王欽,潘微多,李瑤婷,曾波

(1.中國民用航空飛行學(xué)院廣漢分院,廣漢 618307;2.中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室,成都 610072)

突風(fēng)主要包括近地面大側(cè)風(fēng)、順風(fēng)以及風(fēng)切變。突風(fēng)一直以來都是危及飛行安全的重要氣象要素之一,航空器在飛行時遇到大風(fēng)及風(fēng)切變往往出現(xiàn)突然劇烈抖動,影響飛機操縱的穩(wěn)定性,特別是離地500 m以下的強風(fēng)及低空風(fēng)切變,使得正處于起飛和降落階段的飛機,調(diào)整空間不足,操作不及時極易墜機,造成國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)的損失[1-2]。目前超過30%的進近及著陸事故均與突風(fēng)相關(guān),因此作為民航、通航機場來說,對突風(fēng)的研究是確保飛行安全的重要課題。

為了提高氣象保障能力,氣象科技工作者對地面大風(fēng)的特征和物理機制開展了大量研究,獲得很多對實際生產(chǎn)有重要指導(dǎo)意義的有益結(jié)論。畢波等[3]總結(jié)了地處青藏高原東南緣的大理機場地面風(fēng)的變化特征,得出機場干季受大風(fēng)、顛簸和低空風(fēng)切變影響較大。申輝等[4]、王欽等[5]總結(jié)了四川盆地通航機場地面風(fēng)場的時空變化特征,這些研究成果對機場的運行、飛行計劃等提供了一定的參考。孫曉磊等[6]和吳海英等[7]對近地面強風(fēng)發(fā)展的物理過程進行研究,認為溫度平流通過使地面變壓場和變壓梯度增強,而成為地面大風(fēng)的重要原因之一。黃彬等[8]、李玲萍等[9]和鄔仲勛等[10]在研究冷空氣大風(fēng)過程中發(fā)現(xiàn)出氣壓梯度風(fēng)外,高空動量下傳在冷空氣引起的地面強風(fēng)天氣過程中也起到了重要作用。隨著人們生活水平的提高,航班量的增加,飛行對于近地層大風(fēng)的監(jiān)控和預(yù)報需求也在不斷增加,越來越多的研究人員利用天氣研究與預(yù)報(weather research and forecasting,WRF)等數(shù)值模式通過不同的參數(shù)化方案試驗,模擬局地的近地層風(fēng)場[11-14],以期達到日益增長的氣象保障需求。如蔣興文等[15]研究了中國三大高原機場之一的九黃機場地面風(fēng)的演變特征,并通過WRF模擬較好的再現(xiàn)了機場一次大風(fēng)過程的發(fā)生時間和強度,但也指出模式對該機場夜間模擬能力較差。總的來說,目前關(guān)于機場近地面風(fēng)場的很多研究大多從氣候統(tǒng)計或者大尺度氣象條件分析入手進行氣象要素統(tǒng)計,通過將氣象診斷和飛行器標準緊密結(jié)合進行詳細診斷和分析的研究還很少。

廣漢機場地處四川盆地西部,由于高原和秦嶺的阻擋作用,機場一年四季平均風(fēng)在2～4 m/s,瞬時風(fēng)出現(xiàn)≥12 m/s的情況較少,而約17 m/s的瞬時風(fēng)更是罕見,地理位置十分有利于中小型飛行器進行高密度的飛行訓(xùn)練[5]。但是在2022年3月30日,機場出現(xiàn)了一次強度較為罕見的地面大側(cè)風(fēng)過程,側(cè)風(fēng)分量嚴重超過中小型飛行器起降標準,迫使進場飛機復(fù)飛,對航空器飛行安全造成很大威脅。鑒于此,利用機場地面逐分鐘的風(fēng)場數(shù)據(jù),對地面風(fēng)的平均風(fēng)向、風(fēng)速、陣風(fēng)系數(shù)等特征進行了詳細診斷,并通過第5代歐洲數(shù)值預(yù)報中心再分析數(shù)據(jù)集(the fifth reanalysis of European center for medium-range weather forecasts,ERA5)逐小時的高空細網(wǎng)格數(shù)據(jù),利用WRF模式對此次過程進行了數(shù)值模擬,探討了大風(fēng)成因以及近地層風(fēng)場的三維結(jié)構(gòu)對飛行訓(xùn)練的影響,為加強機場氣象保障服務(wù)工作提供參考。

