飞机颠簸(turbulence)

1971年11月22日，日本一架波音727客机在飞往东京途中遇到扰动气流发生强烈颠簸无法操纵，10秒内飞机从9300米的高度掉到8400米，后继续掉到7200米，1分10秒后才恢复操纵。1958年10月17日，隶属于前苏联Aeroflot航空公司的Tu-104A飞机从北京飞往莫斯科，途经Omsk（前苏联境内）时，由于飞机设计上的缺陷，飞机遭遇到严重颠簸后，使机翼折断而失事，机上80名旅客罹难（包括9名机组成员）。惊人的类似的灾难，在两个月前（1958年8月15号），同样发生在同一家航空公司的同一种机型身上。2009年5月16日国航西南分公司的空客319客机在9200米高度巡航时突然遭遇强烈气流飞机转入上升，与相对飞行高度9500米的一架国航飞机发生冲突，触发TCAS的RA警告，机组按RA指令下降避让，期间伴有3次重度颠簸共持续大约20秒，飞机曾出现最大垂直和侧向载荷2.62G和0.42G。颠簸造成13名旅客和3名乘务员身体不适或受伤。空气在较大范围的运动中还有许多局部升降涡旋等不规则运动。这种不规则的空气运动，气象学上称为扰动气流，或叫乱流，又称湍流。飞机在飞行中遇到扰动气流，就会产生振颤，上下抛掷，左右摇晃，造成操纵困难，仪表不准等现象，这就是飞机颠簸。大气乱流的成因有热力和动力两种。实际大气中常为两者共同作用的结果，有时以热力为主，有时以动力为主：在对流层，特别是摩擦层，当气流经过粗糙不平的地表面（丘陵、山地、建筑物、树木），或地表面受热不均通常会形成乱流。在自由大气中，乱流是由风切变产生水平轴或垂直轴涡旋造成的。通常垂直气流切变可用气层上下的风速差（∆V）和高度差（∆Z）之比来表示，即∆V/∆Z。比值越大，乱流越强；反之，乱流越弱。深航JEPPESENPLAN上WindShear计算使用的公式.pdf另外乱流的强弱还与稳定度有关，大气不稳定有利于气流上升或下降，因而乱流增强；反之，乱流减弱。根据乱流的成因，并考虑航空上判断乱流的需要，把大气乱流分为：热力乱流动力乱流晴空乱流尾涡乱流由空气热力原因形成的乱流称为热力乱流。热力乱流主要是由气温的水平分布不均匀而引起的，常常出现在对流层的低层，当有较强的热力对流发展时，也可能扩展到高空。空气流过粗糙不平的地表面或障碍物时出现的乱流，或由风切变引起的乱流，都称为动力乱流。其影响范围多在1000-2000米以下。晴空乱流是指通常出现在6000米以上高空，与对流云无关的乱流。由于它不伴有可见的天气现象，飞行员难于事先发现，对飞行威胁很大。晴空乱流中有时也会出现一些卷云。晴空乱流的成因与强风切变有密切关系，在高空急流轴附近常有强风切变，故常有晴空乱流出现。当然强风切变也可以出现在其他特定区域（如锋区和低涡区），根据计算和飞机报告，当垂直风切变每100m达到1-2m/s，水平风切变达到每100Km为5-6m/s时，常有晴空乱流发生。尾涡是指飞机飞行时产生的一对绕翼尖的方向相反的闭合涡旋，他们在飞机后面一个狭长的尾流区造成极强的乱流，这就是尾涡乱流。尾涡的特点是：在两条尾涡之间，是向下的气流，两条尾涡的外侧是向上的气流。尾涡流场的宽度约为两个翼展，厚度为一个翼展。在空中，尾涡大约以120-150m/min的速率下降，在飞行高度250米处趋于水平，不再下降。故后机应在不低于前机的飞行高度上飞行，方可免受尾流危害。在湍流区存在大小尺度不等的涡旋。研究表明，飞机颠簸是由那些与飞机尺度相当的那部分涡旋（涡旋直径为15-150米）造成，这种乱流称为“飞机乱流”。进一步研究证明飞机颠簸除了与涡旋尺度有关外还与涡旋频率有关。如果的作用频率与飞机机翼的自然震动频率很接近，就会发生共振，颠簸会显著加剧。根据飞行员感觉和目测划分等级在飞行中，根据飞行员感觉和目测的飞行状态的异常程度，一般把颠簸强度分为三个等级：1.轻度（）飞机轻微地和有间隙地上下投掷，空速表指示时有改变。2.