浅谈低空风切变及其在进近和着陆过程中的避免和预防（转贴）

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浅谈低空风切变及其在进近和着陆过程中的避免和预防（转贴）

以下转自某公司安技专栏，大家一起学习学习

浅谈低空风切变及其在进近和着陆过程中的避免和预防

风切变是指空间任意两点之间风矢量（风向和风速）的变化，表现为气流运动速度和方向的突然变化。出现在600米以下的叫做低空风切变，由于低空风切变具有变化时间短、范围小、强度大等特点，飞机在这种环境中飞行，相应地就要遇到空速突然减小的情况，而飞行员又未能立即采取措施，飞机就要掉高度，以致发生飞行事故。如2001年2月7日，西班牙航空公司一架空客A320飞机在西班牙毕尔巴鄂机场着陆时，在穿过200英尺高度时遇到强风切变，飞机空速突然迅速下降，飞机以1200英尺／分的下降速度着陆，3个起落架几乎同时接地，前起落架折断，飞机中度损坏，并有乘客受伤。近年我国也曾数次遭遇过低空风切变，有的险些造成机毁人亡的严重飞行事故。
一、认识低空风切变
1、什么是低空风切变

所谓低空风切变是在近地面层附近的每一高度上或不同高度上很短距离内风向风速发生较大的变化。或在短距离上升、下沉气流突然变化的现象，也就是说在低空600米高度以下的平埸风的矢量在空间两点之间的差值。气象学根据风埸的空间结构把风切变分为三种类型。
从风场情况来看，风切变主要可由以下三种基本情况来表示：
（1）水平风的垂直切变。这是指水平风在垂直方向上两个不同高度点之间的风向和风速的变化。
（2）水平风的水平切变。这是指水平风在水平方向上两个不同距离点之间的风向和风速的变化。
（3）垂直风的切变。这是指上升或下降气流(垂直风)在水平方向(或航迹方向)上的变化。

2、低空风切变的表现形式

飞机在大气中飞行，会遇到顺风、逆风、侧风和垂直风等因素的影响。因此，根据飞机相对于风矢量的方位不同，把风切变区分为：顺风切变、逆风切变、侧风切变和下冲气流等四种形式。

（1）顺风切变：是指飞机从静风到小顺风、小顺风到大顺风、逆风到静风、大逆风到小逆风区域内飞行，这是一种比较危险的风切变。在这种情形下飞行，由于顺风矢量增大，机体与空气的相对速度减少，升力随之减少，飞机从正常轨道下跌。如果目测高度低，不及时修正，在着陆过程中，飞机将会提前触地
。
（2）逆风切变：是指飞机从顺风由大到小、顺风到静风、静风到小逆风、小逆风到大逆风。在这种情况下飞行，由于顺风矢量减小，逆风矢量增大，机体与空气的相对速度增加，升力随之增大，飞机将高于正常轨迹。在着陆过程中，如果目测过高，不及时修正，就会造成飞机着陆速度过大，滑跑距离增长，甚至会冲出跑道。

（3）侧风切变：是指飞机从一种侧风（或无侧风）状态进入另一种明显不同的侧风状态的情况。在着陆过程中，使飞机向左或向右偏航，对不准跑道。

（4）下冲气流切变：是指飞机从无明显的升降气流区域进入到强烈的下冲气流区域的情形，在这种情形下飞行的危害最大，也是最危险的。

3、产生低空风切变的天气背景和环境条件：
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。
（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。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。
（2）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。在这种情形下飞行，注意风向、风速的变化，及时修正，一般问题不大。

（3）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，
（4）地形地物：当机埸周围山脉较多或地形较复杂时，常会遇到由于地形造成的低空风切变。

a. 当盛行风横越山脉时，在其迎风坡会形成上升气流，飞机会上升高度。而在背风坡出现下降气流时，飞机会掉高度，在山顶附近的风速将会增大。
b. 地形波是常常引起低空风切变的原因之一。当机埸位置处于山脉的下风方向时，常会遇到地形波的影响。

c. 峡谷风。当盛行风通过峡谷或山口时，由于狭窄的通道作用使气流的流速增大扩散，造成乱流，使飞机在起飞和着陆过程中，操纵困难。除此以外，还有高大的建筑群、高楼大厦等都会由于气流受阻而产生局地性风切变。

