飞行中风切变的处置

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1、飞行中风切变的判断及处置作者：中国国际航空股份有限公司西南分公司运行分控中心 张 序(610202)引言国际航空界公认风切变是飞机起飞和着陆阶段的一个重要危险因素。据统计,航空事 故死亡人数中的40 %为风切变所造成，与风切变有关的飞行事故都发生在300m以下的 起飞和着陆阶段,尤以着陆阶段为甚,占78 %。风切变是指空间两点之间风的矢量差，即 在同一高度或不同高度短距离内风向和(或)风速的变化。低空风切变常指高度600m 以下风向风速突然变化的现象。航空气象上根据风场的结构,把风切变分为水平风的垂直 切变、水平风的水平切变和垂直气流切变等三种类型。根据飞机相对于风矢量间的不同 情况,又可把风

2、切变分为顺风切变、逆风切变、侧风切变和垂直气流切变等四种形式。可 见，我们在飞行中会遇到各种类型，各种程度的风切变，是否准确地判断并作出正确的 处置将直接关系到我们的飞行安全。1 产生风切变的天气背景1.1 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。 特别强的下降气流称为微下击暴流,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。下击暴流中的冷下沉空气在到达地面后向四周经向辐散开，形成轴对称的出流。出 流层厚度约在500-2000m之间。图2(a)是下击暴流

3、流场结构图，可以看到在出流前沿有 一水平环状涡管存在，在涡环下方近地面水平速度达到极大值。图4(b)中还同时给出了 典型龙卷的结构特征，可以看到两者之间的显著差别。11(Tflt下去摂浇什订髭卷on啊图 1 微下击暴流流场结构图下击暴流冲击地面后在接地点会形成一个冷性的高压区，这个高压区被称之为气压 鼻”。同雷暴高压相比，气压鼻的水平尺度要小一些，一般不超过8km,持续时间约为几 分钟。一般在雷暴单体的成熟初期可以观测到气压鼻，这个时候往往也是雷暴单体开始 形成降水的时候。另外，越来越多的探测表明，微下击暴流内部其实还存在这气压值的 下降。微下击暴流爆发时形成的强烈阵风表明：微下击暴流在冲击地

4、表向外伸展时不会 因摩擦作用减弱反而是变得更加强大,这是因为微下击暴流底部存在着一个水平涡度环结 构，这一结构可以使下沉气流在垂直剖面上产生涡度环流。1.2 锋面天气锋面是产生风切变最多的气象条件。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。锋两侧气象要素有很大的差异，穿过锋面时，将碰 到突然的风速和风向变化。一般来说，在锋两侧温差大（5C ）和（或）移动快Q55km/h）的锋面附近，都会产生较强的风切变。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。1.3 辐射逆温型的低空急流天气 秋冬季

5、晴空的夜间,由于强烈的地面辐射降温而形成低空逆温层,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,一旦遭遇若处置不当也会发生危险。1.4 地理环境因素引起的低空风切变特殊的山地地形、水陆界面、高大建筑物、成片树林等自然的或人为的因素,有时也 能引起风切变现象,其风切变状况与当时的盛行风状况（方向和大小）有关,也与山地地形 的大小、复杂程度、迎风背风位置,水面的大小、与机场的距离,建筑物的大小、外形等有 关。一般山地高差大,水域面积广,建筑物高大,不仅容易产生风切变,而且其强度也较大。 处于盆地

6、的机场，如果配合低空逆温层的作用，就更容易产生水平风的垂直切变；如果 机场跑道一侧靠山，另一侧地势开阔，在某种盛行风情况下，可以产生明显的水平风的 水平切变。2 风切变导致的事故及分析1985年8月2日晚上6时05分19秒，美国一架Delta航空公司的L-1011飞机在 达拉斯一沃思堡机场坠毁。135人死亡，伤23人。国家运输安全委员会（NTSB）无法查 明在飞机坠毁的时候机组是否使用机载天气雷达。然而，NTSB在报告中声称，关于使 用机载天气雷达的证词是相互矛盾的。尽管在事故发生前后至少有3架与其非常接近的 飞机扫描到了这个雷暴，但是仍然有人提供了这样的证言：在飞机处在低高度并且与雷 暴单体