中度（）飞机抖动、频繁的上下投掷，左右摇晃，颠簸，操纵费力，空速指针跳动达10Km/h。3.严重（）飞机强烈地抖动，频繁地和剧烈地上下投掷不止，空速指针跳动达15-20Km/h，操纵困难。根据飞机在垂直方向承受的负荷变量划分：根据飞机的负荷因素（n）与飞机升力（Y）和重力(G)的关系式n=Y/G,可得∆n=∆Y/G,式中∆n为负荷变量，∆Y为升力变量。如果设飞机产生的垂直加速度为∆a，则∆Y=m∙∆a，可得：∆n=∆a/g国际民航组织根据|∆n|把颠簸划分为五个等级：轻微颠簸|∆n|=0.1；弱颠簸|∆n|=0.3；中度颠簸|∆n|=0.4；强颠簸|∆n|=0.9；极强颠簸|∆n|=1.1。乱流强度飞行速度飞机的翼载荷动力乱流颠簸多见于中高纬度大陆，多数离地面不超过1000—2000米；热力乱流颠簸低纬地区多于高纬地区，并多出现在对流层的中层；晴空乱流颠簸多出现在对流层上部和平流层。我国青藏高原，由于特殊的自然地理条件，在7500—9000米的飞行高度上，热力乱流、动力乱流和晴空乱流都能起作用，因此颠簸出现的频率和强度都高。锋面空中槽线和切变线高空低涡急流区对流层顶附近锋面•大气锋面及其附近，是非常有利于湍流发展的地方。一般锋面移动速度越快，两侧气团越不稳定，产生乱流颠簸就越强。较强的颠簸多出现在锋面附近，冷气团一侧出现的频率比暖气团一侧大。此外，冷锋附近的颠簸比其它颠簸强，特别是第二型冷锋，对飞行特别危险。空中槽线和切变线•在空中槽线和切变线附近，由于气流呈气旋式变化，并常常有冷暖温度平流，使大气层结不稳定，再加上气流有辅合辅散，因此乱流易于发展。在飞机穿越槽线和切变线时常会出现明显的颠簸。高空低涡•飞机穿越高空低涡时，碰到的高空风很小，但风向打转，并且由于高空低涡大多是冷性的，使气层变得不稳定，乱流发展，飞机会遇到中度以上的颠簸。急流区•急流的定义是风速大于30米/秒的强风带。急流是强而窄的气流带，急流中心最大风速必须大于等于30米/秒。•高空急流一般位于对流层上层和平流层低层。温带地区急流轴通常位于对流层下部，冷暖气团交界处，暖气团北部顶端。•急流区是经常发生飞机颠簸的区域，急流轴的冷空气（低压）一侧，风的水平切变和垂直切变均较暖空气（高压）一侧为大，所以出现在急流低压一侧的颠簸比高压一侧多且强。另外考虑与颠簸直接有关的空气密度通量，低压处比高压处大，所以颠簸发生频率及强度的最大值大都出现在急流轴低压一侧（北侧）急流轴下方1-3km处。对流层顶附近•在对流层顶附近，尤其在对流层顶有断裂现象和对流层顶坡度较陡时，往往有较强的乱流出现。对流层顶附近是一个重要的晴空颠簸区。地表热力性质不同的区域山区及地表粗糙区积状云区低层风切变区地表热力性质不同的区域•由于热力乱流主要是因地表增热不均而引起的，当机场周围存在热力性质不同的地表。如草地与沙地，河、湖、森林与山丘、石地、铺设过的道路等，在晴天午后，就容易出现强度不等热力乱流，对飞机起落造成影响。•当天空有云层密布或地面为积雪覆盖时，一般不会出现明显的乱流。山区及地表粗糙区•这些地方动力乱流比较强。例如，当强风从高大山脊吹过时，不但可以形成较强的乱流，有时还会形成山地波。在山地上空飞行时，这种动力乱流造成的颠簸比较常见。积状云区•积状云是由对流形成的，而对流和乱流常常是同时存在的，因此，积状云常常是颠簸区的明显征兆。•在淡积云顶高度以下飞行时，要受云中上升气流和云外下降气流的交替影响，一般有轻度颠簸，在云上比较平稳。在发展旺盛的浓积云和积雨云中，一般都有较强的颠簸。在积雨云以上100米左右、云底以下至近地面附近，以及云体周围相当于云体1-2倍的范围内，也常常存在程度不同的颠簸。低层风切变区•这里主要讲机场地形等因素影响而形成的局地风切变。如机场位于盆地，夜间地表冷却，冷空气聚集在盆地，形成逆温层，盆地内风速较小，在上空不受盆地影响的高度，若有较强的暖湿气流吹来，在其界面上就会形成明显的风切变。