吳 丹，李美琪，郭 蕊，賈小衛(wèi)，劉 浩，柳 泉

(1.河北省氣象服務(wù)中心，河北 石家莊 050021；2.中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局河北分局，河北 石家莊 050802)

引 言

近年來，我國民航業(yè)飛速發(fā)展，同時通用航空作為民用航空的重要組成部分也在迅速崛起，意味著航空安全運(yùn)行的氣象保障需求激增，尤其是低空領(lǐng)域。航空氣象學(xué)中，低空風(fēng)切變通常是指近地面600 m高度以下的風(fēng)切變[1]。低空風(fēng)切變嚴(yán)重危害航空飛行安全，尤其在飛機(jī)起飛和著陸階段，近年來由于低空風(fēng)切變導(dǎo)致飛機(jī)復(fù)飛或飛行事故的情況時有發(fā)生[2-5]。低空風(fēng)切變具有時間短、尺度小、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，其探測和預(yù)報存在較大困難[6]。

低空風(fēng)切變的研究開始于20世紀(jì)70年代，F(xiàn)UJITA等[7-8]通過調(diào)查美國飛機(jī)起降過程中出現(xiàn)的三起嚴(yán)重飛行事故發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)切變是造成飛機(jī)失事的原因。我國大陸低空風(fēng)切變研究開始于20世紀(jì)80年代中期，王學(xué)永等[9]、趙樹海[10]先后利用氣象觀測塔資料對低空風(fēng)切變開展研究，之后多普勒雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)等探測手段陸續(xù)用于低空風(fēng)切變的識別和分析[11-14]。隨著觀測方法和計算條件的改進(jìn)，數(shù)值模擬技術(shù)也逐漸用于低空風(fēng)切變的個例研究[15-16]。

低空風(fēng)切變報警系統(tǒng)是目前探測和識別低空風(fēng)切變的有效手段[17-19]，但限于技術(shù)和資金等原因，中國大陸大部分機(jī)場還無法實(shí)現(xiàn)風(fēng)切變的監(jiān)測預(yù)警，主要通過分析低空風(fēng)切變發(fā)生的天氣形勢和相關(guān)氣象要素特征等為風(fēng)切變的預(yù)報預(yù)警提供參考[20-24]。低空風(fēng)切變除了由大氣運(yùn)動本身的變化造成外，還與機(jī)場周圍的地形環(huán)境有一定關(guān)系[18,25]。因此，本文針對石家莊正定國際機(jī)場的實(shí)際情況，分析本場低空風(fēng)切變及相關(guān)氣象要素特征和天氣形勢，以期能夠提前預(yù)判低空風(fēng)切變的發(fā)生從而降低飛行事故的發(fā)生概率。

1 正定國際機(jī)場及資料

1.1 正定國際機(jī)場及地面氣象資料

正定國際機(jī)場位于河北省中部太行山脈東麓，地勢平坦，西北高、東南低，坡度為1.4‰；正定國際機(jī)場標(biāo)高71 m，有一條跑道，跑道方向332°～152°，長3400 m，寬45 m，圖1為正定國際機(jī)場周邊地形及機(jī)場跑道示意圖。2014—2017年的地面氣象觀測資料為機(jī)場南北兩端自動站氣象觀測設(shè)備采集，各安裝于跑道附近、距離跑道外端約300 m處，南北兩端自動站氣象觀測設(shè)備相距約2800 m，包含風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、溫度、濕度等傳感器，其中風(fēng)向、風(fēng)速30 s采集一次，氣壓、氣溫、露點(diǎn)溫度等1 min采集一次；機(jī)場實(shí)況報文為同期逐時地面風(fēng)、主導(dǎo)能見度、天氣現(xiàn)象、氣溫等。低空風(fēng)切變數(shù)據(jù)為2014—2017年正定國際機(jī)場機(jī)組報告的共31次航空記錄，且31次低空風(fēng)切變事件均發(fā)生在高度600 m以下，其中有5次發(fā)生在60 m以下，大部分發(fā)生在飛機(jī)進(jìn)近過程中。

