0 引言

冻雨是冬季出现在我国西南地区的主要气象灾害之一^[1]，常在每年初冬或冬末春初时节出现，是影响航空安全的重要因素。冻雨由过冷水滴组成，当它落到低于0℃的物体表面时会立即冻结成外表光滑而透明的冰层，对飞机飞行的影响很大。空中的飞机穿过含有过冷水滴的降雨云层时，雨滴会直接在飞机表面形成积冰，飞机的操纵性与稳定性发生变化，有导致飞机失速的风险，严重时会发生机毁人亡的灾难。地面上的飞机与大气中过冷水滴、云雾滴及水汽在地面物体上凝结或凝华成冰，导致飞机的襟翼、缝翼、尾翼等各种增升动力系统受阻，起飞前如果除冰/防冰工作不到位，飞机表面覆盖有积冰等污染物，会使飞机机翼失速，临界角减小，从而导致飞行事故。2004年11月21日在包头机场发生的CRJ-200机型B-3072号飞机的空难，就是由飞机表面的污染物未清扫干净导致的。飞机刚刚离地，在没有出现警告的情况下飞机失速，导致飞机坠毁。

整理前期该领域国内学者已经取得的研究成果发现：冻雨在形成时逆温层特征明显，700 hPa左右高度场的逆温强度最强^[2]。我国冻雨出现日数一般为1~5天，1月份集中出现在长江以南地区，包括云南、贵州等地，占比达到72%^[3-5]，主要是我国500 hPa高度场呈现“北高南低”的形势造成的^[6]。同时，近地面低空切变线为暖湿气流提供了一层冷垫，是冻雨发生的最佳条件^[7]，由于在贵阳上空高度6 000 m空域存在大面积厚而且平稳的逆温层，所以贵阳成为冻雨频率最高的地区之一。在民航运输中，积冰导致的飞行事故在起飞、着陆、巡航三个阶段都有可能发生^[8]，积冰会导致民机性能恶化、民机通讯中断、仪表失灵甚至关键操纵系统损坏。虽然近年来航空技术的发展日新月异，民机飞行的安全性有所提升，但冻雨形成的积冰对高速飞机在低速飞行阶段的影响仍不能忽视。

贵州省位于云贵高原的东北侧，独特的地理位置和较为特殊的地形特征（地域纬度较低但又是地形海拔高度偏高的山区，呈现西高东低、北高南低的地势）导致冷空气容易被高山阻挡形成静止锋，再配合孟加拉湾温暖气流带来源源不断的暖湿气流，形成当地“冬无严寒但多阴雨”的特殊气候。随着冬季北方冷空气南下，当气温快速下降到冻结温度附近时，冻雨灾害就发生了^[9]。贵阳龙洞堡机场（IATA代码：KWE，ICAO代码：ZUGY，简称：贵阳机场）位于贵州省西南方向，是我国西部地区重要的航空枢纽。分析冻雨对贵阳机场的民机安全飞行的影响，研究如何做好冻雨天气背景下航班的运行控制工作，提出确保民机安全飞行的措施具有重要意义。本文主要研究机场地面的民机遭遇冻雨天气后的影响情况和运行控制及保障措施，并分析空中飞行的民机在遭遇冻雨天气后的操作规则。

1 冻雨天气对民机飞行的影响

冻雨与飞机发生碰撞后会在飞机表面形成不同形态的积冰，飞机表面如果发生积冰会影响它的气动性能，导致其增升装置（如：前缘缝翼）、操纵面（如：方向舵）、冲压空气涡轮（ram air turbine，简称RAT）、发动机整流罩及导向叶片、起落架、辅助动力装置（auxiliary power unit，简称APU）和除冰/防冰系统等都受到影响。冻雨在飞机表面形成的积冰会破坏飞机的流线型，导致机身、尾翼、襟翼构型发生变化，改变飞机的原有状态，使得阻力变大。积冰还会增加飞机的起飞重量，降低发动机效率，导致飞机起飞爬升阶段性能衰减，影响飞行安全。飞机外部传感设备受到冰块污染时，会认为是遇到障碍物阻挡，导致飞机管理系统接收到错误的指令，飞行仪表系统出现异常数据，从而影响飞行。冻雨还会导致飞机挡风玻璃受到积冰和水流的影响，误导飞行员的观察判断，使实际能见度比气象能见度差。降水越大，地面飞机挡风玻璃上的积冰速度越快，飞机的风挡雨刷如果跟不上降水的频次，飞行会处于蒙蔽状态，对飞行员的观测造成严重影响，使飞行员无法明确判断机场环境，可能导致发生安全事故的概率上升。当冻雨在飞机发动机相关部件形成积冰后，桨叶上的积冰会减少拉力，引起转子转力不平衡和动力装置剧烈振动，使飞机推力减小，脱落的冰块还有可能打坏发动机。在飞机进气口、RAT等形成的积冰，会使发动机进气量减少，进气气流畸变，造成动力损失，严重时还会导致发动机停车。作为动力装置的APU在该状态下也会工作效率降低，严重时甚至会发生机械损伤。当起落架装置出现积冰后，飞机在地面滑行或起飞过程收轮时的卡阻会损坏起落架装置或设备，发生积冰脱落损坏飞机。飞机的除冰/防冰系统包括机械除冰系统、液体防冰系统、气热防冰系统和电热防冰系统^[10]，较大的冻雨会使飞机上的积冰层较厚，使飞机的机械除冰系统工作效率低，对系统涉及的一些通风口、静压口的堵塞也会影响探测的准确性和除冰/防冰工作的效率。同时这些积冰还有发生电器短路造成飞机设备失灵的风险。

