飞行中风切变的判断及处置
<P align=center> 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）</P><P> 引 言</P>
<P> 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。</P>
<P> 1产生风切变的天气背景</P>
<P> 1.1强对流天气</P>
<P> 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。</P>
<P> 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。</P>
<P align=center><IMG src="http://wiki.carnoc.com/upload/f071109/f0711091004228c.jpg"></P>
<P align=center> 图1 微下击暴流流场结构图</P>
<P> 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。</P>
<P> 1.2锋面天气</P>
<P> 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。</P>
<P> 1.3辐射逆温型的低空急流天气</P>
<P> 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。</P>
<P> 1.4地理环境因素引起的低空风切变</P>
<P> 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。</P>
<P> 2风切变导致的事故及分析</P>
<P> 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……"</P>
<P> 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。</P>
<P> 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。</P>
<P> 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：</P>
<P> 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％。</P>
<P> 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。</P>
<P> 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。</P>
<P> 4.风切变飞行事故的出现时间和季度无一定的规律。</P>
<P> 3 现代机载设施对风切变的判别</P>
<P> 3.1微波多普勒雷达低空风切变探测系统</P>
<P> 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。</P>
<P> 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（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。 </P>
<P> 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15~30s。 </P>
<P> 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。</P>
<P> 3.2利用座舱仪表判别</P>
<P> 在机载微波多普勒雷达低空风切变探测系统还不够完善的情况下，座舱仪表判别方法是飞行员必须掌握的。</P>
<P> 3.2.1空速表</P>
<P> 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28－37km/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。</P>
<P> 3.2.2高度表</P>
<P> 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。</P>
<P> 3.2.3升降速度表</P>
<P> 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。</P>
<P> 3.2.4俯仰角度指示器</P>
<P> 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。</P>
<P> 4 遭遇风切变时应采取的措施</P>
<P> 4.1风切变对飞行的影响分析</P>
<P> 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。</P>
<P> 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。</P>
<P> 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，增加地速，使飞机空速恢复到180km/h所需的时间如下：</P>
<P> 地速增量（km/h） 增速时间（s）</P>
<P> 144 0.0</P>
<P> 144－155 39.9</P>
<P> 144－162 77.5</P>
<P> 144－173 175.5</P>
<P> 这说明要使飞机恢复到原来的空速，最少也要176s，而飞机穿过切变的时间只需要几秒中。如果飞行员不能在这几秒钟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。</P>
<P> 飞机增速为什么要用这么多时间？这个问题是风切变之所以影响飞行活动的关键所在。问题的实质是飞机的惯性。牛顿第一定律指出："物体在不受外力的作用下，静者恒静，动者恒动（保持匀速直线运动）"。牛顿第二定律又指出："物体改变速度需要克服的惯性与其质量成正比"。飞机改变速度的过程就是用发动机增加推力克服惯性的过程。惯性的大小决定了飞机增速所需推力的大小，需用推力大，增速时间长，如果飞机质量等于0，增速不用花费时间，飞机质量越大，增速所用的时间就越长。由此可知，飞机重量越大，受风切变的影响也越大。此外，后掠机翼增速反应慢也是造成加速时间长的原因。</P>
<P> 另外，从不同高度的风切变对飞行造成的不同影响，可以看出，不论风切变造成的是飞机升力增大还是升力减小，风切变发生的高度越低，对飞行的影响也越大，这是因为飞机在起飞和着陆时速度比较小，而且航向又局限于起飞或着陆方向，飞机处于高阻力状态。机动余量小，改出高度又不够，飞机可以用以加速的剩余推力也到了最低限，所以对于起飞，着陆的飞机来说，遇到风切变是最危险的。</P>
<P> 从理论上说，起飞遇到风切变要比着陆时遇到的更危险。然而事故统计表明，着陆事故约占78％，其主要原因是起飞时遇到风切变是飞机失速，但是任何一次起飞，飞行员从推油门起都集中精力。全力以赴地发挥飞机最大爬升性能，争取升空并爬升到一个安全高度上去。因此当遇到风切变时，他不需要认出风切变的来临而大大改变正在进行中的动作，只有一个信念，争取飞机的速度和高度。而进近着陆时则不同，当遇到风切变时则要求飞行员及早认出风切变，并停下正在做的一切动作，而马上开始一系列完全不同的动作。国外失事研究表明，飞行员在进近着陆中途是难于采取相反动作的。</P>
<P> 4.2相应的处置</P>
<P> 飞机遭遇风切变时，能给飞行员采取措施，控制飞行轨迹直到改出来的时间是非常短促的。为了迅速而准确地做出反应，飞行员应该：</P>
<P> 首先要有思想准备。在起飞前，要认真仔细地了解和研究天气预报和天气实况报告，警惕在飞行中会遇到风切变，及风切变可能出现的位置、高度、强度。</P>
<P> 起飞后，要注意收听地面的气象报告和别的飞机关于风切变的报告，了解风切变的存在及其性质，并判断自己所驾驶的飞机能否安全通过风切变。对严重的风切变应当避开，对轻度的风切变可借助操纵修正来克服它。</P>
<P> 整个空勤组要严密配合，协助一致地进行工作。在起飞着陆过程中，机长要组织空勤组成员分工负责，不间断地认真扫视仪表，密切注意有无异常现象，对座舱仪表、飞行状况、机场设施、跑道环境、风向风速、复飞程序等等，都要了如指掌。这样就可以做到稍有异常能及时发现，立即采取对策。</P>
<P> 不要有意识地穿越严重风切变或强烈下降气流的区域。特别是在飞行高度低于离地200m或有一台发动机失效时，更应切记。</P>
<P> 要与雷暴云和大的降水区保持适当的距离。雷暴云的外流气流有时可以超越雷暴云前方20－30km。因此，飞机低空飞行时远离雷暴云20－30km飞行应看作是重要的安全措施，不要侥幸抢飞这一危险区域。在有强风切变时，不要冒险起飞、着陆。</P>
<P> 如果在最后着陆时刻遇到风切变，只要是难以改出，无法重建着陆剖面，就应立即复飞。可以推迟着陆的，等到风切变减弱或消失后着陆，或到备降场着陆。</P>
<P> 飞机遭遇风切变时，空勤组应立即将风切变出现的区域、高度、空速变化的大小等报告飞行管制部门，以避免其它飞机误入其中。</P>
<P> 结束语</P>
<P> 由于低空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。为此,我们应加强自身对风切变的飞行操作程序设置的训练,在执行飞行任务中积累经验。同时，在机场安装的风切变探测和报警系统,以及机载风切变探测、告警、回避系统也可以帮助我们减轻和避免风切变造成的危害。当然,回避是最好的防御,因为某些强低空风切变是现有飞机的性能和飞行员的驾驶水平所不能抗拒的,所以当判定有较强风切变时,应尽量避开。</P>
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