Aviation Turbulence飞机颠簸
飞行气象学：第5章 飞机颠簸
ICAO horizontal separation in respect to
the mass of the aircraft
飞行气象学
中国民航大学 飞行技术学院
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因为尾流是看不见的，所以，飞行员要小心谨慎， 时刻警惕，注意避开尾流，特别是小型机的飞行员。 为了有效的避开前机尾流，应做到以下几点：
• 当风速>10m/s时，且开始随高度增加后又随高度减 小，这时会出现强烈的滚转气流，并出现强烈的颠簸。
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Schematic cross section of a mountain wave. Note the standing wave pattern downwind from the mountain. Note also the rotary circulation below the wave crests. When the air contains sufficient moisture, characteristic clouds form.
• 在许多高山山口地区，风速常常大于六级，并伴有飞砂走石 现象，中低空亦有强的颠簸，是飞行的危险区。例如：我国 西藏高原上的唐古拉山口等，这些地区都是飞行危险区。
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中国民航大学 飞行技术学院
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晴空湍流简述
晴空湍流简述作者：马洪瑞来源：《科技风》2016年第09期摘要：晴空颠簸由于不伴随天气现象的发生且出现在对流层上层6000米以上的高空，严重威胁飞行安全。
本文主要简述了晴空湍流的形成机制，国内外的部分研究进展，这对了解和研究晴空湍流有一定的参考意义。
关键词：卫星资料；晴空湍流；湿度梯度大气湍流是大气中一种不规则的随机运动。
它与大气边界层关系密切，如温度，密度的不连续层，风切变层等。
飞机在飞行中遇到大气湍流会产生飞机颠簸。
轻度颠簸会使乘客感到不适，严重的飞机颠簸会导致人员受伤，飞机失控，甚至机毁人亡。
航空气象学中把6000米以上与对流云无关的湍流叫做晴空湍流，它不包括对流性不稳定边界层及深厚对流有关的湍流[ 1 ]。
由于晴空湍流不会伴随天气现象的发生且尺度小，难以预测，故对飞机飞行造成巨大威胁。
研究表明，二氧化碳浓度的增加会导致晴空湍流总体强度的增加，到2050年，晴空湍流的总体强度会增强10%～40%，在巡航高度上发生的频率也会提高40%～170%。
切变不稳定理论是目前公认的晴空湍流的形成机制。
在大气层结稳定的情况下，垂直风切变会产生重力波。
随着风速的增大，振幅也不断增大，重力波不稳定，当振幅增大到某一临界值时，波形破碎，平均动能向湍能转化，气流由层流状转化为湍流状态，形成晴空湍流。
1 国外晴空湍流研究进展自上个世纪60年代以来，国外很多学者对大气湍流的形成机制，预报算法进行了大量的研究。
Richardson提出了判断湍流强弱的理查森数，理查森数越小湍流越强，相应的颠簸也越强。
Ellrod[ 2 ]利用锋生强度公式推到了大气湍流指数，亦称Ellrod指数，其值越高对流强度越高，颠簸强度越大，Ellord在颠簸较弱情况下与实际情况有一定的偏差。
Ellord给出了晴空颠簸的定义，根据锋生强度公式推导出了大气湍流指数，根据NCEP的数据模拟结果研究了美国上空飞机颠簸指数的气候分布。
Wimmers A J [ 3 ]提出了用卫星资料对对流层顶断裂处的大气湍流进行识别和监测，该算法基于湿度梯度理论在水汽图像上确定出易产生大气湍流的区域。