轻到中度的颠簸会使乘员感到不适甚至受伤，颠簸强烈时，一分钟内飞机上下抛掷十几次高度变化数十米甚至几百米，空速变化20Km/h以上，飞行员虽全力操控飞机，仍会暂时失去控制。当颠簸特别严重时，所产生的过载会造成飞机解体，严重危及飞行安全。飞行中遇到强烈紊流，最好的脱离办法是改变高度。因为颠簸层厚度一般不超过1000米，强颠簸层厚度只有几百米，颠簸层水平尺度多数在100千米以下。所以，飞行中如出现颠簸，可改变高度几百米或暂时偏离航线几十千米，一般可以脱离颠簸区。采取改变高度的脱离方法，往往更能迅速的脱离颠簸区。当预计进入急流轴时，航空器驾驶员应当采取的动作是从急流轴的一侧保持平飞以小于30度的角度进入。顺风进入急流中飞行，不要从急流轴的正下方进入，应从急流轴的一侧保持平飞状态以小于30度角进入，以避免或减轻飞机颠簸。首先是提高直接准备质量，认真研究分析气象资料，加强对危险天气的判断和处置能力。在飞行前，机长与签派分析天气资料时，应充分听取签派员的讲解，同时应根据卫星云图、气象资料，尤其是《重要天气预告图》以及其他飞机和空管报告等信息对整个飞行航路颠簸情况进行分析，对产生颠簸的天气系统，尤其是锋面、空中槽线和切变线、高空低涡、高空急流区等位置，飞进飞出这些区域的大致范围，以及对流层顶高度做好预判；对飞越产生颠簸的地区进行分析，例如地表热力性质不同的地区、山区及地表粗糙区、盆地低层风切变乱流、积状云区等；对雷雨的性质、发展趋势、移动方向和速度，选择好绕飞雷雨的航线和备降机场。另外，还要根据公司“jeppssen飞行计划”中的颠簸指数（s）来分析预计发生颠簸的时间段。其次是做好航前讲评会，加强与客舱乘务组的信息沟通。与乘务组的沟通要明确飞行关键阶段的措施、安全带的使用时机和预测进入颠簸区的时间、程度、预计持续时间以及如何通知客舱等预案。要明确“安全带”的使用规则。部分飞行人员为“避责”或“省事”，飞行全过程都将“安全带灯”开启。其实，全程开“安全带灯”就相当于全程都不开，因为客舱所有人员会因此而麻痹大意。(使用方法见FCOM3一般信息)起飞及爬升阶段应注重尾流的影响。应严格执行避让尾流湍流的规定，严格执行起飞机场预报有风切变的飞行程序。如，后机应在不低于前机的飞行高度上飞行。在遇有前机尾流时，应增大上升或减少下降率来免除尾流危害。巡航及进近阶段。原则是机长应提前将可预知的颠簸情况通知乘务长。其次，飞行员应该知晓较强的颠簸多出现在锋面附近，在各种锋面中，冷锋的颠簸最强，冷气团一侧出现的频率比暖气团一侧大，锋面移动速度越快，两侧气团越不稳定，产生的乱流颠簸就越强；在空中槽线和切变线附近，由于气流呈气旋式变化，并常常有冷暖温度平流，使大气层结不稳定，再加上气流有辐合辐散，因此乱流易于发展；飞机穿过高空低涡时，碰到的高空风很小，但风向会打转，并且由于高空低涡大多是冷性的，使气层变得不稳定，乱流发展，飞机会遇到中度以上的颠簸；对流层顶附近，尤其在对流层顶有断裂现象和对流层顶坡度较陡时，往往会有较强的乱流出现。在海洋空域，飞行员为减少尾流颠簸可采用《海洋空域内侧向偏置程序》；在RVSM空域遭遇严重颠簸导致60米以上的高度偏差，则应向ATC报告“由于颠簸，不能保持RVSM”。绕飞雷雨及积状云区应掌握好一些原则：不要面向即将到来的雷雨起飞或着陆。湍流或风切变会造成飞机失控；即使能透过雷雨看见另一边也不要试图飞过此雷雨区。雷雨下面的风切变与湍流可能是灾难性的；不要在不开雷达或没有机载雷达的情况下飞入一个有分散雷雨的云团中；在雷雨中不能把目视现象作为湍流的可靠判断依据；对于判断为严重的雷雨或具有很强雷达反射回波的雷雨要避开至少20海里。特别是在大量积雨云下更是如此；无论是目视的还是雷达探测到的，任何云顶高达1000米或更高雷雨应被认为是极度危险的。另外就是掌握好绕飞雷雨的程序，当机场区域存有强烈颠簸时，选择备降将比选择在机场区域等待更安全。着陆阶段，注意避让尾流湍流的规定，以及低空风切变预防措施。总之，我们相信，只要群策群力，未雨绸缪，就能够减少