銀川河東機場2次低空風切變天氣過程的對比分析

王曉烺，杜 星

（民航寧夏空管分局氣象臺，銀川 750004）

風切變[1]是指小尺度風向或風速突然改變的航空現象，屬于航空氣象學概念，著重強調風速的突變帶給飛機的剪切影響，引起飛機舉力異常變化而導致機體損壞甚至飛機失事。其中600 m以下的風切變現象稱為低空風切變（LAWS）。航空器離地面越近，留給機組的可操作性時間越少，因此高度越低的風切變對航空器的影響越大[2]。低空風切變往往還具有持續時間短、尺度小和突發性強等特點，通常難以被常規氣象設備捕捉到[3]。河東機場近地面風場結構復雜，近年低空風切變多發，對航班安全運行影響較大。本文利用機場現有氣象探測設備對2次典型低空風切變天氣過程進行對比分析，探討和研究銀川機場風場預報系統和風切變告警系統，提高低空風切變預報預警準確率，以滿足氣象服務保障工作的需求。

1 新探測設備簡介

低空風切變探測設備，河東機場目前可用于的低空風切變探測的設備有：風廓線雷達、多普勒天氣雷達、國產測風激光雷達及自觀測風系統。下面分別介紹本場安裝的各探測設備的基本情況。

（1）風廓線雷達即固定式邊界層風廓線雷達，安裝在03號跑道西側，據跑道中線700 m左右的位置。具有較高的時間和空間分辨率。最低探測高度100 m，最高探測高度大于等于3 000 m；最小高度分辨距離為低模式30 m，高模式60 m。得到的大氣數據能夠清晰地反映出邊界層大氣的結構特點及變化規律。

（2）青島華航的Windprint S4000測風激光雷達安裝于銀川機場03號跑道西側的風廓線雷達附近，根據跑道的具體方位和雷達相對跑道的安裝位置，設置特定的下滑道掃描模式。試驗和研究表明，相對于其他設備，激光雷達具有更高的測風精度和時空分辨率及更加靈活的掃描能力等，尤其對低空風場的精細結構和變化都具備良好的探測效果和監測能力[4]。激光雷達因大氣衰減作用導致探測距離有限，但其具有很高的時空分辨率，晴天工作時衰減較小、探測距離較遠。

（3）自觀測風儀器有3套，分別位于21號跑道入口、03號跑道入口及跑道中間，探測距跑道10 m高度處實時風向、風速。該設備探測數據主要用來分析飛機在跑道上或附近遭遇的風切變過程。

2 風切變天氣個例分析

本文選取了2次低空風切變天氣過程，通過分析形勢場及物理量場資料，并利用各探測設備資料進行分析對比（下文中“機場”指銀川河東機場，時間均為北京時間）。

2.1 2019年4月29日風切變天氣過程分析

2.1.1 過程回顧

4月29日受冷空氣南下影響，銀川河東機場經歷1次冷鋒過境的天氣過程，于15：00—16：00、18：00—19：00出現高吹塵天氣。期間分別于15：45、15：48和17：38收到3份航空器風切變報告，風切變出現高度分別為2 100 m、1 800 m和152.4 m。

2.1.2 天氣形勢分析（圖略）

4月29日高空風場：500 hPa本場上空是偏西氣流的多波動形勢，白天有短波槽東移影響，溫度場上冷平流不明顯，700 hPa、850 hPa均以偏北風為主，700 hPa最大風速10 m/s，850 hPa風速較小，高空低層本場附近相對濕度值較小；從海平面氣壓場上分析本場附近有冷空氣影響，比對實況地面風的增大時段，冷鋒于29日14時左右過境本場。通過天氣形勢分析，4月29日本場主要天氣過程為冷鋒過境。

2.1.3 激光雷達資料分析

據首都機場應用激光雷達提取下滑道路徑上的經向風速便可得到頂風廓線信息，進而識別風廓線位置、高度、強度和時間等特征[5]，可見下滑道模式探測數據接近飛機著陸過程中實際風速的大小。15：00—16：00機場處于鋒面附近，底層大氣風場變化較不穩定，主要表現為風向不穩定，水平風場存在較多局地湍流，下滑道和3°仰角PPI模式在該時段均出現風切變告警，風廓線模式未出現告警；17：00—18：00隨著冷空氣進一步南下，低空風速逐漸增大。冷空氣過境造成風向和風速變化在空間垂直分布是中上層明顯滯后于下層[6]。此時風切變是由高低層風速差異造成的，隨著鋒面南壓，在17：21時（如圖1（a）所示），近地面為弱北風，風速約為0 m/s，隨著高度升高，北風逐漸增大。在17：48時（如圖1（b）所示），各層均轉為北風，近地面風速約7~8 m/s，在地面上空約200 m高度以上（對應下滑道長約3900m）風速逐漸增大至16 m/s，此時的風切變為冷鋒后部大風天氣造成。

