風切變

風切變

風切變是一種大氣現象風矢量(風向、風速)在空中水準和(或)垂直距離上的變化。

風切變按風向可分為水準風的水準切變、水準風的垂直切變、垂直風的切變。

垂直風切變的存在會對橋梁、高層建築、航空飛行等造成破壞。發生在低空的風切變是飛機起飛和著陸階段的一個重要危險因素,被人們稱為"無形殺手"。

  • 中文名稱
    風切變
  • 外文名稱
    wind shear
  • 別名
    風切、風剪
  • 類別
    大氣現象

形成原因

產生風切變的原因主要有兩大類,一類是大氣運動本身的變化所造成的;另一類則是地理、環境因素所造成的。有時是兩者綜合而成。

天氣因素

產生風切變的天氣背景。能夠產生有一定影響的低空風切變的天氣背景主要有三類。

風切變風切變

a. 強對流天氣。通常指雷暴、積雨雲等天氣。在這種天氣條件影響下的一定空間範圍內,均可產生較強的風切變。尤其是在雷暴雲體中的強烈下降氣流區和積雨雲的前緣陣風鋒區更為嚴重。對于特別強的下降氣流稱為微下沖氣流,是對飛行危害最大的一種。它是以垂直風為主要特征的綜合風切變區。

b.鋒面天氣。無論是冷鋒暖鋒或錮囚鋒均可產生低空風切變。不過其強度和區域範圍不盡相同。這種天氣的風切變多以水準風的水準和垂直切變為主(但鋒面雷暴天氣除外)。一般來說其危害程度不如強對流天氣的風切變。

c. 輻射逆溫型的低空急流天氣。秋冬季睛空的夜間,由于強烈的地面輻射降溫而形成低空逆溫層的存在,該逆溫層上面有動量堆集,風速較大形成急流,而逆溫層下面風速較小,近地面往往是靜風,故有逆溫風切變產生。該類風切變強度通常更小些,但它容易被人忽視,一旦遭遇若處置不當也會發生危險。

地理、環境因素

地理、環境因素引起的風切變。這裏的地理、環境因素主要是指山地地形、水陸介面、高大建築物、成片樹林與其它自然的和人為的因素。這些因素也能引起風切變現象。其風切變狀況與當時的盛行風狀況(方向和大小)有關,也與山地地形的大小、復雜程度,迎風背風位置,水面的大小和機場離水面的距離,建築物的大小、外形等有關。一般山地高差大,水域面積大、建築物高大,不僅容易產生風切變,而且其強度也較大。

類別劃分

根據風向分

為了確保全全,國際航空、航天和氣象界都積極開展低空風切變的研究。風切變常分為以下幾種:

風切變風切變

①水準風的水準切變(又稱水準風切變)是風向和(或)風速在水準距離上的變化;

②水準風的垂直切變(又稱垂直風切變)是風向和(或)風速在垂直距離上的變化;

③垂直風的切變是垂直風(即升降氣流)在水準或航跡方向上的變化。下沖氣流是垂直風的切變的一種形式,呈現為一股強烈的下降氣流。範圍小而強度很大的下沖氣流稱為微下沖氣流。

根據高度分

風切變可以出現在高空,也可以出現在低空。出現在600米以下的叫低空風切變。

強度標準

低空風切變的強度直接關系到飛行安全。它表示了對飛行的危害程度,目前推出使用的有下列三種。

水準風的垂直切變強度標準

國際民航組織頒布標準:一般認為0.1米/秒以上的垂直切變會對噴氣運輸機帶來威脅。

水準風的水準切變強度標準

該項尚無統一標準。但美國在機場低空風切變警報系統中採用了一個水準風切變強度報警標準值。該系統在機場平面有六個測風站,即中央站和五個外站。各外站和中央站間距離平均約為3公裏。系統規定每一分鍾與中央站的風向量差達7.7米/秒以上時系統即發出報警信號,以此推算,2.6米/秒/公裏可作為能對飛行構成危害的水準風的水準切變強度標準。