1 資料來源和研究方法

1.1 機場概況和數(shù)據(jù)

廣漢機場屬于通航機場,海拔高度為540 m,主要用于進行飛行學(xué)生的日常飛行訓(xùn)練、西南地區(qū)人工增雨等飛行任務(wù),用于飛行活動的機型主要包括172、鉆石、西銳、小雙發(fā)以及新舟,當風(fēng)速≥3.5 m/s時學(xué)生的飛行訓(xùn)練便受到影響,而12 m/s是所有機型的起降最高閾值。

使用的資料包括廣漢機場逐分鐘的地面10 min平均風(fēng)向、風(fēng)速、10 min最大風(fēng)速、瞬時風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓以及溫度。機場ADWR-X波段多普勒氣象雷達的徑向速度資料,每10 min完成一次體掃,距離分辨率為125 m,共計14個仰角。ERA5逐小時再分析資料,包括高空風(fēng)、溫度、相對濕度、垂直速度等氣象要素,分辨率為0.25°×0.25°,所有資料時間段取2022年3月29日18:00—30日18:00。

1.2 計算方法

民航局規(guī)定使用地面觀測10 min平均風(fēng)進行參考,但是對于高密度起降訓(xùn)練的中小型飛行器來說,其對風(fēng)的變化比大型機更加敏感。趙德山等[16]研究表明,強風(fēng)條件下由于湍流運動十分強烈,陣風(fēng)和風(fēng)速脈動對飛行的影響至關(guān)重要,因此計算風(fēng)速脈動值u′[17]來分析大風(fēng)及對飛行的影響,定義為

(1)

為了評估模式對風(fēng)場的模擬能力,計算地面風(fēng)場觀測值與模擬值的均方根誤差(RMSE),可表示為

(2)

式(2)中:N為樣本總數(shù);Oi為地面風(fēng)的實際觀測;Si為地面風(fēng)的模擬值,m/s。

1.3 模式設(shè)置和試驗設(shè)計

為了進一步研究WRF模式對冷空氣大風(fēng)影響下機場終端區(qū)風(fēng)場精細化特征的模擬能力,采用區(qū)域天氣預(yù)報模式WRF(版本為4.1),以廣漢機場為中心(30.95°N,104.31°E)的8.1 km×8.1 km的區(qū)域為試驗區(qū)域,如圖1所示,模式采用四重嵌套,網(wǎng)格分辨率分別為8.1,2.7,0.9,0.3 km,網(wǎng)格數(shù)分別為105×105、103×103、103×103、103×103個,垂直方向為35層,其中1 km以下為9層,模式參數(shù)化方案設(shè)置如表1所示。模式采用ECMWF-ERA-interim逐小時再分析資料作為初始場和側(cè)邊界條件,積分時間為2022年3月29日18:00—3月30日18:00,共計24 h,模擬結(jié)果每30 min輸出一次。

圖1 WRF四層嵌套的區(qū)域設(shè)置及地形Fig.1 Four nest domains in WRF simulation and topography

表1 數(shù)值試驗中WRF模式物理化參數(shù)方案配置Table 1 Configures of the physical scheme in WRF simulation

2 地面強風(fēng)影響飛行的精細化特征

通過機場2022年3月30日00:00—16:00(世界時)10 min平均風(fēng)的風(fēng)向、風(fēng)速、10 min最大風(fēng)速和最小風(fēng)速的時間演變(圖2)可以看出,本次大風(fēng)過程觀測到的最大瞬時風(fēng)速出現(xiàn)在12:40,風(fēng)速最大達到16.1 m/s,10 min平均風(fēng)最大出現(xiàn)在12:28,風(fēng)速值為8.5 m/s。按照平均風(fēng)≥3.5 m/s作為大風(fēng)影響飛行時段的起始,可以看出,本次大風(fēng)對飛行的影響時段為11:58—13:44[圖2(a)],持續(xù)時間接近2 h,影響過程中風(fēng)向變化較小,以0°～50°的偏北風(fēng)為主。從圖2(a)可知,12:00以后地面平均風(fēng)在3 min內(nèi)就急劇增加至6 m/s,10 min最大風(fēng)瞬達到了10.6 m/s,12:05最大風(fēng)加大至12.8 m/s,12:16進一步加大至14.9 m/s,12:40達到最大本次過程最大風(fēng)速值16.1 m/s。由此可見,本次偏北大風(fēng)過程不僅強度強,且爆發(fā)性也強,由于飛機起飛和降落均在幾分鐘內(nèi),因此導(dǎo)致進場飛機被迫復(fù)飛。

