南京機(jī)場(chǎng)20130625低空風(fēng)切變天氣過程分析

聶穎 佘星源 戴維士

（1 民航江蘇空管分局氣象臺(tái)，南京 211113；2 南京信息工程大學(xué)，南京 210044；3 江蘇省氣象局，南京 210008）

南京機(jī)場(chǎng)20130625低空風(fēng)切變天氣過程分析

聶穎1佘星源2戴維士3

（1 民航江蘇空管分局氣象臺(tái)，南京 211113；2 南京信息工程大學(xué)，南京 210044；3 江蘇省氣象局，南京 210008）

2013年6月在南京機(jī)場(chǎng)發(fā)生了一起多機(jī)組報(bào)告遭遇風(fēng)切變并采取中斷起飛或進(jìn)近操作的天氣過程。此次過程使得多架次飛機(jī)采取中止進(jìn)近或緊急避讓，對(duì)飛行安全造成較嚴(yán)重影響；而因?yàn)轱L(fēng)切變的隱蔽性和突發(fā)性，氣象服務(wù)在當(dāng)天未能提前做出預(yù)報(bào)。本文通過對(duì)過程中觀測(cè)資料、機(jī)場(chǎng)當(dāng)?shù)氐睦走_(dá)及其反演產(chǎn)品以及物理量場(chǎng)的資料總結(jié)，從低層理查森數(shù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)本次過程中低空的風(fēng)切變情況與地面觀測(cè)上一次簡(jiǎn)單的風(fēng)向切變不同，中低空切變線過境的低層切變線輻合引發(fā)的機(jī)場(chǎng)進(jìn)近區(qū)域低空強(qiáng)烈湍流，使低空飛行即將降落的航空器產(chǎn)生強(qiáng)烈顛簸，從而操作困難。中低層的切變線過境時(shí)可以激發(fā)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間近地面低空風(fēng)切變，此種類型的低空風(fēng)切變的開始和結(jié)束時(shí)間與中低空切變線的移動(dòng)情況相關(guān)。在探討此次風(fēng)切變機(jī)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)地面觀測(cè)資料多要素的轉(zhuǎn)折性變化、多普勒雷達(dá)產(chǎn)品和WAFS（Weather Areo Forecast System）數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的再分析資料對(duì)風(fēng)切變預(yù)報(bào)有一定的參考作用，可以幫助預(yù)報(bào)員做出判斷，從而保障飛行安全。

風(fēng)切變，多普勒雷達(dá)產(chǎn)品，理查森數(shù)，低層切變線輻合機(jī)制

0 引言

在航空飛行過程中，起飛和降落階段的風(fēng)切變是造成飛行事故的主要?dú)⑹帧Ｒ虻涂诊L(fēng)切變天氣的突發(fā)性、隱蔽性較強(qiáng)，氣象保障過程中，對(duì)風(fēng)切變天氣的預(yù)報(bào)始終是難點(diǎn)。國(guó)外研究[1-2]指出形成風(fēng)切變的一些天氣學(xué)和地形因素。趙鳴等[3]觀測(cè)并研究了天津250m氣象鐵塔的觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)風(fēng)隨高度變化值夜間大、白天小，高度越高越明顯；風(fēng)速切變存在隨溫度梯度增加而增加的現(xiàn)象，同樣越高越明顯。李秀蓮等[4]闡述了風(fēng)切變對(duì)飛行的影響及其預(yù)報(bào)時(shí)效分析，認(rèn)為各種風(fēng)切變存在的時(shí)間和空間尺度不同，高度也不同，對(duì)飛行影響程度各異，可預(yù)報(bào)的時(shí)效差異也較大。高空槽和急流風(fēng)切變時(shí)間和空間尺度大，可預(yù)報(bào)的時(shí)效達(dá)十幾個(gè)小時(shí)；中層急流空間尺度次于前者；逆溫層