二、低空风切变对航空飞行的威胁
在航空飞行中，低空风切变已成为航空部门和气象界普遍关注的危及飞行安全的重要天气现象。由于目前对低空风切变探测难、预报难，因此低空风切变在飞机的起飞、着陆阶段中对飞行安全威胁极大。这是因为现在国际和国内的运输机，特别是民航飞机的质量越来越大（50—200吨），具有很大的惯性；另外，现代喷气式飞机发动机对推油门的反应比活塞式运输机慢得多，发动机增速所需时间较长。当遭遇到低空风切变时，往往来不及增加空速抵消风切变造成的升力损失，因此，当飞机起飞和着陆进入强低空风切变区域时，就会受到威胁，严重时就可能发生飞行事故。飞机进入低空风切变区域时所受影响的程度，主要取决于低空风切变的强度和飞机的飞行高度。下面按顺风切变、逆风切变、侧风切变三种情况来讨论低空风切变对飞机起飞和着陆（主要是着陆）的影响。
1、顺风切变对着陆的影响。飞机着陆下滑进入顺风切变区时（例如从强的逆风突然转为弱逆风，或从逆风突然转为无风或顺风），飞机指示空速就会迅速降低，升力（假定迎角不变）就会明显减小，从而使飞机不能保持高度而向下掉。这时，因风切变所在高度不同，有以下几种情况：一是如果风切变层相对于跑道的高度较高，当飞机下滑进入风切变层后，机组及时加油门增大空速，并带杆减小下滑角，可以接近正常的下滑线。若飞机超过了正常的下滑线，可再松杆增大下滑角，并收小油门，减小多余的空速，沿正常下滑线下滑，完成着陆；二是如果风切变层相对于跑道的高度较低，机组只能完成上述修正动作的前一半，而来不及作增大下滑角、减小空速的修正动作，这时飞机就会以较大的速度接地，导致飞机滑跑距离增长，甚至冲出跑道；三是如果风切变层相对于跑道的高度更低，飞机来不及作修正动作，还没到跑道飞机就可能触地造成飞行事故。
2、逆风切变对着陆的影响飞机着陆下滑进入逆风切变区时（例如从强的顺风突然转为弱顺风，或从顺风突然转为无风或逆风），飞机指示空速就会迅速增大，升力明显增加，飞机被抬升，脱离正常下滑线，机组面临的问题是怎样消耗掉飞机过剩的能量或过大的空速。因风切变所在高度不同也有三种情况：一是如果风切变层相对于跑道的高度较高，机组可及时早收回油门，利用侧滑或蹬碎舵方法来增大阻力，使飞机空速迅速回降，并推杆回到预定下滑线之下，然后再带杆和补些油门，沿正常下滑线下滑，完成着陆；二是如果风切变层相对于跑道的高度较低，机组修正过头，使飞机下降到下滑线的下面，由于此时离地很近，再作修正动作已来不及，飞机未到跑道头可能就触地了；三是如果风切变层相对于跑道的高度更低，机组往往来不及作修正动作，飞机已接近跑道，由于着陆速度过大，滑跑距离增加，飞机有可能冲出跑道。
3、侧风切变对着陆的影响。飞机在着陆下滑时遇到侧风切变，会产生侧滑、带坡度，使飞机偏离预定下滑着陆方向，机组要及时修正。如果侧风切变层的高度较低，机组来不及修正时，飞机会带坡度和偏流接地，影响着陆滑跑方向。　　　　　　　　
综上所述，飞机起飞或着陆如果遇到较强的低空风切变，当时飞机所在的高度是影响飞行安全的重要因素。如果低空风切变的强度大，或再伴有侧风切变，则会面临更加复杂的情况，使得机组修正更加困难。
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。某些强风切变是现有飞机的性能所不能抗拒的，因此，目前对付风切变的最好办法就是避开它。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。
三、准确判断和识别低空风切变
如何及时准确地判断和识别低空风切变的存在、类型和强度是确保飞机　安全飞行的重要环节，它是减轻和避免风切变危害的一条很重要的防范措施。因为强风切变是不可抗拒的，只有避开才是唯一有效的办法，而欲避之，必先知之。飞机进入风切变环境中，受切变气流的影响，飞行各种参数等便会改变，并在飞行仪表上反映出来，这是一种较直接的手段。还有通过空中交通管制员的通报、机载各种专门的风切变探测设备和警报系统等。下面介绍几种识别风切变的现象、手段和方法。

