基于航空器實例對一個顛簸物理量場特征模型驗證和分析

王宇亮+靳英燕+李紅梅+高潔+鞏敏瑩

【摘 要】在分析西北地區中部航空器飛行實例的大尺度環流背景基礎上，對一個顛簸物理量場特征模型的適用性進行了研究驗證和分析，結果表明，飛機顛簸產生在氣壓梯度相對較大且存在氣旋性切變的環境中，顛簸區恰是正負垂直速度的轉換區，梯度密集區吻合飛機實際發生顛簸的區域，也即垂直P速度由均勻場變換為非均勻場，與共性特征研究結果一致。顛簸出現在冷性和暖性平流交匯且靠近暖性平流側。不穩定的冷暖平流垂直配置及正渦度平流輸送造成局地性渦度增加，使上升運動加強，局部垂直環流發展，加劇顛簸程度。飛機發生顛簸的區域出現流場的間斷線，同時間斷線處上升氣流與下沉氣流共存是造成飛機難以操控的主要原因。流線分布狀況的辨析為飛機顛簸的分析和預警服務帶來新思路。

【關鍵詞】飛機顛簸；物理量場；動力學共性；特征模型

中圖分類號： P458.3 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0094-003

【Abstract】Based on the analysis of the large-scale circulation background of the aircraft flight in the northwest China，the applicability of a bumpy physical field model is verified and analyzed.The results show that the airplane turbulence is caused by the relatively large gas pressure gradient and the existence of cyclone In the environment of the shear zone， the bump area is the positive and negative vertical velocity conversion area.The gradient-intensive area coincides with the actual bumpy area of the aircraft，that is，the vertical P velocity is changed from the uniform field to the nonuniform field， which is consistent with the common characteristic The The bumps appear in the confluence of cold and warm advection and close to the warm advection side.Unstable vertical and horizontal advection and positive vorticity caused by the increase of local vorticity，so that the ascending movement to strengthen the local vertical circulation development，aggravate the degree of bumps.Aircraft in the bumpy area of the flow field of the intermittent line，at the same time between the rising air flow and subsidence flow coexistence is difficult to control the main reason for the aircraft.The analysis of the distribution of the streamlines brings new ideas for the analysis and early warning services of aircraft bumps.

【Key words】Aircraft bumps；Physical field；Dynamic commonness；Characteristic model

0 引言

飛機在短時間內忽而上升、忽而下落，以及搖晃、擺頭、局部抖動的現象稱為飛機顛簸。強烈顛簸嚴重影響飛行活動，它使飛機操縱困難，乘員疲勞，嚴重時甚至會使飛機結構因承受過大的應力而損壞，造成失事[1]。飛機顛簸的產生在各個高度上的機理都不近相同。對于飛機顛簸的研究，我國工作者已經做了不少基礎性研究。徐海等[2]對成都至拉薩航線嚴重顛簸進行分析，指出高原南側副熱帶西風急流增強是造成此次顛簸主因；呂艷彬等[3]研究指出低空急流和垂直風切變易造成顛簸，并提出用小球測風資料可有效短時預報飛行顛簸；高潔等[4]對蘭州區域飛機顛簸事件分析，發現急流軸左下方垂直順風切變導致飛機升力突然減小，暖性平流使顛簸加??；鞏敏瑩等[5]對中等強度及以上的顛簸進行研究，發現其具有水平散度、垂直速度、渦度梯度大的動力學共性特征模型。

對于飛機顛簸的有效持續監測目前較為困難，主要是話音方式的航空器空中報告和機載設備記錄。本文利用高空資料對西北轄區中部一次多架航班遭遇飛機顛簸的天氣過程進行分析探究，一方面通過物理量場的診斷分析對中等強度及以上顛簸具有的動力學共性特征模型進行適用性研究，另一方面通過驗證和討論，尋找航路顛簸預警分析新方法和指標，以期提高顛簸的預報準確度和真情服務質量。

1 西北轄區中部飛行實例概況

2010年7月23日國航CA1776航班機組報告：04：38時（世界協調時，下同）從銀川飛至西安，在H58航線慶陽方向（約N35°48′，E107°36′）遭遇嚴重顛簸，3600米的高度飛行員操縱困難、飛行高度難以保持。后相繼有多架航班反映慶陽方向此高度遇到中等強度或嚴重飛機顛簸。endprint

