強(qiáng)曉西

(1.蘭州大學(xué)，蘭州 730002；2.中國(guó)民用航空西北地區(qū)空中交通管理局，西安 710082)

蘭州飛行情報(bào)區(qū)一次嚴(yán)重顛簸個(gè)例分析

強(qiáng)曉西1，2

(1.蘭州大學(xué)，蘭州 730002；2.中國(guó)民用航空西北地區(qū)空中交通管理局，西安 710082)

利用NCEP再分析資料對(duì)2013年5月17日14時(shí)蘭州飛行情報(bào)區(qū)兩架航空器發(fā)生嚴(yán)重顛簸的個(gè)例進(jìn)行診斷分析，結(jié)果表明：顛簸區(qū)位于切斷低壓底部高空西風(fēng)急流出口區(qū)南側(cè)，急流軸最大風(fēng)速超過(guò)55 m/s；急流軸南側(cè)產(chǎn)生的下沉氣流是造成嚴(yán)重顛簸的主要原因。

嚴(yán)重顛簸；高空急流；次級(jí)環(huán)流；物理量場(chǎng)

大氣中的湍流使飛行中的飛機(jī)受到不均勻空氣的動(dòng)力沖擊而發(fā)生左右搖晃、上下拋擲、前后顛頓和局部震顫的現(xiàn)象稱為飛機(jī)顛簸。顛簸使飛機(jī)部件受到忽大忽小的負(fù)荷變化，從而可能造成某些部件變形或受損。顛簸時(shí)飛機(jī)飛行的高度、速度和姿態(tài)都會(huì)發(fā)生變化，從而加大飛行員操作難度，嚴(yán)重的飛機(jī)顛簸會(huì)使飛機(jī)操縱困難甚至失去控制,造成飛行事故[1]。此外，飛機(jī)顛簸還可能造成航空器承載人員恐慌和受傷。近年來(lái)，已數(shù)次發(fā)生民航客機(jī)因顛簸而造成乘客受傷的事件，因此飛機(jī)顛簸一直是航空氣象研究的重點(diǎn)。2013年5月17日14：30，兩架航空器在甘肅靜寧附近8 000～9 500 m高度遭遇中度以上顛簸。利用NCEP1°×1°再分析資料對(duì)此次嚴(yán)重顛簸個(gè)例的特點(diǎn)和成因進(jìn)行分析。

1 環(huán)流背景

2013年5月17日14時(shí)， 300 hPa位勢(shì)高度和全風(fēng)速場(chǎng)圖(圖1)，歐亞中高緯度為兩槽兩脊型，一低壓槽為位于日本海附近的東亞大槽，巴爾喀什湖以北—中西伯利亞高原為一強(qiáng)高壓脊，朝鮮半島—鄂霍茨克海為另一高壓脊，兩脊之間的貝加爾湖地區(qū)為一深厚的切斷低壓槽，切斷低壓底部為一支西起新疆東北部，經(jīng)過(guò)內(nèi)蒙古、甘肅延伸至西太平洋的西風(fēng)急流。急流軸分為兩段，北部急流軸入口區(qū)位于蒙古國(guó)西部，在河套北部風(fēng)速減弱形成出口，急流軸最大風(fēng)速達(dá)40 m/s以上；南部急流軸入口區(qū)位于陜西南部，向東延伸至西太平洋，急流軸中心最大風(fēng)速超過(guò)50 m/s。兩架航空器發(fā)生嚴(yán)重顛簸的甘肅靜寧附近區(qū)域正好位于北部西風(fēng)急流軸出口區(qū)的南側(cè)。

圖1 2013-05-17T14 300 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和全風(fēng)速場(chǎng)(等值線為位勢(shì)高度場(chǎng)，單位為dagpm；陰影區(qū)為≥30 m/s的全風(fēng)速場(chǎng)，單位為m/s)

2 物理量場(chǎng)分析

動(dòng)力擾流對(duì)航空器而言是一股方向不定、強(qiáng)弱不一的陣風(fēng)。這種陣風(fēng)可被分解為垂直陣風(fēng)和水平陣風(fēng)來(lái)討論。當(dāng)航空器在平飛中突然遇到垂直向上的陣風(fēng)時(shí)，其所受的升力增大，航空器突然躍升；當(dāng)航空器突然遇到垂直向下的陣風(fēng)時(shí)，其所受的升力減小，航空器將突然下降。如果作用在航空器左右機(jī)翼上的垂直陣風(fēng)方向和大小不一致，產(chǎn)生的力矩會(huì)使飛機(jī)搖晃；如果作用的時(shí)間短促而頻繁，則會(huì)使飛機(jī)產(chǎn)生抖動(dòng)。當(dāng)飛機(jī)在平飛中遇到水平陣風(fēng)時(shí)，空速以至升力也隨之發(fā)生不規(guī)則的變化，同樣會(huì)造成飛機(jī)顛簸[2]。通過(guò)分析發(fā)生嚴(yán)重顛簸區(qū)域的物理量場(chǎng)，可以看出高空急流對(duì)于航空器造成的影響。