冻雨除了对民机表面及其部件造成影响外，对机场及其相关的设施设备也会造成影响。冻雨降落形成的积冰会造成跑道的摩擦系数减小，增加民机的起飞滑跑距离和着陆滑跑距离，让飞行员对飞机的控制变得困难，有时积冰还会覆盖在机场的灯光系统上，影响飞行员的观察，出现事故的概率大大增加。因冻雨天气形成的大范围厚层积冰会对供电系统造成损坏，跑道也会因为积冰超限而关闭。如2008年1月中旬到2月上旬，我国发生的低温雨雪凝冻灾害天气就造成了多个机场连续多日无航班起降。

2 贵阳机场地形特征

贵阳机场冻雨一般在隆冬出现，性质多为毛毛雨和小雨，冻雨通常持续一个星期，且雨量大、较密集，一般夜间比白昼的强度大，上午比下午的强度大。这些特点和贵阳的独特地形有关，贵州地区地貌类型复杂，山地显著，整个地貌大势向东似马蹄形，贵阳市区处于马蹄形地貌的中部，纬度低但海拔高，其西南偏西29 km有一个明显地标是红枫湖，湖面面积57.2 km²，西面19 km为百花湖，湖面面积14.5 km²。花溪河把松柏山水库和花溪水库串联在一起，对贵阳地区湿度变化有明显的影响。贵阳机场地面能见度季节差异大、日变化明显，冬季地面能见度较差，能见度小于1 000 m的天气现象主要由雾引起，年平均为26.6天，占所有因素的63.5%，虽然降雪、雨夹雪等其他降水现象引起的低能见度天数不多，但导致雪凝灾害的低温阴雨（雪）天气往往长时间持续，积冰难以消除，故民间有“凝夹雪，半个月”之说，这是贵阳独特地理位置和环境因素产生的特殊现象。贵阳机场风速较小，以1~3 m/s出现频率最多，对空气气团的推动力量不大，有利于冷空气的长期驻留，促进该区域冻雨的形成。

3 贵阳机场冻雨产生的机制

贵州地区冻雨的形成机制呈现“冷—暖—冷”的结构模式^[11]，以2019年1月18日贵阳的冻雨天气为例（本文均为北京时间），受南支槽和低层偏南气流影响，西南地区东部和南部等地有小雨。气温逐渐下降，贵州中东部等地开始出现小雨夹雪和冻雨天气，机场运行开始受到影响，离港航班展开除冰相关工作，跑道也在航班间隙完成除冰工作。从当天0点的500 hPa天气图可知（如图1所示），亚欧大陆呈现“两脊一槽”的环流形势，西部脊位于贝加尔湖以西的中西伯利亚平原，中部槽分为南北两支，北支槽位于内蒙中部至江汉地区，南支槽位于西南地区，东部脊位于黑龙江与内蒙交界处至东海一带，云贵槽运动现象显著，刚好贵州处于其中，有上升气流，大气层结不稳定，为贵州地区的降水提供了层结条件。同时西南气流带来充沛的水汽，气流上升导致降水持续不断，为冻雨提供充沛的水汽。12时（如图2所示），南北两支槽合并加深且缓慢东移，期间温度场落后于高度场，有利于高空槽脊发展，而西部脊东移至贝加尔湖地区，槽加强，槽前有冷平流，不断向南输送的冷空气为冻雨的形成提供了温度条件，所以在贵阳上空的5 500 m高空中形成了低气温的充沛雨水的云。