1、目视判别低空风切变的方法：

（1）雷暴冷性外流气层的尘卷风（云）：这种尘云的强劲风速会把地面的尘土吹起相当的高度，飞行员看到这种现象，必须立即采取措施，因为紧跟尘云的往往是风速差，平均可达到25米/秒，最大可达48米/秒的强风切变，而时间仅几分钟。

（2）雷暴云体下垂的雨幡：

雨幡一般是下降气流，雨幡高度越低，下冲气流的速度越大，飞行中千万不能穿越雨幡。一旦见到，必须避开，而且保持一定的距离，千万不能存有侥幸心理。因为其可视雨柱四周相当范围内的风埸是很复杂的，存在着强风切变的风埸。

（3）滚轴状云：

此类云，远看象贴地滚滚而来的一堵云墙，气势磅礴，云底高一般在几百米以下，这种云预示着强烈的地面风和低空风切变的来临。
以上所述，这只是能用肉眼看到的现象，但必须指出，有些风切变并无明显的目视特征，如逆温层风切变就是出现在睛好天气的无目视特征的风切变。所以，目视方法只是一种辅助手段，而不是唯一的方法。

2、仪表指示判别法：

当飞行中遇有风切变，首先就会在飞行仪表上反映出来，飞行员依据飞行仪表的异常指示，就可以判别出风切变的存在、类别和强度。下面介绍几种主要仪表遇风切变的反映特征。

（1）空速表：是飞机遭遇风切变时反映最灵敏的仪表之一。一般情况下，遭遇风切变后，飞机空速表在短时间内指示值变化很大。这是风切变危害存在的显著特征。波音公司规定了，当飞机指示空速值突然改变15－20哩/时，应中止起飞和着陆。另外，须特别注意的是速度改变，在穿越微下冲气流时，往往是先逆风使空速增加，紧接着就是空速迅速减少，而真正的危害发生在空速迅速下降的时刻。所以，不要被短时的增速所迷惑。

（2）高度表：当飞机遭遇风切变的高度越低，也就越危险，如果在上升和下滑的过程中，高度表指示异常或发生急剧掉高度，应立即采取措施。尤其是在下降过程中，在决断高度以上作出决定，采取果断措施。当然必须注意，有时遇到微下冲气流时，会出现短暂的强逆风，使飞机高于正常轨迹，但是紧接着会发生危险掉高度，千万不要认为高度高、速度大，盲目收油门，要正确作出判断。

