劉偉東 史佩劍

(中國(guó)民用航空華東空中交通管理局浙江分局，浙江 杭州311207)

0 引 言

低空風(fēng)切變[1]通常是指發(fā)生在600 m高度以下的平均風(fēng)矢量在空間兩點(diǎn)之間的差值。根據(jù)風(fēng)場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)不同可分為水平風(fēng)的垂直切變、水平風(fēng)的水平切變和垂直風(fēng)的切變3種類型。

低空風(fēng)切變是影響飛機(jī)起飛和進(jìn)近著陸階段的一個(gè)危險(xiǎn)因素，它嚴(yán)重危害航空活動(dòng)的安全。造成低空風(fēng)切變有諸多原因，快速移動(dòng)的冷鋒兩側(cè)、低空逆溫層、低空急流、陣風(fēng)鋒、雷暴的局地強(qiáng)下沉氣流或下?lián)舯┝鞯取Ｓ捎诘涂诊L(fēng)切變具有高度低、時(shí)間短、尺度小、強(qiáng)度大及難以預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，因此期望能夠了解機(jī)場(chǎng)附近的風(fēng)場(chǎng)的分布情況，為航空管制員和飛行機(jī)組提供關(guān)于機(jī)場(chǎng)附近航線上的風(fēng)切變預(yù)警。

現(xiàn)今，很多民用機(jī)場(chǎng)安裝有低空風(fēng)切變警告系統(tǒng)(LLWAS)用于直接提供低空風(fēng)切變預(yù)警信息。但是，由于低空風(fēng)切變警告系統(tǒng)要求有很大的資金和技術(shù)的投入，因而我國(guó)除香港和臺(tái)灣地區(qū)以外的民用機(jī)場(chǎng)暫時(shí)沒有條件配備。杭州蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng)雖然沒有低空風(fēng)切變警告系統(tǒng)(LLWAS)，但有一臺(tái)多普勒氣象雷達(dá)、二套跑道自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，依據(jù)現(xiàn)有條件本文將對(duì)2016年10月22日發(fā)生的低空風(fēng)切變事件進(jìn)行分析，探討本次低空風(fēng)切變發(fā)生的機(jī)理，探索多普勒雷達(dá)資料在探測(cè)低空風(fēng)切中的應(yīng)用情況。

1 資料和分析方法

本文采用2016年10月22日08時(shí)地面形勢(shì)圖及850、700、500 hPa高度場(chǎng)形勢(shì)圖，分析本次過程天氣尺度的背景形勢(shì)；使用杭州蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng)多普勒雷達(dá)在此次過程中0.5°仰角回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)、0.5°仰角徑向速度數(shù)據(jù)及0.5°仰角徑向速度垂直剖面圖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；采用機(jī)場(chǎng)自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)(AWOS) 3臺(tái)測(cè)風(fēng)儀15:00—18:00(北京時(shí)，下同)時(shí)3個(gè)時(shí)次1 min風(fēng)向風(fēng)速平均值資料作為分析對(duì)象。

2 背景形勢(shì)分析

從圖1可以看出，在蒙古有冷空氣從東路海上逐漸擴(kuò)散下來，本場(chǎng)處于臺(tái)風(fēng)減弱后的熱帶低壓輻合區(qū)，暖區(qū)特征明顯，高壓底部的偏東氣流帶來充沛水汽，同時(shí)冷空氣的擴(kuò)散為對(duì)流發(fā)展提供了動(dòng)力因素。850 hPa長(zhǎng)江中下游地區(qū)為暖性低壓波動(dòng)，暖區(qū)較強(qiáng)，臺(tái)風(fēng)“海馬”消散后的水汽維持在華東中南部，高空鋒區(qū)位于華北，冷空氣位置偏東。700 hPa和500 hPa為副高的西側(cè)大范圍的西南氣流中，水汽與能量輸送條件較好。由于本場(chǎng)暖層結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)蛯永淇諝馇秩朐斐蓺鈱拥奶?，?duì)流發(fā)展相對(duì)比較有利，同時(shí)暖區(qū)的空前強(qiáng)大使對(duì)流發(fā)展并不順暢，只在相對(duì)水汽較充沛地理抬升條件較有利的地區(qū)出現(xiàn)局地對(duì)流運(yùn)動(dòng)。由此可以看出此次風(fēng)切變過程產(chǎn)生的背景條件為地面熱低壓與北方冷空氣滲透造成輻合，配合高空中低層的低渦切變而產(chǎn)生。