什么是飞机颠簸
什么是飞机颠簸造成飞机在飞行时颠簸的因素很多，如低空乱流扰动会使进场飞机抖动颠簸，高空大气湍流也会造成飞机颠簸。
那么，什么是飞机颠簸呢？飞机颠簸指飞机飞行中突然出现的忽上忽下、左右摇晃及机身振颤等现象。
飞机颠簸主要是由于飞机飞入扰动气流区，扰动气流使作用在飞机上的空气动力和力矩失去平衡，飞行高度、飞行速度和飞机姿态等发生突然变化而引起的。
飞机颠簸强度与扰动气流强度、飞行速度、翼载荷等有关，通常分为弱、中、强3级。
中度飞机一旦进入颠簸区，可采用改变航向和高度等办法尽快脱离。
产生条件1、时间：夏季，季节交替时、中午和午后;2、地区：山区和地表粗糙区;3、阶段：低空、起飞、着落阶段;高空也时有晴空颠簸;4、气象条件：积状云，高空急流、湍流、大风、低空风切变、锋面、槽线、气旋、雷暴等。
产生原因产生飞机颠簸的基本原因，是由于大气中存在乱流。
这些不稳定气流的范围有大有小，方向和速度也各不相同。
当飞机进入与机体尺度相近的乱流涡旋时，飞机的各部位就会受到不同方向和速度的气流影响，原有的空气动力和力矩的平衡被破坏，从而产生不规则的运动。
飞机由一个涡旋进入另一个涡旋，就会引起振动。
当飞机的自然振动周期与乱流脉动周期相当时，飞机颠簸就会变得十分强烈。
乱流中存在的垂直阵性气流和水平阵性气流都可造成飞机颠簸，垂直气流的作用比水平气流要大。
根据乱流的成因，可以分为：热力乱流，动力乱流，清空乱流和航迹乱流。
1、热力乱流主要是因地表增热造成气温的水平分布不均匀而引起，常出现在对流层的低层，低纬度地区常见，多发生在夏季的中午和午后。
2、动力乱流是指地表附近空气运动受到阻碍和风的空间分布有明显切变造成的乱流，多见于高纬度大陆，在山地上空飞行时，动力乱流造成的颠簸比较常见。
3、晴空乱流又叫高空乱流，与高空中大气的热力和动力因素有关，当温度场和风场急剧变化时，就会出现强烈的乱流。
晴空乱流多出现在对流层上部和平流层，是造成高空飞行颠簸的重要因素。
近10年晴空湍流的研究进展
近10年晴空湍流的研究进展周林;黄超凡【摘要】晴空湍流是威胁航空安全的一种极端危险性天气,因其不伴有明显的天气现象,机载雷达难以探测,故对飞行安全威胁巨大,因此对于晴空湍流的形成机制与预警预报的研究十分重要.从晴空湍流的形成机制、晴空湍流的观测手段和晴空湍流的预报方法3个方面,对近十年国内外有关研究进行归纳和综述.重点引述了惯性重力波在晴空湍流形成中的重要作用、多种新型观测手段为晴空湍流研究提供宝贵的实况资料、基于湍流指数集成算法的晴空湍流数值预报等重要进展.本文对晴空湍流未来的研究趋势进行展望.【期刊名称】《气象科技》【年(卷),期】2015(043)001【总页数】6页(P91-96)【关键词】晴空湍流;观测手段;预报方法;研究进展【作者】周林;黄超凡【作者单位】解放军理工大学气象海洋学院,南京210000;解放军理工大学气象海洋学院,南京210000【正文语种】中文众所周知，气象条件对于航空飞行有着重大影响。
随着航空业飞速发展，飞行安全的保障日益紧要。
研究表明，影响飞行安全的主要天气现象有：大风和低空风切变、低能见度、湍流和飞机积冰等[1-5]。
湍流能引起飞机颠簸，严重降低乘员舒适度，剧烈颠簸甚至造成乘员受伤、飞机失控坠毁等灾难。
在由天气状况不佳引起的飞行事故中，起因是大气湍流的超过半数，因此遭遇湍流是造成机上人员受伤的首要原因，并造成巨大经济损失[6-7]。
其中，由于晴空湍流并不伴有可见的天气现象且尺度较小，机载气象雷达等设备难以探测，故对飞行安全造成巨大威胁[8-9]。
2007年7月6日, 由悉尼飞往广州的CZ322航班, 在菲律宾南部海域上空巡航高度上突遇晴空湍流, 飞机急速上抛后又急速下降十几米, 维持时间20多秒。
机上有人员飞离座位, 头部撞上机舱顶, 20多名乘客及机组成员头部或颈部受伤[4]。
