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首都机场一次航班雹击事件分析

崔艾军 王硕

摘 要：2019年5月26日，飞往首都机场的CZ3101次航班在北京降落过程中遭受雹击。冰雹难以进行预报，而冰雹与雷电现象有极强的伴生关系，因此本文提出了一种利用雷电探测数据分析航班雹击事件的方法。利用“首都机场雷电监测预警服务”和其它气象观测资料对雹击事件发生过程进行对事件全过程进行反演。反演事件发生时的环境态势，找出事件发生的时间及位置。重现空管、航司、飞行员当时面对的信息及决策依据。总结事件发生的本质原因，并提出改进建议。
关键词：航班;冰雹;雷击;事件分析
2019年05月26日，从广州飞北京的CZ3101次航班，在北京降落过程中，飞机遭遇冰雹，挡风玻璃破裂。除了风挡玻璃出现裂痕外，飞机的雷达罩也有受损。根据Flightradar24的航迹记录，该航班在降落前疑因北京天气原因盘旋数圈。机组按手册程序处置，飞机于11：48分安全降落北京首都国际机场。
气象学上，受高空冷空气影响，局地生成的强对流单体带来了冰雹。冰雹属于局地强对流现象，范围小，公认的“最难预报”。[4]但冰雹与雷电现象有极强的伴生关系，但凡發生冰雹，几乎同时伴随着较强的雷暴过程。[5]因此，本文在后续的分析中引入雷电观测数据，作为冰雹现象的代用分析目标。尤其是考虑到，在飞行的安全规范中，严格禁止飞行器穿越雷暴云团。[6]因此，在实践中“躲避冰雹”与“躲避雷电”视同等效。
目前全球主要发达地区大型机场多建有雷电监测预警系统。[1]“首都机场雷电监测预警服务”在首都机场周边数百里面范围建立了高精度的雷电监测预警服务，[2]为首都机场运行保障，大型项目施工，以及人员安全防护提供雷电预警服务。此服务可为本文的分析提供所需的数据支撑。
1 雹击事件研究方法
1.1 分析数据
（1）使用Flightradar24获取CZ3101航班05月26日的飞行轨迹。
（2）使用国家气象信息中心的数据接口，获取05月26日北京-天津附近的11：00～12：00（每6分钟一帧）的天气雷达数据。
（3）使用“首都机场雷电监测预警服务”获取05月26日CZ3101经临航线的全部雷电发生数据。
1.2 分析方法
使用“首都机场雷电监测预警服务”和Google Earth作为主要的分析工具，对事件全过程进行反演：
（1）找出事件发生的时间及位置;
（2）反演事件发生时的气象态势;
（3）重现空管、航司、飞行员当时面对的信息及决策依据;
（4）检讨整个事件过程中关键决策节点的失误;
（5）总结事件发生的本质原因，并提出改进建议。
2 航班轨迹及环境分析
对CZ3101航班5月26日的飞行轨迹和日常飞行轨迹进行对比，可以发现：飞机08：35起飞，大约在起飞后11：10—11：30的时间窗口中，航班调整航向绕飞雷雨过程中发生了雹击。
3.1 起飞-巡航-躲避雷雨，08：35～10：47
飞机在08：35从广州机场起飞，航路上湖北、河南、河北区域整体天气情况良好，廊坊与北京之前有大片雷暴云团。
关键节点分析：
10：47左右，航班开始向雷暴云团东部躲避，可能并不是正确的选择：
（1）受限于机载气象雷达的特性，飞行员只能观测到航行方向上的雷暴区域、且不易观测到雷暴团后面的部分。
（2）通过”首都机场雷电监测预警服务”的观测，雷暴云团向东南方向移动、逐渐增大，并且雷暴云团已经覆盖到平谷区、超过了降落机场所在的顺义区。因此往东绕飞并不能绕过雷暴区。事实证明，此后航班盘旋数圈后又向西南方向返回进行绕飞。
3.2 偏航躲避雷雨-准备降落，10：47～11：18
由于航行方向上有雷暴云团，航班改变航向，选择向东南方向躲避雷雨。并在雷暴云团东部盘旋了11分钟。
11：16，航班准备向西南绕过雷暴云团进行降落，此时航班高度3068m，向西南飞行、并开始向上爬升。