（3）升降速率表：该表与高度表的关系密切，遭遇风切变时，反映很灵敏。如果看到此表指示异常，特别是下沉速率明显加大时，必须充分注意。

四、进近和着陆过程中低空风切变的避免和预防

　　减轻或避免低空风切变对飞行的危害，是确保起飞和着陆安全的重要措施。在判断和识别风切变的基础上，如何采取相应措施，认真对付低空风切变是至关重要的一个环节。但是这个问题是极复杂的一个综合性问题。它涉及到飞行员的技术水平、飞机自身的性能、地面航空保障能力等。在进近着陆过程中，一旦遭遇严重的低空风切变，轻者将导致超速或失速抖杆，重者将导致机毁人亡。因此，我认为作为飞行员，首先应该了解飞机在风切变中的性能；其次在天气情况可能产生风切变时，主动采取必要的措施。下面仅针对B737－700飞机在进近和着陆过程中，抵御风切变的能力和预防措施，谈一谈自己的看法。
1、飞机在风切变中的性能
高度500英尺以下遭遇的风切变多为水平风切变，它可能改善或降低飞机垂直飞行轨迹的性能。改善飞机性能的逆风切变在驾驶舱首先表现为空速增大，甚至会导致超速。逆风切变的出现往往是顺风切变出现的先兆，降低飞机性能的顺风切变在驾驶舱首先表现为空速减小，甚至会导致抖杆失速。低空的侧风切变在驾驶舱首先表现侧滑、倾斜和偏转，严重时可能导致最后进近时飞机偏出跑道。不考虑机组操作原因，飞机抵御低空风切变的能力，主要取决于不同状态和形态下飞机的失速速度和可用推力。如果飞机的飞行速度小于该状态和形态下的失速速度，飞机将很难控制。
基于着陆速度（VL）至少等于着陆形态下1G失速速度（VS）的1.23倍，抖杆速度（Vss）等于失速速度的1.07倍。通过查表和计算列出下表。表中单位为节，距离单位为米，ΔV＝VL－VS，L为着陆距离（自动刹车“3”）
表一　进近和着陆阶段

机型/重量	速度	Flaps40	Flaps30	Flaps15
737-700 WT55T	VL	127	129	134
	Vs	104	105	109
	Vss	111	112	117
	ΔV	23	24	25
	LI	1363	1397	1489

以上表中列出的失速速度，是进近或着陆形态下1G时的失速速度。从失速速度的公式：Vs=√2nyG/CymaxρS可以看出，在实际飞行的稳定过程中，假设飞机的下滑角为“θ”，此时，飞机的法向载荷因数ny=Y/G=G1/G=cosθ, 当θ≥0，则 ny≤1G。所以，失速速度也略小于上表所列数值，其数值大小只取决于当时下滑角的大小。以下滑角5度（实际飞行中下滑角一般小于5度）为例：
Vs上=√2cosθG/CymaxρS=Vs√cosθ=Vs√0.9976=0.9978Vs.由此可见，下降状态下失速速度与1G时的失速速度差值很小，可以忽略不计。
从以上数值可以看出，B737－700飞机在进近和着陆过程中，当飞行速度不小于着陆速度（VREF）的情况下，至少瞬间可以抵御属于严重风切变范畴内[(11.8米/秒/30米)/(12.9米/秒/30米)的低空风切变。B737－700飞机进近和着陆时使用襟翼15，抵御风切变的能力要好于襟翼30和40。
2、低空风切变的避免和预防
在飞行中，飞行机组应该在预计的飞行转变中注意搜索任何风切变出现的迹象，并注意收听无线电通话。保持在没有雷暴、飑线、尘云、雨幡、滚轴状云体和已知的风切变区域飞行。如果怀疑有风切变，应特别警惕任何危险信号，并做好可能意外遭遇的准备。如果听到有风切预警或显示有严重的风切变，机组应果断实施风切变机动或停止继续进近。
在天气情况（大风、乱气流、台风、雷暴附近等）可能产生风切变时，建议：
l
在不低于AGL1000英尺建立稳定进近。
l
自动油门未接通时，严格采用风的修正值。
l
使用能避开怀疑有风切变的区域并在侧风和顺风限制内的最合适跑道。
l
尽可能采用精密进近。
l
避免因空速突然增加而过多地减少推力和改变配平。
l
加强机组协同。PNF严格标准喊话。
l
在跑道长度符合时，使用襟翼15着陆，自动刹车设置“最大”。
襟翼40或30有后缘襟翼自动卸载功能，当襟翼设置在40时，如果空速超过163节，后缘襟翼会自动收起到30；如果空速降到低于158时，后缘襟翼会自动放到40。当襟翼设置在30时，如果空速超过176节，后缘襟翼会自动收到25；如果空速降到低于171时，后缘襟翼会自动放回30。在飞机在风切变中的性能中我曾经提到，逆风切变往往是顺风切变的先兆。如果由于进入逆风切变超速，导致后缘襟翼自动卸载而收起，当随后进入顺风切变，空速减小使后缘襟翼再放出，就会大大地降低飞机的稳定性，给改出风切变造成难度。而襟翼15可提供更大低空风切变的抵御能力（瞬间13.9米/秒30米）；而且，相同侧风的偏流角小；相同垂直气流的颠簸轻；又无后缘襟翼自动卸载功能；可以保证在遭遇逆风切变时飞机外形不变。襟翼15着陆的不足之处是着陆距离长。下面根据快速检查单，将B737－700最大着陆重量，襟翼30和襟翼15的着陆距离列表如下：
表二　B737－700最大着陆重量的着陆距离