頂附近以及跑道面上的風(fēng)切變不僅空間尺度小、存在時(shí)間短且變化大，預(yù)報(bào)時(shí)效只能是臨近預(yù)報(bào)。

本文中探討的這次多機(jī)組報(bào)告風(fēng)切變天氣過程，發(fā)生在近地面區(qū)域，但隱蔽性強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且影響的航班數(shù)量多，在當(dāng)?shù)剌^為罕見。文中使用機(jī)場(chǎng)當(dāng)天觀測(cè)記錄，通過常規(guī)資料分析、去量綱值比較、反演資料分析和再分析預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)來探討預(yù)報(bào)方法，使用湍流數(shù)據(jù)分析還原飛機(jī)的大氣動(dòng)力影響情況，希望找出此次過程發(fā)生的特點(diǎn)，為未來預(yù)報(bào)提供幫助。

1 探測(cè)資料概況

南京機(jī)場(chǎng)機(jī)場(chǎng)地面觀測(cè)使用Vaisala公司生產(chǎn)的自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備，提供風(fēng)、氣壓、溫度和天氣現(xiàn)象等的24h觀測(cè)數(shù)據(jù)，每小時(shí)向世界航空組織發(fā)布一次各種氣象要素的天氣報(bào)告。南京地區(qū)的雷達(dá)探測(cè)資料包括各種降水天氣強(qiáng)度、高度、速度回波資料以及雷達(dá)反演風(fēng)廓線資料（velocity azimuth display，VAD）風(fēng)場(chǎng)資料。因近地面風(fēng)切變現(xiàn)象的發(fā)生區(qū)域常常很小，在地面觀測(cè)設(shè)備中常常探測(cè)不到，很多情況下機(jī)組報(bào)告也成為探測(cè)的主要途徑。

2 過程分析

2.1 天氣過程

2013年6月25日11:13—13:32（北京時(shí)，下同），南京機(jī)場(chǎng)進(jìn)近區(qū)域范圍收到四次航空器報(bào)告的天氣（表1）。

表1 2013年6月25日南京機(jī)場(chǎng)四次航空器報(bào)告資料

通過表1航空器的報(bào)告可見在11:13—13:30南京機(jī)場(chǎng)近地面附近發(fā)生了水平方向和垂直方向風(fēng)切變，最先出現(xiàn)在地面附近，之后位置稍高。當(dāng)天氣象觀測(cè)記錄（表2）顯示當(dāng)時(shí)機(jī)場(chǎng)小雨伴輕霧天氣，09:00—10:00地面風(fēng)速較小，而風(fēng)向開始變化，10:00—12:00風(fēng)向出現(xiàn)了很大的改變，風(fēng)速也有所增加，達(dá)到了特殊天氣變化的標(biāo)準(zhǔn)。為了較清楚地表現(xiàn)變化過程，對(duì)全部觀測(cè)值相對(duì)于均值的變化程度進(jìn)行計(jì)算，使用各物理量和09:00—14:00的物理量均值進(jìn)行比值計(jì)算，利用這種無量綱方法對(duì)觀測(cè)資料的演變進(jìn)行分析（圖1），綜上可見09:00—14:00南京機(jī)場(chǎng)的風(fēng)向從西南風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，發(fā)生了降溫，同時(shí)能見度迅速好轉(zhuǎn)，顯示一次低空切變線經(jīng)過機(jī)場(chǎng)并最終受冷氣團(tuán)影響的天氣過程。11:00—12:00各項(xiàng)要素變化最為激烈，而在次期間滑行中和進(jìn)近區(qū)域的飛機(jī)同時(shí)觀測(cè)到地面和超低空的風(fēng)切變或氣流紊亂情況，并認(rèn)為可能對(duì)飛行造成影響而中止了起飛。

表2 2013年6月25日南京機(jī)場(chǎng)觀測(cè)資料

為了找到這次風(fēng)切變天氣過程持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的原因，發(fā)現(xiàn)預(yù)報(bào)規(guī)律，查找以下幾個(gè)方面的資料，并進(jìn)行了探討分析。

2.2 天氣形勢(shì)