圖1 2019年4月29日不同時段下滑道迎頭風風速陰影圖

2.1.4 風廓線雷達資料分析

3次風切變發生時刻分別為15：45、15：48和17：38。通過分析4月29日15：00—18：00的風廓線雷達資料中水平風與垂直風，在15：45前后水平風無數據，根據周圍風場判斷以偏北風為主，但在該時刻附近1 800~2 300 m高度垂直風為負速度，極大值為負的2~3 m/s，代表有上升氣流。在17：38前后低層500 m以下垂直風已正速度為主，風速不大于0~1 m/s，但水平風風向變化明顯，在5~10 min前由偏北風轉為偏東風。如圖2所示。

圖2 2019年4月29日15：00—18：00水平風與垂直風

2.1.5 小結

此次風切變天氣過程為冷空氣過境，通過以上分析激光雷達的下滑道掃描模式探測17：38的風切變天氣是由低層逆風增大造成，可進行有效告警。風廓線雷達資料中水平風的風向切變或垂直風中上升氣流都對風切變的發生有一定指示作用。

2.2 2019年5月17日風切變天氣過程分析

2.2.1 過程回顧

本場于5月17日22：00—次日00：00受強對流云影響出現雷暴且伴有高吹塵的天氣，23：00前西南風較大，23：00后轉為東南風，風速減小。于22：32、22：33收到2份航空器風切變報告，風切變出現在21號跑道東北方，高度分別為304.8 m、659 m。

2.2.2 天氣形勢分析

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

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

2.2.3多普勒雷達資料分析

如圖4所示，選取22：22、22：28、22：33的多普勒雷達資料，強度圖仰角為1.5°，速度圖仰角為0.5°。通過分析強度圖雷暴云西南—東北向移動并影響本場，從低仰角速度圖上可以看到22：28本場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）強度圖（仰角1.5°）、速度圖（仰角0.5°）

2.2.4 激光雷達資料分析

22：50時地面上空約60 m高度處（對應下滑道長約1 200 m）為南風，風速約為5~6 m/s，隨著高度增加，南風風速逐漸增大，在高度為90 m處（對應下滑道長約1 700 m），風速約為15~16 m/s，2個高度處風速矢量在下滑道上投影值的差達到了風切變告警閾值。對流天氣常會引起近地層風場顯著變化，這在激光測風雷達探測的徑向風場中有明顯體現[7]。在PPI模式中，從22：24—22：46，風向風速都出現了明顯的變化，高層風速減小，風向由一致的西南風變為西北偏北風。如圖5所示。

圖5 2019年5月17日不同時刻PPI模式3°仰角掃描的下滑道范圍（黑框區域內）水平風場分布

2.2.5 風廓線雷達資料分析

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

圖6 2019年5月17日22：00—23：00水平風與垂直風

2.2.6 小結

本次風切變天氣過程由于強對流天氣影響，雷暴天氣主要出現在22:00—23:00，考慮由本場周邊雷暴云產生的強烈上升下沉氣流導致。多普勒雷達速度圖上本場附近有零速度線影響，低空風向和風速差異較大。在PPI模式中，風切變發生前后，風向風速都出現了明顯的變化，高層風速減小，風向由一致的西南風變為西北偏北風。風廓線雷達水平風低層風速切變明顯。

3 結束語

本文通過對2次不同天氣系統背景下發生的風切變過程進行分析，得出如下結論。

激光雷達的下滑道模式中風速有明顯的變化，PPI模式連續掃描時風速、風向的變化可能出現風切變天氣，可設定閾值進行有效告警。多普勒雷達低仰角速度圖上的零速度線對風切變的發生有一定指示作用。風廓線雷達資料中，風切變發生時刻前后對應著垂直風的上升運動，以及水平風的風向、風速的明顯切變。

將以上各探測設備在風切變天氣中的特征進行有效整合并應用，期望對以后的風切變預報預警工作有所幫助。