圖1 2016年10月22日08時(shí)地面圖(a)及850hPa(b)、700hPa(c)、500 hPa(d)高度場(chǎng)

3 低空風(fēng)切變

3.1 風(fēng)向風(fēng)速資料分析

圖2為2016年10月22日15：00—18：00杭州蕭山機(jī)場(chǎng)07/25號(hào)跑道風(fēng)向風(fēng)速1 min瞬時(shí)值的變化趨勢(shì)。從15：36—15：54，07號(hào)跑道風(fēng)速與25號(hào)跑道頭及中間跑道風(fēng)速變化呈相反趨勢(shì)，且風(fēng)向呈對(duì)頭風(fēng)趨勢(shì)，表明在07/25號(hào)跑道上有風(fēng)向輻合，風(fēng)向大幅度變化從07號(hào)跑道頭開始，對(duì)應(yīng)有小尺度天氣系統(tǒng)自07號(hào)跑道頭開始影響本場(chǎng)，這個(gè)時(shí)段是低空風(fēng)切變的開始階段；從15：54—16：18，07/25號(hào)跑道3點(diǎn)的風(fēng)速均增大，增大的時(shí)間點(diǎn)有較大的差異性，呈現(xiàn)不同步的現(xiàn)象，風(fēng)向從16：00開始07號(hào)和中間跑道的風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，25號(hào)跑道風(fēng)向從東北風(fēng)轉(zhuǎn)向西北風(fēng)，兩個(gè)跑道頭的風(fēng)向呈現(xiàn)輻散，一直持續(xù)到16：12時(shí)，之后07號(hào)與25號(hào)跑道頭風(fēng)向發(fā)生劇烈波動(dòng)，在這段時(shí)間風(fēng)速和風(fēng)向呈現(xiàn)不連續(xù)、無規(guī)則的劇烈變化，表明這個(gè)時(shí)段是低空風(fēng)切變的最劇烈的階段；從16：18—16：48，07/25號(hào)跑道上3點(diǎn)的風(fēng)向雖有較大波動(dòng)，但風(fēng)速減小，變化幅度降低，低空風(fēng)切變趨于減弱，這個(gè)時(shí)段處于低空風(fēng)切變的尾聲階段。

圖3為2016年10月22日15:00—18:00杭州蕭山機(jī)場(chǎng)06/24號(hào)跑道風(fēng)向風(fēng)速1 min瞬時(shí)值的變化趨勢(shì)。從圖中看出，06號(hào)跑道和24號(hào)及中間跑道的風(fēng)速有較大的差異，但風(fēng)向變化相差不大，沒有出現(xiàn)明顯的風(fēng)向輻合和風(fēng)向輻散，因此06/24號(hào)跑道的風(fēng)切變強(qiáng)度比07/25號(hào)跑道要弱。

圖2 2016年10月22日杭州蕭山機(jī)場(chǎng)07/25號(hào)跑道風(fēng)向風(fēng)速變化時(shí)間序列圖

圖3 2016年10月22日杭州蕭山機(jī)場(chǎng)06/24號(hào)跑道風(fēng)向風(fēng)速變化時(shí)間序列圖

從上面的風(fēng)速及風(fēng)向數(shù)據(jù)分析來看，在4 km2的范圍內(nèi)，在1 h左右的時(shí)間內(nèi)兩條跑道風(fēng)向風(fēng)速呈現(xiàn)巨大的差異，可看出造成本次天氣過程的系統(tǒng)空間尺度小，歷時(shí)短，天氣現(xiàn)象變化劇烈，符合中尺度γ天氣系統(tǒng)的特點(diǎn)。

