作者：中國國際航空股份有限公司西南分公司運行分控中心  張  序（610202）

　　引 言

　　國際航空界公認(rèn)風(fēng)切變是飛機起飛和著陸階段的一個重要危險因素。據(jù)統(tǒng)計,航空事故死亡人數(shù)中的40 %為風(fēng)切變所造成,與風(fēng)切變有關(guān)的飛行事故都發(fā)生在300m 以下的起飛和著陸階段,尤以著陸階段為甚,占78 %。風(fēng)切變是指空間兩點之間風(fēng)的矢量差，即在同一高度或不同高度短距離內(nèi)風(fēng)向和（或）風(fēng)速的變化。低空風(fēng)切變常指高度600m 以下風(fēng)向風(fēng)速突然變化的現(xiàn)象。航空氣象上根據(jù)風(fēng)場的結(jié)構(gòu),把風(fēng)切變分為水平風(fēng)的垂直切變、水平風(fēng)的水平切變和垂直氣流切變等三種類型。根據(jù)飛機相對于風(fēng)矢量間的不同情況,又可把風(fēng)切變分為順風(fēng)切變、逆風(fēng)切變、側(cè)風(fēng)切變和垂直氣流切變等四種形式?？梢姡覀冊陲w行中會遇到各種類型，各種程度的風(fēng)切變，是否準(zhǔn)確地判斷并作出正確的處置將直接關(guān)系到我們的飛行安全。

　　1產(chǎn)生風(fēng)切變的天氣背景

　　1.1強對流天氣

　　通常指雷暴、積雨云等天氣。在這種天氣條件影響下的一定空間范圍內(nèi),均可產(chǎn)生較強的風(fēng)切變,尤其是在雷暴云體中的強烈下降氣流區(qū)和積雨云的前緣陣風(fēng)鋒區(qū)更為嚴(yán)重。特別強的下降氣流稱為微下?lián)舯┝?是對飛行危害最大的一種,它是以垂直風(fēng)為主要特征的綜合風(fēng)切變區(qū)。

　　下?lián)舯┝髦械睦湎鲁量諝庠诘竭_(dá)地面后向四周經(jīng)向輻散開，形成軸對稱的出流。出流層厚度約在500-2000m之間。圖2(a)是下?lián)舯┝髁鲌鼋Y(jié)構(gòu)圖，可以看到在出流前沿有一水平環(huán)狀渦管存在，在渦環(huán)下方近地面水平速度達(dá)到極大值。圖4(b)中還同時給出了典型龍卷的結(jié)構(gòu)特征，可以看到兩者之間的顯著差別。

　　 圖1 微下?lián)舯┝髁鲌鼋Y(jié)構(gòu)圖

　　下?lián)舯┝鳑_擊地面后在接地點會形成一個冷性的高壓區(qū)，這個高壓區(qū)被稱之為"氣壓鼻"。同雷暴高壓相比，氣壓鼻的水平尺度要小一些，一般不超過8km，持續(xù)時間約為幾分鐘。一般在雷暴單體的成熟初期可以觀測到氣壓鼻，這個時候往往也是雷暴單體開始形成降水的時候。另外，越來越多的探測表明，微下?lián)舯┝鲀?nèi)部其實還存在這氣壓值的下降。微下?lián)舯┝鞅l(fā)時形成的強烈陣風(fēng)表明：微下?lián)舯┝髟跊_擊地表向外伸展時不會因摩擦作用減弱反而是變得更加強大,這是因為微下?lián)舯┝鞯撞看嬖谥粋€水平渦度環(huán)結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)可以使下沉氣流在垂直剖面上產(chǎn)生渦度環(huán)流。

