王曉烺，杜 星

（民航寧夏空管分局氣象臺(tái)，銀川 750004）

風(fēng)切變[1]是指小尺度風(fēng)向或風(fēng)速突然改變的航空現(xiàn)象，屬于航空氣象學(xué)概念，著重強(qiáng)調(diào)風(fēng)速的突變帶給飛機(jī)的剪切影響，引起飛機(jī)舉力異常變化而導(dǎo)致機(jī)體損壞甚至飛機(jī)失事。其中600 m以下的風(fēng)切變現(xiàn)象稱為低空風(fēng)切變（LAWS）。航空器離地面越近，留給機(jī)組的可操作性時(shí)間越少，因此高度越低的風(fēng)切變對(duì)航空器的影響越大[2]。低空風(fēng)切變往往還具有持續(xù)時(shí)間短、尺度小和突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，通常難以被常規(guī)氣象設(shè)備捕捉到[3]。河?xùn)|機(jī)場(chǎng)近地面風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，近年低空風(fēng)切變多發(fā)，對(duì)航班安全運(yùn)行影響較大。本文利用機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有氣象探測(cè)設(shè)備對(duì)2次典型低空風(fēng)切變天氣過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，探討和研究銀川機(jī)場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)和風(fēng)切變告警系統(tǒng)，提高低空風(fēng)切變預(yù)報(bào)預(yù)警準(zhǔn)確率，以滿足氣象服務(wù)保障工作的需求。

1 新探測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)介

低空風(fēng)切變探測(cè)設(shè)備，河?xùn)|機(jī)場(chǎng)目前可用于的低空風(fēng)切變探測(cè)的設(shè)備有：風(fēng)廓線雷達(dá)、多普勒天氣雷達(dá)、國(guó)產(chǎn)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)及自觀測(cè)風(fēng)系統(tǒng)。下面分別介紹本場(chǎng)安裝的各探測(cè)設(shè)備的基本情況。

（1）風(fēng)廓線雷達(dá)即固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，安裝在03號(hào)跑道西側(cè)，據(jù)跑道中線700 m左右的位置。具有較高的時(shí)間和空間分辨率。最低探測(cè)高度100 m，最高探測(cè)高度大于等于3 000 m；最小高度分辨距離為低模式30 m，高模式60 m。得到的大氣數(shù)據(jù)能夠清晰地反映出邊界層大氣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及變化規(guī)律。

（2）青島華航的Windprint S4000測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)安裝于銀川機(jī)場(chǎng)03號(hào)跑道西側(cè)的風(fēng)廓線雷達(dá)附近，根據(jù)跑道的具體方位和雷達(dá)相對(duì)跑道的安裝位置，設(shè)置特定的下滑道掃描模式。試驗(yàn)和研究表明，相對(duì)于其他設(shè)備，激光雷達(dá)具有更高的測(cè)風(fēng)精度和時(shí)空分辨率及更加靈活的掃描能力等，尤其對(duì)低空風(fēng)場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和變化都具備良好的探測(cè)效果和監(jiān)測(cè)能力[4]。激光雷達(dá)因大氣衰減作用導(dǎo)致探測(cè)距離有限，但其具有很高的時(shí)空分辨率，晴天工作時(shí)衰減較小、探測(cè)距離較遠(yuǎn)。

（3）自觀測(cè)風(fēng)儀器有3套，分別位于21號(hào)跑道入口、03號(hào)跑道入口及跑道中間，探測(cè)距跑道10 m高度處實(shí)時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速。該設(shè)備探測(cè)數(shù)據(jù)主要用來(lái)分析飛機(jī)在跑道上或附近遭遇的風(fēng)切變過(guò)程。

2 風(fēng)切變天氣個(gè)例分析

本文選取了2次低空風(fēng)切變天氣過(guò)程，通過(guò)分析形勢(shì)場(chǎng)及物理量場(chǎng)資料，并利用各探測(cè)設(shè)備資料進(jìn)行分析對(duì)比（下文中“機(jī)場(chǎng)”指銀川河?xùn)|機(jī)場(chǎng)，時(shí)間均為北京時(shí)間）。

2.1 2019年4月29日風(fēng)切變天氣過(guò)程分析

2.1.1 過(guò)程回顧

4月29日受冷空氣南下影響，銀川河?xùn)|機(jī)場(chǎng)經(jīng)歷1次冷鋒過(guò)境的天氣過(guò)程，于15：00—16：00、18：00—19：00出現(xiàn)高吹塵天氣。期間分別于15：45、15：48和17：38收到3份航空器風(fēng)切變報(bào)告，風(fēng)切變出現(xiàn)高度分別為2 100 m、1 800 m和152.4 m。