從30日地面風(fēng)的時間演變(圖2)可以看出,機場在上午大部分時間以低于2 m/s的風(fēng)為主,風(fēng)向逐漸由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),并一直持續(xù),風(fēng)速共經(jīng)歷了四次明顯的增加過程(表2)。10 min平均風(fēng)速的第一次明顯加強從世界時04:00開始,13號跑道接地端風(fēng)速從0.8 m/s加大到2.8 m/s,風(fēng)向以北東北風(fēng)為主,隨著一次又一次的風(fēng)速波動,地面風(fēng)隨著風(fēng)速的波動峰值也在逐漸增加,每一次風(fēng)速波動達到峰值的耗時也在逐漸縮短,這也預(yù)示著地面風(fēng)速的爆發(fā)力也在逐漸加強,第4次加強導(dǎo)致了本次大風(fēng)過程,風(fēng)涌持續(xù)36 min,瞬時風(fēng)最大為16.1 m/s。

表2 4次明顯的地面風(fēng)波動過程Table 2 Four significant wind speed fluctuations

由于廣漢機場跑道為31/13,飛機通常在13號跑道端降落,因此將地面風(fēng)根據(jù)13號跑道方向分解為側(cè)風(fēng)分量以及順/逆風(fēng)分量,如圖3所示,其中左側(cè)風(fēng)為正,右側(cè)風(fēng)為負,順風(fēng)為正,逆風(fēng)為負?？梢钥闯?06:00以后機場地面風(fēng)對飛機的影響主要以左側(cè)風(fēng)為主,順/逆風(fēng)分量很小,且隨著風(fēng)速的急劇增加,左側(cè)風(fēng)分量也隨之增加。從圖3(b)中可以看出,風(fēng)速脈動在上午基本在±1 m/s,脈動很小,午后隨著近地面湍流的加強,風(fēng)速脈動逐漸增加至±2 m/s,11:58地面風(fēng)場急劇增加,風(fēng)速脈動增強,達到了±3 m/s,12:38風(fēng)速脈動一度達到5.4 m/s,這表明地面風(fēng)速變化大,氣流不穩(wěn)定,非常不利于飛機的起飛和降落,且左側(cè)風(fēng)易造成飛機側(cè)翻或者沖出跑道。

圖3 2022年3月30日沿著跑道的側(cè)風(fēng)分量、順/逆風(fēng)分量和風(fēng)速脈動的時間變化Fig.3 Time variation of cross wind speed,tail/head wind speed and wind velocity fluctuation on March 30,2022

3 大風(fēng)過程成因分析

3.1 環(huán)流形勢與變壓場

本次大風(fēng)對應(yīng)500 hPa不斷有短波槽東移南下從高原影響四川盆地,引領(lǐng)冷空氣向南入侵,與西太平洋副熱帶高壓配合,在低層盆地西部受下沉輻散氣流控制,從陜甘南地區(qū)至四川盆地西部有偏北風(fēng)急流,廣漢處于急流底部,與500 hPa強西南氣流北側(cè)對應(yīng),形成中層輻合低層輻散的耦合形勢,有利于高空動量下傳[18]。