圖1 正定國際機(jī)場周邊地形(單位：m)(a)及機(jī)場跑道示意圖(b)(黑色圓點(diǎn)為機(jī)場位置)Fig.1 Terrain distribution (Unit: m) around the Zhengding international airport (a) and runway direction of the airport (b)(the black dot for the location of Zhengding international airport)

1.2 再分析資料

低空風(fēng)切變的天氣形勢分析及分型采用2014—2017年NCEP/NCAR逐6 h再分析資料，分辨率為2.5°×2.5°，主要包含500、700、850 hPa及地面氣溫、位勢高度(氣壓)和風(fēng)場。

2 低空風(fēng)切變特征

2.1 低空風(fēng)切變的時間變化

圖2為2014—2017年河北正定國際機(jī)場低空風(fēng)切變發(fā)生頻次的年際變化、月際變化和日變化?？梢钥闯?，2014—2017年正定國際機(jī)場低空風(fēng)切變發(fā)生頻次沒有明顯的年際變化規(guī)律，2016年低空風(fēng)切變發(fā)生頻次最少(3次)，2015年最多(14次)；2014—2017年除2—4月外其他月份低空風(fēng)切變發(fā)生總頻次分別為4次、7次、3次、5次，2—4月低空風(fēng)切變發(fā)生總頻次分別為1次、7次、0次、4次。2015年2—4月低空風(fēng)切變的發(fā)生頻次比其他年份2—4月相對較多，結(jié)合2014—2017年2—4月正定國際機(jī)場大風(fēng)(平均風(fēng)速大于10 m·s-1)次數(shù)(表1)可以看出，2015年2—4月大風(fēng)次數(shù)也最多，說明大風(fēng)天氣可能會增加正定國際機(jī)場低空風(fēng)切變出現(xiàn)的概率，但由于低空風(fēng)切變的報告除了受不同機(jī)型機(jī)載風(fēng)切變設(shè)備告警影響，還與機(jī)組人員的主觀判斷等有關(guān)，因此2015年正定國際機(jī)場低空風(fēng)切變發(fā)生頻次最多的原因難以確定。正定國際機(jī)場一年四季都有低空風(fēng)切變出現(xiàn)，但主要出現(xiàn)在春季，占比達(dá)51.6%，其中4月出現(xiàn)最多，其次是夏季，這是由于在中國北方地區(qū)，春末夏初時，冷暖空氣交替頻繁，地面大風(fēng)增多，從而增加了低空風(fēng)切變的發(fā)生頻率[21]。冬春季北方地區(qū)受冷氣團(tuán)快速移動及東北冷渦等天氣系統(tǒng)影響較多，近地面風(fēng)速較大，風(fēng)向較不穩(wěn)定，在這樣天氣系統(tǒng)背景下，低空風(fēng)切變?nèi)菀妆徽T導(dǎo)發(fā)生[26]。石家莊冬季受地形和穩(wěn)定天氣形勢及污染影響，常有霧和霾天氣出現(xiàn)，導(dǎo)致航班經(jīng)常出現(xiàn)延誤或停飛，因此冬季低空風(fēng)切變發(fā)生的記錄也相對較少。另外，14:00(北京時，下同)正定國際機(jī)場低空風(fēng)切變發(fā)生頻次最多，其次是16:00、18:00和19:00，說明低空風(fēng)切變主要出現(xiàn)在午后和傍晚，這是因?yàn)槲绾髣恿肯聜?，地面加熱效?yīng)增加，對流加強(qiáng)，風(fēng)速增大，強(qiáng)對流天氣也容易發(fā)生在午后至傍晚[21]，有利于低空風(fēng)切變發(fā)生。

圖2 2014—2017年正定國際機(jī)場低空風(fēng)切變發(fā)生頻次的年際(a)、月際(b)和日(c)變化Fig.2 The inter-annual (a), monthly (b) and diurnal (c) variation of occurrence frequency of low-level wind shear at Zhengding international airport from 2014 to 2017

表1 2014—2017年2—4月正定國際機(jī)場大風(fēng)(10 min平均風(fēng)速大于10 m·s-1)發(fā)生頻次Tab.1 The occurrence frequency of gale (10 minutes average wind speed greater than 10 m·s-1) at Zhengding international airport from February to April during 2014-2017 單位：次

