷击、冰雹、下击暴流等多种严重威胁飞行的恶劣天气。

（2）雷暴多见于夏季，我国主要的雷暴有：热雷暴、地形雷暴、天气系统雷暴。

（3）在雷暴条件下飞行，要加强地面准备，飞行整个阶段严格遵守绕飞，避开雷暴原则。

（4）利用机载气象雷达分析雷暴回波，要避开那些明亮的和隐藏在明亮中的“黑洞”地区。