从当天0点的700 hPa天气图可知（如图3所示），高空槽位于贵州西部，槽前脊后有上升运动，槽前脊后对应的是正的涡度平流，这样会使地面出现复合高层辐散，中层是垂直上升气流，容易产生对流系统。槽前动力抬升作用有利于贵州中东部上升运动的形成，同时贵州西部有一冷舌，说明有冷空气南下。贵州地区的高度场与温度场几乎重合，12时（如图4所示），温度场超前于高度场，贵州西部槽开始减弱，贵州西侧出现一暖中心，所以在贵阳上空3 000 m高度，气温开始慢慢上升。

从当天0点的850 hPa天气图可知（如图5所示），贵州地区等温线密集，在西南低涡的影响下，有较强暖平流及一气旋性涡旋在贵州地区形成，涡旋东部的西南急流向涡旋输送大量暖湿气流，使得下层暖湿上层干冷的不稳定层结更加显著，一条冷式切变位于贵州西部，大范围的冷空气从北方向南方袭来，从北到南而来的冷空气与贵州上空的暖湿气流相互交融，导致贵州冻雨的产生。12时（如图6所示），西南急流减弱，暖平流慢慢变强，直到大量暖空气流入到冷空气中，将冷空气覆盖，系统变得稳定下来，冻雨天气开始慢慢出现消散。

观察其温度对数压力图发现（如图7所示），850 hPa高度场以下的温度层都低于0℃，近地层温度较低。700 hPa高度场到800 hPa高度场间出现高于0℃的逆温层，说明大气层较不稳定，上下吹北风，有冷空气来，中间吹南风，有暖空气来，形成一个薄夹心层，温度达到3~4℃。近地面900 hPa高度场温度又低于0℃并持续下降，在当日的充沛水汽条件下，上空为逆温，有一层温度高于0℃的暖层。在暖层，降水以雨滴的形式存在，近地面如果是冷层，就形成过冷水滴状态的冻雨，这是冻雨形成的典型机制结构，导致2019年1月18日在贵阳地区发生了一场较强的冻雨天气，对贵阳机场当天进出港航班造成影响。

4 机场冻雨天气航班运行控制建议

4.1 强化冻雨天气的预报预警工作

当机场气象部门预测有出现冻雨的趋势后，应及时向各个服务对象发布信息，通报冻雨天气的出现时刻、持续时间、影响范围、降水强度和冻雨层高度，协助他们提前做好应对预案。机场运行保障单位、航空公司运控部门和机场管制单位接收相关气象信息后，应根据各自的工作流程发布预警信息，重点关注机场道面及停场航空器积冰情况，将详细情况及时准确通报机组成员，提示空中飞行的机组在驾驶飞机穿云时遭遇冻雨后关注飞机积冰情况，航空公司签派席位和机场管制席位应加强对这些飞机的监控。机场管制员应严把冻雨天气下的安全关口，严格按照民航规章的规定指挥航班起降，指挥过程中将冻雨及积冰的信息随时通报给飞行员，重点观察进离场飞机的飞行姿态，监控航空器的下滑角、姿态、着陆形态是否正常，发现航空器从安全落地到脱离跑道出现偏差时及时通报。最后，机场场务部门要对机场跑道、滑行道上因冻雨形成的积冰等污染物进行持续检查，覆盖物超过规定后必须及时采取防冰/除冰措施，保障机场机动区的运行安全，收集好机场运行相关信息后，准确发布航行通告和雪情通告。

4.2 落实冻雨天气的机组操作规则

如果飞机在起飞前遇到冻雨天气，飞行机组首先应当在预先准备阶段和直接准备阶段详细了解冻雨的严重程度，明确飞机防冰系统能力，掌握这些系统的工作状况，确认民机在该运行状态下各部件的防冰是足够的。机长对飞机是否需要除冰做最后决定，特别是当飞机机翼或操纵面上有冻雨造成的霜、雪或冰时，在没有完成除冰/防冰工作前，任何人都不能放行飞机，绝不允许飞机起飞。其次，冬季运行时飞行员要认真做好飞行前准备，了解本次飞行的航路航线，目的地机场和备降场是否存在冻雨天气，掌握冻雨发生时间、持续时间，分析严重程度是否影响本次飞行，制定详细的绕飞方案和注意事项。再次，飞行员在等待起飞阶段应多关注机场的实时通报和航行通告，配合机场、管制和航空公司落实有关延误起飞的各项工作。最后，当飞行机组绕机检查发现有霜、雪或冰附着在飞机机翼、操纵面、发动机进气口或其他飞机制造厂家手册中规定的重要表面时，必须严格按照公司地面除冰/防冰程序完成飞机除冰/防冰工作，否则不能放行或允许其起飞。

