《飞机颠簸产生的可能机制及其在天气预测上的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《飞机颠簸产生的可能机制及其在天气预测上的应用（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、飞机颠簸产生的可能机制及其在天气预测上的应用飞 机颠簸 产生的可 能机制 及其在 天气预 测上的应 用 Possible Mechanism of Airplane Bumps and its Application in Weather Prediction 王 淑翠李 子良 全日 制学术学 位 气 象学 中尺度 气象学 2013 6 1 谨 以 此论 文 献给 我 的导 师、 家 人、朋 友和所 有 关心 帮助 我 的人 。 王淑翠2013 年 6 月 于青 岛飞 机颠簸 产生的可 能机制 及其在天 气预测 上的应用 摘要 本文首先基于不可压缩流体包辛内斯克方程组, 利用傅里叶变换法和流动
2、内边界条件, 推导分层模式气流过山脉地形的垂直速度解析表 达式, 研究山脉地区分层模式气流过地形的稳定性及其引起飞机载荷因素的变化。 利用产生飞机颠簸的数值仿真实验, 研究地形和急流相互作用下发生飞机颠簸的可能机制。 研究结果表明, 急流北 侧,大 气运动往 往是惯 性稳定 的,天气 尺度的 对流不 稳定发展常在低压气旋区产生飞机颠簸。 天气尺度对流不稳定发展可能会激发重力波, 重力波失稳破碎成湍流可能会引起飞机颠簸。 急流附近的强风切变与对流不稳定造成的湍流发展相互作用, 使穿越急流区的飞机产生强烈的颠簸。 在急流南侧, 大气运动往往是惯性不稳定的, 有可能激发惯性重力波, 惯性重力波不稳定
3、发展破碎成湍 流, 在稳定的大气层结条件下, 惯性不稳定运动常在高压反气旋区引起飞机颠簸。这可能是飞机在山脉地区急流附近产生颠簸的两种可能机制。 在理论分析的基础上, 本文针对 2012 年 5 月 10 日发生在广州至上海航线的飞机颠簸个例进行诊断分析, 利用 NCEP/NCAR 再分析资料等对飞机颠簸发生时的背景天气形势、动力和热力条件进行诊断,研究此次飞机颠簸产生的可能原因。研究结论表明, 颠簸区域位于高空高压脊后, 飞机穿越等高线密集区域, 在高空急流南侧反气旋区, 可能由于惯性重力波不稳定破碎产生飞机颠簸。 颠簸区域位于急流区边缘有强的风速切变 处, 较小的风速切变有利于重力波的产生
4、, 但是随着风切变的增加, 重力波会破碎成湍流, 引起晴空湍流和晴空飞行颠簸, 地形和急流的相互作用可能是此次飞机发生颠簸的主要原因。关键词:飞机颠簸,分层流体,急流,地形,重力波 Possible Mechanism of Airplane Bumps and its Application in Weather PredictionAbstract Based on the basic atmospheric dynamical equations, the exact solutions are derived by using the integral transform method
5、 and the layered-flow dynamical equations, where the two-layered flow, three-layered flow and multi-layered flow over topography are considered. The airplane bump induced by the topography and layered Jet stream are analyzed according to the relationship between the aircraft load factor and the vert
6、ical velocity excited by layered flow over topography. The results show that: the airplane bump caused by inertial instability often occurs in the area of high pressure where the stratification is stable in atmosphere, while the airplane bump caused by convective instability often occurs in the area
7、 of low pressureReanalyzed data are used to investigate the formation of an airplane bump which happens on May 10,2012. Via diagnosis of the background weather situation, associated with the dynamic or thermodynamic conditions, the possible causes of the airplane bump are revealed. Conclusions are a
8、s follows: airplane bumps caused by inertial instability, which occur in the regions of high-level anticyclone with strong winds and wind shear. The instability of inertial can induce that gravity waves to be broken and the turbulence can occur when the wind shear is getting large enough. The theore
9、tical research and diagnostic analysis above show the possible mechanism of airplane bumps induced by the interaction of topography and layered Jet stream. The results can improve the forecast of airplane bump Keywords Airplane bump; Layered flow ; Jet stream ; Topography; Gravity wave目录 第一章 绪论 1 1.
10、1 引言 1 1.2 飞机颠簸 的研究现状 2 1.2.1 理论机制研究. 2 1.2.2 资料分析应用. 5 1.2.3 数值模拟实验. 7 1.3 研究目的与意义. 9 1.4 研究内容与方案. 9 第二章 分层气流过地形引起飞机颠簸的可能机制研究 10 2.1 描述大气运动的方程组. 10 2.2 气流过地形垂直运动速度方程. 12 2.3 分层模式气流过地形引起飞机载荷因数变化的理论分析 12 2.3.1 分层模式气流过地形的垂直运动速度表达式. 12 2.3.2 两层和三层模式气流过地形的垂直运动速度解析解. 15 2.3.3 两层模式气流过地形 对飞机载荷因数变化的影响 18 2.