　　1.2鋒面天氣

　　鋒面是產(chǎn)生風(fēng)切變最多的氣象條件。無論是冷鋒、暖鋒或錮囚鋒均可產(chǎn)生低空風(fēng)切變, 不過其強度和區(qū)域范圍不盡相同。鋒兩側(cè)氣象要素有很大的差異，穿過鋒面時，將碰到突然的風(fēng)速和風(fēng)向變化。一般來說，在鋒兩側(cè)溫差大（≥5℃）和（或）移動快（≥55km/h）的鋒面附近，都會產(chǎn)生較強的風(fēng)切變。這種天氣的風(fēng)切變多以水平風(fēng)的水平和垂直切變?yōu)橹?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(fēng)切變。

　　1.3輻射逆溫型的低空急流天氣

　　秋冬季晴空的夜間,由于強烈的地面輻射降溫而形成低空逆溫層,該逆溫層上面有動量堆集,風(fēng)速較大形成急流,而逆溫層下面風(fēng)速較小,近地面往往是靜風(fēng),故有逆溫風(fēng)切變產(chǎn)生。該類風(fēng)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(dāng)也會發(fā)生危險。

　　1.4地理環(huán)境因素引起的低空風(fēng)切變

　　特殊的山地地形、水陸界面、高大建筑物、成片樹林等自然的或人為的因素,有時也能引起風(fēng)切變現(xiàn)象,其風(fēng)切變狀況與當(dāng)時的盛行風(fēng)狀況（方向和大?。┯嘘P(guān),也與山地地形的大小、復(fù)雜程度、迎風(fēng)背風(fēng)位置,水面的大小、與機場的距離,建筑物的大小、外形等有關(guān)。一般山地高差大,水域面積廣,建筑物高大,不僅容易產(chǎn)生風(fēng)切變,而且其強度也較大。處于盆地的機場，如果配合低空逆溫層的作用，就更容易產(chǎn)生水平風(fēng)的垂直切變；如果機場跑道一側(cè)靠山，另一側(cè)地勢開闊，在某種盛行風(fēng)情況下，可以產(chǎn)生明顯的水平風(fēng)的水平切變。

　　2風(fēng)切變導(dǎo)致的事故及分析

　　1985年8月2日晚上6時05分19秒，美國一架Delta航空公司的L-1011飛機在達(dá)拉斯－沃思堡機場墜毀。135人死亡，傷23人。國家運輸安全委員會(NTSB)無法查明在飛機墜毀的時候機組是否使用機載天氣雷達(dá)。然而，NTSB在報告中聲稱，"關(guān)于使用機載天氣雷達(dá)的證詞是相互矛盾的。盡管在事故發(fā)生前后至少有3架與其非常接近的飛機掃描到了這個雷暴，但是仍然有人提供了這樣的證言：在飛機處在低高度并且與雷暴單體十分接近時，機載天氣雷達(dá)不能發(fā)揮作用……"

　　這個事故可能是由一個孤立的強雷暴單體產(chǎn)生的微下?lián)舯┝饕鸬?，這說明了天氣常常在沒有任何嚴(yán)重警告的情況下，也會發(fā)生急劇變化。當(dāng)雷暴距離機場只有10到20miles時，飛行員應(yīng)該避免在此機場進行飛機的起飛和著陸，因為這是一個風(fēng)速最強且最易變化的區(qū)域。飛行員在雷暴過境后也必須小心謹(jǐn)慎，雷暴后常常伴隨著一個強大的、陣性的外流邊界，伴隨著這些強風(fēng)會產(chǎn)生下?lián)舯┝骱臀⑾聯(lián)舯┝?，它們會產(chǎn)生嚴(yán)重的低空風(fēng)切變。

　　據(jù)不完全統(tǒng)計，1970－1985年的16年間，在國際定期和非定期航班飛行以及一些任務(wù)飛行中，至少發(fā)生了28起與低空風(fēng)切變有關(guān)的事故。

　　通過對這28起飛行事故的分析，可以發(fā)現(xiàn)低空風(fēng)切變飛行事故有如下特點：

　　1.風(fēng)切變飛行事故都發(fā)生在飛行高度低于300m的起飛和著陸飛行階段，其中尤以著陸為最多。在28起事故中，著陸為22起，約占78％；起飛為6起，約占22％。

