烏魯木齊國際機(jī)場風(fēng)切變顛簸天氣個(gè)例分析

王春紅，朱雯娜，陳陽權(quán)

（民航新疆空中交通管理局，新疆烏魯木齊 830016）

烏魯木齊國際機(jī)場風(fēng)切變顛簸天氣個(gè)例分析

王春紅，朱雯娜，陳陽權(quán)

（民航新疆空中交通管理局，新疆烏魯木齊 830016）

利用常規(guī)天氣資料、風(fēng)廓線雷達(dá)探測資料、自動(dòng)站資料、NCEP再分析資料及數(shù)值模擬資料，對烏魯木齊2010年12月2—3日對飛行安全有較大影響的風(fēng)切變顛簸天氣進(jìn)行了多角度分析。結(jié)果表明，局地性東南風(fēng)層的形成和下傳造成的水平方向上非東南風(fēng)與東南風(fēng)的切變、鋒區(qū)南壓過程中在北疆沿天山一帶低空誘發(fā)的小范圍風(fēng)場擾動(dòng)對東南風(fēng)層短暫破壞而引起的水平和垂直方向上風(fēng)向風(fēng)速的迅即變化，是造成機(jī)場附近風(fēng)切變顛簸的原因。中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式（WRF）對此次風(fēng)切變天氣有較好的模擬能力，有助于在探測資料有限的情況下了解風(fēng)切變的細(xì)微結(jié)構(gòu)及其演變。

風(fēng)切變；急流鋒區(qū)；數(shù)值模擬

近年來，隨著我國民航飛行總量的迅速增長，航班遭遇風(fēng)切變情況呈上升趨勢。發(fā)生在低空的風(fēng)切變局地性特點(diǎn)突出，發(fā)生時(shí)間短、尺度小、強(qiáng)度變化大，嚴(yán)重危害航空安全，導(dǎo)致過多起機(jī)毀人亡的航空飛行事故，風(fēng)切變的監(jiān)測和預(yù)報(bào)已成為航空氣象服務(wù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一[1-3]。根據(jù)風(fēng)切變出現(xiàn)的天氣背景一般可將其分為雷暴型、冷鋒型、逆溫型、低空急流型及地形性風(fēng)切變等幾類。目前對于雷暴以及與其相聯(lián)系的下?lián)舯┝饕鸬娘L(fēng)切變研究較多，有效的探測手段及預(yù)警系統(tǒng)也在實(shí)際中有了有效應(yīng)用，但其它幾種風(fēng)切變的研究相對較少[4-8]。

烏魯木齊國際機(jī)場對飛行安全影響較突出的風(fēng)切變主要是由局地性的東南風(fēng)引起的，其次是與冷鋒鋒區(qū)影響有關(guān)的風(fēng)切變。由于探測資料以及航空器報(bào)告資料的不足，預(yù)報(bào)人員對于上述風(fēng)切變天氣的時(shí)間空間尺度特征、形成機(jī)制、天氣特點(diǎn)及表現(xiàn)形式等的認(rèn)識(shí)還十分不足，預(yù)測難度很大。

本文利用常規(guī)天氣資料、風(fēng)廓線探測資料、自動(dòng)站資料、NCEP再分析資料及中尺度數(shù)值模式模擬資料，對2010年12月2—3日烏魯木齊國際機(jī)場一次對飛行安全有較大影響的風(fēng)切變天氣進(jìn)行了多角度分析，希望對風(fēng)切變的分析和預(yù)報(bào)有所幫助。

1 航空器顛簸報(bào)告及航班受影響情況

2010年12月2日傍晚至夜間，烏魯木齊國際機(jī)場（以下簡稱機(jī)場）多架航班在降落階段因風(fēng)切變影響遭遇較強(qiáng)顛簸，機(jī)場氣象臺(tái)在21:27（北京時(shí)間，下同）和23:14接收到2份來自航空器關(guān)于在跑道距地面600～800 m高度遭遇中度以上顛簸和強(qiáng)烈顛簸的空中報(bào)告，由于顛簸強(qiáng)度趨于加強(qiáng)，后續(xù)有10個(gè)航班備降，3日凌晨02時(shí)之后，機(jī)場航班才恢復(fù)正常起降。

