代冰冰 何敏 楊靖新 張明欣

(云南機(jī)場集團(tuán)麗江機(jī)場氣象臺，麗江 674100)

引言

風(fēng)場的穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)民航安全飛行的基本前提，風(fēng)切變則是飛行安全的“無形殺手”[1]，特別是出現(xiàn)在距地面600 m以下的低空風(fēng)切變，除會造成飛機(jī)偏離航向外，還可能導(dǎo)致飛機(jī)提前接地或重著陸，是導(dǎo)致飛行事故的重要風(fēng)險(xiǎn)。2018年北京飛往澳門的JD5759航班在澳門機(jī)場著陸時受低空風(fēng)切變影響，出現(xiàn)“海豚跳”式重著陸，導(dǎo)致飛機(jī)起落架嚴(yán)重受損，最終成功備降于深圳機(jī)場，險(xiǎn)象環(huán)生。麗江機(jī)場位于云南西北高原，與青藏高原東南緣相連，受高原大地形影響，冬春季天氣晴好，低空風(fēng)場變化快，多發(fā)生晴空風(fēng)切變和顛簸，常常導(dǎo)致飛機(jī)低于決斷高度復(fù)飛，嚴(yán)重威脅航空安全。

多年來，航空氣象研究者對低空風(fēng)切變的成因進(jìn)行了大量研究，翁雪玲等統(tǒng)計(jì)分析出大連機(jī)場典型的風(fēng)切變是西北大風(fēng)和偏北大風(fēng)造成的低空風(fēng)切變[2]；單乃超等研究出合肥機(jī)場一次低空風(fēng)切變的主要成因是γ中尺度對流單體底部的紊亂氣流造成的[3]；郭智亮等對廣州白云機(jī)場的一次低空風(fēng)切變進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)是由超級單體風(fēng)暴云產(chǎn)生的下?lián)舯┝骱完囷L(fēng)鋒造成的[4]；逯野等對中川機(jī)場的一次風(fēng)切變天氣進(jìn)行成因分析，結(jié)果表明，具有較強(qiáng)輻合且移動緩慢的鋒面和對流云底部的下沖外流是造成此次風(fēng)切變過程的重要因素[5]。但目前國內(nèi)針對中國西南高原地區(qū)頻發(fā)的晴空風(fēng)切變[6]研究較少，主要原因是缺乏對晴空條件下的低空風(fēng)場探測設(shè)備。隨著科技的發(fā)展，除了機(jī)場地面風(fēng)站、風(fēng)廓線雷達(dá)外，新興的激光雷達(dá)[7]成為了晴空風(fēng)切變探測的有力補(bǔ)充，但目前在航空氣象中的應(yīng)用仍處于起步階段。趙建偉等將風(fēng)廓線雷達(dá)資料應(yīng)用于大理機(jī)場低空風(fēng)切變的探測和預(yù)警中，結(jié)果表明，風(fēng)廓線雷達(dá)資料可為低空風(fēng)切變的初步預(yù)警提供參考，但受最低探測高度的影響，近地面層的資料可用性較小，特別在晴空時300 m以下基本無探測資料[8]；張開俊等利用激光測風(fēng)雷達(dá)對中川機(jī)場的低空風(fēng)切變預(yù)警工作進(jìn)行研究，結(jié)果表明，激光雷達(dá)產(chǎn)品可以有效地提高中川機(jī)場低空風(fēng)切變預(yù)警命中率，適合應(yīng)用于機(jī)場風(fēng)切變的探測和預(yù)警工作[9]。因此，本文嘗試?yán)名惤瓩C(jī)場試用階段的激光測風(fēng)雷達(dá)[10]資料進(jìn)行一次晴空風(fēng)切變過程的特征分析，期望對提高風(fēng)切變預(yù)警能力、確保航空安全提供重要參考。

1 資料和方法

1.1 設(shè)備介紹

本文所用的激光測風(fēng)雷達(dá)設(shè)備是西南技術(shù)物理研究所研發(fā)的FC-Ⅲ型三維激光測風(fēng)雷達(dá)，主要用途是測量機(jī)場、氣象場站等地垂直3000 m高度以下、水平5000 m距離范圍內(nèi)的徑向風(fēng)場，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)實(shí)時反演出測量空域的風(fēng)場演變信息，為飛機(jī)起飛及降落提供實(shí)時大氣風(fēng)場信息。其工作原理是采用脈沖激光相干探測體制及全光纖相干光路結(jié)構(gòu)，以窄線寬脈沖激光為光源，通過檢測激光對氣溶膠散射回波信號的多普勒頻移信息，來實(shí)現(xiàn)對徑向風(fēng)矢量的測量，通過多普勒光束擺動、距離高度顯示、平面位置顯示及下滑道等掃描方式，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)廓線、水平風(fēng)場、起降通道的迎頭風(fēng)、側(cè)風(fēng)等的測量與風(fēng)切變告警[11]。