2.2 低空風(fēng)切變時地面風(fēng)特征

同一高度和時間范圍內(nèi)的風(fēng)速與風(fēng)切變強(qiáng)度變化幾乎相同[6]，說明風(fēng)速增大時風(fēng)切變也在增強(qiáng)，大風(fēng)速的出現(xiàn)與風(fēng)切變的發(fā)生有一定聯(lián)系。因此，利用正定國際機(jī)場跑道兩端的風(fēng)向風(fēng)速儀探測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出現(xiàn)低空風(fēng)切變前后10 min的地面陣風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向的發(fā)生頻率(圖3)?？梢钥闯觯▏H機(jī)場發(fā)生低空風(fēng)切變時地面陣風(fēng)風(fēng)速主要在6～10 m·s-1(占37.5%)，其次為0～5 m·s-1(占26.7%)和11～15 m·s-1(占23.4%)，最大風(fēng)速可達(dá)23 m·s-1。從風(fēng)向來看，正定國際機(jī)場出現(xiàn)低空風(fēng)切變時以北風(fēng)為主(占27.4%)，其次是西北風(fēng)(占14%)，因此正定國際機(jī)場發(fā)生低空風(fēng)切變時主要影響天氣系統(tǒng)來自于北或西北方向，北風(fēng)活躍的天氣系統(tǒng)容易在機(jī)場誘發(fā)對航空飛行安全有影響的低空風(fēng)切變。

圖3 2014—2017年正定國際機(jī)場出現(xiàn)低空風(fēng)切變前后10 min的地面陣風(fēng)風(fēng)速(a)和風(fēng)向(b)的發(fā)生頻率Fig.3 The occurrence frequency of wind speed (a) and wind direction (b) of ground gust 10 minutes before and after low-level wind shear at Zhengding international airport during 2014-2017

3 低空風(fēng)切變的主要天氣形勢

低空風(fēng)切變在一定的大氣環(huán)流背景下發(fā)生[13]，掌握發(fā)生低空風(fēng)切變的天氣形勢，是做好低空風(fēng)切變預(yù)報的前提。對正定國際機(jī)場31次低空風(fēng)切變發(fā)生時的高低空環(huán)流形勢、地面形勢進(jìn)行分析，以500 hPa為主進(jìn)行分型，發(fā)現(xiàn)正定國際機(jī)場出現(xiàn)低空風(fēng)切變的天氣形勢主要有：西北氣流型(19次)、低渦型(8次)、西風(fēng)槽型(3次)和橫槽型(1次)?？梢钥闯?，西北氣流型天氣形勢下出現(xiàn)低空風(fēng)切變的次數(shù)最多，另外，低渦型的低空風(fēng)切變發(fā)生時有6次出現(xiàn)雷暴天氣，說明該天氣形勢下的對流天氣易引發(fā)低空風(fēng)切變。

3.1 西北氣流型

西北氣流型天氣形勢下的低空風(fēng)切變多出現(xiàn)在春季和冬季，且春季最多。以2015年3月3日08:00和2017年3月1日14:45正定國際機(jī)場發(fā)生低空風(fēng)切變時對應(yīng)天氣形勢為例進(jìn)行分析，圖4為西北氣流型天氣形勢下500、700 hPa位勢高度場、風(fēng)場、溫度場和海平面氣壓場、風(fēng)場、溫度場。可以看出，500 hPa正定國際機(jī)場位于西風(fēng)槽后，西北氣流很強(qiáng)，最大風(fēng)速可達(dá)30 m·s-1以上，有明顯的溫度槽與高度槽配合，40°N以北地區(qū)存在較強(qiáng)冷中心，700 hPa溫度槽落后于高度槽，風(fēng)速較大，均在12 m·s-1以上，850 hPa正定國際機(jī)場以高壓前部西北氣流為主或轉(zhuǎn)為高壓控制，風(fēng)速較大時可達(dá)12 m·s-1以上，存在冷平流(圖略)；地面冷高壓明顯，正定國際機(jī)場處于高壓前部的強(qiáng)氣壓梯度區(qū)，以偏北風(fēng)為主，附近有大風(fēng)區(qū)，等溫線密集，表明地面有冷鋒過境。