2 風(fēng)場實(shí)況分析

2.1 地面風(fēng)場實(shí)況

12月2日，北疆沿天山一帶及烏魯木齊地區(qū)晴到少云，柴窩堡谷地一直有6～14 m/s的偏東、東南風(fēng)存在，烏魯木齊周邊各測站多為2～4 m/s的偏北風(fēng)。23時(shí)前后，機(jī)場以西石河子、呼圖壁一帶為2～6 m/s西北風(fēng)，昌吉、機(jī)場、市區(qū)為2～4 m/s的東南風(fēng)，西北風(fēng)與東南風(fēng)的交界線位于呼圖壁和昌吉之間（圖1a），到了3日00時(shí)，石河子一帶轉(zhuǎn)為2～4 m/s的西南風(fēng)，呼圖壁、昌吉一帶出現(xiàn)了顯著的西北風(fēng)，個(gè)別測站達(dá)到了16 m/s（圖1b），機(jī)場地面風(fēng)向在23:45—24:00由東南突轉(zhuǎn)為西北，瞬間風(fēng)速增大達(dá)到9 m/s左右，并伴有顯著的氣壓上升和氣溫下降。3日01時(shí)到02時(shí)呼圖壁和機(jī)場一帶地面風(fēng)速減小，風(fēng)向由西北漸次轉(zhuǎn)為偏北、偏東，03時(shí)之后，從石河子到烏魯木齊一帶均轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的偏東和東南風(fēng)。

圖1 2010年12月2—3日機(jī)場（位置用“■”標(biāo)示）附近觀測實(shí)況

2.2 風(fēng)廓線雷達(dá)實(shí)時(shí)風(fēng)場資料分析

在機(jī)場跑道西頭，安裝有一部LAP3000型風(fēng)廓線雷達(dá)，有效垂直探測范圍為距地面250～3 000 m。從風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)實(shí)況來看：12月2日，從凌晨開始機(jī)場上空距地面1 200 m以上就存在東南風(fēng)層，東南風(fēng)層下方為4 m/s以下的西西南風(fēng)；2日白天東南風(fēng)層逐漸下傳到距地面500 m左右，大風(fēng)層（風(fēng)速>12 m/s，下同）距地面600～800 m，最大風(fēng)速16 m/s，東南風(fēng)層下方為4 m/s以下的偏東和東北風(fēng)，入夜后東南風(fēng)層繼續(xù)下傳，到23時(shí)前后距地面1 000 m以下整層均為東南風(fēng)，大風(fēng)層距地面300～ 500 m，最大風(fēng)速14 m/s。在兩次航空器報(bào)告遭遇較強(qiáng)顛簸的時(shí)段前后，機(jī)場上空為東南風(fēng)層，顛簸高度附近分別為5～10 m/s和10～12 m/s東南風(fēng)，且無顯著變化。從風(fēng)速大小及隨其時(shí)間變化情況來看，東南風(fēng)層內(nèi)部因上下層風(fēng)速差引起的風(fēng)速切變尚不足以造成航空器中度以上的顛簸[3]，造成兩次航空器報(bào)告的顛簸原因還有待于進(jìn)一步分析。距地面1 000 m以下的低空風(fēng)場在23:45—00:30出現(xiàn)了較為急劇的變化，即由東南風(fēng)突轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，并維持了一個(gè)多小時(shí)，導(dǎo)致了航班的集中備降，02時(shí)之后距地面1 000 m以下又再次轉(zhuǎn)為整層的東南風(fēng)（圖2）。

