民航气象-风切变对航空影响(基础)

风切变对航空的影响民航河北空管分局所谓低空风切变是在近地面层附近的每一高度上或不同高度上很短距离内风向风速发生较大的变化。或在短距离上升、下沉气流突然变化的现象，也就是说在低空600米高度以下的平埸风的矢量在空间两点之间的差值。气象学根据风埸的空间结构把风切变分为三种类型。（1）水平风的垂直切变。这是指水平风在垂直方向上两个不同高度点之间的风向和风速的变化。（2）水平风的水平切变。这是指水平风在水平方向上两个不同距离点之间的风向和风速的变化。（3）垂直风的切变。这是指上升或下降气流(垂直风)在水平方向(或航迹方向)上的变化。第一部分低空风切变的定义我们简单地分析一下在风切变条件下，在空中飞行的飞机所受到各种力的情况。假定飞机开始是顶风飞行的，这时空速、地速和流过机翼表面的气流和产生的升力都是恒定的。地速等于空速减去顶风分量。当飞机进入风切变后，如果原有的逆风突然降为零，空速就要降低，降低值与逆风分量变化相同。这时如果飞机迎角不变，升力也就随之要降低。升力降低的结果使飞机向不平横诸力的合力方向加速。当飞机的总重量变化不大时，由于升力不再与总重量平衡，飞机就要掉高度。显然，这时飞机要保持原有的升力，就必须增大推力，使飞机加速，如果飞机能在一瞬间就加到所需的速度，风切变就不会造成影响，然而问题在于飞机改变速度需要时间，这个时间主要是：飞行员的反应时间、发动机增加(或降低)功率的时间、飞行员操纵飞机改变飞行状态(增大或减小迎角、保持合适的升降速度等)的时间等等。风切变是怎样对飞机造成影响的呢?美国曾计算过某大型喷气飞机在风切变条件下改变空速需用的时间。假设飞机在风速为36公里/小时(10M/S)的顶风中飞行，空速为180公里/小时，地速为144公里/小时，突然进入风速为零的区域，空速降低到144公里/小时，在这种情况下，增加地速，使飞机空速恢复到180公里/小时，最少也要176秒钟，而飞机穿过风切变时间只需几秒钟。如果飞行员不能在这几秒钟之内操纵飞机使其高度不致降低过多以便完成增速的话，飞机就有坠毁的危险。风切变是怎样对飞机造成影响的呢?波音公司风切变研究组分析原因时指出：一是飞机已经下降到接近地面，改变下滑航经角需要时间，而当遇到严重风切变条件时，等反映过来可能已经没有时间来改变了；二是在风切变情况下，一般天气都非常复杂，飞行员用手操作进行时，工作量很大，他的注意力一般都集中在飞行指引仪的指令，而顾不上其他指示，如垂直航径的仪表，因此，不能早期发现飞机偏离垂直航径；三是进近时逐步回收油门，可能掩盖空速降低的趋势；四是由于天气条件恶劣，飞行员集中精力考虑是否应该落地，而干扰了飞行员判断航径质量的能力。如没有经过有效的风切变训练，这些情况能分散飞行员对有关仪表的注意力；五是飞行员一般具有在颠簸天气飞行的成功经验，而且已经到达预定的落地机场，这种强烈的落地愿望很可能延迟他作出复飞的决定，等他决定时可能已经来不及了。为什么在飞机着陆时遇到低空风切变容易发生事故?飞机在大气中飞行，会遇到顺风、逆风、侧风和垂直风等因素的影响。因此，根据飞机相对于风矢量的方位不同，把风切变区分为：顺风切变、逆风切变、侧风切变和下冲气流等四种形式。第二部分低空风切变的表现形式（1）顺风切变：是指飞机从静风到小顺风、小顺风到大顺风、逆风到静风、大逆风到小逆风区域内飞行，这是一种比较危险的风切变。在这种情形下飞行，由于顺风矢量增大，机体与空气的相对速度减少，升力随之减少，飞机从正常轨道下跌。如果目测高度低，不及时修正，在着陆过程中，飞机将会提前触地不同高度的顺风切变着陆示意图（2）逆风切变：是指飞机从顺风由大到小、顺风到静风、静风到小逆风、小逆风到大逆风。在这种情况下飞行，由于顺风矢量减小，逆风矢量增大，机体与空气的相对速度增加，升力随之增大，飞机将高于正常轨迹。在着陆过程中，如果目测过高，不及时修正，就会造成飞机着陆速度过大，滑跑距离增长，甚至会冲出跑道。不同高度的逆风切变着陆示意图（3）侧风切变：是指飞机从一种侧风（或无侧风）状态进入另一种明显不同的侧风状态的情况。在着陆过程中，使飞机向左或向右偏航，发生侧滑、滚转或偏转而对不准跑道。（4）下冲气流切变：是指飞机从无明显的升降气流区域进入到强烈的下冲气流区域的情形，在这种情形下飞行的危害最大，也是最危险的。飞机突然下沉容易发生事故第三部分产生低空风切变的天气背景和环境条件（1）强对流天气。通常指雷暴、积雨云等天气。在这种天气条件影响下的一定空间范围内，均可产生较强的风切变。尤其是在雷暴云体中的强烈下降气流区和积雨云的前缘阵风锋区更为严重。对于特别强的下降气流称为微下冲气流，是对飞行危害最大的一种。它是以垂直风为主要特征的综合风切变区。（2）锋面天气。无论是冷锋、暖锋或锢囚锋均可产生低空风切变。不过其强度和区域范围不尽相同。这种天气的风切变多以水平风的水平和垂直切变为主(但锋面雷暴天气除外)。