2.1.2 天氣形勢(shì)分析（圖略）

4月29日高空風(fēng)場(chǎng)：500 hPa本場(chǎng)上空是偏西氣流的多波動(dòng)形勢(shì)，白天有短波槽東移影響，溫度場(chǎng)上冷平流不明顯，700 hPa、850 hPa均以偏北風(fēng)為主，700 hPa最大風(fēng)速10 m/s，850 hPa風(fēng)速較小，高空低層本場(chǎng)附近相對(duì)濕度值較小；從海平面氣壓場(chǎng)上分析本場(chǎng)附近有冷空氣影響，比對(duì)實(shí)況地面風(fēng)的增大時(shí)段，冷鋒于29日14時(shí)左右過(guò)境本場(chǎng)。通過(guò)天氣形勢(shì)分析，4月29日本場(chǎng)主要天氣過(guò)程為冷鋒過(guò)境。

2.1.3 激光雷達(dá)資料分析

據(jù)首都機(jī)場(chǎng)應(yīng)用激光雷達(dá)提取下滑道路徑上的經(jīng)向風(fēng)速便可得到頂風(fēng)廓線信息，進(jìn)而識(shí)別風(fēng)廓線位置、高度、強(qiáng)度和時(shí)間等特征[5]，可見(jiàn)下滑道模式探測(cè)數(shù)據(jù)接近飛機(jī)著陸過(guò)程中實(shí)際風(fēng)速的大小。15：00—16：00機(jī)場(chǎng)處于鋒面附近，底層大氣風(fēng)場(chǎng)變化較不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為風(fēng)向不穩(wěn)定，水平風(fēng)場(chǎng)存在較多局地湍流，下滑道和3°仰角PPI模式在該時(shí)段均出現(xiàn)風(fēng)切變告警，風(fēng)廓線模式未出現(xiàn)告警；17：00—18：00隨著冷空氣進(jìn)一步南下，低空風(fēng)速逐漸增大。冷空氣過(guò)境造成風(fēng)向和風(fēng)速變化在空間垂直分布是中上層明顯滯后于下層[6]。此時(shí)風(fēng)切變是由高低層風(fēng)速差異造成的，隨著鋒面南壓，在17：21時(shí)（如圖1（a）所示），近地面為弱北風(fēng)，風(fēng)速約為0 m/s，隨著高度升高，北風(fēng)逐漸增大。在17：48時(shí)（如圖1（b）所示），各層均轉(zhuǎn)為北風(fēng)，近地面風(fēng)速約7~8 m/s，在地面上空約200 m高度以上（對(duì)應(yīng)下滑道長(zhǎng)約3900m）風(fēng)速逐漸增大至16 m/s，此時(shí)的風(fēng)切變?yōu)槔滗h后部大風(fēng)天氣造成。

圖1 2019年4月29日不同時(shí)段下滑道迎頭風(fēng)風(fēng)速陰影圖

2.1.4 風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析

3次風(fēng)切變發(fā)生時(shí)刻分別為15：45、15：48和17：38。通過(guò)分析4月29日15：00—18：00的風(fēng)廓線雷達(dá)資料中水平風(fēng)與垂直風(fēng)，在15：45前后水平風(fēng)無(wú)數(shù)據(jù)，根據(jù)周圍風(fēng)場(chǎng)判斷以偏北風(fēng)為主，但在該時(shí)刻附近1 800~2 300 m高度垂直風(fēng)為負(fù)速度，極大值為負(fù)的2~3 m/s，代表有上升氣流。在17：38前后低層500 m以下垂直風(fēng)已正速度為主，風(fēng)速不大于0~1 m/s，但水平風(fēng)風(fēng)向變化明顯，在5~10 min前由偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)。如圖2所示。

圖2 2019年4月29日15：00—18：00水平風(fēng)與垂直風(fēng)

2.1.5 小結(jié)

此次風(fēng)切變天氣過(guò)程為冷空氣過(guò)境，通過(guò)以上分析激光雷達(dá)的下滑道掃描模式探測(cè)17：38的風(fēng)切變天氣是由低層逆風(fēng)增大造成，可進(jìn)行有效告警。風(fēng)廓線雷達(dá)資料中水平風(fēng)的風(fēng)向切變或垂直風(fēng)中上升氣流都對(duì)風(fēng)切變的發(fā)生有一定指示作用。

2.2 2019年5月17日風(fēng)切變天氣過(guò)程分析

2.2.1 過(guò)程回顧

本場(chǎng)于5月17日22：00—次日00：00受強(qiáng)對(duì)流云影響出現(xiàn)雷暴且伴有高吹塵的天氣，23：00前西南風(fēng)較大，23：00后轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，風(fēng)速減小。于22：32、22：33收到2份航空器風(fēng)切變報(bào)告，風(fēng)切變出現(xiàn)在21號(hào)跑道東北方，高度分別為304.8 m、659 m。

