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风切变

风切变是一种大气现象风矢量(风向、风速)在空中水平和(或)垂直距离上的变化。

风切变按风向可分为水平风的水平切变、水平风的垂直切变、垂直风的切变。

垂直风切变的存在会对桥梁、高层建筑、航空飞行等造成破坏。发生在低空的风切变是飞机起飞和着陆阶段的一个重要危险因素,被人们称为"无形杀手"。

产生风切变的原因主要有两大类,一类是大气运动本身的变化所造成的;另一类则是地理、环境因素所造成的。有时是两者综合而成。

天气因素

产生风切变的天气背景。能够产生有一定影响的低空风切变的天气背景主要有三类。

a. 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。对于特别强的下降气流称为微下冲气流,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。

b.锋面天气。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。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。

c. 辐射逆温型的低空急流天气。秋冬季睛空的夜间,由于强烈的地面辐射降温而形成低空逆温层的存在,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。

地理、环境因素

地理、环境因素引起的风切变。这里的地理、环境因素主要是指山地地形、水陆界面、高大建筑物、成片树林与其它自然的和人为的因素。这些因素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,水面的大小和机场离水面的距离,建筑物的大小、外形等有关。一般山地高差大,水域面积大、建筑物高大,不仅容易产生风切变,而且其强度也较大。

根据风向分

为了确保安全,国际航空、航天和气象界都积极开展低空风切变的研究。风切变常分为以下几种:

①水平风的水平切变(又称水平风切变)是风向和(或)风速在水平距离上的变化;

②水平风的垂直切变(又称垂直风切变)是风向和(或)风速在垂直距离上的变化;

③垂直风的切变是垂直风(即升降气流)在水平或航迹方向上的变化。下冲气流是垂直风的切变的一种形式,呈现为一股强烈的下降气流。范围小而强度很大的下冲气流称为微下冲气流。

根据高度分

风切变可以出现在高空,也可以出现在低空。出现在600米以下的叫低空风切变。

低空风切变的强度直接关系到飞行安全。它表示了对飞行的危害程度,目前推出使用的有下列三种。

水平风的垂直切变强度标准

国际民航组织颁布标准:一般认为0.1米/秒以上的垂直切变会对喷气运输机带来威胁。

水平风的水平切变强度标准

该项尚无统一标准。但美国在机场低空风切变警报系统中采用了一个水平风切变强度报警标准值。该系统在机场平面有六个测风站,即中央站和五个外站。各外站和中央站间距离平均约为3公里。系统规定每一分钟与中央站的风向量差达7.7米/秒以上时系统即发出报警信号,以此推算,2.6米/秒/公里可作为能对飞行构成危害的水平风的水平切变强度标准。

垂直风的切变强度标准

垂直风的切变强度,在相同的空间距离内主要由垂直风本身的大小变化来决定。对飞行安全危害最大的是强下降气流。根据著名气象学家藤田和科尔斯的建议,提出了一种称之为下冲气流数值的标准。它以下降气流速度和到达地面的辐散值来确定。后来对于危害最大的直径小于4公里的下冲气流称之为微下冲气流。

原理

对飞机起飞和着陆安全威胁最大的是低空风切变,即发生在着陆进场或起飞爬升阶段的风切变。它不仅能使飞机航迹偏离,而且可能使飞机失去稳定。如果驾驶员判断失误和处置不当,则常会产生严重后果。世界上曾因此发生多起机毁人亡的事故。风切变还严重影响火箭飞行的稳定性,火箭设计和发射时的环境限制条件包括风切变。风切变主要由锋面(冷暖空气的交界面)、逆温层、雷、复杂地形地物和地面摩擦效应等因素引起。

低空风切变的危害性是由风切变的本身特性造成的。以微下冲气流危害性最大,它是以垂直风切变为主要特征的综合风切变区。由于在水平方向垂直运动的气流存在很大的速度梯度,也就是说垂直运动的风速会出现突然的加剧,就产生了特别强的下降气流,被称为微下冲气流。这个强烈的下降气流存在一个有限的区域内,并且与地面撞击后转向与地面平行而变成为水平风,风向以撞击点为圆心四面发散,所以在一个更大一些的区域内,又形成了水平风切变。如果飞机在起飞和降落阶段进入这个区域,就有可能造成失事。比如,当飞机着陆时,下滑通道正好通过微下冲气流,那么飞机会突然的非正常下降,偏离原有的下滑轨迹,有可能高度过低造成危险。当飞机飞出微下冲气流后,又进入了顺风气流,使飞机与气流的相对速度突然降低,由于飞机在着陆过程中本来就在不断减速,我们知道飞机的飞行速度必须大于最小速度才能不失速,突然的减速就很可能使飞机进入失速状态,飞行姿态不可控,而在如此低的高度和速度下,根本不可能留给飞行员空间和时间来恢复控制,从而造成飞行事故。

严重的低空风切变,常发生在低空急流即狭长的强风区,对飞行安全威胁极大。这种风切变气流常从高空急速下冲,像向下倾泻的巨型水龙头,当飞机进入该区域时,先遇强逆风,后遇猛烈的下沉气流,随后又是强顺风,飞机就像狂风中的树叶被抛上抛下而失去控制,因此,极易发生严重的坠落事件。

特点

强烈的垂直风切变的存在会对桥梁、高层建筑、航空飞行等造成强烈的破坏作用,可造成桥梁楼房坍塌、飞机坠毁等恶性事故,给人类生活造成严重影响。低空风切变对飞机起飞和着陆安全威胁最大。

在1970年-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,据不完全统计,至少发生过28起与低空风切变有关的飞行事故,绝大多数都发生在飞行高度低于300米的起飞和着陆阶段,其中尤以着陆为最多。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的起飞和着陆阶段,其中尤以着陆为最多。

2.现代中、大型喷气运输机的风切变飞行事故比重较大。

3.风切变飞行事故与雷暴天气条件关系密切。

4.风切变飞行事故的出现时间和季节无一定的规律。

1985年,美国达拉斯-福斯机场飞机坠毁, 137人死亡。 从此,风切变被当作一项国际课题开始研究。

由于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。因此,目前对付风切变得最好办法就是避开它。因为某些强风切变是现有飞机的性能所不能抗拒的。进行风切变的飞行员培训和飞行操作程序设置,在机场安装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,都是目前减轻和避免风切变危害的主要途径。1985年以后,美国所有的飞机都安装了风切变检测仪。加拿大1990年代开始安装。

1985年8月2日,达美航空191号航班在美国达拉斯-沃斯堡国际机场坠毁,造成137人死亡。

2009年3月23日,联邦快递80号班机在日本成田国际机场降落时,因风切变坠毁,2名驾驶员遇难。

2014年7月,台湾失事飞机2个黑匣子找到,怀疑风切变是元凶。

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