7、十分接近时，机载天气雷达不能发挥作用这个事故可能是由一个孤立的强雷暴单体产生的微下击暴流引起的，这说明了天气 常常在没有任何严重警告的情况下，也会发生急剧变化。当雷暴距离机场只有10到 20miles 时，飞行员应该避免在此机场进行飞机的起飞和着陆，因为这是一个风速最强且 最易变化的区域。飞行员在雷暴过境后也必须小心谨慎，雷暴后常常伴随着一个强大 的、阵性的外流边界，伴随着这些强风会产生下击暴流和微下击暴流，它们会产生严重 的低空风切变。据不完全统计，19701985 年的 16 年间，在国际定期和非定期航班飞行以及一些 任务飞行中，至少发生了28 起与低空风切变有关的事故。通过对这28 起飞

8、行事故的分析，可以发现低空风切变飞行事故有如下特点：1风切变飞行事故都发生在飞行高度低于300m的起飞和着陆飞行阶段，其中尤以着陆为最多。在 28 起事故中，着陆为22 起，约占78；起飞为6 起，约占22。2. 现代中、大型喷气运输机的风切变飞行事故比重较大。从24 起事故中看， DC8 和波音 707、波音727 等喷气运输机占了绝大多数。3. 风切变飞行事故与雷暴天气条件关系密切。28 起事故中有一半以上与雷暴天气条 件下的强风切变有关。4. 风切变飞行事故的出现时间和季度无一定的规律。3 现代机载设施对风切变的判别3.1 微波多普勒雷达低空风切变探测系统为确保飞机在起飞及着陆阶段的安全

9、，研制机载微波多普勒雷达低空风切变探测设 备属于一个重要的研究课题。微波多普勒雷达低空风切变探测系统的建立，将可避免飞 机在起飞与降落时与之相遇，从而消除这一影响飞行安全的巨大隐患。以往，世界范围内的机载风切变系统通常是以加速度计为传感器，利用加速度计与 机上的飞行数据来识别风切变，一旦出现危急的情况，告警机组人员立刻按综合导航系 统的指令采取规避机动即加大发动机功率和飞机的仰角。其致命弱点是只有当飞机进入 风切变环境时才探测到，若遇到强烈的风切变环境，挽救已为时过晚。近年来，机载微 波多普勒雷达低空风切变探测系统研究发展迅速，有些方面甚至取得突破性的进展。机 载微波多普勒雷达低空风切变探测系

10、统已研制成功并具有性能优异的预警功能。此外， 由于风切变现象具有尺度小、变化快、时间短及强度大等特点，要求飞行员在短的时间 内进行有效处理，故实用的机载风切变系统必须是探测、告警及回避一体化的系统，能 迅速自动地完成回避的动作。机载微波多普勒雷达低空风切变探测系统是迄今防止低空 风切变危险的理想系统，同时亦是具有相当技术难度的系统。由于飞机在遭遇风切变前 预警时间甚短，故在设计机载微波多普勒雷达低空风切变系统时，需要考虑系统具有探 测、告警及回避一体化的功能，即系统既有测定风场的探测部分及告警装置，还需与飞 行引导系统与操纵系统相交联，使飞机能自动地实现回避。特别是在遭遇强风切变时能 提前实现

11、自动回避，以便使飞行驾驶员能及时加大发动机功率，使飞机到达下降气柱（即微下冲气流）之前便能获得爬升率。此种预警功能对以往的反应式或现状式系统 而言，是根本无法实现的。从风切变现象及对飞机飞行影响的状况来看，最重要的是低空及机场进近站区附近 风切变的探测。系统可在该区域内工作，不在该范围内飞行时不工作。预警时间是系统 的重要性能指标。其与飞机机体、飞行参数及风切变场的特征参数有关。美国国家航空 航天局（NASA）和波音飞机制造公司的模拟仿真分析结果表明，其最低值应为 1530s。漏/虚警率是决定整个机载低空风切变探测系统可靠性的主要因素，风速测定的准确 与否及探测距离决定了能否准确地提前告警。地

