客机驾驶探秘4.7 关于气象和颠簸

有过飞机乘坐经验的人一般都经历过空中的颠簸,这可不是个好的体验。
这一节就专门介绍一下气象和颠簸方面的知识。

一般来说飞机在经过恶劣天气的空域时,机体会发生轻微到激烈的震动,严重时会把坐在座位上的乘客弹起来。如果运气不好的话,甚至会发生乘客骨折受伤,机体损伤的情况。即使没有达到受伤这样的严重情况,长时间的颠簸也会使人体感到不适,更多时候令乘客产生心理上的不安。
所以飞行员在执行任务时会时刻注意回避不良天气的空域,尽量为乘客提供一个安全舒适的旅程。
当然了,飞机的结构上的强度足以应付颠簸,飞行安全上是没有问题的。

关于颠簸一般有几种情况,让我们逐个看看。

首先是背风波(Lee wave)。 在山脉背风坡的上空形成的空气波动即乱气流称为背风波。在静力稳定条件下,当空气被迫越过山岳而移动到背坡,其个别气块将离开平衡位置而作浮力振荡时,在山岳背风坡会形成重力内波。其形成与大气层结、风向风速和山的大小、坡度等条件有关。当风速较大且与山脊垂直时,使气流受扰动较强,有利背风波形成;山高坡陡更可使背风波的振幅增大。在背风波形成时,常可出现与山脊平行且与无云区相间出现的荚状云或波状云。


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日本的富士山是一个经常发生背风波的典型,而受富士山背风波影响曾经发生过英国海外航空911号班机空难事件,这架注册编号为G-APFE的波音707飞机当时自日本羽田机场起飞准备继续其飞往香港的航段,在起飞之后没多久因为卷入乱流机身强度无法负荷而导致机身解体并坠毁于富士山麓,全机113名乘客以及11名机员全数丧生。

知道了背风波的危害,在航路准备阶段,航空公司都会饶过易发区域,比如饶过富士山顶从北面或者南面通过。

下一个要注意的是对流层顶(tropopause)。
对流层与平流层之间的过渡层,其厚度为数百米到1~2公里,其高度随纬度和季节变化很大,一般来说,热带高于极地,夏季高于冬季,白天高于夜间。对流层顶,就像一个分水岭。在它的上面是平流层,晴空万里,气流平稳,温度随高度的增加而增加;在它的下面是对流层,云雨雷电,变幻万千,温度随高度的增加而降低。一般而言,空气的特性决定了温度高的空气在上层,稳定;温度低的空气在下层,不稳定。因此,平流层稳定,而对流层不稳定。对流层顶在对流层和平流层中间,指示着上下的天气状况。

对流层中的云,一般向上移动到对流层顶就停止了,所以积雨云的砧状云顶,往往和对流层顶的高度一致。积雨云对飞行危害很大,但可以根据对流层顶的高度,大致判断积雨云云顶可能出现的高度,在飞行的时候尽量避开。

对流层顶的高度变化,即所谓对流层顶坡度,也与对流层天气密切相关。暖空气团上方的对流层顶一般较高,冷空气团上方的对流层顶一般较低。对流层顶高度急剧变化甚至断裂,往往预示着下层某个高度有高空急流和颠簸存在。飞机在穿越这些区域时,就可能受到较大影响。

让我们看一个实例。下图中GAVEL航路点处的对流层顶高度为降低到35400英尺,此时的巡航高度如果是36000英尺的话,西经140度附近的飞行就一定要小心。

换一个角度再来看这个数据,

以巡航高度和对流层顶高度的关系图看上去比较容易理解,对流层顶坡度之大一目了然。
从洛杉矶机场起飞,以36000英尺巡航高度向西,经过西经140度时会穿过对流层顶。

下面再介绍一下记载雷达。
现代客机上都装备了气象雷达,可以为飞行员提供航路上以及附近空域的气象信息。如下图所示,机载气象雷达天线位于机首的雷达罩内,

利用电磁波经天线辐射后遇到障碍物被反射回来的原理,目标的导电系数越高,反射面越大,则回波越强。
雷达可以探测飞机前方航路上的气象目标和其他目标的存在以及分布状况,并将所探测目标的轮廓、雷雨区的强度、方位和距离等显示在显示器上。

一般在ND(导航显示器)中以不同颜色来显示出各种不同天气条件,比如红色区域表明降水量超过12mm/h以上,黄色区域表明降水量在4~12mm/h之间,绿色表明表明降水量在1~4mm/h之间,紫色表明有不稳定气流。

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飞行员发现航路前方空域有黄色红色紫色时一般都会考虑采取回避措施。

上面介绍的情况因为能事先查知,飞行员可以在执行任务时绕开这些空域,但是还有一种没有事前征兆,在无云条件下,雷达探测不到,突然发生的乱气流,即晴空乱流CAT。

晴空乱流比较容易出现在伴随着高空急流jet stream急速发展中的低气压的东北方向,

比如上图中,可能发生晴空乱流的区域以虚线画出来,预测上从洛杉矶起飞大约1个半小时后会通过该空域,但是从航路上因为无法饶过该处,因此通过此空域时,飞行员会点亮安全带灯,并且机内的饮食服务的时间也会避开这段时间,以保证乘客和乘务员安全。

最后再介绍一下飞行员更改航线时的操作。首先机长和副驾驶调查新的航路,比如原本的航路点是ABCD4个通过点,B点附近发生了乱流,于是决定饶过B点从附近几十公里以外的E点通过。但是这变更需要得到空管的许可,空管得到飞行员的申请后,需要调查是否有别的航班在相同高度的E点飞过,因此得到正式的许可需要等待一些时间。同时飞机本身在以近900公里的速度高速飞行,得到许可后如果已经大幅通过A点就会可能需要大角度急转弯飞向E点。这类似过山车一样的飞行对乘客来说可不是一个舒适的体验,飞行员一定要注意,时时监视雷达的显示,需要时尽早得到许可,尽快把航路信息输入飞行管理计算机。

为了获得各种空中的天气情报,与别的航班在相同空域中飞行的飞行员通信也是非常重要的。飞行员会使用一个特殊的频率,123.45MHz,因为这个频率不分国籍不分航空公司,是为了飞行员之间通话的专用频率。比如同一方向飞行的几架飞机中,最前面一架如果遇到了乱流,这架飞机的飞行员会通过这个频率通知后面的飞机注意,于是后面的飞机的飞行员会提前亮起安全带灯,提醒乘客们注意颠簸,因此提高了飞行的安全性。

另外这个频率不光是乱流,其他紧急情况的利用也是可以的。比如某架飞机上出现了急病的乘客,而该飞机上没有医生,那么飞行员可以通过这个频率呼叫别的飞机,如果有医生在的话可以帮助紧急救护病人。

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