圖4 2015年3月3日08:00(a、c、e)、2017年3月1日14:00(b、d、f)西北氣流型天氣形勢下500 hPa(a、b)、700 hPa(c、d)位勢高度場(黑色線，單位：dagpm)、風(fēng)場(風(fēng)矢量，單位：m·s-1)、溫度場(紅色線，單位：℃)和海平面氣壓場(黑色線，單位：hPa)、風(fēng)場(風(fēng)矢量，單位：m·s-1)、溫度場(紅色線，單位：℃)(e、f)(紅色圓點(diǎn)為正定國際機(jī)場位置，下同)Fig.4 The geopotential height field (the black lines, Unit: dagpm), wind field (vectors, Unit: m·s-1), temperature field (the red lines, Unit: ℃) on 500 hPa (a, b), 700 hPa (c, d) and sea level pressure field (the black lines, Unit: hPa), wind field (vectors, Unit: m·s-1) and temperature field (the red lines, Unit: ℃) (e, f) under the weather situation of northwest airflow type at 08:00 BST 3 March 2015 (a, c, e) and 14:00 BST 1 March 2017 (b, d, f)(the red dot for the location of Zhengding international airport, the same as below)

3.2 低渦型

以2015年6月4日15:24和6月9日16:00、16:04正定國際機(jī)場發(fā)生低空風(fēng)切變時對應(yīng)天氣形勢為例，圖5為低渦型天氣形勢下500、700 hPa位勢高度場、風(fēng)場、溫度場和海平面氣壓場、風(fēng)場、溫度場?？梢钥闯觯?00 hPa低渦中心位于機(jī)場北部，并配合有冷中心，低渦南側(cè)的偏西氣流中有短波槽東移，短波槽有冷中心和溫度槽配合，溫度槽整體落后于高度槽，機(jī)場受低渦南部偏西氣流或短波槽影響，風(fēng)速一般大于10 m·s-1，位于短波槽底或槽后時風(fēng)速可超過20 m·s-1，并伴隨冷平流；700 hPa正定國際機(jī)場受低渦南部西南氣流控制或處于明顯切變線中，風(fēng)速一般在10～15 m·s-1之間，有時存在低空急流，伴隨暖平流；850 hPa正定國際機(jī)場受槽前西南氣流影響，風(fēng)速約為10 m·s-1，有切變線和暖平流(圖略)；地面形勢上正定國際機(jī)場受地面低壓槽控制，附近有風(fēng)向或風(fēng)速輻合。由于高空冷平流或溫度槽和低空暖平流疊加，上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)建立，低空風(fēng)向、風(fēng)速輻合或切變線等條件有利于雷暴發(fā)生發(fā)展，影響正定國際機(jī)場并可能造成雷暴大風(fēng)等對流性天氣。

圖5 2015年6月4日14:00(a、c、e)、6月9日14:00(b、d、f)低渦型天氣形勢下500 hPa(a、b)、700 hPa(c、d)位勢高度場(黑色線，單位：dagpm)、風(fēng)場(風(fēng)矢量，單位：m·s-1)、溫度場(紅色線，單位：℃)和海平面氣壓場(黑色線，單位：hPa)、風(fēng)場(風(fēng)矢量，單位：m·s-1)、溫度場(紅色線，單位：℃)(e、f)Fig.5 The geopotential height field (the black lines, Unit: dagpm), wind field (vectors, Unit: m·s-1), temperature field (the red lines, Unit: ℃) on 500 hPa (a, b), 700 hPa (c, d) and sea level pressure field (the black lines, Unit: hPa), wind field (vectors, Unit: m·s-1) and temperature field (the red lines, Unit: ℃) (e、f) under the weather situation of vortex type at 14:00 BST 4 June 2015 (a, c, e) and 14:00 BST 9 June 2015 (b, d, f)