2.2.2 天氣形勢(shì)分析

5月17日20 ：00高空風(fēng)場(chǎng)（圖略）：500 hPa本場(chǎng)上空偏西氣流為主，區(qū)域北部有冷平流下滑，700 hPa本場(chǎng)附近有切變線影響，850 hPa切變輻合較強(qiáng)，雖然高空低層的相對(duì)濕度值較小，但抬升作用較強(qiáng)；海平面氣壓場(chǎng)上本場(chǎng)地面受熱低壓控制，在日變化地面增溫后有利于本場(chǎng)午后至夜間的對(duì)流天氣發(fā)展。從垂直速度時(shí)序圖分析，本場(chǎng)500 hPa以下的負(fù)速度中心位于17日17：00至17日23：00有上升氣流有利于對(duì)流云發(fā)展，與雷暴出現(xiàn)時(shí)間較一致。如圖3所示。

圖3 本場(chǎng)垂直速度時(shí)間剖面圖（2019年5月16日8：00至18日2：00）

2.2.3多普勒雷達(dá)資料分析

如圖4所示，選取22：22、22：28、22：33的多普勒雷達(dá)資料，強(qiáng)度圖仰角為1.5°，速度圖仰角為0.5°。通過(guò)分析強(qiáng)度圖雷暴云西南—東北向移動(dòng)并影響本場(chǎng)，從低仰角速度圖上可以看到22：28本場(chǎng)附近有明顯的零速度線，并且有反氣旋式輻散，零速度線的移動(dòng)方向與雷暴云一致。

圖4 2019年5月17日22:22、22:28、22:33（從左至右）強(qiáng)度圖（仰角1.5°）、速度圖（仰角0.5°）

2.2.4 激光雷達(dá)資料分析

22：50時(shí)地面上空約60 m高度處（對(duì)應(yīng)下滑道長(zhǎng)約1 200 m）為南風(fēng)，風(fēng)速約為5~6 m/s，隨著高度增加，南風(fēng)風(fēng)速逐漸增大，在高度為90 m處（對(duì)應(yīng)下滑道長(zhǎng)約1 700 m），風(fēng)速約為15~16 m/s，2個(gè)高度處風(fēng)速矢量在下滑道上投影值的差達(dá)到了風(fēng)切變告警閾值。對(duì)流天氣常會(huì)引起近地層風(fēng)場(chǎng)顯著變化，這在激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)探測(cè)的徑向風(fēng)場(chǎng)中有明顯體現(xiàn)[7]。在PPI模式中，從22：24—22：46，風(fēng)向風(fēng)速都出現(xiàn)了明顯的變化，高層風(fēng)速減小，風(fēng)向由一致的西南風(fēng)變?yōu)槲鞅逼憋L(fēng)。如圖5所示。

圖5 2019年5月17日不同時(shí)刻PPI模式3°仰角掃描的下滑道范圍（黑框區(qū)域內(nèi)）水平風(fēng)場(chǎng)分布

2.2.5 風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析

5月17日22 ：32的風(fēng)廓線雷達(dá)資料中水平風(fēng)與垂直風(fēng)，該時(shí)刻前后500 m以下水平風(fēng)以西南風(fēng)為主，風(fēng)速由高到低逐漸增大，為8~16 m/s;垂直風(fēng)500 m以下為正速度，為3~5 m/s，與雷暴發(fā)生時(shí)的降水天氣有關(guān)。所以在風(fēng)切變發(fā)生前后低層水平風(fēng)風(fēng)速切變較明顯，如圖6所示。

圖6 2019年5月17日22：00—23：00水平風(fēng)與垂直風(fēng)

2.2.6 小結(jié)

本次風(fēng)切變天氣過(guò)程由于強(qiáng)對(duì)流天氣影響，雷暴天氣主要出現(xiàn)在22:00—23:00，考慮由本場(chǎng)周邊雷暴云產(chǎn)生的強(qiáng)烈上升下沉氣流導(dǎo)致。多普勒雷達(dá)速度圖上本場(chǎng)附近有零速度線影響，低空風(fēng)向和風(fēng)速差異較大。在PPI模式中，風(fēng)切變發(fā)生前后，風(fēng)向風(fēng)速都出現(xiàn)了明顯的變化，高層風(fēng)速減小，風(fēng)向由一致的西南風(fēng)變?yōu)槲鞅逼憋L(fēng)。風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)低層風(fēng)速切變明顯。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)2次不同天氣系統(tǒng)背景下發(fā)生的風(fēng)切變過(guò)程進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論。

激光雷達(dá)的下滑道模式中風(fēng)速有明顯的變化，PPI模式連續(xù)掃描時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向的變化可能出現(xiàn)風(fēng)切變天氣，可設(shè)定閾值進(jìn)行有效告警。多普勒雷達(dá)低仰角速度圖上的零速度線對(duì)風(fēng)切變的發(fā)生有一定指示作用。風(fēng)廓線雷達(dá)資料中，風(fēng)切變發(fā)生時(shí)刻前后對(duì)應(yīng)著垂直風(fēng)的上升運(yùn)動(dòng)，以及水平風(fēng)的風(fēng)向、風(fēng)速的明顯切變。

將以上各探測(cè)設(shè)備在風(fēng)切變天氣中的特征進(jìn)行有效整合并應(yīng)用，期望對(duì)以后的風(fēng)切變預(yù)報(bào)預(yù)警工作有所幫助。