風切變風切變

垂直風的切變強度標準

垂直風的切變強度,在相同的空間距離內主要由垂直風本身的大小變化來決定。對飛行安全危害最大的是強下降氣流。根據著名氣象學家藤田和科爾斯的建議,提出了一種稱之為下沖氣流數值的標準。它以下降氣流速度和到達地面的輻散值來確定。後來對于危害最大的直徑小于4公裏的下沖氣流稱之為微下沖氣流。

危害淺析

原理

對飛機起飛和著陸安全威脅最大的是低空風切變,即發生在著陸進場或起飛爬升階段的風切變。它不僅能使飛機航跡偏離,而且可能使飛機失去穩定。如果駕駛員判斷失誤和處置不當,則常會產生嚴重後果。世界上曾因此發生多起機毀人亡的事故。風切變還嚴重影響火箭飛行的穩定性,火箭設計和發射時的環境限製條件包括風切變。風切變主要由鋒面(冷暖空氣的交介面)、逆溫層、雷、復雜地形地物和地面摩擦效應等因素引起。

由微下擊氣流引發的風切變示意圖由微下擊氣流引發的風切變示意圖

低空風切變的危害性是由風切變的本身特徵造成的。以微下沖氣流危害性最大,它是以垂直風切變為主要特征的綜合風切變區。由于在水準方向垂直運動的氣流存在很大的速度梯度,也就是說垂直運動的風速會出現突然的加劇,就產生了特別強的下降氣流,被稱為微下沖氣流。這個強烈的下降氣流存在一個有限的區域內,並且與地面撞擊後轉向與地面平行而變成為水準風,風向以撞擊點為圓心四面發散,所以在一個更大一些的區域內,又形成了水準風切變。如果飛機在起飛和降落階段進入這個區域,就有可能造成失事。比如,當飛機著陸時,下滑通道正好通過微下沖氣流,那麽飛機會突然的非正常下降,偏離原有的下滑軌跡,有可能高度過低造成危險。當飛機飛出微下沖氣流後,又進入了順風氣流,使飛機與氣流的相對速度突然降低,由于飛機在著陸過程中本來就在不斷減速,我們知道飛機的飛行速度必須大于最小速度才能不失速,突然的減速就很可能使飛機進入失速狀態,飛行姿態不可控,而在如此低的高度和速度下,根本不可能留給飛行員空間和時間來恢復控製,從而造成飛行事故。

嚴重的低空風切變,常發生在低空急流即狹長的強風區,對飛行安全威脅極大。這種風切變氣流常從高空急速下沖,像向下傾瀉的巨型水龍頭,當飛機進入該區域時,先遇強逆風,後遇猛烈的下沉氣流,隨後又是強順風,飛機就像狂風中的樹葉被拋上拋下而失去控製,因此,極易發生嚴重的墜落事件。

特點

強烈的垂直風切變的存在會對橋梁、高層建築、航空飛行等造成強烈的破壞作用,可造成橋梁樓房坍塌、飛機墜毀等惡性事故,給人類生活造成嚴重影響。低空風切變對飛機起飛和著陸安全威脅最大。

在1970年-1985年的16年間,在國際定期和非定期航班飛行以及一些任務飛行中,據不完全統計,至少發生過28起與低空風切變有關的飛行事故,絕大多數都發生在飛行高度低于300米的起飛和著陸階段,其中尤以著陸為最多。通過對這28起飛行事故的分析,可以發現低空風切變飛行事故有如下特點:

1.風切變飛行事故都發生在飛行高度低于300m的起飛和著陸階段,其中尤以著陸為最多。

2.現代中、大型噴氣運輸機的風切變飛行事故比重較大。

3.風切變飛行事故與雷暴天氣條件關系密切。

4.風切變飛行事故的出現時間和季節無一定的規律。

研究進展

1985年,美國達拉斯-福斯機場飛機墜毀, 137人死亡。 從此,風切變被當作一項國際課題開始研究。

由于風切變現象具有時間短、尺度小、強度大的特點,從而帶來了探測難、預報難、航管難、飛行難等一系列困難,是一個不易解決的航空氣象難題。因此,目前對付風切變得最好辦法就是避開它。因為某些強風切變是現有飛機的性能所不能抗拒的。進行風切變的飛行員培訓和飛行操作程式設定,在機場安裝風切變探測和報警系統,以及機載風切變探測、告警、回避系統,都是目前減輕和避免風切變危害的主要途徑。1985年以後,美國所有的飛機都安裝了風切變檢測儀。加拿大1990年代開始安裝。