根據(jù)國(guó)際民航組織規(guī)定，水平風(fēng)的垂直切變值達(dá)到2．6 m·s-1·30 m-1，可作為能對(duì)飛行構(gòu)成危害的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。而垂直風(fēng)下沉速度大于3．6 m·s-1，即可認(rèn)為是危害安全的下沖氣流(水平風(fēng)的垂直切變強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)見表1)。根據(jù)機(jī)組報(bào)告，起飛過程中地面風(fēng)垂直變化值為3.1 m·s-1·30 m-1，在垂直方向上為中等強(qiáng)度，但是在300 m以下尤其是近地面層的風(fēng)向不連續(xù)比較嚴(yán)重，直接造成一架航班終止起飛，多架航班延誤。

表1 水平風(fēng)度的垂直切變強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

3.2 機(jī)場(chǎng)多普勒雷達(dá)資料分析

3.2.1 回波強(qiáng)度分析

從圖4回波強(qiáng)度圖上看，在15：47距離本場(chǎng)西南偏南方向10 km處有小的對(duì)流單體逐漸向本場(chǎng)靠近，最大強(qiáng)度40～45 dBz，由于溫度層結(jié)的影響，對(duì)流發(fā)展并不旺盛，頂高4～6 km。對(duì)流單體移動(dòng)方向?yàn)槲髂稀獤|北方向，對(duì)流單體的主體位置及移動(dòng)方向決定其主要影響本場(chǎng)的一條跑道即07/25號(hào)跑道，首先影響的是07號(hào)跑道端，進(jìn)而是25號(hào)跑道端，而對(duì)于另外一條跑道即06/24號(hào)跑道影響小的多，這與前文中自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)分析一致。從對(duì)流單體發(fā)展的強(qiáng)度來看，從15：47—15：56，對(duì)流單體強(qiáng)度維持略有加強(qiáng)，在16：00左右覆蓋本場(chǎng)07/25號(hào)跑道，此時(shí)本場(chǎng)雨量最大，但由于頂端盲區(qū)造成視圖上看起來單體范圍縮小強(qiáng)度減弱，16：20對(duì)流單體強(qiáng)度仍然維持，但主體已經(jīng)開始遠(yuǎn)離本場(chǎng)，并沿70°方向東北向逐漸移出，本場(chǎng)陣雨逐漸減弱。

綜上，本次天氣過程是一個(gè)尺度較小對(duì)流單體造成的，由于層結(jié)原因?qū)α靼l(fā)展不旺盛，對(duì)流單體主體位于機(jī)場(chǎng)南側(cè)，主要影響07/25號(hào)跑道，對(duì)流單體移動(dòng)并覆蓋本場(chǎng)時(shí)造成本場(chǎng))7/25號(hào)跑道上較大的風(fēng)切變，造成兩架航班起飛過程中遭遇風(fēng)切變，其中一架被迫中止起飛，另有20多架航班延誤。

典型的雷暴單體引起的低空風(fēng)切變一般是由其下?lián)舯┝骰蜿囷L(fēng)鋒造成的，下?lián)舯┝饕鸬臑?zāi)害性風(fēng)的速度一般要達(dá)到17.9 m·s-1或以上，而本次風(fēng)速最大值在12 m·s-1左右，遠(yuǎn)達(dá)不到下?lián)舯┝鞯臉?biāo)準(zhǔn)，同時(shí)從回波強(qiáng)度圖上也很難看出下?lián)舯┝骰蜿囷L(fēng)鋒的鉤狀或弓狀回波的特征，類似這種由不強(qiáng)的對(duì)流單體引起同時(shí)從雷達(dá)回波強(qiáng)度圖上很難看出其特征的低空風(fēng)切變事件在航空運(yùn)行中比較多見，對(duì)于此類低空風(fēng)切變的預(yù)報(bào)對(duì)于民航氣象保障人員來說尤為重要。

