风切变

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高空水平風切變產生的雲層現象

风切变,又稱风切風剪,是指大氣中不同兩點之間的風速或風向的劇烈變化。

概要[编辑]

矢量(風向、風速)在空中水平和(或)垂直距離上的變化。對飛機起飛和著陸安 風切變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制條件包括風切變。風切變主要由鋒面(冷暖空氣的交界面)、逆溫層、複雜地形地物和地面摩擦效應等因素引起。

成因[编辑]

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。

  • 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。
    1. 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。對於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徵的綜合風切變區。
    2. 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平風的水平和垂直切變為主(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。
    3. 輻射逆溫型的低空急流天氣。秋冬季睛空的夜間,由於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、環境因素引起的風切變。這裡的地理、環境因素主要是指山地地形、水陸界面、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、複雜程度,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。

分類[编辑]

為了確保安全,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:

  • 風的水平切變(又稱水平風切變)是風向和(或)風速在水平距離上的變化;
  • 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;
  • 垂直風的切變是垂直風(即升降氣流)在水平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。

強度標準[编辑]

低空風切變的強度直接關係到飛行安全。它表示了對飛行的危害程度,目前推出使用的有下列三種。 水平風的垂直切變強度標準國際民航組織頒布這一標準。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。 水平風的水平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平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公里。系統規定每一分鐘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/公里可作為能對飛行構成危害的水平風的水平切變強度標準。

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。後來對於危害最大的直徑小於4公里的下沖氣流稱之為微下沖氣流

危害[编辑]

垂直风切变對飛機降落時的影響

低空風切變有極大的危害性,這是由風切變的本身特性造成的。強烈的垂直風切變的存在會對橋樑、高層建築、航空飛行等造成強烈的破壞作用,可造成橋樑樓房坍塌、飛機墜毀等惡性事故,給人類生活造成嚴重影響。以危害性最大的微下衝氣流為例,它是以垂直風切變為主要特徵的綜合風切變區。由於在水平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,被稱為微下衝氣流。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平風,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,又形成了水平風切變。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衝氣流,那麼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。當飛機飛出微下衝氣流後,又進入了順風氣流,使飛機與氣流的相對速度突然降低,由於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於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制,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衝,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制,因此極易發生嚴重的墜落事件。

1985年,美國達美航空191號班機達拉斯-沃斯堡國際機場墜毀,造成137人死亡。從此,风切变被當作一項國際課題開始研究。據美國博爾德全國大氣研究中心的負責人科爾曼說,1985年以後,美國所有的飛機都安裝了风切变檢測儀。加拿大1990年代開始安裝。

上一次最嚴重的风切变飛機事故發生在2001年。美國航空587號班機在空中突然失速,衝進紐約一個居民區,造成265人死亡。

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

相應對策[编辑]

由於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​​和飛行操作程序設置,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、迴避系統,都是目前減輕和避免風切變危害的主要途徑。 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。據美國博爾德全國大氣研究中心的負責人科爾曼說, 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。

自然现象[编辑]

垂直风切变強烈,除了影響令熱帶氣旋難以生成外,亦可迅速破壞成熟的熱帶氣旋,甚至令其消散,可謂是熱帶氣旋的大敵。

東南太平洋南大西洋地區,即南美洲東面和西面的海域,因該兩區皆有強烈的垂直风切变,使得熱帶氣旋無法在當地區域形成。也因如此,有不少寒流都可以在該兩區的低緯度地區容易產生,使南美洲北部和非洲西南部的氣溫也相對地低。

相關條目[编辑]