對(duì)當(dāng)時(shí)的天氣形勢(shì)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，地面上南京地區(qū)處于一個(gè)鞍形場(chǎng)中，北側(cè)有一低渦，雨區(qū)成東西帶狀分布于本場(chǎng)北側(cè)（圖略）。高空850hPa上在本場(chǎng)附近有一個(gè)低渦切變線，氣旋性切變明顯。在700和500hPa上均處于槽線的槽前偏西南氣流之中，暖濕氣流輸送條件好，在機(jī)場(chǎng)及周圍地區(qū)形成降水（圖略）。在切變線影響及持續(xù)性較弱降水的期間，機(jī)場(chǎng)地面及近地面上空出現(xiàn)了持續(xù)兩個(gè)多小時(shí)的低空風(fēng)切變及亂流天氣過程。

2.3 雷達(dá)資料

2.3.1 低空風(fēng)切變發(fā)生和消散時(shí)段的降水天氣的不同特征

在雷達(dá)圖像上，風(fēng)切變報(bào)告的初始時(shí)段（圖2a），機(jī)場(chǎng)處于降水回波帶中，飛機(jī)報(bào)告位置的西北側(cè)和北側(cè)以及東北都有較強(qiáng)降水。強(qiáng)回波中心頂高達(dá)到12km左右。之后，降水回波略南壓，機(jī)場(chǎng)受這次中低空的切變線影響造成的降水持續(xù)了近10h，強(qiáng)降水在移動(dòng)靠近機(jī)場(chǎng)時(shí)漸漸分散，之后的時(shí)段機(jī)場(chǎng)逐漸被數(shù)塊較

強(qiáng)的降水回波包圍，且周圍回波越來越趨于零散。最后一次機(jī)組報(bào)告時(shí)（圖2b），降水已較之前零散，位置在第一次報(bào)告位置的南10km的小塊降水區(qū)中。顯示受切變線南下影響，地面和近地面上空氣流紊亂。發(fā)生自北向南的多起機(jī)組報(bào)告水平和垂直方向的風(fēng)切變現(xiàn)象。

2.3.2 低空風(fēng)切變發(fā)生和消散時(shí)段的雷達(dá)速度圖分析

雷達(dá)基本反射率回波圖上能較好地探測(cè)降水和強(qiáng)對(duì)流的情況，在雷達(dá)的風(fēng)場(chǎng)資料上可以直接探測(cè)風(fēng)的變化情況。

圖3a是對(duì)風(fēng)切變報(bào)告階段11:13多普勒雷達(dá)速度回波圖的計(jì)算反演結(jié)果，圖中代表了11:00—13:30階段的速度圖像。可見四次風(fēng)切變報(bào)告時(shí)的風(fēng)場(chǎng)情況。圖3a上的零速度線反映的風(fēng)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)和切變特性明顯，

零速度線的S形旋轉(zhuǎn)缺口綠區(qū)正對(duì)南京機(jī)場(chǎng)所在的位置。風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，在中低層有一個(gè)突變的過程。風(fēng)速圖上隨高度在低層有兩個(gè)風(fēng)速突變的特性，即在2km以下低層到中層有一個(gè)突增的大值區(qū)域，之后迅速減小再增加。顯示在多次風(fēng)切變的報(bào)告階段的低層風(fēng)切變特征。圖3b顯示了風(fēng)切變密集報(bào)告階段結(jié)束后，風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)情況。可見在低層2km以下的風(fēng)向仍然順轉(zhuǎn)，而風(fēng)速的變化遠(yuǎn)小于之前，之后風(fēng)切變報(bào)告消失。

2.3.3 低空風(fēng)切變發(fā)生時(shí)段的雷達(dá)反演風(fēng)廓線資料風(fēng)場(chǎng)特征

詳細(xì)分析四次風(fēng)切變發(fā)生時(shí)段的雷達(dá)反演風(fēng)廓線資料（velocity azimuth display，VAD），在四次報(bào)告過程中顯示，300～2100m的狹窄高度空間里，風(fēng)向從50°～100°的偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為200°～250°的偏西風(fēng)，垂直方向的風(fēng)向變化在100°以上。為了更清楚地分析風(fēng)向風(fēng)速在垂直方向上的變化，對(duì)風(fēng)廓線資料做進(jìn)一步研究計(jì)算。圖4可以更清楚地看到在垂直方向上的風(fēng)向風(fēng)速的變化特征：在垂直方向上風(fēng)速呈V型變化，300～2100m風(fēng)速存在一個(gè)低谷，風(fēng)向的變化曲線也在這一高度區(qū)間出現(xiàn)了折角；而根據(jù)航空器的報(bào)告，風(fēng)切變也大致發(fā)生在這一高度區(qū)間。

