2014—2017年石家莊正定國際機場低空風切變特征及天氣形勢分析

吳 丹，李美琪，郭 蕊，賈小衛，劉 浩，柳 泉

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

引 言

近年來，我國民航業飛速發展，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，意味著航空安全運行的氣象保障需求激增，尤其是低空領域。航空氣象學中，低空風切變通常是指近地面600 m高度以下的風切變[1]。低空風切變嚴重危害航空飛行安全，尤其在飛機起飛和著陸階段，近年來由于低空風切變導致飛機復飛或飛行事故的情況時有發生[2-5]。低空風切變具有時間短、尺度小、強度大的特點，其探測和預報存在較大困難[6]。

低空風切變的研究開始于20世紀70年代，FUJITA等[7-8]通過調查美國飛機起降過程中出現的三起嚴重飛行事故發現強風切變是造成飛機失事的原因。我國大陸低空風切變研究開始于20世紀80年代中期，王學永等[9]、趙樹海[10]先后利用氣象觀測塔資料對低空風切變開展研究，之后多普勒雷達、風廓線雷達等探測手段陸續用于低空風切變的識別和分析[11-14]。隨著觀測方法和計算條件的改進，數值模擬技術也逐漸用于低空風切變的個例研究[15-16]。

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

1 正定國際機場及資料

1.1 正定國際機場及地面氣象資料

正定國際機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‰；正定國際機場標高71 m，有一條跑道，跑道方向332°～152°，長3400 m，寬45 m，圖1為正定國際機場周邊地形及機場跑道示意圖。2014—2017年的地面氣象觀測資料為機場南北兩端自動站氣象觀測設備采集，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備相距約2800 m，包含風速、風向、氣壓、溫度、濕度等傳感器，其中風向、風速30 s采集一次，氣壓、氣溫、露點溫度等1 min采集一次；機場實況報文為同期逐時地面風、主導能見度、天氣現象、氣溫等。低空風切變數據為2014—2017年正定國際機場機組報告的共31次航空記錄，且31次低空風切變事件均發生在高度600 m以下，其中有5次發生在60 m以下，大部分發生在飛機進近過程中。

圖1 正定國際機場周邊地形(單位：m)(a)及機場跑道示意圖(b)(黑色圓點為機場位置)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)和風場。

2 低空風切變特征

2.1 低空風切變的時間變化

圖2為2014—2017年河北正定國際機場低空風切變發生頻次的年際變化、月際變化和日變化。可以看出，2014—2017年正定國際機場低空風切變發生頻次沒有明顯的年際變化規律，2016年低空風切變發生頻次最少(3次)，2015年最多(14次)；2014—2017年除2—4月外其他月份低空風切變發生總頻次分別為4次、7次、3次、5次，2—4月低空風切變發生總頻次分別為1次、7次、0次、4次。2015年2—4月低空風切變的發生頻次比其他年份2—4月相對較多，結合2014—2017年2—4月正定國際機場大風(平均風速大于10 m·s-1)次數(表1)可以看出，2015年2—4月大風次數也最多，說明大風天氣可能會增加正定國際機場低空風切變出現的概率，但由于低空風切變的報告除了受不同機型機載風切變設備告警影響，還與機組人員的主觀判斷等有關，因此2015年正定國際機場低空風切變發生頻次最多的原因難以確定。正定國際機場一年四季都有低空風切變出現，但主要出現在春季，占比達51.6%，其中4月出現最多，其次是夏季，這是由于在中國北方地區，春末夏初時，冷暖空氣交替頻繁，地面大風增多，從而增加了低空風切變的發生頻率[21]。冬春季北方地區受冷氣團快速移動及東北冷渦等天氣系統影響較多，近地面風速較大，風向較不穩定，在這樣天氣系統背景下，低空風切變容易被誘導發生[26]。石家莊冬季受地形和穩定天氣形勢及污染影響，常有霧和霾天氣出現，導致航班經常出現延誤或停飛，因此冬季低空風切變發生的記錄也相對較少。另外，14:00(北京時，下同)正定國際機場低空風切變發生頻次最多，其次是16:00、18:00和19:00，說明低空風切變主要出現在午后和傍晚，這是因為午后動量下傳，地面加熱效應增加，對流加強，風速增大，強對流天氣也容易發生在午后至傍晚[21]，有利于低空風切變發生。

圖2 2014—2017年正定國際機場低空風切變發生頻次的年際(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月正定國際機場大風(10 min平均風速大于10 m·s-1)發生頻次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 低空風切變時地面風特征

同一高度和時間范圍內的風速與風切變強度變化幾乎相同[6]，說明風速增大時風切變也在增強，大風速的出現與風切變的發生有一定聯系。因此，利用正定國際機場跑道兩端的風向風速儀探測數據，統計出現低空風切變前后10 min的地面陣風風速和風向的發生頻率(圖3)。可以看出，正定國際機場發生低空風切變時地面陣風風速主要在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%)，最大風速可達23 m·s-1。從風向來看，正定國際機場出現低空風切變時以北風為主(占27.4%)，其次是西北風(占14%)，因此正定國際機場發生低空風切變時主要影響天氣系統來自于北或西北方向，北風活躍的天氣系統容易在機場誘發對航空飛行安全有影響的低空風切變。

圖3 2014—2017年正定國際機場出現低空風切變前后10 min的地面陣風風速(a)和風向(b)的發生頻率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 低空風切變的主要天氣形勢