2013年5月26日，一架新加坡航空公司的空客A380飞机在巡航至安达曼海上的万米高空时毫无征兆地遭遇重度晴空湍流，飞行高度急坠30多米，造成多人严重受伤。
飞机空中颠簸的紧急情况应对
颠簸对飞行安全的影响
① 造成旅客重伤，甚至危及人身安全。 ② 飞机操纵困难，甚至失去操纵； ③ 飞机结构受到一定程度损害，发动机功率减少； ④ 造成飞行人员和乘客的紧张和疲劳，甚至危及安全； ⑤ 乘客如果在颠簸发生时站立或者在通道行走，可能很容易失去平衡； ⑥ 发生严重颠簸时，就座的乘客如果不系安全带，其头部也有可能碰撞顶部行李箱； ⑦ 乘务员工作期间，会失去平衡，撞向天花板； ⑧ 若厨房和客舱设备没有固定好，也可能造成乘务员受伤。
空中颠簸
颠簸产生的原因
由于空气受热上升或因地形而上升后温度差别较大，其中的水汽遇冷凝 结后下降造成的。
影响因素： o 地形：山区 o 季节：夏、秋雷雨大风 o 热力：午后、太阳辐射强，空气对流 o 动力：风切变、飞机尾流
晴空颠簸(CAT: Clear Air Turbulence)
7000米以上高空 不伴有可见天气现象（云）
颠簸的分类及处置程序
轻度颠簸：定义、客舱反应、服务时注意事项、安全带、客舱广播 中度颠簸：定义、客舱反应、停止服务、安全带、客舱广播 严重颠簸：定义、客舱反应、停止服务、就近坐下、客舱广播
颠簸对飞行安全的影响
措施：
o 机组准备会时，机长告知乘务长何时进入颠簸、时间、强度及联络； o 进入颠簸区时，机组会提前接通“系好安全带”的指示灯；广播 o 乘务长要提前进行广播，通知旅客系好安全带 o 结束后、迅速进入客舱，控制客舱秩序，了解旅客受伤情况并向机长
报告，救护受伤旅客。 o 着陆后、协助受伤旅客下机，填写报告单。
颠簸中的客舱安全状况
继续为旅客服务； 厨房状况
o 操作台面 o 餐车 o 烧水杯 乘务员心理
颠簸中的安全管理
飞机颠簸的名词解释
飞机颠簸的名词解释飞机颠簸，作为一个常见的航空术语，形容了在飞行过程中飞机出现的剧烈晃动或颠簸感觉。
这种现象可以有多种原因导致，包括气流的变化、天气的因素以及飞行器本身的特性。
在本文中，我们将详细探讨飞机颠簸的定义、原因以及对乘客和机组人员的影响。
飞机颠簸可以被简单地解释为飞机在飞行中遇到的不稳定和颠簸感觉。
这种感觉可以被描述为飞机在空中受到强烈的颤动或晃动，有时候甚至会让人感到不舒服。
当飞机经历颠簸时，旅客和机组人员往往会感到身体上的不适，甚至有时候会有一些轻微恐慌的情绪。
飞机颠簸的原因是多种多样的。
其中，气流的变化是最常见的原因之一。
在大气层中，空气流动是非常复杂且不可预测的，不同的气流会对飞机的稳定性产生影响。
例如，当飞机遭遇到气流的湍流时，会导致飞机晃动和颠簸。
湍流是指空气流动中出现的旋涡或颠簸，其产生原因可能是山脉、热空气上升等。
此外，天气条件也会对飞机颠簸产生影响。
例如，当飞机遇到强风、雷暴、降雨或大雾等恶劣天气时，飞行过程中的颠簸感会明显加剧。
大风会造成飞行器的不稳定，雷暴则可能导致剧烈晃动和颠簸。
这些天气现象对飞行安全造成潜在威胁，因此航空公司通常会采取措施来避免在恶劣天气条件下起飞或降落。
此外，飞机自身的特性也可能导致颠簸。
例如，飞机的内部构造、气动特性以及机翼的设计都可能会对颠簸产生影响。
一些飞机在飞行过程中本身就会产生较大的震荡和晃动，这通常是由于飞机的设计或某些机械问题所致。
然而，现代飞机设计和制造的先进技术已经大大减少了这种情况的发生。
飞机颠簸对乘客和机组人员有着不同的影响。
对于乘客来说，颠簸可能会导致身体不适、恶心或焦虑。
有些人对颠簸非常敏感，可能会感到恐慌或紧张。
然而，飞机颠簸的感觉通常只是暂时的，当飞行恢复平稳时，这些不适感通常会消失。
对于机组人员来说，飞机颠簸则可能影响他们的工作效率和舒适感。
飞行员需要时刻保持对飞机的控制，以确保安全飞行。
当飞机遭遇颠簸时，飞行员需要快速作出反应，采取相应的措施来稳定飞机。
B737严重颠簸,操纵限值,失速,抖振