圖2 2012年12月2—3日機(jī)場風(fēng)廓線雷達(dá)探測的風(fēng)場時(shí)間—高度（m）剖面

綜合上述實(shí)況分析可知：此次風(fēng)切變天氣與烏魯木齊地區(qū)低空局地性東南風(fēng)層及其短暫被破壞之后的變化過程有關(guān)。烏魯木齊地區(qū)的東南風(fēng)刮風(fēng)范圍狹小[9]，一般是從柴窩堡谷地到機(jī)場一線，遠(yuǎn)則能影響到昌吉、呼圖壁一帶，常發(fā)生在3 000 m以下的中低空。當(dāng)航空器在水平或垂直方向上穿越非東南風(fēng)與東南風(fēng)的顯著切變區(qū)域時(shí)，就有可能產(chǎn)生顛簸，這也是兩次航空器報(bào)告較強(qiáng)顛簸產(chǎn)生的可能原因。航班的集中備降則應(yīng)是由于東南風(fēng)層被短暫破壞，低層風(fēng)場出現(xiàn)急劇變化而導(dǎo)致的。

目前對于東南風(fēng)導(dǎo)致的風(fēng)切變和顛簸已有一定的分析和研究[10-11]，但由于各類探測資料各有局限，使我們對風(fēng)切變的詳細(xì)結(jié)構(gòu)仍近乎“盲人摸象”，對東南風(fēng)層的空間影響范圍及其變化的預(yù)報(bào)仍沒有實(shí)質(zhì)性的幫助：地面實(shí)時(shí)觀測資料可以幫助我們判斷小尺度系統(tǒng)的影響，但無法反映空中風(fēng)場的演變；風(fēng)廓線資料可以反映機(jī)場空中風(fēng)場的變化，但因其單點(diǎn)的局限性，無從了解機(jī)場附近區(qū)域風(fēng)場的水平及垂直演變特征。

3 天氣成因

3.1 有利于局地性東南風(fēng)的天氣形勢

從12月2日08時(shí)的高空、地面天氣形勢來看非常有利于烏魯木齊地區(qū)局地性東南風(fēng)的形成。從高空形勢演變可以看出，12月2日08—20時(shí)，500 hPa和700 hPa上，50°N以北，烏拉爾以東地區(qū)為西伯利亞低槽控制，槽前西南氣流強(qiáng)盛，50°N以南，咸海附近為一南支槽，槽前氣流偏西，南北兩支低槽槽前的高空鋒區(qū)位于中亞—巴湖一帶，北疆地區(qū)處于高空鋒區(qū)南側(cè)的偏西、西南氣流之中，850 hPa（圖3a）上，高空鋒區(qū)南側(cè)巴湖—西部國境線一帶為西南—東北向暖舌，烏魯木齊—庫爾勒—阿克蘇一線為溫度槽，烏魯木齊以東的北疆地區(qū)基本為南風(fēng)和東南風(fēng)。上述高空形勢的配置有利于北疆地區(qū)地面減壓、南疆加壓。地面圖上（圖3b），12月2日08—20時(shí)，烏拉爾山以東的亞洲中高緯地區(qū)受西伯利亞低值系統(tǒng)控制，地面鋒區(qū)位于巴爾喀什湖附近，北疆地區(qū)位于低壓底部，等壓線相對稀疏并有顯著減壓，南疆氣壓高于北疆，形成了“南高北低”的有利于烏魯木齊局地性東南風(fēng)形成的地面氣壓場形勢。到3日02時(shí)，烏魯木齊附近"南高北低"的氣壓場形勢還有所加強(qiáng)。

圖3 2010年12月2日20時(shí)天氣形勢實(shí)況

3.2 誘發(fā)低層小范圍風(fēng)場擾動(dòng)的天氣形勢

12月2 —3日，50°N附近西伯利亞—貝加爾湖一帶，最顯著的就是西伯利亞低槽前的高空急流鋒區(qū)。

2日08 時(shí)，高空鋒區(qū)在70°E以西呈近東西向，70°E以東則呈西南—東北向；西風(fēng)急流在250 hPa達(dá)到最大，急流核分別位于咸海以西，巴湖以北，風(fēng)速超過65 m/s。

2日14 時(shí)到3日08時(shí)，70°E以東的高空鋒區(qū)明顯南壓，走向變?yōu)闁|西向（圖4a、4b），咸海以西的西風(fēng)急流核在東移過程中與巴湖附近的急流核合并、南壓并迅速東移。在此過程中，2日20時(shí)開始，北疆沿天山一帶西風(fēng)風(fēng)速自高層向低層顯著增大（圖4c、4d），2日20時(shí)，500 hPa上北疆地區(qū)西風(fēng)達(dá)到了40 m/s，烏魯木齊附近700 hPa以上西風(fēng)迅速增大，在3日02時(shí)達(dá)到最大。