1.2 資料與方法

為了更好地對低空風(fēng)切變進(jìn)行研究，本文主要利用NCEP的日平均、水平分辨率為 2.5°×2.5°的再分析資料、麗江機(jī)場VAISALA自動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)、航空器空中語音報(bào)告、三維激光測風(fēng)雷達(dá)資料等多源數(shù)據(jù)，對麗江機(jī)場2020年3月29日晴空條件下的風(fēng)切變過程進(jìn)行特征分析，以期加深航空氣象人員對晴空風(fēng)切變的認(rèn)識。

2 風(fēng)切變事件概況

2020年3月29日，麗江機(jī)場出現(xiàn)了罕見的晴空低空風(fēng)切變及地面大風(fēng)天氣。氣象臺共收到風(fēng)切變航空器空中語音報(bào)告共5份(表1)，導(dǎo)致返航備降航班4架次；根據(jù)地面VAISALA自動觀測系統(tǒng)資料，地面大風(fēng)(≥17 m/s)從14:36開始到17:13停止，持續(xù)超過2.5 h，最大風(fēng)速達(dá)到23 m/s，是麗江機(jī)場建站以來大風(fēng)天氣持續(xù)最長、風(fēng)切變一天內(nèi)最多的一次天氣過程。從表1中可以看出，29日5次低空風(fēng)切變有3個顯著特征：①出現(xiàn)時間集中，持續(xù)時間長。11：00—14:00的3 h內(nèi)共有10架次航班進(jìn)近著陸，50%的航班遭遇低空風(fēng)切變，可見29日的風(fēng)切變天氣并非偶發(fā)，是天氣系統(tǒng)導(dǎo)致的系統(tǒng)性風(fēng)切變天氣過程；②出現(xiàn)高度低。5次風(fēng)切變均出現(xiàn)在低空150 m及以下，特別是13:01發(fā)生的風(fēng)切變，出現(xiàn)在離地20 m的高度，飛機(jī)還有4 s左右時間即將著陸，此時出現(xiàn)風(fēng)切變非常危險(xiǎn)，如果飛行員沒有采取果斷措施立即復(fù)飛，可能出現(xiàn)重著陸或偏離跑道著陸等事故；③切變強(qiáng)度大。備降的4架航班中第1架復(fù)飛2次進(jìn)近后仍遭遇風(fēng)切變，其他3架第1次遭遇風(fēng)切變后均未嘗試2次進(jìn)近，飛行員均表示風(fēng)切變強(qiáng)度大，待天氣穩(wěn)定后再返航麗江。為此麗江機(jī)場后續(xù)航班大量延誤，給機(jī)場地面服務(wù)保障帶來很大壓力。在此次氣象保障過程中，氣象臺預(yù)報(bào)員結(jié)合當(dāng)天天氣形勢及激光雷達(dá)資料，及時提醒航行管制員向機(jī)組通報(bào)低空風(fēng)場變化情況，注意亂流天氣下的飛機(jī)操縱，做好復(fù)飛準(zhǔn)備，確保航空安全。

表1 麗江機(jī)場2020年3月29日低空風(fēng)切變統(tǒng)計(jì)

3 成因分析

3.1 天氣背景分析

根據(jù)3月29日08:00的天氣背景(圖1)可以看出，青藏高原上有一高壓生成，新疆至河套地區(qū)有一高壓脊，麗江機(jī)場(26.68°N、100.25°E)處于高壓脊南側(cè)，受偏西氣流控制。高壓脊東側(cè)東北氣流與長江流域以南的西南急流形成深厚切變，高緯度地區(qū)冷空氣向南輸送，與西南水汽匯合。長江流域及其以南大部分地區(qū)為陰雨天氣，但云南由于地形因素，冷空氣從東北方向擴(kuò)散停滯在滇東北地區(qū)，云南大部處于青藏高原東側(cè)地面低壓內(nèi)。麗江機(jī)場下午氣壓持續(xù)下降，地面低壓不斷加強(qiáng)，氣壓梯度大導(dǎo)致地面風(fēng)速加大[12]。麗江機(jī)場處于負(fù)變壓中心，變壓風(fēng)輻合容易出現(xiàn)低空風(fēng)切變。另外29日麗江天氣晴好，午后氣溫迅速升高，最大達(dá)到27.3 ℃，是近15年麗江機(jī)場3月氣溫最高值，地面升溫氣流擾動加強(qiáng)[13]，熱力湍流有利于低層風(fēng)切變的發(fā)生。