B737严重颠簸，操纵超限，失速，抖振，超设计速度情况处理故障含义：航班运行中，机组报告飞机出现了严重颠簸，操作超限，失速，抖振或超过设计速度情况，或者QAR译码出现此情况，需要完成飞机严重颠簸，操纵超限，抖振和超速超过设计速度检查。
放行说明：当机组报告飞机出现严重颠簸，操作超限，失速，抖振或超速情况，需要依据AMM05-41-04完成检查故障处理：一、机组报告飞机出现严重颠簸，操作超限，失速，抖振或超速情况后，首先上报AOC,并按以下情况进行检查1、依据机组报告情况，结合AMM05-51-04所列的特定情况完成相应的检查工作：A、飞机遇到紊流发生严重颠簸：（1）当飞机飞行时飞机高度或者姿态发生大的改变或陡变。
飞机可能发生短暂失控。
通常伴随大的速度变化。
机组或者乘客感觉到安全带猛烈的拉紧和未固定物品在飞机上移动。
（2）当飞机遇到严重颠簸时必须做检查。
如果机组报告遇到严重颠簸，需参考AMM05-51-04执行飞机结构和大翼区域检查和客舱检查。
B、飞机超过操纵限制（1）飞机超过操纵限值是指飞机操纵时导致不正常的飞机响应，或者是姿态改变，或者超过飞机机动载荷，尤其是在下列2）a）中所列情况。
超过操纵限值可能由于迅速的或者过大的控制输入改变，例如：控制杆，方向舵脚蹬，控制盘。
（a）垂直加速度操作范围如下所示：1）襟翼收上………………………2.5g 至 -1.0g2）襟翼放下a）襟翼位置1,5,15,20…………2.0g 至 0.0gb）襟翼25和30：限制从最大着陆重量2.0g至最大起飞重量1.5g之间线性变化（2）当超过上述限制时必须做检查。
如果机组报告飞机超限操作时，需要参考AMM05-51-04执行飞机结构和大翼区域检查和客舱检查C、飞行中抖振（1）如果在飞行中出现飞机振动，需参考AMM05-51-04执行飞机结构检查。
（2）如果在初始抖振或者抖杆后出现失速情况，必需执行以下检查：（a）失速（在初始抖振或抖杆后出现）结构检查程序D、严重抖振（1）飞机在空中出现严重抖振时需参考AMM05-41-04执行飞机结构检查。
飞行艰难的词汇
飞行艰难的词汇
飞行中可能会遇到的艰难情况有很多，以下是一些与飞行艰难相关的词汇：
1. 湍流（Turbulence）：飞行中遇到的颠簸，通常由气流的不规则运动引起。
2. 结冰（Icing）：飞机表面或机翼上形成的冰层，可能影响飞机的性能和操控性。
3. 低气压（Low Pressure）：飞行高度低导致的外部气压下降，可能引起飞行员和乘客的不适。
4. 高空急流（Jet Stream）：高空中的强风流，可能对飞机的航迹和燃油效率产生影响。
5. 雷暴（Thunderstorm）：强雷暴天气，包括闪电、雷鸣和强降水，对飞行构成严重威胁。
6. 能见度低（Visibility）：由于雾、霾或其他天气条件导致飞行员能见度降低。
7. 飞行高度限制（Flight Level Restrictions）：由于天气或其他原因，飞机可能需要限制飞行高度。
8. 空中交通拥堵（Air Traffic Congestion）：在繁忙的空域中，飞机需要等待 clearance 才能起飞或降落。
9. 引擎故障（Engine Failure）：飞机引擎在飞行中出现故障，需要紧急处理。
10. 恶劣天气（Adverse Weather）：包括暴风雨、沙尘暴、极
端温度等对飞行不利的天气条件。
这些词汇描述了飞行中可能遇到的挑战和风险，飞行员和航空公司的运营人员需要密切关注天气情况和飞机性能，以确保乘客和机组人员的安全。
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g
Ri
z V 2
z
Lapse rate Wind shear
Kelvin Helmholtz Wave
Breakdown
• For Ri less than .25, flows become turbulent.