在850 hPa上，風(fēng)場的變化與700 hPa以上各層有所不同，2日20時(shí)，北疆西部國境線附近西風(fēng)加大到16 m/s左右，其余地區(qū)仍為偏東和東南風(fēng)，使得克拉瑪依和烏魯木齊之間的北疆中部地區(qū)形成了偏西風(fēng)和偏東、東南風(fēng)的“對峙”。到3日02時(shí)，850 hPa上北疆沿天山一帶轉(zhuǎn)為一致西西南風(fēng)。但西風(fēng)并沒有維持下去，到3日08時(shí)，除克拉瑪依以西仍為西風(fēng)外，烏魯木齊及其以東地區(qū)又為偏南風(fēng)控制。

結(jié)合第一小節(jié)所述風(fēng)場實(shí)況來看，北疆沿天山一帶垂直風(fēng)場的變化，應(yīng)該與高空鋒區(qū)（急流核）南壓、東移過程中的動(dòng)量下傳的動(dòng)力擾動(dòng)作用有關(guān)，且在700 hPa以上表現(xiàn)得十分顯著，而在850 hPa以下的層次，其擾動(dòng)作用的時(shí)間和強(qiáng)度范圍均有限。

3.3 高空急流鋒區(qū)南壓、東移的熱力擾動(dòng)作用

12月2 —3日，北疆盆地及沿天山一帶700 hPa以下存在有穩(wěn)定的逆溫層結(jié)（圖5a），機(jī)場附近逆溫在2日20時(shí)最強(qiáng)，逆溫層頂位于800 hPa，溫度5℃，在2日20時(shí)到3日02時(shí)中高層風(fēng)速急速增大以及低層風(fēng)向轉(zhuǎn)變風(fēng)速增大的時(shí)段，逆溫層結(jié)雖有所減弱，但沒有得到根本性的破壞（圖5b）。冷暖平流的分析表明，2日20時(shí)到3日02時(shí)，烏魯木齊機(jī)場附近700 hPa以上空中有弱冷平流存在，而700 hPa以下并無明顯的冷空氣出現(xiàn)。

圖4 高空急流、北疆沿天山一帶高低空風(fēng)場演變（1°×1°NCEP資料分析）

圖5 北疆沿天山、機(jī)場溫度分布及演變（1°×1°NCEP資料分析）

以上分析說明，高空急流鋒區(qū)南壓、東移的熱力擾動(dòng)作用較弱。究其原因，主要是因?yàn)殇h區(qū)雖有明顯的南壓，冷空氣有所南下，但從實(shí)況來看，2日20時(shí)，500 hPa上-24℃等溫線僅壓到塔城-阿勒泰一線，于北疆沿天山一帶來講相對偏北。冷空氣在南壓、東移過程中沒有給北疆沿天山一帶，尤其是低層帶來顯著的冷平流，使得北疆盆地低層穩(wěn)定維持逆溫層結(jié)僅僅被短暫地破壞，在急流鋒區(qū)迅速東移后就很快得以恢復(fù)。

綜合上述，高空鋒區(qū)及其上急流核南壓、東移誘發(fā)了北疆沿天山一帶的小范圍風(fēng)場擾動(dòng)，烏魯木齊低空局地性東南風(fēng)場的短暫破壞就是由此造成的。這種擾動(dòng)以動(dòng)力作用為主，熱力作用不顯著。由于鋒區(qū)位置相對偏北、冷空氣南下不明顯，北疆盆地低層逆溫層十分穩(wěn)定，而急流核又快速東移等諸多因素，使得其誘發(fā)的這種低層風(fēng)場擾動(dòng)在時(shí)間上較為短暫，空間上范圍不大。從1°×1°NCEP資料分析看，其對850 hPa風(fēng)場的影響時(shí)間尺度在6 h左右，空間范圍300～400 km。而在地面，其影響時(shí)間尺度不足3 h，空間范圍不足100 km。