在冬季、春季,由冷鋒過境造成地面大風(fēng)的物理機制主要包括兩種:一種是高空系統(tǒng)通過引導(dǎo)冷空氣南下使得地面變壓增強,變壓梯度增加所致[18-19];第二種是強冷平流和高低空輻合輻散環(huán)流引起強烈的下沉運動,造成地面大風(fēng)[20-21],第二種情況有時配合低空急流,通過高空通量下傳誘發(fā)極端突發(fā)大風(fēng)[22]。圖4給出了機場24 h變溫和變壓的變化情況,03:00之前機場就已處于明顯的正變壓區(qū),24 h變壓在5 hPa,而24 h變溫在0 ℃附近,變溫不明顯。這主要是受到28日冷鋒過境的影響,隨著冷鋒的過境,冷鋒后部的高壓在東移南下的過程中逐漸變性,造成了地面加壓明顯,但氣溫的逐漸升高造成變溫不明顯。03:00開始24 h變溫明顯轉(zhuǎn)負,24 h變壓逐漸增加,整個過程表現(xiàn)出明顯的冷空氣入侵特征。而地面3 h變壓場的分布顯示在大風(fēng)發(fā)生時變壓梯度大值區(qū)已經(jīng)過機場并向南移動至四川盆地南部,廣漢機場處于兩個正變壓中心之間變壓梯度較小的區(qū)域。因此從地面變壓場的時空分布可以得出,冷空氣入侵引起的地面加壓和變壓梯度并不是造成12:00地面偏北大風(fēng)強度爆發(fā)性增強的主要原因。

虛線為大風(fēng)影響的關(guān)鍵點圖4 廣漢機場2022年3月30日24 h變溫、變壓的時間演變Fig.4 Time revolution of 24 h temperature and pressure changes at Guanghan Airport on March 30,2022

3.2 高空風(fēng)動量下傳

在大風(fēng)發(fā)生前1 h,從ADWR-X波段多普勒氣象雷達的徑向速度場上就觀測到有明顯的“牛眼”特征,即空中有大風(fēng)中心存在[圖5(a)]。19:03從3.4°仰角可以觀測到大風(fēng)中心位于測站的東北方向,與低層強東北風(fēng)一致,大風(fēng)核位于1 800 m高度,徑向速度達到16.5 m/s。從沿著圖5(a)中AB徑向線上徑向速度的時間演變可知[圖5(b)],從11:03—12:23藍色所示的大風(fēng)區(qū)隨著時間表現(xiàn)出明顯的向下傳播的特征,12:23時,大風(fēng)區(qū)中心速度至增加21.5 m/s,大風(fēng)區(qū)以平均4.6 m/s的速度下沉并向機場移動。大風(fēng)發(fā)生時可見有大于16 m/s的大風(fēng)核穿過雷達站,意味著大風(fēng)核接地,與本次過程最大瞬時風(fēng)對應(yīng)。從大風(fēng)發(fā)生前1 h至大風(fēng)強盛期多普勒雷達的徑向速度場明顯可見大風(fēng)中心強度逐漸增加,大風(fēng)核下沉的特征,說明與地面變壓相比,高空動量下傳機制在機場20:00以后地面突發(fā)的偏北大風(fēng)過程中占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖5 氣象雷達3.4°仰角的徑向速度分布及AB線上徑向速度的時間演變Fig.5 Radial velocity distribution of weather radar 3.4° elevation angle and its time revolution of velocity on AB line

進一步從機場上空流場垂直分布的時間演變以及垂直環(huán)流進行分析,如圖6所示,30日白天在750 hPa以下廣漢機場均為東北氣流控制,風(fēng)速逐漸增加,隨著上升氣流轉(zhuǎn)換為下沉氣流,風(fēng)速表現(xiàn)出動量下傳的特征。06:00時,0～6 km風(fēng)垂直切變指數(shù)在23 m/s,表明有深厚的垂直風(fēng)切變,在此之前風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流,06:00—15:00時,隨著700～600 hPa高空風(fēng)也逐漸轉(zhuǎn)為東北氣流控制,暖平流向冷平流轉(zhuǎn)換,在12:00前后從850 hPa向下由強上升氣流轉(zhuǎn)為強下沉氣流控制,形成了低層輻散下沉疊加中層有輻合上升的垂直結(jié)構(gòu),900～850 hPa出現(xiàn)整層的大風(fēng)速中心,風(fēng)速等值線隨時間向下傾斜,表現(xiàn)為高空動量下傳的特征,15:00以后風(fēng)速等值線趨于平緩。從12:00廣漢機場沿著緯度和經(jīng)度的垂直剖面圖[圖6(b)和圖6(c)]可知,在850～900 hPa有大風(fēng)中心,風(fēng)速17.5 m/s,大風(fēng)區(qū)對應(yīng)為下沉運動控制,十分有利于高空動量下傳,而在105.5°E以東的地區(qū)整層表現(xiàn)出一致的上升運動,有利于與機場上空的下沉氣流在低層形成垂直次級環(huán)流。沿著經(jīng)度方向,冷空氣入侵的特征更為明顯,自北向南上升氣流與下沉氣流分界面成“契形”向下,而風(fēng)速大值中心也順著分界面自北向南,自上而下向廣漢機場延伸,為典型的冷空氣影響下高空動量下傳的剖面特征。

