大气扰动
大气扰动也叫“乱流”,主要指空气作不规则的流动。其主要是近地面气流受崎岖地面影响或因地面受热不均匀所致,通常前者叫“机械扰动”,后者叫“热力扰动”。扰动强度因风速大小、地表崎岖程度和温度直减率大小而定。大气扰动往往产生阵风和造成飞机颠簸。 大气扰动通常有大气紊流、突风和风切变三种形式。
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大气扰动的概念
通常意义下的大气扰动是指空间尺度小于1km和时间尺度小于1s的大气起伏。这主要是对流层(高度低于12km)和平流层(高度12~20km)的大气所引起的。
不同高度大气层中的大气扰动
在低层大气中,大气扰动主要指叠加在带状基本气流上的各种尺度的气压系统,亦特指小尺度低压或气旋式环流系统。 在中层大气中,主要存在行星波、声重波和潮汐波引起的扰动,例如:大气中的行星波引起冬季平流层的突然增温,有时在高纬平流层,几天内的增温幅度可达65K。重力波也能引起大气密度的显著变化。
高层大气是非线性介质,它受到的强扰动主要是由于太阳辐射输入的变化和来自磁层及低、中层大气连续的、波动的能量和动量传输引起的。而太阳风能量的扰动是高层大气最重要的扰动源,特别是在磁暴期间,源于磁场的电场耗散引起焦耳加热和通过高能带电粒子沉降引起动力学加热造成了极盖区和极光带高层大气的强增温,并驱动大尺度风体系。通过风场带来的热传输,形成全球高层大气增温,进而也引起高层大气密度的大扰动。[1]
大气扰动的原因
产生大气扰动的基本原因可能是: 1、空气与地面的摩擦作用,引起所谓机械扰动或者动力扰动;
2、下垫面上地方性的增热不均匀,引起所谓热力扰动或对流;
3、方向和速度不同的二层气流之间的界面上产生的摩擦作用。 这些原因常常同时起着作用,特别是在对流层的下部,引起了总和的扰动[2]
大气扰动的形式
大气扰动通常有3种形式:大气紊流、突风和风切变。 大气紊流是指叠加在常值风(平均风)上的连续随机脉冲。通常认为紊流是一种平稳、均匀、各态经历及各向同性的随机过程,该过程的统计特性不随时间而变化。 突风又称阵风,表现为确定性的风速变化。它主要体现了水平及垂直风速急剧变化的梯度。如上升暖气流和下降冷气流边缘,山脉、悬崖及温度变化地区和风暴边缘区,都会出现风速的急剧变化。当这种气流变化梯度足够大时,飞机处于强风力场作用下,在飞机上引起瞬态载荷,使飞机运动发生变化,故设计飞控系统应当对此加以考虑。
在近地面时,由于空气黏性作用,风速是不均匀的,形成了随高度变化的风剖面。在不同高度上风速的大小及方向不同,此即为风切变。实践表明,风切变对飞机起飞和着落阶段的飞行有重大影响。当迎头风速减小时,改变了空速,并减小了发动机推力,使飞机产生更大的下降速度,引起飞行轨迹的偏差,这在下滑阶段非常危险。此外,由于飞机着陆时接近其失速边界,空速降低是非常危险的。所以,在风切变出现时,必须迅速纠正和改出。