12、杂波和海杂波是造成微波雷达系统漏/虚 警的主要因素之一，而杂波抑制是一个十分棘手的问题。由于对杂波的类型、特性及杂 波源的分布了解不详，加上技术手段受到种种限制，故这一问题迄今尚未得到很好地解 决。但机载微波多普勒雷达低空风切变探测系统必须考虑漏/虚警率，具体性能指标目前 尚难以确定，这需要通过大量的实际飞行试验与统计来取得。统计中采用了蒙特卡洛方 法的概率分析，亦需采用大量的数值仿真。不过，借助地面系统的数据作为参考，漏/虚 警率指标至少都应在10-4 以下。美国提出，该系统应至少具有2000 飞行小时的正常工 作性能。3.2 利用座舱仪表判别在机载微波多普勒雷达低空风切变探测系统还不够完善

13、的情况下，座舱仪表判别方 法是飞行员必须掌握的。3.2.1 空速表空速表是飞机遇到风切变时反应最灵敏的仪表之一。飞机遭遇风切变时空速表指示 值一般都会发生急剧变化。所以，一旦出现这种异常指示，即应警惕风切变的危害。美 国波音公司规定，当空速表指示值突然改变2837km/h时，应中止起飞或不作进近着 陆。在穿越微下击暴流时，往往是先逆风使空速增加，紧接着就是顺风使空速迅速减 小，而真正的危害发生在空速迅速下降的时刻，因此不要被短时的增速所迷惑。3.2.2 高度表高度表指示的正常下滑高度是飞机进近着陆的重要依据。如果飞机在下滑过程中高 度表指示出现异常，大幅度偏离正常高度值时，必须立即采取措施，及

14、时拉起，当然也 应注意在遭遇微下击暴流时，会出现因遇强逆风而短暂的使飞机高于正常下滑高度的现 象，紧接着就会发生危险的掉高度，不要作出错误的判断。3.2.3 升降速度表升降速度表与高度表的关系密切，在遭遇风切变使反应很明显。如果见到升降速度 表异常，特别是下沉速率明显加大时，必须充分注意。美国波音公司建议在下降速度短 时内改变值达到500ft/m，即认为遇到强风切变，飞行员应采取复飞等相应措施。3.2.4 俯仰角度指示器俯仰角是飞机起飞、着陆时飞行员必须掌握的重要参数。例如，许多喷气运输机多 采用-3角下降，+6或+10角起飞，在起落过程中通常控制该值保持基本不变。一旦遭 遇风切变，俯仰角指示

15、将迅速发生变化，变化越快、越大，则危害越大。美国波音公司 规定，俯仰角指示突然改变超过5时，即应认为遭遇强风切变，应停止进近而复飞。4 遭遇风切变时应采取的措施4.1 风切变对飞行的影响分析风切变表现为气流运动速度和方向的突然变化。飞行在这种环境中飞行，相应的就 要发生突然性的空速变化，空速变化引起了升力变化，升力变化又引起了飞机高度的变 化。如果遇到的是空速突然减小，而飞行员又未能立即采取措施，飞机就要掉高度，以 至发生事故。假定飞机开始是顶风飞行的。这是空速，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。当飞机进入风切变层后，如果原有的逆风突 然降为零，空速就

16、要较低，降低值与逆风分量变化相同。这时，如果飞机的迎角不变， 升力也就要随之降低。升力降低的结果使飞机向不平衡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，这时要想保 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速到所需的速 度，风切变就不会造成影响，问题就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等）的时间等等。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。他假设飞机在 风速为36km/h （10m/s）的顶风中飞行，空速为180km/h,地速为144km/h,突然进入 风速为零的区域，空速降低到144km/h，在这种情况下，