2.4 數(shù)值預(yù)報(bào)再分析產(chǎn)品

在對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的比較后發(fā)現(xiàn)此次風(fēng)切變過程中，江蘇省氣象臺(tái)對(duì)Weather Areo Forecast System（WAFS）數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的再分析資料在大尺度范圍以及發(fā)展趨勢(shì)上有較好的參考作用，圖5中WAFS數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)切變產(chǎn)品顯示出區(qū)域性的0～3km強(qiáng)風(fēng)切變區(qū)域的東移南下過程，南京以北的淮河流域在垂直方向上存在著密實(shí)強(qiáng)風(fēng)切變中心區(qū)域，未來的2h內(nèi)強(qiáng)風(fēng)切變中心隨時(shí)間自北向南移動(dòng)，強(qiáng)風(fēng)速中心漸趨疏散，但仍保持一定強(qiáng)度，而在消散之前機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)了密集報(bào)告的風(fēng)切變天氣。同時(shí)，這種大值區(qū)的范圍也與當(dāng)天的降水區(qū)域有很好的吻合度。說明低空風(fēng)切變的形成和切變線降水之間的關(guān)系，以及風(fēng)切變的存在對(duì)區(qū)域性降水的維持的有利作用。在上空切變線降水天氣過程中，降水范圍可以輔助制作風(fēng)切變區(qū)域預(yù)警。但是，由于范圍較大，精確預(yù)報(bào)需要結(jié)合其他資料作出判斷。

3 飛行器的環(huán)境湍流影響指數(shù)

為更加深入地研究此次低空風(fēng)切變過程的內(nèi)在機(jī)制，對(duì)過程的湍流物理量進(jìn)行了計(jì)算。因?yàn)轱L(fēng)切變產(chǎn)生的湍流是影響飛行安全的要因，所以通過對(duì)湍流指數(shù)的分析可以判斷機(jī)組報(bào)告風(fēng)切變時(shí)飛行中氣層的風(fēng)切變現(xiàn)象造成的湍流對(duì)飛機(jī)飛行姿態(tài)和動(dòng)力的影響情況。理查森數(shù)（Ri）的計(jì)算如下：

面到2100m高度的Ri，并對(duì)比機(jī)組遭遇的四次風(fēng)切變時(shí)Ri隨高度的變化（圖6）。

可見四次過程在300～1800m高度上均有小于1.0的值出現(xiàn)，這兩個(gè)存在湍流較強(qiáng)的區(qū)域也是幾次風(fēng)切變的報(bào)告區(qū)域，即300m左右和進(jìn)近區(qū)域Ri基本維持在4以下，也就是機(jī)組會(huì)有輕度以上的顛簸感，四次過程在0～300m高度上Ri數(shù)均小于0.5，有中度到強(qiáng)烈的顛簸，飛機(jī)在如此低高度上出現(xiàn)強(qiáng)烈的上下波動(dòng)，對(duì)飛行危害極大，而此次過程持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)，影響飛行數(shù)量之多，也較罕見。初始階段的第二次飛機(jī)報(bào)告過程中垂直方向2000m的距離里，低Ri數(shù)有3個(gè)之多，說明大氣在飛機(jī)降落區(qū)域湍流極不穩(wěn)定，使飛行受到極大地影響。