圖4 2016年10月22日杭州蕭山機(jī)場(chǎng)多普勒雷達(dá)不同時(shí)刻0.5°仰角回波強(qiáng)度圖

3.2.2 徑向速度分析

從本場(chǎng)多普勒雷達(dá)徑向速度圖上(圖5)整體上看，白色的零速度線呈“S”型，風(fēng)向從低層的偏東風(fēng)順轉(zhuǎn)到高層的西南偏南風(fēng)。從15：47—15：52，低層雷達(dá)站東側(cè)為大片的負(fù)速度區(qū)，最大速度可達(dá)18 m·s-1，西側(cè)為大片的正速度區(qū)，最大速度可達(dá)14 m·s-1，本場(chǎng)低空處有弱的風(fēng)速輻合。在15：56，在雷達(dá)站點(diǎn)東側(cè)大片的負(fù)速度區(qū)出現(xiàn)了一小點(diǎn)的正速度區(qū)，形成逆風(fēng)區(qū)，逆風(fēng)區(qū)面積很小，此點(diǎn)處于雷達(dá)站的西南側(cè)1 km左右處，即本場(chǎng)07/25號(hào)跑道中間段。在16：01，逆風(fēng)區(qū)的面積有所增大，且緩慢向東北偏東風(fēng)方向移動(dòng)，至16:20逆風(fēng)區(qū)的面積持續(xù)增大，逐漸遠(yuǎn)離本場(chǎng)，完全處于負(fù)速度區(qū)之中。逆風(fēng)區(qū)為中尺度輻合輻散共軛系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)在多普勒速度圖上的表現(xiàn)形式[2]，說明在機(jī)場(chǎng)低空區(qū)風(fēng)向存在不連續(xù)的情況，有風(fēng)向輻合輻散。本次逆風(fēng)區(qū)屬于第一類逆風(fēng)區(qū)[3]，本次為負(fù)速度區(qū)中包含小塊的正速度區(qū)，正速度區(qū)與周圍的負(fù)速度區(qū)形成輻合、輻散的結(jié)構(gòu)，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)很容易造成風(fēng)場(chǎng)的不連續(xù)，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)切變的產(chǎn)生。此外由徑向速度圖中還可以看出，逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)的時(shí)間在15:56左右，而從自動(dòng)觀測(cè)風(fēng)向風(fēng)速的數(shù)據(jù)分析，此時(shí)本場(chǎng)近地面層風(fēng)切變已經(jīng)出現(xiàn)并逐漸加大，至16：10左右為風(fēng)切變最強(qiáng)烈時(shí)段，其中16：09接到機(jī)組報(bào)告因風(fēng)切變而強(qiáng)迫剎車中止起飛。由此可以把逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)看作是低空風(fēng)切變產(chǎn)生的一個(gè)指標(biāo)，跟蹤其移動(dòng)路徑和方向?qū)︼L(fēng)切變的預(yù)警預(yù)報(bào)有較好的幫助作用。