圖1 2020年3月29日08:00天氣背景：(a)700 hPa位勢高度場和流線、(b)地面氣壓場和中國區(qū)域02:00—08:00降水量 (圖a中等值線為位勢高度，單位：dagpm；藍(lán)線為流線；圖b中等值線為修正海平面氣壓，單位：hPa；陰影為降水量)

3.2 物理量場分析

在3月29日日平均風(fēng)場和日平均散度場(圖2)上，300 hPa和700 hPa麗江上空均處于西風(fēng)急流帶內(nèi)，平均風(fēng)速分別為46 m/s和12 m/s，受高低空急流影響。300 hPa上麗江處于散度負(fù)值區(qū)，700 hPa上處于散度正值區(qū)，高層輻合、低層輻散，形成向下的垂直環(huán)流，為動量下傳提供了動力條件[14]。圖3為29日麗江地區(qū)日平均垂直速度沿26.68°N垂直剖面，在麗江機(jī)場上空600～300 hPa高度范圍有較大的正垂直速度，最大值出現(xiàn)在500 hPa高度，表明在此范圍高度上有氣流強(qiáng)烈的向下輸送，高空動量下傳使低層風(fēng)速加大[15]，近地面層風(fēng)向風(fēng)速切變加強(qiáng)。

圖2 2020年3月29日300 hPa(a)和700 hPa(b)日平均風(fēng)場和日平均散度場(陰影)

圖3 2020年3月29日日平均垂直速度沿26.68°N垂直剖面

通過以上分析可以看出，2020年3月29日麗江機(jī)場的低空風(fēng)切變天氣過程，主要是受地面變壓風(fēng)輻合、地面增溫湍流加強(qiáng)以及高層輻合、低層輻散，形成向下的垂直環(huán)流使動量下傳等因素共同影響而形成的。

4 地面風(fēng)場變化特征分析

2020年3月29日麗江機(jī)場天氣晴好，無云，09:00前地面風(fēng)場為穩(wěn)定的東北風(fēng)，10 min平均風(fēng)向40°，平均風(fēng)速2 m/s。根據(jù)麗江機(jī)場VAISALA自動觀測場測風(fēng)數(shù)據(jù)(圖4)，09:00后機(jī)場跑道北端(R20)、中間端(MID)及南端(R02)地面10 min平均風(fēng)向均轉(zhuǎn)為南偏西風(fēng)200°左右，平均風(fēng)速也隨著風(fēng)向的轉(zhuǎn)變增加到5～8 m/s；11:00—12:00，風(fēng)場突然劇烈變化，跑道3個測風(fēng)點(diǎn)風(fēng)向風(fēng)速出現(xiàn)差異，地面風(fēng)向在南風(fēng)與西風(fēng)之間反復(fù)變化，最大變化120°，并且北端(R20)較南端(R02)和中間端(MID)變化慢一些，也就是說風(fēng)場反復(fù)變化是從南面開始，跑道兩側(cè)有風(fēng)向強(qiáng)烈切變；12:00—14：40時間段內(nèi)，跑道3端風(fēng)向穩(wěn)定在偏西風(fēng)240°～280°之間，但風(fēng)速差異較大，最大時刻南北兩端平均風(fēng)速相差9 m/s，但總體是隨時間增大的趨勢。其間南側(cè)(R02)明顯風(fēng)速最大，平均風(fēng)速在9～14 m/s之間波動，中間端(MID)風(fēng)速居中，在7～11 m/s之間波動，而北側(cè)(R20)風(fēng)速最小，平均風(fēng)速在4～9 m/s之間波動，此時間段內(nèi)南北兩端有明顯的風(fēng)速切變，動量從南向北傳遞。14:40—17:00，3端風(fēng)速差異減小，10 min平均風(fēng)速均維持在11 m/s上下，地面大風(fēng)天氣主要出現(xiàn)在此時間段。由此可以分析出，29日麗江機(jī)場11:00—12:00是地面風(fēng)場由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)的過程，地面風(fēng)場風(fēng)向紊亂，跑道兩端風(fēng)向切變明顯，12:00—14:40地面風(fēng)速由南向北增大，跑道兩端出現(xiàn)風(fēng)速切變，14:40—17:00風(fēng)向穩(wěn)定為偏西風(fēng)，風(fēng)速維持大值，是地面大風(fēng)天氣出現(xiàn)的主要時段。