11、4 分层急流过地形的稳定性及其产生飞机颠簸的可能机制 20 2.5 本章小结. 25 第三章 飞机颠簸个例资料分析. 27 3.1 个例选取. 27 3.2 资料介绍. 28 3.3 天气形势分析 28 3.3.1 近地面天气形势. 28 3.3.2 中高空天气形势. 29 3.4 动力、热力条件. 36 3.4.1 垂直运动条件 36 3.4.2 温度场的影响 43 3.5 飞机颠簸产生的可能原因分析. 45 3.5.1 云系 45 3.5.2 湍流运动. 45 3.5.3 不稳定条件 48 3.5.4 高低空急流的影响 49 3.6 本章小结. 56 第四章 结论与展望. 57 4.1 主
12、要结论. 57 4.2 不足与展望 58 参考文献 59 致 谢 62 个人简历 63 发表的学术论文 63 飞机颠 簸产 生的 可能 机制 及其在 天气 预测 上的 应用 第 一章 绪论 1.1 引言 航空在现代运输业中占有重要位置, 方便快捷的空中运输给国民经济发展和人民生活带来了极大的便利, 因此, 保障飞行安全有着重大意义。 天气原因是造成飞机 安全事 故的 主要 外界因 素,据 统计 ,30% 的飞 行事故 与天 气有 关。飞 机颠簸是飞机在飞行过程中, 由于遭遇扰动气流或者受不均匀空气动力冲击, 突然出现左右摇晃、 上下抛掷、 前后颠顿和局部抖动, 造成仪表不准、 操作困难的现象(
13、黄仪方,朱志愈 2002,139-148)。 飞机颠簸严重威胁着飞行安全。 轻度颠簸会使机身出现轻微抖动或抛掷, 乘客会稍感不适, 一般对飞行影响不大。 发生中度颠簸时, 飞机的航向、 高度、 姿态等均会发生变化, 出现急剧抛掷或冲击, 机舱内未固定的物品会发生移位, 乘客出现身体不适, 但飞机仍能操纵飞行。 飞机遇到强颠簸时, 机身剧烈颠簸, 飞行高度变化大, 甚至在一分钟内飞机上下抛 掷十几次, 当空速变化大于 20 km/h 时, 飞机将会暂时失去控制, 若飞行员操作不当极易造成飞行事故。 当飞机遭遇极强颠簸时, 由于受到较大的负荷变化, 飞机各部件都可能产生变形或受损, 严重时会造成飞
14、机解体,发生重大安全事故。 飞机颠簸是飞机遭遇大气湍流扰动产生的。 依据成因, 引起飞机颠簸的大气湍流可分为晴空湍流、 动力湍流、 热力湍流和航迹湍流。 其中晴空湍流又称高空乱流, 一般出现在六千米以上的高空, 与对流云无关, 其成因与强垂直风切变密切相关, 当温度场和风场急剧变化时, 就会出现强烈的乱流 , 由此引起的晴空颠簸(Clear Air Turbulence ,CAT) 发生 时没有 明 显的 天气 现象 伴随, 颠 簸区 与无颠簸区无明显边界, 故最难以预见, 对飞行威胁很大, 往往使飞机突然产生中度或强烈颠簸, 多出现在对流层上部和平流层; 动力湍流是空气流经粗糙不平的地表面
15、或障碍 物时 出现 的湍流 ,与地 形有 关, 其影响 范围多 在 1 ?2 km 高度以下, 湍流强度和规模取决于风向风速、 下垫面粗糙度和近地层大气稳定度三个因素, 常 见于高纬度大陆 , 在山区或地表粗糙区域 上空飞行时, 动力湍流 造成的颠簸比较常见 ; 热力湍流由空气热力原因形成, 空气在非均匀加热条件下形成对流,对流运动 在一定条件下转化为湍流运动, 特别是在气流的边缘部分, 这些湍流运动常常出现在对流层低层, 当有较强的热力对流发展时, 也可能扩展到高空, 热1 飞机颠 簸产 生的 可能 机制 及其在 天气 预测 上的 应用 力湍流在 低纬度地区 比较常见 , 多发生在夏季的中午
16、和午后 ; 航迹湍流又称飞机尾流, 是飞机在飞行时由翼尖附件分离出来的一对绕翼尖旋转的方向相反的闭合涡旋, 当后面的飞机进入前面飞机的尾流区时, 可能会出现抖动、 下沉甚至失控翻转等现象,处置不当极易产生颠簸,造成飞行事故(孙智博,2011)。 伴随着我国国民经济与科技的高速发展, 我国民用航空事业进步飞快, 航线网络覆盖率越来越高,越来越多的西部 高原山区实现了通航。高原上地势起伏,山峰连绵, 气候条件复杂, 天气形势多变, 在高原航线上, 飞机颠簸不仅概率大而且强度高,因此研究地形与飞机颠簸的关系具有重要的理论意义和现实价值。本文基于不可压缩流体运动方程组,研究山脉地区分层模式气流过地 形的稳定性,解释山脉附近发生飞机颠簸的可能机制,结合飞机颠簸观测资料分析结果,探索分层急流和地形相互作用对飞行的影响, 得出一些新的结论, 为提高航空气象预报技术、 更好地保障飞行安全提供理论依据, 也为今后飞机颠簸产生机理研究和预报技术提高提供理论参考。 1.2 飞机颠簸的 研究现 状 国