• Seldom observe Ri=.25 in atmospheric flows.
• The following are events involving in flight turbulence where at least one jet airliner passenger was killed.
1. 10 May 1980; Indian Airlines 737-200; near Rampur Hat, India: The aircraft experienced severe en route turbulence. Two of the 132 were killed.
• Clear Air Turbulence Index Forecasts • EMC/NCEP SREF home page
Other Factors in CAT
• Classical Kelvin Helmholtz waves may not account for all observed CAT.
1. Vertical wind shear 2. Horizontal wind shear 3. Convergence 4. Horizontal deformation (i.e. fronts) 5. Lapse rate discontinuities (i.e. inversions) 6. Strong horizontal thermal gradients (i.e.
Wind Shear
• Vertical wind shear can cause instability that curls the air around a horizontal axis.
Kelvin Hemholtz Turbulence
Richardson Number
• Richardson number Ri =stability over wind shear squared.
thermal wind shear)
Ellrod Index Strengths
• Easy to compute, easy to understand. • Has a good track record of defining
existence of turbulence (but not strength). • Widely available.
• Extreme Turbulence: Aircraft is violently tossed about and is practically impossible to control; may cause structural damage or injury.
Fatal Turbulence Events Since 1980
• Moderate Turbulence: Similar to light turbulence but of greater intensity. Changes in altitude and/or attitude occur but the aircraft remains in positive control at all times; usually causes variations in indicated airspeed.
6. 28 December 1997; United Airlines 747-100; over Pacific Ocean near Japan: The aircraft encountered severe turbulence during cruise about two hours after departing Japan. One of the 346 passengers was killed. None of the 23 crew members were killed but three sustained serious injuries.
• Ri typically .5 to 10 near where turbulence is observed.
• The lower the Ri, the better chance of having turbulence.
Ellrod Index
• Based on observations that Clear Air Turbulence (CAT) is frequently found near:
2. 7 October 1981; NLM CityHopper F28-4000; Moerdijk, Netherlands: Shortly after takeoff, the aircraft entered an area of severe thunderstorm activity. The aircraft apparently had a catastrophic in flight structural failure due to severe turbulence because it was seen to emerge from the clouds with one of its wings broken away. All four crew members and 13 passengers were killed.
Common Forms of Turbulence
• Boundary Layer Turbulence • Clear Air Turbulence • Mountain Wave Turbulence • Cloud Updrafts (Thunderstorms) • Wake Turbulence
• Moderate Chop: Causes rapid bumps or jolts without appreciable changes in aircraft altitude or attitude
• Severe Turbulence: Causes large, abrupt changes in altitude or attitude; usually causes large variations in indicated airspeed. Aircraft may be momentarily out of control.
Boundary Layer
Continental Boundary layer diurnal cycle
Boundary layer profiles from DOE ARM SODARs (acoustic sounders)
wind profile
Aviation Turbulence
US-China Aviation Cooperation Program (ACP)
Embry-Riddle Training Debbie Schaum
AMS Turbulence Definition
• aircraft turbulence—Irregular motion of an aircraft in flight, especially when characterized by rapid up-anddown motion, caused by a rapid variation of atmospheric wind velocities. This can occur in cloudy areas (particularly towering cumulus and lenticular clouds) and in clear air. Turbulence is the leading cause of nonfatal passenger and flight attendant injuries.
3. 16 August 1982; China Airlines 747; near Hong Kong: The aircraft encountered severe in flight turbulence. Two of the 292 passengers were killed.
4. 3 October 1990; Eastern DC9-31; Florida, USA: The aircraft clear air turbulence at 31,000 feet. One injured passenger died three weeks later.
• Use analysis of surface lapse rate and winds
Boundary Layer Turbulence Summary
• Occurs due to surface heating and convection so most prominent during heat of the day