圖6 廣漢機場上空水平和垂直風(fēng)場的時間演變以及南北、東西反向的垂直剖面Fig.6 Time revolution of the horizontal and vertical wind field above Guanghan Airport,and the vertical structure of circulation along the latitude and longitude of airport

4 數(shù)值模擬

分析可知,2022年3月30日廣漢機場地面偏北大風(fēng)主要是由于500 hPa高空短波槽東移的過程中冷空氣補充南下,中層強偏南氣流與低層偏北急流配和,中低層形成中層輻合上升,低層輻散下沉的垂直結(jié)構(gòu)使得低層下沉氣流異常強勁,將900～850 hPa的強風(fēng)通過高空動量下傳作用向地面?zhèn)鲗?dǎo),使得地面風(fēng)速在短時間內(nèi)出現(xiàn)爆發(fā)性增強,引起地面?zhèn)蕊L(fēng)超過飛行器起落標準。由于飛行器下降到進場著陸僅需3～10 min的時間,且區(qū)域往往在15 km范圍內(nèi),因此精細化的預(yù)報有助于降低突風(fēng)的影響。

為了進一步了解WRF模式對廣漢機場近地面風(fēng)場精細化特征的模擬能力,使用ERA5的再分析資料作為初始場和側(cè)邊界場驅(qū)動WRF模式,通過四重嵌套得到風(fēng)場高精度的時空信息。圖7對比了觀測和模式模擬的廣漢機場每30 min的地面風(fēng)演變。可以看出,模擬值與觀測值的變化趨勢較為一直,均呈現(xiàn)出波動性增加的過程。模式對于大風(fēng)過程中最大風(fēng)速值得模式結(jié)果較好,最大為8.5 m/s,僅比觀測最大值偏高0.4 m/s,并且大風(fēng)時段風(fēng)向以45°的東北風(fēng)為主,與觀測值也較為一致。不同的是,模式對于部分時段的風(fēng)向、風(fēng)速模擬偏差還是比較大的,圖7(b)反映出風(fēng)速偏差主要體現(xiàn)在兩個時段:一是30日05:00—07:00;二是大風(fēng)影響時段(13:00—16:00)。在大風(fēng)影響時段,由于模式模擬比實際觀測整體延遲約2 h,這就使得模式的最大風(fēng)速也延遲至14:00,也進一步導(dǎo)致該時段誤差比較大。圖7(c)中風(fēng)向偏差較大主要出現(xiàn)在非大風(fēng)時段,該時段風(fēng)速較弱,風(fēng)向多為偏南風(fēng)為主。

圖7 模擬與觀測的地面風(fēng)場24 h對比以及偏差Fig.7 The comparation and bias between observed and simulated wind field in 24 hours