如果民机在起飞、着陆或者巡航阶段遭遇冻雨天气，总处置原则是：尽快驾驶飞机离开冻雨区域，避免在冻雨区域长时间飞行或在受冻雨影响严重的机场着陆。因为冻雨形成积冰对飞机性能影响很大，存在安全隐患，所以飞行机组首先要明确民机遭遇冻雨的操纵要领和注意事项，确定所飞的区域是否有冻雨或冻毛毛雨的报告，禁止飞入这些区域。如果民机在航路巡航过程遭遇冻雨，机组应及时接通除冰/防冰系统，留意机载气象雷达提供的气象信息，及时向管制部门申请改变飞行航向、飞行高度或绕飞，逃离冻雨层。如果着陆机场报告有冻雨天气，机组应确认跑道道面情况（如：刹车效应），对未报告的不利刹车效应和前轮转弯能力有充分的准备，着陆过程及时使用发动机防冰和机翼防冰，如果冻雨导致的积冰不可接受，机组应考虑拉升至较暖的逆温层等待或备降到其他机场。如果起飞阶段遭遇冻雨，应确保所有飞行员的操作过程都已接通发动机防冰，在管制员的指引下尽快绕开冻雨区域，发动机进气道出现积冰，特别是出现严重抖动情况时，应打开单侧发动机防冰，待发动机工作稳定后，再打开另一侧发动机防冰，飞行员还可以将发动机推力拉回到慢车位，有利于发动机上的积冰脱落。

4.3 严格执行冻雨天气下的管制规定

冻雨天气下，管制员首先应通过机场场务掌握道面、停机坪的情况，适时通过机组了解道面刹车效应情况，对跑道刹车效应进行不间断监控，当机组报告跑道（或滑行道、机坪）道面刹车效应不好或报告有打滑现象时，应该暂停使用该区域，待场务检查符合运行要求时，方可恢复运行。其次，因除冰/防冰工作会影响运行的正常性，所以管制员应及时将流控信息通知机组，对于流控时间较长的航班，在除冰/防冰工作前先取得前方管制室的放行时间，预留出飞机地面除冰的时间。塔台管制室与进近管制室加强协调，合理安排起飞顺序，合理放大落地间隔，合理调配地面冲突。再次，管制员应及时将了解到的天气实况及道面情况通知机组，利于机组掌握不同道面情况的运行标准。若某部分滑行道不可使用，在机组首次建立联络时，就立即提醒机组。还可以将道面情况、云中结冰的信息加入机场通播，当有跟进落地飞机时，两机的间隔要适当放大，避免给可能结冰的飞机发调速指令，尽量避免给滑行的飞机发加速滑行的指令。最后，准确掌握航空公司飞机除冰/防冰工作的情况，尽量保障飞机按照预计的时间起飞，避免已除完冰的飞机地面停留时间超过除冰液有效时间导致二次除冰。

4.4 制定冻雨天气下的预案

冻雨作为危险天气中的一种，各保障单位还应该根据工作需要编写特情处置预案和工作检查单，对各个部门和各个席位的工作人员进行培训，模拟演练冻雨天气下的处置流程，熟悉掌握特殊天气的处置流程，确保工作中不会出现“错，忘，漏”这些会造成事故及事故征候的行为。同时，飞行员应在平常模拟训练飞行中当成一项特殊飞行情况进行严格的训练，熟练掌握机载防冰/除冰的运行，并根据自身情况能力分析判断是否可以正常运行。

5 结论

冻雨现象是一个在复杂的天气变化过程中产生的自然现象，研究可知：

1）冻雨产生的条件是存在深厚而稳定的垂直逆温层，贵阳机场因区域内大气环流异常和西南暖湿气流带来的丰富的水汽，加上贵阳的多山、高海拔地形的共同影响，形成上下冷、中间层暖的“夹心糖”特点，促成了该区域冻雨的形成从而造成其受冻的影响较严重。

2）虽然无法控制冻雨的形成，但是在冻雨来临前可以通过现代化科技技术、先进的气象预测等手段分析冻雨可能带来的各种危害，做好充分的应急预案来面对即将来临的恶劣天气。在应急方式上，根据冻雨带来的结冰严重程度制定不同的预案，在冻雨来临前就已经做好场务、机组、气象、管制的互相配合与沟通，确保做到完全安全情况下的最大化效率，保障运输的正常。值班签派员应该将最新信息及时准确传递给飞行员，提出运行建议，减少飞行员在冻雨区域长时间飞行的危险，避免在受影响的机场着陆，辅助飞机飞行安全和运行顺畅。

参考文献