4 風(fēng)切變結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析

由于利用常規(guī)天氣資料、現(xiàn)有的探測資料和NCEP資料無法對風(fēng)切變結(jié)構(gòu)在空間和時(shí)間上進(jìn)行細(xì)致的分析，本文在WRF中尺度數(shù)值模式對天氣形勢演變成功模擬的基礎(chǔ)上，利用其輸出的高時(shí)空分辨率資料進(jìn)行了診斷分析。模式中心44°N，87°E，3重嵌套，格距分別為45 km，15 km和5 km。模式垂直分39層（其中1 200 m以下共分12層），采用每6 h一次的1°×1°NECP資料作為初始和側(cè)邊界條件，從2010年12月1日20時(shí)到2010年12月3日08時(shí)，共積分36 h。

模式很好地模擬出了此次風(fēng)切變顛簸天氣的高低空形勢演變，與實(shí)況分析和NCEP資料的診斷分析十分一致。模式成功地模擬出了烏魯木齊機(jī)場低層的東南風(fēng)層及其下傳過程，也模擬出了中低空風(fēng)場的急劇轉(zhuǎn)變。只是3日00時(shí)到02時(shí)，距地面250 m左右（σ=5）層次以下模擬風(fēng)場仍為東南風(fēng)，與實(shí)況的偏西風(fēng)不符。

模擬結(jié)果顯示，烏魯木齊機(jī)場上空3日00時(shí)之前，偏西風(fēng)與東南風(fēng)層的分界線高度在距地面1 600 m左右（σ=14）附近，其上為偏西風(fēng)，其下為東南風(fēng)（圖6a），東南風(fēng)水平分布呈東南—西北向，范圍隨著高度增加而縮小，東南風(fēng)區(qū)域之外，基本為西風(fēng)控制，烏魯木齊機(jī)場以西為偏西風(fēng)與東南風(fēng)的切變區(qū)域。高空鋒區(qū)及急流核南壓、東移過程中，在北疆沿天山一帶低層誘發(fā)出小范圍風(fēng)場擾動(dòng)，使偏西風(fēng)與東南風(fēng)切變的氣旋性逐漸增加，在低層甚至表現(xiàn)為氣旋性渦旋，在其東移過程中烏魯木齊機(jī)場附近東南風(fēng)層從高向低，風(fēng)向向西偏轉(zhuǎn)，東南風(fēng)層被短暫破壞，該小范圍風(fēng)場擾動(dòng)?xùn)|移減弱后，烏魯木齊機(jī)場附近中低空東南風(fēng)層恢復(fù)。

以下重點(diǎn)分析兩次航空器報(bào)告顛簸、航班集中備降的風(fēng)切變結(jié)構(gòu)。從兩次航空器報(bào)告顛簸位置和高度來看，顛簸點(diǎn)基本上位于水平方向上非東南風(fēng)與東南風(fēng)的切變線附近。第一次顛簸報(bào)告的航空器執(zhí)行阿克蘇—烏魯木齊航班任務(wù)，按其進(jìn)場航線，是直接從機(jī)場西南的阿什里附近加入長五邊，在下降過程航班逐漸由較大的西風(fēng)區(qū)進(jìn)入弱風(fēng)區(qū)，然后再進(jìn)入較大的東南風(fēng)層，顛簸是由水平和垂直方向上風(fēng)向和風(fēng)速的顯著變化（逆風(fēng)切變、側(cè)風(fēng)切變）造成的（圖6b、6c）。第二次顛簸報(bào)告的航空器執(zhí)行西安—烏魯木齊航班任務(wù)，按其進(jìn)場航線，是從機(jī)場北側(cè)走三邊、四邊后加入五邊，因此在其下降進(jìn)近過程中，三邊從西風(fēng)區(qū)下降穿越東南風(fēng)區(qū)，四邊經(jīng)跑道西側(cè)西風(fēng)和東南風(fēng)之間的弱風(fēng)區(qū)進(jìn)入較強(qiáng)的西風(fēng)區(qū)，五邊則是由較大的西風(fēng)區(qū)進(jìn)入弱風(fēng)區(qū)，然后再進(jìn)入較大的東南風(fēng)層（圖6d、6e），風(fēng)場的變化情況十分復(fù)雜。航空器的嚴(yán)重顛簸是由水平和垂直方向上風(fēng)向風(fēng)速的迅即變化（順風(fēng)切變、逆風(fēng)切變、側(cè)風(fēng)切變）造成的。而在小范圍風(fēng)場擾動(dòng)?xùn)|移影響過程中，機(jī)場正好處于空中風(fēng)場氣旋性切變曲率最大的地方（圖6f），在垂直方向上由高層向低層穿越時(shí)，無論是風(fēng)向還是風(fēng)速，都有較為急劇的轉(zhuǎn)變，給降落過程中的航空器帶來的顛簸程度也將更為劇烈，因此導(dǎo)致了航班的集中備降。