圖4 麗江機(jī)場2020年3月29日VASALA自動觀測站10 min平均風(fēng)向變化(a)、10 min平均風(fēng)速變化(b) (圖a、b中藍(lán)色實(shí)線為跑道北端，橙色實(shí)線為跑道中端，灰色為跑道南端)

5 激光測風(fēng)雷達(dá)特征分析

5.1 環(huán)境風(fēng)場特征分析

根據(jù)麗江機(jī)場激光測風(fēng)雷達(dá)3月29日風(fēng)廓線模式資料(圖5)可以看到，10:20—14:20期間麗江機(jī)場3000 m以下風(fēng)場紊亂，風(fēng)切變主要發(fā)生在此時段。其中12:18前高層風(fēng)速較大且穩(wěn)定為西北風(fēng)，低層1000 m以下風(fēng)向不規(guī)則變化，風(fēng)速總體偏小。12:18—14:20期間高層風(fēng)向風(fēng)速變化大，低層1000 m以下風(fēng)向?yàn)檩^穩(wěn)定的偏西風(fēng)，但風(fēng)速變化大。14:20后麗江機(jī)場高低空風(fēng)向穩(wěn)定為偏西風(fēng)，整層風(fēng)速較大，是地面大風(fēng)天氣出現(xiàn)的主要時段。

圖5 麗江機(jī)場激光測風(fēng)雷達(dá)3月29日09:36:31—15:14:16風(fēng)廓線

根據(jù)PPI水平掃描模式的6°仰角資料(圖6)可以看到， 在整個風(fēng)切變出現(xiàn)階段環(huán)境風(fēng)場與地面風(fēng)場變化基本吻合，主要有以下3個特征：①300 m以下風(fēng)場主體從偏南風(fēng)向偏西風(fēng)轉(zhuǎn)變：11:00前低空風(fēng)場以穩(wěn)定的偏南風(fēng)為主，11:25時機(jī)場西側(cè)和南側(cè)水平距離4000～6000 m(距地面高度200～300 m)處有明顯的西風(fēng)分量入侵，最大風(fēng)速為32 m/s，打破穩(wěn)定的偏南風(fēng)流場，此后偏西風(fēng)和西北風(fēng)逐漸向北入侵，與其他方位風(fēng)向形成強(qiáng)烈切變，導(dǎo)致低層風(fēng)場紊亂。12:20后低層風(fēng)場基本轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)為主；②300 m以下風(fēng)場風(fēng)速切變較大：12:20—14:20期間，風(fēng)向整層穩(wěn)定為偏西風(fēng)，但風(fēng)速隨時間由西向東、由高空向地面逐漸增大，即近地面風(fēng)速小，高空及進(jìn)近區(qū)域西側(cè)風(fēng)速大，導(dǎo)致機(jī)場20號跑道進(jìn)近區(qū)域0°～45°區(qū)間有明顯的風(fēng)速切變。14:20后機(jī)場地面風(fēng)速加大，地面大風(fēng)天氣開始；③低層風(fēng)場受山谷地形影響有明顯的繞流現(xiàn)象，西風(fēng)氣流受東側(cè)山脈阻擋風(fēng)速顯著減小，出現(xiàn)風(fēng)速輻合，流場沿山向南北兩側(cè)分流，在南北分別形成東北風(fēng)與偏西風(fēng)、東南風(fēng)與偏西風(fēng)的風(fēng)向切變，是導(dǎo)致低空風(fēng)切變的重要影響因素。

圖6 麗江機(jī)場激光測風(fēng)雷達(dá)3月29日PPI水平掃描模式6°仰角風(fēng)場 (圖中風(fēng)羽為沿6°仰角進(jìn)行圓周掃描得到的錐面上的水平風(fēng)場；紅色實(shí)線是雷達(dá)正在掃描的角度； 中心粗黑實(shí)線為機(jī)場跑道；跑道北側(cè)方框?yàn)轱w機(jī)20號進(jìn)近區(qū)域，跑道南側(cè)方框?yàn)轱w機(jī)20號起飛區(qū)域)

5.2 風(fēng)切變特征分析

2020年3月29日麗江機(jī)場5次低空風(fēng)切變事件中，有2次出現(xiàn)在11:00—12:20風(fēng)向轉(zhuǎn)變期間，有3次出現(xiàn)在12:20—14:20風(fēng)速逐漸增大期間。圖7為其中3次典型風(fēng)切變事件出現(xiàn)時激光測風(fēng)雷達(dá)下滑道模式資料。其中風(fēng)切變指數(shù)是按照民航局對風(fēng)切變強(qiáng)度的定義，軟件自動計(jì)算所得，小于0.07 s-1為輕度、0.08～0.13 s-1為中度、0.14～0.19 s-1為強(qiáng)烈、大于0.2 s-1為嚴(yán)重。