低空風切變在一定的大氣環流背景下發生[13]，掌握發生低空風切變的天氣形勢，是做好低空風切變預報的前提。對正定國際機場31次低空風切變發生時的高低空環流形勢、地面形勢進行分析，以500 hPa為主進行分型，發現正定國際機場出現低空風切變的天氣形勢主要有：西北氣流型(19次)、低渦型(8次)、西風槽型(3次)和橫槽型(1次)。可以看出，西北氣流型天氣形勢下出現低空風切變的次數最多，另外，低渦型的低空風切變發生時有6次出現雷暴天氣，說明該天氣形勢下的對流天氣易引發低空風切變。

3.1 西北氣流型

西北氣流型天氣形勢下的低空風切變多出現在春季和冬季，且春季最多。以2015年3月3日08:00和2017年3月1日14:45正定國際機場發生低空風切變時對應天氣形勢為例進行分析，圖4為西北氣流型天氣形勢下500、700 hPa位勢高度場、風場、溫度場和海平面氣壓場、風場、溫度場。可以看出，500 hPa正定國際機場位于西風槽后，西北氣流很強，最大風速可達30 m·s-1以上，有明顯的溫度槽與高度槽配合，40°N以北地區存在較強冷中心，700 hPa溫度槽落后于高度槽，風速較大，均在12 m·s-1以上，850 hPa正定國際機場以高壓前部西北氣流為主或轉為高壓控制，風速較大時可達12 m·s-1以上，存在冷平流(圖略)；地面冷高壓明顯，正定國際機場處于高壓前部的強氣壓梯度區，以偏北風為主，附近有大風區，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)、風場(風矢量，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)、風場(風矢量，單位：m·s-1)、溫度場(紅色線，單位：℃)(e、f)(紅色圓點為正定國際機場位置，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正定國際機場發生低空風切變時對應天氣形勢為例，圖5為低渦型天氣形勢下500、700 hPa位勢高度場、風場、溫度場和海平面氣壓場、風場、溫度場。可以看出，500 hPa低渦中心位于機場北部，并配合有冷中心，低渦南側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，機場受低渦南部偏西氣流或短波槽影響，風速一般大于10 m·s-1，位于短波槽底或槽后時風速可超過20 m·s-1，并伴隨冷平流；700 hPa正定國際機場受低渦南部西南氣流控制或處于明顯切變線中，風速一般在10～15 m·s-1之間，有時存在低空急流，伴隨暖平流；850 hPa正定國際機場受槽前西南氣流影響，風速約為10 m·s-1，有切變線和暖平流(圖略)；地面形勢上正定國際機場受地面低壓槽控制，附近有風向或風速輻合。由于高空冷平流或溫度槽和低空暖平流疊加，上冷下暖的不穩定層結建立，低空風向、風速輻合或切變線等條件有利于雷暴發生發展，影響正定國際機場并可能造成雷暴大風等對流性天氣。

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)、風場(風矢量，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)、風場(風矢量，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 西風槽型

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

冷鋒型低空風切變的強度與冷鋒過境后的1 h變壓和變溫有關，1 h變溫和變壓越大，風切變強度也越強[6]。冷鋒過境時，冷鋒后有明顯的3 h正變壓，雷暴大風也會導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場出現低空風切變時的3 h、1 h和1 h內逐5 min變壓、變溫，歸納出現低空風切變時地面氣壓和氣溫的變化特點。

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場出現低空風切變時地面3 h、1 h和1 h內最大5 min變壓、變溫的箱線圖。可以看出，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，伴隨大風天氣，地面最大風速為17.8 m·s-1；1 h變壓范圍為-1.4～2.7 hPa，最大值也出現在2015年4月15日；1 h內最大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內最大5 min變壓在0.5 hPa以上，而3 h變壓和1 h變壓以負變壓為主。

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的天氣背景下大多為負值，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結束，對應地面最大風速也減小。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 ℃，最大負變溫-6 ℃出現在2015年6月4日的雷暴大風過程，地面最大風速為18.4 m·s-1；1 h內最大5 min變溫范圍為-4.4～-0.2 ℃，其中-4.4 ℃的異常值與1 h最大負變溫一樣都出現在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場出現低空風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，在進行低空風切變預報預警時需多關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主要關注短時間變化，如1 h內最大5 min變壓、變溫。

4 結論與討論

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

(2)2015年正定國際機場低空風切變最多(14次)，2015年2—4月大風次數也最多，說明大風天氣可能會增加低空風切變的出現概率；正定國際機場發生風切變時地面風以偏北風為主，說明北風活躍的天氣系統容易在機場誘發風切變。

(3)正定國際機場出現低空風切變的天氣形勢主要有：西北氣流型、低渦型、西風槽型和橫槽型，其中西北氣流型天氣形勢下出現低空風切變最多，且多出現在春冬季節，春季最多，低渦型天氣形勢下的對流天氣易出現低空風切變；不同天氣形勢的高低空及地面形勢明顯不同，這有助于預判大形勢下低空風切變發生的可能性，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，因此要多關注西北氣流天氣形勢下的3 h和1 h正變壓和負變溫，以及低渦天氣形勢下1 h內逐5 min正變壓和負變溫。

低空風切變的預報、預警仍然是一個亟待解決的危及航空飛行安全的難題之一，由于低空風切變的個例及觀測資料有限，本文分析結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，能夠對低空風切變進行更深入的研究。