5 結(jié)論和討論

（1）此次風(fēng)切變顛簸天氣與烏魯木齊地區(qū)局地性東南風(fēng)層及其短暫破壞有關(guān)。西伯利亞急流鋒區(qū)南壓過程中，位置偏北且北疆盆地逆溫穩(wěn)定維持，急流核東移過程中的動(dòng)量下傳作用僅在北疆沿天山一帶低層誘發(fā)了小范圍風(fēng)場擾動(dòng)，導(dǎo)致烏魯木齊地區(qū)低層?xùn)|南風(fēng)層出現(xiàn)短暫而急劇向西北風(fēng)的轉(zhuǎn)變。

（2）常規(guī)天氣資料、風(fēng)廓線雷達(dá)資料在風(fēng)切變的監(jiān)測、分析預(yù)報(bào)上發(fā)揮的作用各有局限。中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式WRF在邊界層分層加密的條件下很好地模擬了此次風(fēng)切變顛簸天氣，有助于我們在探測資料有限的情況下了解風(fēng)切變的細(xì)微結(jié)構(gòu)及其演變，還可以為今后更加合理地布局風(fēng)切變探測系統(tǒng)，提高其有效性方面發(fā)揮作用。

（3）先進(jìn)探測技術(shù)和數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)該成為未來風(fēng)切變的監(jiān)測和預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)的發(fā)展方向。

圖6 機(jī)場附近水平、垂直風(fēng)場模擬

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[11]張利平，王春紅.烏魯木齊機(jī)場東南大風(fēng)過程溫壓濕及水平風(fēng)切變特征[J].氣象科技，2007，35（5）：719-722.

Analysis of a Wind Shear at Urumqi Airport

WANG Chunhong，ZHU Wenna，CHEN Yangquan
（Meteorological Center of Xinjiang Air Traffic Management Bureau，Urumqi 830016，China）

A strong wind shear case that occurred at Urumqi Airport during December 2-3,2010 was analyzed using routine meteorological data,wind profile radar data,automatic weather station data,NCEP reanalysis data and numerical simulation results data.The results show that wind shear occurred at such weather situations as following:polar front frontal zone slowly moved southwards to Xinjiang area,the inversion in the basin of the north of Xinjiang maintained stability and there was local low-level southeast wind at Urumqi area.Because of these conditions,some small-scale disturbance was induced at the north of Xinjiang along the Tianshan Mountains and the southeast wind layer was damaged temporarily,which caused strong horizontal and vertical wind shear. Because of the limitations of the detection,the spatial and temporal characteristics of the wind shear cannot be fully revealed.so it is very difficult to conduct the fine forecast.However,mesoscale numerical prediction model WRF can simulate this wind shear case,and the results are helpful to understanding the cause of the wind shear.

wind shear；local southeast wind layer；numerical model（WRF）

P458

B

1002-0799（2013）06-0015-07

10.3969/j.issn.1002-0799.2013.06.003

2013-03-15；

2013-06-15

新疆自然科學(xué)基金（2011211A102）資助。

王春紅（1971-），女，高級(jí)工程師，主要從事航空氣象預(yù)報(bào)工作。E-mail：ningning5021@shou.com