圖7 麗江機(jī)場激光測風(fēng)雷達(dá)3月29日下滑道模式資料：(a)11:18:54側(cè)風(fēng)風(fēng)速分量、(b)11:18:54迎頭風(fēng)風(fēng)速分量、 (c)11:18:54側(cè)風(fēng)切變指數(shù)、(d)11:18:54迎頭風(fēng)切變指數(shù)、(e)13:50:37側(cè)風(fēng)風(fēng)速分量、(f)13:50:37迎頭風(fēng)風(fēng)速分量、 (g)13:50:37側(cè)風(fēng)切變指數(shù)、(h)13:50:37迎頭風(fēng)切變指數(shù) (圖a、b、e、f中間黑線為飛機(jī)進(jìn)近著陸航線；圖a、e負(fù)值代表西側(cè)風(fēng)，正值代表東側(cè)風(fēng);圖b、f正值代表逆風(fēng)，負(fù)值代表順風(fēng))

具體風(fēng)切變的特征如下：

(1)11:18出現(xiàn)的風(fēng)切變報(bào)告離地高度在150 m左右，此時激光雷達(dá)正在進(jìn)行下滑道模式掃描，可以較好地反映出風(fēng)切變情況。圖7a可以看到，下滑道方向上水平距離3300 m、對應(yīng)離地高度160 m處有明顯側(cè)風(fēng)風(fēng)向切變，航空器進(jìn)近過程中在此高度附近從強(qiáng)東側(cè)風(fēng)轉(zhuǎn)為西側(cè)風(fēng)。從圖7c側(cè)風(fēng)切變指數(shù)看到水平距離3000～3500 m有中度側(cè)風(fēng)切變，此次風(fēng)切變?yōu)轱L(fēng)向切變。

(2)13:47和13:52出現(xiàn)的風(fēng)切變報(bào)告離地高度均在50 m左右，因兩次報(bào)告時間和高度相近，我們采用13:50:37的下滑道模式資料圖。從圖7e可以看到，下滑道方向上一直為強(qiáng)東側(cè)風(fēng)，在水平距離1000 m、對應(yīng)離地高度50 m以下，側(cè)風(fēng)風(fēng)速突然顯著減小。從圖8g看到水平距離1000 m、離地高度50 m，風(fēng)切變指數(shù)0.113 s-1。這兩次風(fēng)切變?yōu)轱L(fēng)速切變。

6 結(jié)論

通過分析2020年3月29日天氣背景和激光測風(fēng)雷達(dá)資料，得出麗江機(jī)場此次低空風(fēng)切變過程特征如下：

(1)2020年3月29日麗江機(jī)場高空有西風(fēng)急流，地面為低壓區(qū)控制，處于負(fù)變壓中心，天氣晴朗，午后增溫快。垂直方向上高層輻合、低層輻散，500 hPa為垂直負(fù)速度大值中心。低空風(fēng)切變主要是受地面變壓風(fēng)輻合、地面增溫湍流加強(qiáng)以及高層輻合低層輻散形成向下的垂直環(huán)流使動量下傳等因素共同影響而形成的。

(2)風(fēng)切變發(fā)生期間低空環(huán)境風(fēng)場與地面風(fēng)場變化基本吻合。11:00—12:20時段300 m以下風(fēng)場主體從偏南風(fēng)向偏西風(fēng)轉(zhuǎn)變，風(fēng)向紊亂；12:20后低層風(fēng)場基本轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)為主，但風(fēng)速隨時間由西向東、由高空向地面逐漸增大，使20號跑道進(jìn)近區(qū)域有明顯的風(fēng)速切變；14:20后高低空風(fēng)向穩(wěn)定在偏西風(fēng)，整層風(fēng)速較大，是地面大風(fēng)天氣出現(xiàn)的主要時段。

(3)3月29日5次晴空低空風(fēng)切變事件中，有2次出現(xiàn)在11:00—12:20風(fēng)向轉(zhuǎn)變期間，屬于側(cè)風(fēng)風(fēng)向切變，有3次出現(xiàn)在12:20—14:20風(fēng)速逐漸增大期間，屬于風(fēng)速切變。風(fēng)切變指數(shù)均大于0.1 s-1，切變強(qiáng)度為中度及以上，嚴(yán)重影響飛行安全。