劉偉東 史佩劍

(中國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

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

低空風切變是影響飛機起飛和進近著陸階段的一個危險因素，它嚴重危害航空活動的安全。造成低空風切變有諸多原因，快速移動的冷鋒兩側(cè)、低空逆溫層、低空急流、陣風鋒、雷暴的局地強下沉氣流或下?lián)舯┝鞯?。由于低空風切變具有高度低、時間短、尺度小、強度大及難以預(yù)測等特點，因此期望能夠了解機場附近的風場的分布情況，為航空管制員和飛行機組提供關(guān)于機場附近航線上的風切變預(yù)警。

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

1 資料和分析方法

本文采用2016年10月22日08時地面形勢圖及850、700、500 hPa高度場形勢圖，分析本次過程天氣尺度的背景形勢；使用杭州蕭山國際機場多普勒雷達在此次過程中0.5°仰角回波強度數(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)進行分析；采用機場自動觀測系統(tǒng)(AWOS) 3臺測風儀15:00—18:00(北京時，下同)時3個時次1 min風向風速平均值資料作為分析對象。

2 背景形勢分析

從圖1可以看出，在蒙古有冷空氣從東路海上逐漸擴散下來，本場處于臺風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，同時冷空氣的擴散為對流發(fā)展提供了動力因素。850 hPa長江中下游地區(qū)為暖性低壓波動，暖區(qū)較強，臺風“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。由于本場暖層結(jié)構(gòu)，當?shù)蛯永淇諝馇秩朐斐蓺鈱拥奶?，對流發(fā)展相對比較有利，同時暖區(qū)的空前強大使對流發(fā)展并不順暢，只在相對水汽較充沛地理抬升條件較有利的地區(qū)出現(xiàn)局地對流運動。由此可以看出此次風切變過程產(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時地面圖(a)及850hPa(b)、700hPa(c)、500 hPa(d)高度場

3 低空風切變

3.1 風向風速資料分析

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

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

圖2 2016年10月22日杭州蕭山機場07/25號跑道風向風速變化時間序列圖

圖3 2016年10月22日杭州蕭山機場06/24號跑道風向風速變化時間序列圖

從上面的風速及風向數(shù)據(jù)分析來看，在4 km2的范圍內(nèi)，在1 h左右的時間內(nèi)兩條跑道風向風速呈現(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，歷時短，天氣現(xiàn)象變化劇烈，符合中尺度γ天氣系統(tǒng)的特點。

根據(jù)國際民航組織規(guī)定，水平風的垂直切變值達到2．6 m·s-1·30 m-1，可作為能對飛行構(gòu)成危害的強度標準。而垂直風下沉速度大于3．6 m·s-1，即可認為是危害安全的下沖氣流(水平風的垂直切變強度標準見表1)。根據(jù)機組報告，起飛過程中地面風垂直變化值為3.1 m·s-1·30 m-1，在垂直方向上為中等強度，但是在300 m以下尤其是近地面層的風向不連續(xù)比較嚴重，直接造成一架航班終止起飛，多架航班延誤。

表1 水平風度的垂直切變強度標準

3.2 機場多普勒雷達資料分析

3.2.1 回波強度分析

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

綜上，本次天氣過程是一個尺度較小對流單體造成的，由于層結(jié)原因?qū)α靼l(fā)展不旺盛，對流單體主體位于機場南側(cè)，主要影響07/25號跑道，對流單體移動并覆蓋本場時造成本場)7/25號跑道上較大的風切變，造成兩架航班起飛過程中遭遇風切變，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切變一般是由其下?lián)舯┝骰蜿囷L鋒造成的，下?lián)舯┝饕鸬臑?zāi)害性風的速度一般要達到17.9 m·s-1或以上，而本次風速最大值在12 m·s-1左右，遠達不到下?lián)舯┝鞯臉藴?，同時從回波強度圖上也很難看出下?lián)舯┝骰蜿囷L鋒的鉤狀或弓狀回波的特征，類似這種由不強的對流單體引起同時從雷達回波強度圖上很難看出其特征的低空風切變事件在航空運行中比較多見，對于此類低空風切變的預(yù)報對于民航氣象保障人員來說尤為重要。