3.3 西風(fēng)槽型

此類型的低空風(fēng)切變多出現(xiàn)在西風(fēng)槽前，3次均出現(xiàn)在春季。以2014年5月24日00:30和2015年5月1日12:52正定國際機(jī)場發(fā)生低空風(fēng)切變時對應(yīng)天氣形勢為例，圖6為西風(fēng)槽型天氣形勢下500、700 hPa位勢高度場、風(fēng)場、溫度場和海平面氣壓場、風(fēng)場、溫度場。500 hPa西風(fēng)槽位于河套地區(qū)，最大風(fēng)速可達(dá)20 m·s-1以上，溫度場落后于高度場，正定國際機(jī)場位于西風(fēng)槽前，受槽前西南氣流影響，存在暖平流；700 hPa正定國際機(jī)場受西南氣流控制，最大風(fēng)速有時可達(dá)20 m·s-1，附近有風(fēng)向輻合，存在明顯風(fēng)切變線，機(jī)場位于暖切變一側(cè)，暖平流明顯；850 hPa與700 hPa天氣形勢相似，但風(fēng)速減小，暖平流減弱(圖略)；地面存在低壓系統(tǒng)，有明顯風(fēng)場輻合，機(jī)場受偏南氣流控制，處于暖區(qū)中，上游有冷高壓東移。受西風(fēng)槽前一致的偏南氣流影響，可能伴有降水天氣。

圖6 2014年5月23日20:00(a、c、e)、2015年5月1日08:00(b、d、f)西風(fēng)槽型天氣形勢下500 hPa(a、b)、700 hPa(c、d)位勢高度場(黑色線，單位：dagpm)、風(fēng)場(風(fēng)矢量，單位：m·s-1)、溫度場(紅色線，單位：℃)和海平面氣壓場(黑色線，單位：hPa)、風(fēng)場(風(fēng)矢量，單位：m·s-1)、溫度場(紅色線，單位：℃)(e、f)Fig.6 The geopotential height field (the black lines, Unit: dagpm), wind field (vectors, Unit: m·s-1), temperature field (the red lines, Unit: ℃) on 500 hPa (a, b), 700 hPa (c, d) and sea level pressure field (the black lines, Unit: hPa), wind field (vectors, Unit: m·s-1) and temperature field (the red lines, Unit: ℃) (e, f) under the weather situation of west wind trough type at 20:00 BST 23 May 2014 (a, c, e) and 08:00 BST 1 May 2015 (b, d, f)

3.4 不同天氣型的地面變壓和變溫特征

冷鋒型低空風(fēng)切變的強(qiáng)度與冷鋒過境后的1 h變壓和變溫有關(guān)，1 h變溫和變壓越大，風(fēng)切變強(qiáng)度也越強(qiáng)[6]。冷鋒過境時，冷鋒后有明顯的3 h正變壓，雷暴大風(fēng)也會導(dǎo)致氣壓涌升和氣溫驟降。因此通過分析不同天氣形勢下正定國際機(jī)場出現(xiàn)低空風(fēng)切變時的3 h、1 h和1 h內(nèi)逐5 min變壓、變溫，歸納出現(xiàn)低空風(fēng)切變時地面氣壓和氣溫的變化特點(diǎn)。

圖7為2014—2017年天氣形勢為西北氣流型和低渦型時正定國際機(jī)場出現(xiàn)低空風(fēng)切變時地面3 h、1 h和1 h內(nèi)最大5 min變壓、變溫的箱線圖?？梢钥闯?，西北氣流型天氣形勢下的3 h和1 h變壓均以正變壓為主[圖7(a)]，3 h變壓范圍為-3.5～8.5 hPa，最大值8.5 hPa出現(xiàn)在2015年4月15日的典型冷鋒過境過程，冷鋒后有明顯的3 h正變壓，伴隨大風(fēng)天氣，地面最大風(fēng)速為17.8 m·s-1；1 h變壓范圍為-1.4～2.7 hPa，最大值也出現(xiàn)在2015年4月15日；1 h內(nèi)最大5 min變壓范圍為-0.2～0.4 hPa，變化不明顯。而低渦型天氣形勢下的變壓與西北氣流型明顯不同，低渦型的1 h內(nèi)最大5 min變壓變化明顯，以正變壓為主，主要在0.1～1.4 hPa，雷暴高壓造成的1 h內(nèi)最大5 min變壓在0.5 hPa以上，而3 h變壓和1 h變壓以負(fù)變壓為主。