3.2.3 徑向速度垂直剖面分析

本次徑向速度垂直剖面方向?yàn)?0°～260°，中心點(diǎn)位于07/25號(hào)跑道上方。從徑向速度的垂直剖面圖中(圖6所示)可以更加清楚的看到對(duì)流單體中流場(chǎng)的不連續(xù)垂直結(jié)構(gòu)及逆風(fēng)區(qū)的移動(dòng)路徑，在近地面層自15:42始，在本場(chǎng)西南側(cè)20 km范圍內(nèi)正速度區(qū)中夾雜著不連續(xù)的負(fù)速度小區(qū)塊，表明本場(chǎng)西南側(cè)近距離內(nèi)存在非常明顯的風(fēng)的輻合輻散，而本場(chǎng)東側(cè)為相對(duì)均勻的負(fù)速度區(qū)，表明本場(chǎng)東側(cè)的風(fēng)向較為一致。隨著對(duì)流單體移近本場(chǎng)，在16:01雷達(dá)中心附近的負(fù)速度區(qū)中有小正速度區(qū)，表明風(fēng)場(chǎng)的輻合輻散處于本場(chǎng)終端區(qū)附近，隨后引起跑道附近強(qiáng)烈風(fēng)切變而使航班中斷起飛，至16:10左右風(fēng)切變達(dá)到最強(qiáng)。16:20以后逆風(fēng)區(qū)逐漸傳導(dǎo)到本場(chǎng)東側(cè)，跑道附近風(fēng)場(chǎng)逐漸趨于穩(wěn)定，時(shí)間尺度上與對(duì)流單體的發(fā)展移動(dòng)同步。通過徑向速度垂直剖面資料分析，在觀察對(duì)流單體的三維結(jié)構(gòu)上具有很好的作用，同時(shí)在預(yù)判低空風(fēng)切變的發(fā)生時(shí)間、影響尺度以及結(jié)束時(shí)段都具有明顯的時(shí)效性。

圖5 2016年10月22日杭州蕭山機(jī)場(chǎng)多普勒雷達(dá)不同時(shí)刻0.5°仰角徑向速度圖

圖6 2016年10月22日杭州蕭山機(jī)場(chǎng)多普勒雷達(dá)不同時(shí)刻0.5°仰角徑向速度垂直剖面圖

4 結(jié) 語

1)杭州蕭山機(jī)場(chǎng)的2016年10月22日低空風(fēng)切變事件是在弱冷空氣入侵暖區(qū)的背景下，受地面臺(tái)風(fēng)減弱后的熱低壓輻合和高空中低層低渦切變系統(tǒng)的共同影響下，錢塘江入海口近地層?xùn)|北風(fēng)帶來的充沛水汽和局部的地形抬升使得在本場(chǎng)附近觸發(fā)生成小尺度對(duì)流單體而造成的。

2)這次過程中的對(duì)流單體系統(tǒng)空間尺度小，歷時(shí)短，天氣現(xiàn)象變化劇烈，符合中尺度γ天氣系統(tǒng)的特點(diǎn)。對(duì)于中小尺度天氣系統(tǒng)，利用多普勒雷達(dá)進(jìn)行跟蹤分析是目前較有效的預(yù)報(bào)手段。

3)通過多普勒雷達(dá)資料分析表明，常用的雷達(dá)資料如回波強(qiáng)度特征等較難預(yù)報(bào)出低空風(fēng)切變的生消影響等諸要素，而利用雷達(dá)徑向速度資料，特別是徑向速度垂直剖面資料可以對(duì)孤立單體進(jìn)行三維風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的分析，并結(jié)合反射率因子回波的移動(dòng)，在預(yù)警預(yù)報(bào)低空風(fēng)切變等嚴(yán)重影響民航運(yùn)行的小微尺度危害性天氣時(shí)可以得到較為良好的效果。

[1] 陳廷良．現(xiàn)代運(yùn)輸機(jī)航空氣象學(xué)[M]．北京：氣象出版社，1992：281-286．

[2] 張沛源，余志敏．多普勤天氣雷達(dá)資料在強(qiáng)天氣短時(shí)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[C]//第十一屆亞運(yùn)會(huì)氣象保障研究論文集．北京：氣象出版社，1992：68-74.

[3] 李俊霞，湯達(dá)章，李培仁,等. 中小尺度的多普勒徑向速度場(chǎng)特征分析[J]. 氣象科學(xué)，2007，27(5)：558-563.