判斷防範

判斷方法

目視判別法

1.雷暴冷性外流氣流的塵雲。雷暴冷性外流氣流前緣的強勁氣流吹起的塵雲隨氣流移動,通常緊跟在塵雲之後就是強烈的風切變。

2.雷暴雲體下垂的雨幡是有強烈下沖氣流的重要征兆,雨幡下垂高度越低、個體形狀越大,色澤越暗,預示著風切變下擊暴流越強。

3.滾軸狀雲。在冷峰性雷暴中,強冷性外流氣流會有渦旋運動結構,並伴有低空滾軸狀雲。這種雲的出現,預示著強低空風切變的存在。

座艙儀表判別法

1.空速表

空速表是飛機遭遇風切變時,反映最靈敏的儀表之一,一旦出現異常指示,即應警惕風切變的危害。波音公司規定空速表指示突然改變15-20海裏/小時,應視為風切變,不作進近著陸。這種大幅度波動的指示空速,往往帶來判斷和操縱上的失誤。在地面時,則應中止起飛。

2.高度表

高度表指示的正常下滑高度是飛機進近著陸的重要資料。在下滑過程中,高度表短時間大幅偏離正常值時,必須立即採取措施復飛。

3.升降速率表

升降速率表與高度表關系密切,在遭遇風切變時反應明顯。波音公司建議在下降速度短時間內改變值達500Ft/m,即認為遇到強風切變。駕駛員應當採取相應措施。

4.俯仰姿態指示器

俯仰角是飛機起飛、著陸時飛行員掌握的重要參數。遭遇風切變時,俯仰角指示迅速發生變化,改變突然超過5度時,即認為遭遇到風切變,飛行員應中止進近。

防範措施

飛行中遭遇風切變是一個極為困難和復雜的問題。能給飛行員做出反應,採取措施,控製飛行軌跡直到改出的時間非常短促,為了迅速而準確地作出反應,飛行員應:

1.認真了解天氣預報,對風切變可能出現的位置、高度、強度要有心理上的準備。

2.註意收聽地面氣象報告和別的飛機在起飛,進近過程中的報告,了解風切變的存在及其性質,對自己所駕飛機能否通過風切變進行風險評估,做出正確的決斷。通常應採取避開,等待,備降等措施。

3.加強機組協同,充分利用駕駛艙資源。復雜天氣飛行時,機長要組織機組人員分工負責。起飛、進近中各種口令要清晰到位。機組人員應不間斷地掃視儀表,密切註意有無異常現象,對跑道環境,風向風速,復飛程式等要了如指掌。做到一旦有異常情況就能及時發現,立即採取對策。

4.不要有意識地作穿越嚴重風切變或強下降氣流區域的嘗試,特別是在山區,低高度,或一發失效時更是如此。

5.要與雷暴的強下擊氣流區保持距離。雷暴的外流氣流可超越雷暴之前20一30公裏。不要僥幸搶飛這一區域。

6.在最後進近階段如遇到風切變時,隻要無法重建穩定著陸剖面,就應立即採取有關程式,脫離切變區進行復飛,加入等待或到備降場著陸。堅決反對盲目蠻幹。

7.飛機遭遇風切變時,在完成脫離程式後,應立即將風切變出現的區域、高度、空速變化範圍等報告飛行管製部門,以避免其他飛機誤人其中。

相關事件

1985年8月2日,達美航空191號航班在美國達拉斯-沃斯堡國際機場墜毀,造成137人死亡。

風切變事故風切變事故

2009年3月23日,聯邦快遞80號班機在日本成田國際機場降落時,因風切變墜毀,2名駕駛員遇難。

2014年7月,台灣失事飛機2個黑匣子找到,懷疑風切變是元凶。

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