西北氣流型和低渦型天氣形勢下的地面氣溫變化主要以負(fù)變溫為主[圖7(b)]。西北氣流型天氣形勢下，3 h變溫范圍較大為-8.5～6.7 ℃；1 h變溫范圍為-3.5～2.2 ℃；3 h和1 h變溫在西北氣流較強(qiáng)的天氣背景下大多為負(fù)值，而西北氣流偏弱時基本為正值，說明冷空氣對地面的影響已經(jīng)結(jié)束，對應(yīng)地面最大風(fēng)速也減小。低渦天氣形勢下的3 h變溫范圍為-6.6～1.7 ℃；1 h變溫范圍為-6～0.1 ℃，最大負(fù)變溫-6 ℃出現(xiàn)在2015年6月4日的雷暴大風(fēng)過程，地面最大風(fēng)速為18.4 m·s-1；1 h內(nèi)最大5 min變溫范圍為-4.4～-0.2 ℃，其中-4.4 ℃的異常值與1 h最大負(fù)變溫一樣都出現(xiàn)在2015年6月4日。

圖7 2014—2017年西北氣流型和低渦型天氣形勢下正定國際機(jī)場出現(xiàn)低空風(fēng)切變時地面不同時間變壓(a)、變溫(b)的箱線圖Fig.7 The box diagram of allobaric (a) and variable temperature (b) at different time during low-level wind shear at Zhengding international airport under the weather situations of northwest airflow type and vortex type during 2014-2017

綜上所述，在進(jìn)行低空風(fēng)切變預(yù)報預(yù)警時需多關(guān)注西北氣流天氣形勢下的3 h和1 h變壓、變溫，而低渦天氣形勢下的雷暴大風(fēng)主要關(guān)注短時間變化，如1 h內(nèi)最大5 min變壓、變溫。

4 結(jié)論與討論

(1)正定國際機(jī)場低空風(fēng)切變主要出現(xiàn)在午后和傍晚，且14:00出現(xiàn)次數(shù)最多；春季出現(xiàn)最多，占比達(dá)51.6%，其中4月出現(xiàn)次數(shù)最多，夏季其次；2014—2017年正定機(jī)場低空風(fēng)切變沒有明顯的年際變化規(guī)律。

(2)2015年正定國際機(jī)場低空風(fēng)切變最多(14次)，2015年2—4月大風(fēng)次數(shù)也最多，說明大風(fēng)天氣可能會增加低空風(fēng)切變的出現(xiàn)概率；正定國際機(jī)場發(fā)生風(fēng)切變時地面風(fēng)以偏北風(fēng)為主，說明北風(fēng)活躍的天氣系統(tǒng)容易在機(jī)場誘發(fā)風(fēng)切變。

(3)正定國際機(jī)場出現(xiàn)低空風(fēng)切變的天氣形勢主要有：西北氣流型、低渦型、西風(fēng)槽型和橫槽型，其中西北氣流型天氣形勢下出現(xiàn)低空風(fēng)切變最多，且多出現(xiàn)在春冬季節(jié)，春季最多，低渦型天氣形勢下的對流天氣易出現(xiàn)低空風(fēng)切變；不同天氣形勢的高低空及地面形勢明顯不同，這有助于預(yù)判大形勢下低空風(fēng)切變發(fā)生的可能性，除此之外，地面變溫和變壓也有不同特征，西北氣流天氣形勢下的3 h和1 h變壓、變溫明顯，而低渦天氣形勢下短時間變壓、變溫較為明顯，因此要多關(guān)注西北氣流天氣形勢下的3 h和1 h正變壓和負(fù)變溫，以及低渦天氣形勢下1 h內(nèi)逐5 min正變壓和負(fù)變溫。

低空風(fēng)切變的預(yù)報、預(yù)警仍然是一個亟待解決的危及航空飛行安全的難題之一，由于低空風(fēng)切變的個例及觀測資料有限，本文分析結(jié)果的代表性存在一定局限，期望今后隨著各類資料的不斷積累和豐富，能夠?qū)Φ涂诊L(fēng)切變進(jìn)行更深入的研究。