一般来说其危害程度不如强对流天气的风切变。在这种情形下飞行，注意风向、风速的变化，及时修正，一般问题不大。太原机场冷锋型低空风切变的分析由于此次冷空气主力路径偏东，因此风向首先从R31开始变化，5-6分钟后R13也由偏北风转为稳定的偏东风，而低空风切变正好出现在这两头风向相差较大（变化超过60度以上）的5-6分钟内，在此期间跑道两头表现为水平风向的切变（偏北风和东风的切变）。低空风切变发生前后各30分钟跑道两头的风向变化（黑三角处为风切变发生时间，横轴每间隔1分钟一个数据。（3）辐射逆温型的低空急流天气。秋冬季睛空的夜间，由于强烈的地面辐射降温而形成低空逆温层的存在，该逆温层上面有动量堆集，风速较大形成急流，而逆温层下面风速较小，近地面往往是静风，故有逆温风切变产生。该类风切变强度通常更小些，但它容易被人忽视，（4）地形地物：当机埸周围山脉较多或地形较复杂时，常会遇到由于地形造成的低空风切变。当盛行风横越山脉时，在其迎风坡会形成上升气流，飞机会上升高度。而在背风坡出现下降气流时，飞机会掉高度，在山顶附近的风速将会增大。第四部分低空风切变的强度(1)水平风的垂直切变强度标准强度等级数值标准米/秒/30米1/秒轻度0-20-0.07中度2.1-40.08-0.13强烈4.1-60.14-0.2严重60.2低空风切变对飞行的危害程度与飞机性能和飞行员的驾驶水平有关，因此很难进行实质性描述。国际民航组织采用的低空风切变强度等级见下表。空气层垂直厚度取30米，风资料取2分钟左右的平均值，0.1以上的垂直切变就会对喷气式运输机带来威胁。(2)水平风的水平切变强度标准水平风的水平切变强度标准。该项尚无统一标准。但美国在机场低空风切变警报系统中采用了一个水平风切变强度报警标准值。该系统在机场平面有六个测风站，即中央站和五个外站。各外站和中央站间距离平均约为3公里。系统规定每一分钟与中央站的风向量差达7.7米/秒以上时系统即发出报警信号，以此推算，2.6米/秒/公里可作为能对飞行构成危害的水平风的水平切变强度标准。下降气流下冲气流91米高度上的下降速度3.6米/秒3.6米/秒800米直径内的辐散值144/时144/时垂直风的切变强度，在相同的空间距离内主要由垂直风本身的大小来决定。是以下降气流速度和到达地区的辐散值来确定的，对飞行安全危害最大的是强下降气流。根据著名气象学家藤田和科尔斯的建议，提出了一种称之为下冲气流数值的标准。它以下降气流速度和到达地面的辐散值来确定。后来对于危害最大的直径小于4公里的下冲气流称之为微下冲气流。(3)垂直风切变的强度标准各类低空风切变的时空尺度特征及其对飞行的危害程度类型水平尺度(km)时间尺度(h)对飞行危害程度微下冲气流0.04～4.00.1～0.3大下冲气流4～100.3～0.7大雷暴阵风锋101100中冷锋102101中暖锋102101中逆温层附近急流10-1～100100中地形风切变10-1～100100小水陆界面风切变10-1～100100小由于风切变现象具有时间短、尺度小、强度大的特点，从而带来了探测难、预报难、航管难、飞行难等一系列困难，是一个不易解决的航空气象难题。某些强风切变是现有飞机的性能所不能抗拒的，因此，目前对付风切变的最好办法就是避开它。进行风切变的飞行员培训和飞行操作程序设置，在机场安装风切变探测和报警系统，以及机载风切变探测、告警、回避系统，都是目前减轻和避免风切变危害的主要途径。第五部分应对低空风切变因此关于飞机遭遇风切变的问题,重点不是飞行员如何改出,如何操纵,而是气象工作者如何抓住天气系统,进行准确的预报,在飞行状态中如何得到预警系统的告知,如何防范、避免出现不堪设想的后果,因此如何防范低空风切变,如何预报低空风切变,是摆在气象工作者面前的一大课题。风廓线雷达在机场的应用奥地利，英斯布鲁克机场1280MHz风廓线雷达意大利，西西里卡塔亚机场LAP®-16000TargetMarket香港机场LAP-3000系统2002年亚特兰帝斯号发射，Merritt岛航空风分析工具•维萨拉计划开发专门为飞行而设计的软件产品，暂时命名为“AWAT”，这将包括：•－相对于跑道方向的，不同高度经过计算的风速变化•－与跑道方向无关的，经过计算的风切变•－当风速超过用户定义的风向和高度和临界值时的识别•AWAT将提供数十公里，数十分钟内发生的风的信息。这一空间和时间的尺度是由风廓线雷达采样（平均〕间隔时间决定的。多个气流带ConvectiveBoundaryLayerJetJetEddyConvectiveBoundaryLayerUpper-LevelSynopticWindsMid-LevelWindsMarineLayerSeaBreeze多高度风切变Low-LevelTerrain-ShieldedWinds飓风飓风Nora产生的平流，美国加州风廓线雷达时间－高度图显示的风切变WindShear中层急流急流上升分离带分离带