737－700着陆重量58吨		Flaps30	Flaps15
海平面无风/顺风10节	自动刹车3	1452/1614	1563/1725
海平面无风/顺风10节	自动刹车最大	1049/1159	1124/1234
昆明无风/顺风10节	自动刹车3	1739/1901	1851/2031
昆明无风/顺风10节	自动刹车最大	1237/1347	1312/1422

以上是高于跑道入口50英尺到停止的实际距离。对有无反推都适用。
假设VREF进近速度。为了进一步证明襟翼15着陆的可行性，以快速检查单为依据，通过计算，列出B737－700特殊机场和不正常着陆的着陆距离一览表。
表三　B737－700特殊机场着陆距离

	自动刹车最大	1049/1159（744）	1124/1234（819）
丽江无风/顺风10节	自动刹车3	1753/1915（1448）	1847/2008（1542）
丽江无风/顺风10节	自动刹车最大	1245/1355（940）	1307/1417（1002）
昆明无风/顺风10节	自动刹车3	1685/1847（1380）	1777/1939（1472）
昆明无风/顺风10节	自动刹车最大	1200/1310（895）	1262/1372（957）

L滑＝L着陆－305（上表跑道入口50英尺到接地距离按305米计算）

表四　B737－700不正常着陆的着陆距离

B737－700着陆重量55.5吨	机场	襟翼30	襟翼15
50英尺到接地	昆明	1962	2024
	昆明	2115	2177
50英尺到接地	丽江	2007	2069
	丽江	2160	2222

表四是无风、自动刹车选“最大”时的距离
从以上数据可以看出，如果假设B737－700在海平面飞机以最大重量，无风，自动刹车设置“最大”，做襟翼15全停着陆，使用的着陆距离为跑道长度的60%。B737－700所需跑道长度为1874米。所以，在我们航班飞行的大多数机场（跑道长度2200米以上），必要时选择襟翼15着陆应该是安全可靠的。
以上观点没有经过实际飞行和模拟机飞行的检验，只能说是纸上谈兵，仅提供一些数据上的参考。当飞行员遭遇风切变之后，如何能够保持在预定的轨迹上安全起飞和着陆，这是一个十分复杂的问题，同时也是一个十分重要的实际问题。从形式上看是一个操纵修正问题，实质上它是一个能量的管理问题，其中主要包括二个方面的内容：一为改变推力；二为能量转换，后者更为重要。是提高位能来减少动能，还是增加动能来降低位能，就视具体情况。
作为航空气象部门要尽量做出低空风切变的预报，及时提醒机组做好应付风切变的各项准备；作为各航空公司和飞行人员，平时要加强培训，增强对风切变的了解；在模拟机上进行风切变的模拟飞行，提高处置能力；当在航空飞行中遭遇风切变时，一定要按飞行操作程序办事，机智灵活，准确判断，果断处置，确保航空飞行安全。

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