飞行中风切变的处置

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。

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（≥5℃）和（或）移动快

（≥55km/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－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，1970－1985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，DC－8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，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