2 飛機顛簸發生的大尺度高空環流背景分析

23日00時500hPa（圖略）東亞地區維持兩槽一脊背景場，巴湖和我國東北為低壓槽控制，其兩個低壓冷槽之間的高壓脊伸至貝湖附近，西太平洋副熱帶高壓位于華東地區，蒙古至河套北部為高壓控制，銀川至西安正處在兩個高壓之間的相對低壓環流區，存在弱氣旋性切變。700hPa蒙古國中東部至河套北部仍為高壓環流控制，青藏高原維持低壓環流，銀川至西安為等壓線相對密集帶，且風速銀川方向較西安方向大。由此可見，此次飛機顛簸產生在氣壓梯度相對較大且存在弱氣旋性切變的環境場中。

3 物理量場動力學共性特征模型的驗證和討論

鞏敏瑩[5]通過研究垂直速度場、渦度場、散度場這些表征大氣運動的基本動力學物理量場，發現在從正垂直速度、正散度、正渦度區過渡到負垂直速度、負散度、負渦度區時或者相反，由于大氣的運動方式和方向在前后發生截然不同的情形，是容易造成湍流運動發展的區域，尤其是強烈的正負物理量場過渡區更易造成較強的飛機顛簸產生。本文前述對顛簸發生的大尺度環流背景場進行分析描述，再運用氣象學要素場，對描述支配的天氣系統的動力過程進行物理量診斷驗證和再分析，進而定性地了解物理量對顛簸產生的相對作用。

3.1 垂直速度

大氣垂直上下運動是天氣分析中經?？紤]的一個重要物理量。垂直運動造成的熱量、渦度、動量、水汽等垂直輸送對天氣系統的發展演變有很大影響[6]。分析7月23日00時垂直P速度沿107°E垂直剖面（圖1a）可以看到，在41°N上空為正值的大值區，最大正值出現在4000米高度，約為4.12×10-3hPa/s。小值區的兩個中心分別位于33°N上空和21°N上空，位于33°N上空最小值出現在7500米高度，約為-2.66×10-3hPa/s。從39°N到34°N之間為正垂直速度大值區向負垂直速度大值區轉換，等值線由相對稀疏變化為相對密集，也即垂直P速度由均勻場變換為非均勻場，這說明氣流運動在37-35°N之間較為強烈，正是飛機發生顛簸的區域段。

進一步分析此處的風速大?。▓D1b），可以看到3600米高度37°N風速值約為8.89 m/s，36°N風速值約為4.07 m/s，均未達到急流的標準，說明此次飛機顛簸并不是由于低空急流所引起的。

3.2 溫度平流

隨著空氣流動，大氣各物理的屬性（或物理的量）都要作水平性輸送。平流是描述物理屬性輸送強度的物理量，因而平流是對于物理屬性（或物理量）的再分布，對天氣變化起著決定性的作用[6]。分析700hPa溫度平流（圖2a）可以看到，河套西部為較強冷平流區，中心最大值約為-10.59×10-5C/s，一般來說，飛機顛簸往往與較強的冷平流相聯系[7]，銀川此時正處在較強冷平流區，慶陽位于冷暖平流交匯區靠近暖平流區一側[8]，同時平流梯度十分明顯，由此可知，顛簸區處在平流大梯度帶上。

溫度平流梯度密集區會激發空氣的上升或下沉運動，引起垂直方向環流切變并產生繞水平方向旋轉的湍流渦旋，溫度水平分布形式值越大，對垂直運動的激發就越強烈[4]。進一步分析溫度平流垂直分布（圖2b），在36°N以北是較強冷性平流區，以南是暖性平流，同時在發生飛機顛簸的區域低層為暖平流，這種不穩定的環流配置使得局部垂直環流得以發展，加劇了航路上的飛機顛簸。

3.3 散度和渦度平流

散度表明大氣運動單位體積的變形率，是衡量速度場輻合、輻散強弱程度的物理量[6]。由圖3a可知，38-36°N上空3600米以下為正散度，以上為負散度，36-34°N上空3600米附近均為負散度大值區，這與34°N以南陜西南部的降水有一定關系，使得斜壓性增強，有利于天氣系統的發展。飛機飛越36°N附近時遇到氣流由輻散下沉變化為輻合上升，使得飛行員突然操縱困難，難以調整。分析渦度平流垂直剖面（圖3b）看到，36°N附近3600米以下的正渦度平流造成局地渦度增加，使上升運動得以加強，飛機高度難以保持。