圖4 2016年10月22日杭州蕭山機場多普勒雷達不同時刻0.5°仰角回波強度圖

3.2.2 徑向速度分析

從本場多普勒雷達徑向速度圖上(圖5)整體上看，白色的零速度線呈“S”型，風向從低層的偏東風順轉(zhuǎn)到高層的西南偏南風。從15：47—15：52，低層雷達站東側(cè)為大片的負速度區(qū)，最大速度可達18 m·s-1，西側(cè)為大片的正速度區(qū)，最大速度可達14 m·s-1，本場低空處有弱的風速輻合。在15：56，在雷達站點東側(cè)大片的負速度區(qū)出現(xiàn)了一小點的正速度區(qū)，形成逆風區(qū)，逆風區(qū)面積很小，此點處于雷達站的西南側(cè)1 km左右處，即本場07/25號跑道中間段。在16：01，逆風區(qū)的面積有所增大，且緩慢向東北偏東風方向移動，至16:20逆風區(qū)的面積持續(xù)增大，逐漸遠離本場，完全處于負速度區(qū)之中。逆風區(qū)為中尺度輻合輻散共軛系統(tǒng)風場在多普勒速度圖上的表現(xiàn)形式[2]，說明在機場低空區(qū)風向存在不連續(xù)的情況，有風向輻合輻散。本次逆風區(qū)屬于第一類逆風區(qū)[3]，本次為負速度區(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)很容易造成風場的不連續(xù)，進而導(dǎo)致風切變的產(chǎn)生。此外由徑向速度圖中還可以看出，逆風區(qū)出現(xiàn)的時間在15:56左右，而從自動觀測風向風速的數(shù)據(jù)分析，此時本場近地面層風切變已經(jīng)出現(xiàn)并逐漸加大，至16：10左右為風切變最強烈時段，其中16：09接到機組報告因風切變而強迫剎車中止起飛。由此可以把逆風區(qū)的出現(xiàn)看作是低空風切變產(chǎn)生的一個指標，跟蹤其移動路徑和方向?qū)︼L切變的預(yù)警預(yù)報有較好的幫助作用。

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為90°～260°，中心點位于07/25號跑道上方。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流單體中流場的不連續(xù)垂直結(jié)構(gòu)及逆風區(qū)的移動路徑，在近地面層自15:42始，在本場西南側(cè)20 km范圍內(nèi)正速度區(qū)中夾雜著不連續(xù)的負速度小區(qū)塊，表明本場西南側(cè)近距離內(nèi)存在非常明顯的風的輻合輻散，而本場東側(cè)為相對均勻的負速度區(qū)，表明本場東側(cè)的風向較為一致。隨著對流單體移近本場，在16:01雷達中心附近的負速度區(qū)中有小正速度區(qū)，表明風場的輻合輻散處于本場終端區(qū)附近，隨后引起跑道附近強烈風切變而使航班中斷起飛，至16:10左右風切變達到最強。16:20以后逆風區(qū)逐漸傳導(dǎo)到本場東側(cè)，跑道附近風場逐漸趨于穩(wěn)定，時間尺度上與對流單體的發(fā)展移動同步。通過徑向速度垂直剖面資料分析，在觀察對流單體的三維結(jié)構(gòu)上具有很好的作用，同時在預(yù)判低空風切變的發(fā)生時間、影響尺度以及結(jié)束時段都具有明顯的時效性。

圖5 2016年10月22日杭州蕭山機場多普勒雷達不同時刻0.5°仰角徑向速度圖

圖6 2016年10月22日杭州蕭山機場多普勒雷達不同時刻0.5°仰角徑向速度垂直剖面圖

4 結(jié) 語

1)杭州蕭山機場的2016年10月22日低空風切變事件是在弱冷空氣入侵暖區(qū)的背景下，受地面臺風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?？诮貙?xùn)|北風帶來的充沛水汽和局部的地形抬升使得在本場附近觸發(fā)生成小尺度對流單體而造成的。

2)這次過程中的對流單體系統(tǒng)空間尺度小，歷時短，天氣現(xiàn)象變化劇烈，符合中尺度γ天氣系統(tǒng)的特點。對于中小尺度天氣系統(tǒng)，利用多普勒雷達進行跟蹤分析是目前較有效的預(yù)報手段。

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

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

[2] 張沛源，余志敏．多普勤天氣雷達資料在強天氣短時預(yù)報中的應(yīng)用[C]//第十一屆亞運會氣象保障研究論文集．北京：氣象出版社，1992：68-74.

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