3.3 疑似雹击发生阶段，11：18～11：24
11：20，航班进入雷暴区
11：20～11：24，航班穿越雷暴区，疑似在此阶段遭受雹击。在11：25分时，CZ3101飞机发出7700紧急代码，表示飞机遭遇紧急状况。
关键节点分析：
11：18，航班向西南飞行，计划从雷暴团南部饶飞进行降落，航班穿越雷暴云团，此时雷暴过程处于高峰，雹击事件应发生在这个时间窗口。航班穿过了本不应穿越的雷暴区：
（1）缺乏对雷暴移动趋势的判断，绕飞路线位于雷暴团东南方向，而雷暴的移动方向正好为东南方向，因此本次绕飞并没有足够的绕飞距离。
（2）飞行员依据气象雷达进行绕飞，然而根据”首都机场雷电监测预警服务”的观测，在绕飞路线上雷达回波强度较低的区域反而存在强雷暴区，因此根据机载雷达错误的判断了雷暴区的大小和位置。
3.4 降落阶段，11：24～11：48
发出7700紧急代码之后，航班选择了雷达回波强度较低的区域尽快降落到北京首都机场。
4 事件发生原因分析总结
雷电及其衍生灾害气象是引发航空事故和造成航班延误的重要因素。目前民航气象对于雷暴的判断主要依据气象雷达信息进行辨识，对于雷暴的预报预警主要通过雷达信息外推，但气象雷达（无论是地面雷达还是机载雷达）本身并不能侦测雷电的发生。（1）雷电（以及冰雹）确实发生在强对流云团中，但仅仅根据对流云团的形态难以有效辨识雷电云团。部分研究认为雷达回波强度（在图中表现为不同的分色）与雷电云团有一定的关系，但在实践中这种相关性太弱。雷电云团可能位于雷达图上高亮区域（回波强度大于40dbz），但回波强度很高的区域，可能没有雷电发生。（2）航班的飞行实践中，经常以对流云团和回波强度作为雷电判别依据，进而做出延迟飞行、绕飞、备降等决策，而夏季航班延误的主因也在于此。从雷电的真实发生及分布角度来看，这样的飞行决策显然偏于保守。（3）在执飞中，很多签派及飞行的决策权是交给航司和飞行员，这使得飞行决策面临两难：或者执行安全保守原则，在并无雷电威胁的情况下造成无谓的延误;或者执行效率优先原则，面临雷电危险而不知，造成如本次雹击类似的事故。（4）本次航班在做出降落路径决定时，确实选择了云团较弱的路径进行绕飞，但偏偏在此遭遇雷暴和冰雹。CZ3101雹击事件的主因在于，缺乏有效的工具对雷电及冰雹等衍生灾害气象进行直接有效的观测、辨识和预判，导致飞行过程中的判断失误，从而引发事故。
5 结论
对于高速航空器，雷电是引发航空事故和造成航班延误的最主要的气象因素。民航气象领域对于雷暴的判断主要依据气象雷达信息进行辨识，对于雷暴的预报预警手段主要通过雷达信息外推，而气象雷达本身并不能侦测雷电的发生。因此，在雷电监测、预报、预警方面，亟需引入新的技术手段，进行更深入的研究。具体而言：（1）引入雷电实时观测数据。引入雷电实时观测数据，与气象雷达云图叠加，形成对机场及航路的强对流（尤其是雷电态势）的有效辨识。（2）引入雷电短时预报数据。引入雷电短时预报数据，结合气象雷达图的外推，实现对机场及航路未来1～2小时雷电趋势的外推和预判。
参考文献：
[1]郭洪源，崔艾军，郎凯，方月，胡海峰，吴迪.北京首都国际机场雷电监测预警系统应用分析.世界交通运输大会，2017.
[2]黄怡婷.美国及香港机场雷雨警报作业现状.飞航天气，2015，23，4.
[3]郭洪源，崔艾军，涂堃，郎凯，方月，梁毅.大型机场雷电预警系统研究.工业，2016（7）：00067-00068.
[4]天气百科：冰雹，2016，18，8.
[5]赵英梅，王继兵.防止电气设备雷电危害的方法浅析[J].机械管理开发，2007，23（1）：71-72.
[6]中国民航规章汇编-飞行标准，2016.
[7]郑永光，张小玲，周庆亮，等.强对流天气短时临近预报业务技术进展与挑战.气象，2010，36（7）：33-42.

-全文完-