4 飛機顛簸發生的流場分析

流線表示線型和風矢量相切，等風速線是風速相等的各點的連線。流線可以起止于風向有急劇變化之處。流線的稀疏表示風速的大小，風速大處流線密集，相反則較稀[6]。通過對流線風場中風向風速的細微變化捕捉，進一步研究航路顛簸預報效益。

對7月23日700hPa流場水平分布（圖4a）進行分析發現，銀川至西安航線處在氣旋性流入的東北邊緣，并且為流線的相對密集區，有匯合漸近線，說明此處風速較周圍區域大。同時，可以看到在銀川至西安航線中間偏東北位置，出現流線的奇異線——間斷線，這說明在此處間斷線兩側，風向是不一樣的。

為了進一步研究此處間斷線兩側風向的變化情況，作沿37-35°N每間隔1°的流線垂直剖面圖。對比圖4（b，c，d）三張圖可以看出，在37°N 107°E附近3600米高度為較一致的下沉氣流，在36°N 107°E附近3600米高度處于下沉氣流與上升氣流共存，而到35°N 107°E附近這一變化更為明顯，飛機飛行高度正處在上升氣流與下沉氣流的交匯處，并且為離散漸近線，由此可知飛機在從銀川起飛時并無機組報告遇有飛機顛簸，而到慶陽（約N35°48′，E107°36′）附近時有多個機組報告遇有中度或嚴重飛機顛簸，正是遇到氣旋式切變，加之垂直氣流在此處為離散場，易于亂流發生發展，飛機穿越時出現明顯的顛簸。

5 結論驗證與分析

5.1 鞏敏瑩等提出的顛簸物理量場動力學共性特征在此次實際飛行中，通過分析可以看到多有表現：首先，此次飛機的顛簸并不是由低空急流所引起的，飛機遭遇顛簸的區域恰是正負垂直速度的轉換區，垂直運動梯度密集區吻合飛機實際發生顛簸的區域，也即垂直P速度由均勻場變換為非均勻場。其次，飛機顛簸出現正負平流過渡帶的梯度密集區，與共性特征研究結果一致。進一步分析發現其出現在冷暖平流交匯區靠近暖平流區一側，不穩定的冷暖平流垂直配置，以及正渦度平流造成局地渦度增加，使上升運動加強，局部垂直環流得以發展，加劇了航路飛行顛簸的程度，導致航空器飛行高度難以保持。

5.2 飛機顛簸產生在氣壓梯度相對較大且存在氣旋性切變的環境中。飛機發生顛簸的區域出現有流線的奇異線——間斷線，同時間斷線處上升氣流與下沉氣流共存是造成航空器空中飛行難以操控的主要原因。流線分布狀況的辨析為飛機顛簸的分析和預警服務帶來新思路。

5.3 由于此次航空器飛行實例為個例研究驗證，且選取驗證的物理量場尚未完全涵蓋，還需要選取不同季節時間和高度空間的航空器飛行實例作進一步的對比研究，以驗證和完善飛機顛簸的動力學共性特征。

【參考文獻】

[1]《大氣科學詞典》編委會.大氣科學詞典[M].北京：氣象出版社，1994：185.

[2]徐海，黃儀方，李躍春等.成都—拉薩航線一次嚴重顛簸過程分析[J].中國民航飛行學院學報，2007，18（6）：3-7.

[3]呂艷彬等.一次較強飛行顛簸的成因分析及對策[J].四川氣象，2000，71（1）：26-27.

[4]高潔，張開俊，蔡國盛.蘭州區域一次飛機顛簸事件的成因分析[J].中國民航飛行學院學報，2010，21（1）：45-51.

[5]鞏敏瑩，崔竹囡，靳英燕，黎巍.西北地區中度以上顛簸的物理量場特征[J].中國民航大學學報，2011，29（5）：14-19.

[6]朱乾根，林錦瑞，壽紹文等.天氣學原理[M].北京：氣象出版社，2000：601-636.

[7]趙樹海.航空氣象學[M].北京：氣象出版社，1994：148-151.

[8]梁愛民，張云謹，劉開宇等.”20060102”飛機顛簸天氣過程診斷分析和數值模擬[J].云南大學學報（自然科學版），2008，30（S1）：320-323.endprint