2.1 垂直速度

圖2是2013年5月17日14時(shí)沿105°E(靜寧的經(jīng)度)垂直速度和全風(fēng)速垂直剖面圖?？梢钥闯觯绷鬏S位于200 hPa，中心最大風(fēng)速超過(guò)55 m/s，南北尺度超過(guò)7個(gè)緯距，急流的垂直范圍為100～400 hPa。200 hPa急流軸下方、45°N以南存在兩個(gè)大范圍的下沉速度區(qū)：一個(gè)位于35°N～45°N，向下延伸至500 hPa附近，下沉速度中心為0.05×10-3Pa/s；另一個(gè)位于35°N以南，向下延伸至850 hPa附近，下沉速度中心為0.15×10-3Pa/s。急流軸下方45°N以北有一強(qiáng)上升速度區(qū)，自對(duì)流層低層向上伸展至200 hPa附近，上升速度中心最大值超過(guò)-0.15×10-3Pa/s。急流軸南北兩側(cè)的上升和下沉氣流構(gòu)成高空急流的次級(jí)環(huán)流。下沉氣流的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致航空器升力減小，無(wú)法保持高度，必須下降高度或改變航向，以躲避強(qiáng)下沉氣流從而減輕顛簸對(duì)航空器的影響。這與兩個(gè)機(jī)組報(bào)告航空器在下沉氣流中心的外圍遭遇中度以上顛簸是相符的。

圖2 2013-05-17T14沿105°E垂直速度場(chǎng)和全風(fēng)速場(chǎng)剖面圖(虛線為垂直速度場(chǎng)，單位為10-3 Pa/s；實(shí)線為≥30 m/s的全風(fēng)速場(chǎng)，單位為m/s)

2.2 散度

在急流出口區(qū)，空氣向下游移動(dòng)不斷減速，在出口區(qū)活動(dòng)的氣塊得到向右偏(看向下游)的非地轉(zhuǎn)風(fēng)分量，因此在出口區(qū)北側(cè)產(chǎn)生高空輻散，南側(cè)產(chǎn)生高空輻合，北側(cè)出現(xiàn)上升氣流，南側(cè)出現(xiàn)下沉氣流[3]。分析散度場(chǎng)(圖3)可以看出，在35°N～40°N區(qū)域附近，200 hPa有一負(fù)散度中心，最小值lt;-0.4×10-5s-1，表明在對(duì)流層高層有強(qiáng)氣流輻合；600～400 hPa高度有一正散度大值區(qū)，最大值gt;1×10-5s-1，表明在對(duì)流層中層有強(qiáng)氣流輻散。當(dāng)高層輻合、中層輻散時(shí)，在兩層間存在較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)，這與對(duì)垂直速度的診斷是相符的，飛機(jī)發(fā)生顛簸的區(qū)域正是位于高層輻合和中層輻散之間的強(qiáng)下沉氣流中。此外，在40°N～45°N附近，200 hPa有正散度大值區(qū)，對(duì)流層中、低層有負(fù)散度區(qū)，表明高層有輻散，中、底層有輻合，存在垂直上升氣流。

圖3 2013-05-17T14沿105°E散度剖面圖(單位為10-5 s-1)

2.3 渦度平流

由ω方程可知，當(dāng)正絕對(duì)渦度平流隨高度增加或負(fù)絕對(duì)渦度平流隨高度減小時(shí)會(huì)引起上升運(yùn)動(dòng)；當(dāng)正絕對(duì)渦度平流隨高度減小或負(fù)絕對(duì)渦度平流隨高度增加時(shí)會(huì)引起下沉運(yùn)動(dòng)。2013年5月17日14時(shí)，沿105°E渦度平流剖面圖(圖略)，在200 hPa急流軸處為強(qiáng)負(fù)渦度平流中心，顛簸區(qū)域負(fù)絕對(duì)渦度平流隨高度增加而增加，引起下沉運(yùn)動(dòng)造成航空器顛簸。

3 結(jié)論

(1)此次航空器報(bào)告的顛簸區(qū)域位于300 hPa貝加爾湖切斷低壓底部的高空西風(fēng)急流出口區(qū)南側(cè)，急流軸位于200 hPa，最大風(fēng)速達(dá)55 m/s，南北尺度超過(guò)7個(gè)緯距，垂直范圍為100～400 hPa。

(2) 在高空急流出口區(qū)，強(qiáng)風(fēng)切變?cè)斐煽諝赓|(zhì)點(diǎn)在其南北兩側(cè)形成輻合輻散區(qū)，輻合區(qū)散度最小值小于-0.4×10-5s-1，中、低層質(zhì)量輻散輻合在北側(cè)形成上升氣流、南側(cè)為下沉氣流，當(dāng)航空器飛行至次級(jí)環(huán)流垂直速度超過(guò)0.05×10-3Pa/s的下沉支時(shí)，航空器升力減小，無(wú)法保持高度，只能下降高度避開下沉氣流對(duì)航空器的影響。

[1] 黃儀方,朱志愚.航空氣象[M].成都: 西南交通大學(xué)出版社,2002:140.

[2] 丁一匯.高等天氣學(xué)[M].北京：氣象出版社,2005:138.

[3] 黃儀方,馬婷.現(xiàn)代氣象資料在飛機(jī)顛簸預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012(8)：219-210.

強(qiáng)曉西.蘭州飛行情報(bào)區(qū)一次嚴(yán)重顛簸個(gè)例分析[J].陜西氣象，2014(6)：11-13.

1006-4354(2014)06-0011-03

2014-02-24

強(qiáng)曉西(1984—)，男，漢族，四川成都人，學(xué)士，工程師，主要從事航空氣象預(yù)報(bào)與服務(wù)。

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