　　2.現(xiàn)代中、大型噴氣運輸機的風(fēng)切變飛行事故比重較大。從24起事故中看，DC－8和波音707、波音727等噴氣運輸機占了絕大多數(shù)。

　　3.風(fēng)切變飛行事故與雷暴天氣條件關(guān)系密切。28起事故中有一半以上與雷暴天氣條件下的強風(fēng)切變有關(guān)。

　　4.風(fēng)切變飛行事故的出現(xiàn)時間和季度無一定的規(guī)律。

　　3 現(xiàn)代機載設(shè)施對風(fēng)切變的判別

　　3.1微波多普勒雷達(dá)低空風(fēng)切變探測系統(tǒng)

　　為確保飛機在起飛及著陸階段的安全，研制機載微波多普勒雷達(dá)低空風(fēng)切變探測設(shè)備屬于一個重要的研究課題。微波多普勒雷達(dá)低空風(fēng)切變探測系統(tǒng)的建立，將可避免飛機在起飛與降落時與之相遇，從而消除這一影響飛行安全的巨大隱患。

　　以往，世界范圍內(nèi)的機載風(fēng)切變系統(tǒng)通常是以加速度計為傳感器，利用加速度計與機上的飛行數(shù)據(jù)來識別風(fēng)切變，一旦出現(xiàn)危急的情況，告警機組人員立刻按綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的指令采取規(guī)避機動即加大發(fā)動機功率和飛機的仰角。其致命弱點是只有當(dāng)飛機進入風(fēng)切變環(huán)境時才探測到，若遇到強烈的風(fēng)切變環(huán)境，挽救已為時過晚。近年來，機載微波多普勒雷達(dá)低空風(fēng)切變探測系統(tǒng)研究發(fā)展迅速，有些方面甚至取得突破性的進展。機載微波多普勒雷達(dá)低空風(fēng)切變探測系統(tǒng)已研制成功并具有性能優(yōu)異的預(yù)警功能。此外，由于風(fēng)切變現(xiàn)象具有尺度小、變化快、時間短及強度大等特點，要求飛行員在短的時間內(nèi)進行有效處理，故實用的機載風(fēng)切變系統(tǒng)必須是探測、告警及回避一體化的系統(tǒng)，能迅速自動地完成回避的動作。機載微波多普勒雷達(dá)低空風(fēng)切變探測系統(tǒng)是迄今防止低空風(fēng)切變危險的理想系統(tǒng)，同時亦是具有相當(dāng)技術(shù)難度的系統(tǒng)。由于飛機在遭遇風(fēng)切變前預(yù)警時間甚短，故在設(shè)計機載微波多普勒雷達(dá)低空風(fēng)切變系統(tǒng)時，需要考慮系統(tǒng)具有探測、告警及回避一體化的功能，即系統(tǒng)既有測定風(fēng)場的探測部分及告警裝置，還需與飛行引導(dǎo)系統(tǒng)與操縱系統(tǒng)相交聯(lián)，使飛機能自動地實現(xiàn)回避。特別是在遭遇強風(fēng)切變時能提前實現(xiàn)自動回避，以便使飛行駕駛員能及時加大發(fā)動機功率，使飛機到達(dá)下降氣柱（即微下沖氣流）之前便能獲得爬升率。此種預(yù)警功能對以往的"反應(yīng)式"或"現(xiàn)狀式"系統(tǒng)而言，是根本無法實現(xiàn)的。

　　從風(fēng)切變現(xiàn)象及對飛機飛行影響的狀況來看，最重要的是低空及機場進近站區(qū)附近風(fēng)切變的探測。系統(tǒng)可在該區(qū)域內(nèi)工作，不在該范圍內(nèi)飛行時不工作。預(yù)警時間是系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。其與飛機機體、飛行參數(shù)及風(fēng)切變場的特征參數(shù)有關(guān)。美國國家航空航天局（NASA）和波音飛機制造公司的模擬仿真分析結(jié)果表明，其最低值應(yīng)為15~30s。