4 結(jié)論

分析2013年6月25日一次多機(jī)組遭遇低空風(fēng)切變過程，機(jī)場(chǎng)當(dāng)時(shí)正處于區(qū)域性的切變線輻合降水之中，低層切變線在移動(dòng)過程中產(chǎn)生了較長(zhǎng)時(shí)間的低空風(fēng)切變，包括水平和垂直方向的風(fēng)切變。持續(xù)近2h的低空風(fēng)切變對(duì)飛機(jī)的飛行動(dòng)力環(huán)境產(chǎn)生了一定影響，微小的操作失誤都有可能造成災(zāi)難性的后果。此次過程同以往認(rèn)識(shí)中大多數(shù)的風(fēng)切變生消快、移動(dòng)快和范圍不大等特征不同，需要在預(yù)報(bào)中引起注意。

在雷達(dá)的資料圖中，風(fēng)向和風(fēng)速切變變化預(yù)示著風(fēng)切變的發(fā)生和發(fā)展，但預(yù)報(bào)時(shí)效較短，只能在臨近預(yù)報(bào)中使用。WAFS資料的風(fēng)切變?cè)俜治鲱A(yù)報(bào)資料提供了較長(zhǎng)的預(yù)判時(shí)間和大范圍的風(fēng)切變信息，但提高精確性需要結(jié)合其他資料。當(dāng)?shù)孛嬗^測(cè)系統(tǒng)探測(cè)到風(fēng)向和風(fēng)速的變化時(shí)，需要結(jié)合上述資料分析判斷未來風(fēng)切變的發(fā)生和維持情況，如出現(xiàn)大于60o的風(fēng)向變化，即便是5m/s左右的風(fēng)速，也需要引起注意，在稍高區(qū)域里可能存在影響航空器飛行的低空切變線，需要及時(shí)發(fā)布風(fēng)切變警報(bào)。中低層切變線位置和移動(dòng)情況是機(jī)場(chǎng)未來可能發(fā)生和消散低空風(fēng)切變的直接原因。

[1]Bencatel R, Sousa J. Shear Wind Estimatio. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference. 08-11 August 2011, Portland, Oregon.

[2]Chan P W. Atmospheric turbulence in complex terrain: Verifying numerical model results with observations by remote-sensing instruments. Meteorology and Atmospheric Physics, 2009, 103: 145-157.

[3]趙鳴, 唐有華, 劉學(xué)軍. 天津塔層風(fēng)切變的研究. 氣象, 1995, 22(1): 7-12.

[4]李秀連, 付強(qiáng), 王科, 等. 風(fēng)切變對(duì)飛行的影響及其預(yù)報(bào)時(shí)效分析.氣象科技, 2010, 38(2): 170-173.

[5]趙樹海. 航空氣象學(xué). 北京: 氣象出版社, 1994, 144-158．

Research of the Low-Level Wind Shear Process in 20130625 in Nanjing Airport

Nie Ying1, She Xingyuan2, Dai Weishi3
(1 Jiangsu Air Traffic Management Bureau, Nanjing 211113 2 Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044 3 Jiangsu Meteorological Bureau, Nanjing 210008)

In June 2013, there was a report that many flight units encountered wind shear and their take-off was interrupted due to the weather process in operation at Nanjing airport. This process urged several planes to take emergency avoidance, and caused a serious effect on the safety of flight. Besides, because of the hidden and sudden wind shear, meteorological service agencies failed to make an advance prediction that day. This paper summarizes the data of the process of observation, products of local radar in the airport and data of the physical quantity field. From the low-level Richardson number of wind shear, we find that its direction was different from the last simple process of low altitude in surface observation and that the convergence of the shear line caused a strong turbulence near the airport ,shaking low flying airplanes strongly, thus making them difficult to operate. From the analysis of the long-time wind shear weather process, we think that low layer shear line transit can cause a long-time low-level wind shear, and when it occurs in the approaching area, the wind shear will be very dangerous for flights. In the discussion of the wind shear mechanism, we find that slight changes of ground observation data, Doppler radar products and the Weather Areo Forecast System (WAFS) numerical forecast products have some reference function to the prediction of wind shear, and it can help forecasters use their judgment, so as to ensure flight safety.

wind shear, radar products, Richardson number, low-level convergence

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.06.009

2014年3月11日；

2014年9月2日

聶穎（1969—），Email: 18936881669@126.com

資助信息：民航江蘇分局2014年氣象服務(wù)項(xiàng)目