對此次機場偏北大風(fēng)的風(fēng)向和風(fēng)速模擬結(jié)果進行了驗證,結(jié)果如表3所示。可以看出,機場風(fēng)向模擬結(jié)果的均方根誤差約為90°,與觀測之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.51,說明局地風(fēng)向的模擬結(jié)果與實際情況較為吻合。風(fēng)速模擬結(jié)果的均方根誤差在1.7 m/s以內(nèi),但與機場實際的風(fēng)速之間同樣存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,主要是由于在大風(fēng)時段風(fēng)速整體出現(xiàn)約2 h的滯后。結(jié)合圖7和表3可知,WRF模式能夠成功模擬出大風(fēng)過程中風(fēng)速的變化趨勢、風(fēng)速最大值和大風(fēng)影響時段的風(fēng)向,對于飛行保障而言,有利于進一步預(yù)測大風(fēng)對飛行的影響是側(cè)風(fēng)還是順/逆風(fēng),有助于飛行員在著陸地時快速調(diào)整姿態(tài)。而機場風(fēng)速的模擬部分時段與實際情況存在較大偏差且模擬風(fēng)速值總體偏高,這不僅與西川盆地西部的復(fù)雜地形有關(guān)[23],而且與ERA5的初始場、背景場的數(shù)據(jù)質(zhì)量密切相關(guān)[24-26]。將ERA5中10 m風(fēng)場的網(wǎng)格數(shù)據(jù)插值到廣漢機場所在經(jīng)緯度,對比圖8可知,2022年3月39日18:00—30日18:00背景場提供的風(fēng)場與觀測得到的風(fēng)場本身在大風(fēng)影響時段就存在較大偏差,而風(fēng)向偏差主要也體現(xiàn)在弱南風(fēng)時段。

紅色區(qū)域和藍色區(qū)域分別表示風(fēng)速偏差大于0和小于0圖8 地面風(fēng)場風(fēng)向、風(fēng)速模擬值與觀測值的偏差Fig.8 Deviation of wind speed and direction between simulation and observation

表3 地面風(fēng)向和風(fēng)速模擬結(jié)果驗證Table 3 Validation of simulation local wind speed and wind direction

5 結(jié)論

根據(jù)常規(guī)觀測資料、ADWR-X多普勒氣象雷達資料和ERA5逐小時0.25°×0.25°再分析資料,對2022年3月30日發(fā)生在廣漢機場的偏北大風(fēng)過程中風(fēng)場的變化特征、大風(fēng)成因及對飛行的影響進行了診斷分析和模擬研究,探索了氣象在通航領(lǐng)域的保障應(yīng)用。得出如下結(jié)論。

(1)此次偏北大風(fēng)過程風(fēng)速增長快,爆發(fā)性強,雖然從午后地面風(fēng)場表現(xiàn)出一定規(guī)律的波動,且波動期間風(fēng)速峰值呈增加趨勢,但此次過程最大瞬時風(fēng)爆發(fā)性增長到16.1 m/s的強度為預(yù)報難點。由于風(fēng)向穩(wěn)定,大風(fēng)對飛行的影響主要表現(xiàn)為起降跑道側(cè)風(fēng)值超過了中小型飛行器的起降標準,并且風(fēng)速脈動值最大超過5 m/s,致使跑道區(qū)域內(nèi)流場的不穩(wěn)定增加,造成進場飛機被迫復(fù)飛以及部分飛行器無法降落。

(2)對大風(fēng)成因進行診斷表明,本次大風(fēng)為補充冷空氣南下過程中,以高空動量下傳為主要機制引起的偏北大風(fēng)。500 hPa上游有短波槽東移,大風(fēng)發(fā)生在高空暖平流向冷平流轉(zhuǎn)換的過程中,本次大風(fēng)強度罕見主要在于中層有強偏南氣流與低層偏北急流配和,中低層形成了中層輻合上升,低層輻散下沉的垂直結(jié)構(gòu)使得低層下沉氣流異常強勁,將900～850 hPa的強風(fēng)通過高空動量下傳向地面?zhèn)鲗?dǎo),引起地面偏北風(fēng)的爆發(fā)性增強。

(3)利用ERA5再分析資料作為初始場驅(qū)動WRF模式,通過四重嵌套模擬地面10 m風(fēng)場的精細化信息,模擬結(jié)果表明WRF對盆地西部冷空氣補充南下引起的偏北大風(fēng)在風(fēng)速演變趨勢、風(fēng)速最大值和大風(fēng)影響時段的風(fēng)向有較好的模擬能力,對飛行起飛和著陸有一定的參考價值。但需要指出的是,本文僅針對一次個例進行初步研究,鑒于邊界層參數(shù)化方案、背景場和初始場等不同都將影響模式模擬的結(jié)果,因此未來可利用WRF模式通過不同背景場、參數(shù)化方案的對比實驗進一步開展突風(fēng)的預(yù)測研究。