　　漏/虛警率是決定整個機載低空風(fēng)切變探測系統(tǒng)可靠性的主要因素，風(fēng)速測定的準(zhǔn)確與否及探測距離決定了能否準(zhǔn)確地提前告警。地雜波和海雜波是造成微波雷達(dá)系統(tǒng)漏/虛警的主要因素之一，而雜波抑制是一個十分棘手的問題。由于對雜波的類型、特性及雜波源的分布了解不詳，加上技術(shù)手段受到種種限制，故這一問題迄今尚未得到很好地解決。但機載微波多普勒雷達(dá)低空風(fēng)切變探測系統(tǒng)必須考慮漏/虛警率，具體性能指標(biāo)目前尚難以確定，這需要通過大量的實際飛行試驗與統(tǒng)計來取得。統(tǒng)計中采用了蒙特卡洛方法的概率分析，亦需采用大量的數(shù)值仿真。不過，借助地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)作為參考，漏/虛警率指標(biāo)至少都應(yīng)在10-4以下。美國提出，該系統(tǒng)應(yīng)至少具有2000飛行小時的正常工作性能。

　　3.2利用座艙儀表判別

　　在機載微波多普勒雷達(dá)低空風(fēng)切變探測系統(tǒng)還不夠完善的情況下，座艙儀表判別方法是飛行員必須掌握的。

　　3.2.1空速表

　　空速表是飛機遇到風(fēng)切變時反應(yīng)最靈敏的儀表之一。飛機遭遇風(fēng)切變時空速表指示值一般都會發(fā)生急劇變化。所以，一旦出現(xiàn)這種異常指示，即應(yīng)警惕風(fēng)切變的危害。美國波音公司規(guī)定，當(dāng)空速表指示值突然改變28－37km/h時，應(yīng)中止起飛或不作進近著陸。在穿越微下?lián)舯┝鲿r，往往是先逆風(fēng)使空速增加，緊接著就是順風(fēng)使空速迅速減小，而真正的危害發(fā)生在空速迅速下降的時刻，因此不要被短時的增速所迷惑。

　　3.2.2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依據(jù)。如果飛機在下滑過程中高度表指示出現(xiàn)異常，大幅度偏離正常高度值時，必須立即采取措施，及時拉起，當(dāng)然也應(yīng)注意在遭遇微下?lián)舯┝鲿r，會出現(xiàn)因遇強逆風(fēng)而短暫的使飛機高于正常下滑高度的現(xiàn)象，緊接著就會發(fā)生危險的掉高度，不要作出錯誤的判斷。

　　3.2.3升降速度表

　　升降速度表與高度表的關(guān)系密切，在遭遇風(fēng)切變使反應(yīng)很明顯。如果見到升降速度表異常，特別是下沉速率明顯加大時，必須充分注意。美國波音公司建議在下降速度短時內(nèi)改變值達(dá)到500ft/m，即認(rèn)為遇到強風(fēng)切變，飛行員應(yīng)采取復(fù)飛等相應(yīng)措施。

　　3.2.4俯仰角度指示器

　　俯仰角是飛機起飛、著陸時飛行員必須掌握的重要參數(shù)。例如，許多噴氣運輸機多采用-3°角下降，+6°或+10°角起飛，在起落過程中通?？刂圃撝当３只静蛔?。一旦遭遇風(fēng)切變，俯仰角指示將迅速發(fā)生變化，變化越快、越大，則危害越大。美國波音公司規(guī)定，俯仰角指示突然改變超過5°時，即應(yīng)認(rèn)為遭遇強風(fēng)切變，應(yīng)停止進近而復(fù)飛。

　　4 遭遇風(fēng)切變時應(yīng)采取的措施

　　4.1風(fēng)切變對飛行的影響分析

　　風(fēng)切變表現(xiàn)為氣流運動速度和方向的突然變化。飛行在這種環(huán)境中飛行，相應(yīng)的就要發(fā)生突然性的空速變化，空速變化引起了升力變化，升力變化又引起了飛機高度的變化。如果遇到的是空速突然減小，而飛行員又未能立即采取措施，飛機就要掉高度，以至發(fā)生事故。

　　假定飛機開始是頂風(fēng)飛行的。這是空速，地速和流過機翼表面的氣流和產(chǎn)生的升力都是恒定的。地速等于空速減去頂風(fēng)分量。當(dāng)飛機進入風(fēng)切變層后，如果原有的逆風(fēng)突然降為零，空速就要較低，降低值與逆風(fēng)分量變化相同。這時，如果飛機的迎角不變，升力也就要隨之降低。升力降低的結(jié)果使飛機向不平衡諸力的合力方向加速。當(dāng)飛機的總重量變化不大時，由于升力不再與總重量平衡，飛機就要掉高度。顯然，這時要想保持原有的升力，就必須增大推力，使飛機加速，如果飛機能在一瞬間就加速到所需的速度，風(fēng)切變就不會造成影響，問題就在于飛機改變速度需要時間。這個時間主要是：飛行員的反應(yīng)時間，發(fā)動機增加（或降低）功率的時間，飛行員操縱飛機改變飛行狀態(tài)（增大或減小迎角，保持合適的升降速度等等）的時間等等。

　　美國曾計算過某大型噴氣飛機在風(fēng)切變條件下改變空速需用的時間。他假設(shè)飛機在風(fēng)速為36km/h（10m/s）的頂風(fēng)中飛行，空速為180km/h，地速為144km/h，突然進入風(fēng)速為零的區(qū)域，空速降低到144km/h，在這種情況下，增加地速，使飛機空速恢復(fù)到180km/h所需的時間如下：

　　地速增量（km/h） 增速時間（s）

　　144 0.0

　　144－155 39.9

　　144－162 77.5

　　144－173 175.5

　　這說明要使飛機恢復(fù)到原來的空速，最少也要176s，而飛機穿過切變的時間只需要幾秒中。如果飛行員不能在這幾秒鐘內(nèi)操縱飛機使其高度不致降低過多以便完成增速的話，飛機就有墜毀的危險。

　　飛機增速為什么要用這么多時間？這個問題是風(fēng)切變之所以影響飛行活動的關(guān)鍵所在。問題的實質(zhì)是飛機的慣性。牛頓第一定律指出："物體在不受外力的作用下，靜者恒靜，動者恒動（保持勻速直線運動）"。牛頓第二定律又指出："物體改變速度需要克服的慣性與其質(zhì)量成正比"。飛機改變速度的過程就是用發(fā)動機增加推力克服慣性的過程。慣性的大小決定了飛機增速所需推力的大小，需用推力大，增速時間長，如果飛機質(zhì)量等于0，增速不用花費時間，飛機質(zhì)量越大，增速所用的時間就越長。由此可知，飛機重量越大，受風(fēng)切變的影響也越大。此外，后掠機翼增速反應(yīng)慢也是造成加速時間長的原因。

　　另外，從不同高度的風(fēng)切變對飛行造成的不同影響，可以看出，不論風(fēng)切變造成的是飛機升力增大還是升力減小，風(fēng)切變發(fā)生的高度越低，對飛行的影響也越大，這是因為飛機在起飛和著陸時速度比較小，而且航向又局限于起飛或著陸方向，飛機處于高阻力狀態(tài)。機動余量小，改出高度又不夠，飛機可以用以加速的剩余推力也到了最低限，所以對于起飛，著陸的飛機來說，遇到風(fēng)切變是最危險的。

　　從理論上說，起飛遇到風(fēng)切變要比著陸時遇到的更危險。然而事故統(tǒng)計表明，著陸事故約占78％，其主要原因是起飛時遇到風(fēng)切變是飛機失速，但是任何一次起飛，飛行員從推油門起都集中精力。全力以赴地發(fā)揮飛機最大爬升性能，爭取升空并爬升到一個安全高度上去。因此當(dāng)遇到風(fēng)切變時，他不需要認(rèn)出風(fēng)切變的來臨而大大改變正在進行中的動作，只有一個信念，爭取飛機的速度和高度。而進近著陸時則不同，當(dāng)遇到風(fēng)切變時則要求飛行員及早認(rèn)出風(fēng)切變，并停下正在做的一切動作，而馬上開始一系列完全不同的動作。國外失事研究表明，飛行員在進近著陸中途是難于采取相反動作的。

　　4.2相應(yīng)的處置

　　飛機遭遇風(fēng)切變時，能給飛行員采取措施，控制飛行軌跡直到改出來的時間是非常短促的。為了迅速而準(zhǔn)確地做出反應(yīng)，飛行員應(yīng)該：

　　首先要有思想準(zhǔn)備。在起飛前，要認(rèn)真仔細(xì)地了解和研究天氣預(yù)報和天氣實況報告，警惕在飛行中會遇到風(fēng)切變，及風(fēng)切變可能出現(xiàn)的位置、高度、強度。

　　起飛后，要注意收聽地面的氣象報告和別的飛機關(guān)于風(fēng)切變的報告，了解風(fēng)切變的存在及其性質(zhì)，并判斷自己所駕駛的飛機能否安全通過風(fēng)切變。對嚴(yán)重的風(fēng)切變應(yīng)當(dāng)避開，對輕度的風(fēng)切變可借助操縱修正來克服它。

　　整個空勤組要嚴(yán)密配合，協(xié)助一致地進行工作。在起飛著陸過程中，機長要組織空勤組成員分工負(fù)責(zé)，不間斷地認(rèn)真掃視儀表，密切注意有無異?，F(xiàn)象，對座艙儀表、飛行狀況、機場設(shè)施、跑道環(huán)境、風(fēng)向風(fēng)速、復(fù)飛程序等等，都要了如指掌。這樣就可以做到稍有異常能及時發(fā)現(xiàn)，立即采取對策。

　　不要有意識地穿越嚴(yán)重風(fēng)切變或強烈下降氣流的區(qū)域。特別是在飛行高度低于離地200m或有一臺發(fā)動機失效時，更應(yīng)切記。

　　要與雷暴云和大的降水區(qū)保持適當(dāng)?shù)木嚯x。雷暴云的外流氣流有時可以超越雷暴云前方20－30km。因此，飛機低空飛行時遠(yuǎn)離雷暴云20－30km飛行應(yīng)看作是重要的安全措施，不要僥幸搶飛這一危險區(qū)域。在有強風(fēng)切變時，不要冒險起飛、著陸。

　　如果在最后著陸時刻遇到風(fēng)切變，只要是難以改出，無法重建著陸剖面，就應(yīng)立即復(fù)飛?？梢酝七t著陸的，等到風(fēng)切變減弱或消失后著陸，或到備降場著陸。

　　飛機遭遇風(fēng)切變時，空勤組應(yīng)立即將風(fēng)切變出現(xiàn)的區(qū)域、高度、空速變化的大小等報告飛行管制部門，以避免其它飛機誤入其中。

　　結(jié)束語

　　由于低空風(fēng)切變現(xiàn)象具有時間短、尺度小、強度大的特點,從而帶來了探測難、預(yù)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。為此,我們應(yīng)加強自身對風(fēng)切變的飛行操作程序設(shè)置的訓(xùn)練,在執(zhí)行飛行任務(wù)中積累經(jīng)驗。同時，在機場安裝的風(fēng)切變探測和報警系統(tǒng),以及機載風(fēng)切變探測、告警、回避系統(tǒng)也可以幫助我們減輕和避免風(fēng)切變造成的危害。當(dāng)然,回避是最好的防御,因為某些強低空風(fēng)切變是現(xiàn)有飛機的性能和飛行員的駕駛水平所不能抗拒的,所以當(dāng)判定有較強風(fēng)切變時,應(yīng)盡量避開。