中南地區(qū)一次飛機(jī)顛簸的物理量場(chǎng)分析

陳春元

（中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局，廣東廣州 510405）

航空器顛簸是指在飛行中飛機(jī)突然出現(xiàn)上下拋擲、左右搖晃、擺頭、局部震顫等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致飛行員操縱飛機(jī)困難，儀表不準(zhǔn)等。若進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣道的空氣量顯著減少，可造成飛機(jī)自動(dòng)停車甚至飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成破壞，引發(fā)飛行事故［1］。顛簸不但會(huì)造成人員不適甚至受傷，顛簸強(qiáng)烈時(shí)可使幾分鐘內(nèi)飛機(jī)上下拋擲十幾次，高度突然變化幾百米，空速變化20 km/h以上［2］，威脅飛機(jī)機(jī)體和飛行安全。尤其在飛行垂直間隔縮小后，對(duì)顛簸預(yù)報(bào)提出了更高的要求。

目前對(duì)于飛機(jī)顛簸已經(jīng)取得了許多研究成果。在理論方面，朱志愚［3］探討了高空急流區(qū)飛機(jī)顛簸的一種形成機(jī)制；王永忠等［4-5］指出湍流動(dòng)能的產(chǎn)生引起晴空顛簸；李子良等［6-7］對(duì)重力慣性波及其不穩(wěn)定引發(fā)急流附近顛簸產(chǎn)生的可能機(jī)制進(jìn)行研究，指出重力波失穩(wěn)破碎為湍流是其可能機(jī)制。在個(gè)例分析上，如徐海等［8］分析了成都-拉薩航線一次嚴(yán)重顛簸過程，指出高原南側(cè)副熱帶西風(fēng)急流增強(qiáng)是主要原因；呂艷彬等［9］、高潔等［10］通過分析蘭州區(qū)域一次顛簸事件發(fā)現(xiàn)急流軸左下方垂直順風(fēng)切變導(dǎo)致飛機(jī)升力減小，暖性平流使顛簸加劇。航空氣象目前對(duì)于顛簸的預(yù)報(bào)產(chǎn)品往往存在著顛簸范圍預(yù)報(bào)過大、強(qiáng)度預(yù)報(bào)模糊以及空?qǐng)?bào)率較高、缺乏明確指示性等問題。造成使用時(shí)的困惑從而降低產(chǎn)品的參考價(jià)值。關(guān)于顛簸的研究已經(jīng)成為航空氣象的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如今數(shù)值預(yù)報(bào)在形勢(shì)預(yù)報(bào)方面與實(shí)際大氣的擬合度較高，本研究從物理量場(chǎng)的角度尋找顛簸發(fā)生的規(guī)律，有利于使用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品中豐富的物理量場(chǎng)進(jìn)行顛簸預(yù)報(bào)，以期提高顛簸預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

1 航空器空中報(bào)告

目前對(duì)于飛機(jī)顛簸的持續(xù)有效監(jiān)測(cè)仍然比較困難，話音方式的航空器空中報(bào)告是顛簸的主要記錄方式。本研究通過分析中南地區(qū)收集到的航空器空中報(bào)告，包括河南、湖北、湖南、廣西、廣東和海南6?。▍^(qū)）上空區(qū)域。分析發(fā)現(xiàn)2017年2月4日發(fā)生在中南管區(qū)的航空器顛簸報(bào)告數(shù)量最多且強(qiáng)度較大，共收到26份顛簸報(bào)告，其中嚴(yán)重顛簸18份、中度顛簸8份。本研究選取20：00（北京時(shí)，下同）前后2 h以內(nèi)的15份顛簸報(bào)告進(jìn)行重點(diǎn)分析，其中將顛簸發(fā)生高度在6 600～7 500 m的報(bào)告點(diǎn)分析集中在400 hPa上；將8 900～9 500 m高度的報(bào)告分析集中在300 hPa上；將10 200～11 000 m高度的報(bào)告分析集中在250 hPa上（表1）。并運(yùn)用ERA-interim再分析資料（空間分辨率為 0.5°×0.5°），分析物理量場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)特征，結(jié)合顛簸發(fā)生的位置，探索顛簸的分布規(guī)律。

2 顛簸區(qū)的物理量場(chǎng)動(dòng)力學(xué)特征

2.1 散度場(chǎng)

2月4日20：00散度場(chǎng)的大值中心呈東北-西南走向分布（圖1）。在400 hPa上（圖1a）湖南西部的2個(gè)嚴(yán)重顛簸報(bào)告位于等值線最為密集區(qū)，散度中心值為-6×10-5s-1，并迅速遞減到0。位于河南中部和海南北部的顛簸報(bào)告分布在等值線較為密集且曲率較大的位置，其中河南中部的報(bào)告位于正散度區(qū)；另外4個(gè)報(bào)告點(diǎn)均位于負(fù)散度區(qū)。在300 hPa（圖1b），位于湖北、河南交界處和廣西北部的顛簸報(bào)告均分布在等值線較為密集的負(fù)散度大值區(qū)，大值中心分別為-10×10-5和 -6×10-5s-1。250 hPa上（圖1c）位于廣西、湖南交界處存在3個(gè)顛簸報(bào)告分布在由正散度向負(fù)散度過渡區(qū)，等值線密集，散度變化由2×10-5s-1遞減到-2×10-5s-1。可見顛簸發(fā)生位置與正、負(fù)散度區(qū)無關(guān)，與梯度大的區(qū)域?qū)?yīng)良好，且梯度越大顛簸強(qiáng)度越強(qiáng)。

表1 2017年2月4日航空器空中報(bào)告

圖1 2017年2月4日20：00 400 hPa（a）、300 hPa（b）、250 hPa（c）散度場(chǎng)（單位：10-5 s-1）

2.2 渦度場(chǎng)

圖2為顛簸區(qū)的渦度場(chǎng)。400 hPa渦度場(chǎng)大值中心位于湖南和湖北東南部，達(dá)到30×10-5s-1，位于湖南西部的兩個(gè)顛簸報(bào)告位于渦度等值線最為密集的區(qū)域且靠近渦度大值中心。位于海南的報(bào)告渦度值介于5×10-5s-1到10×10-5s-1之間，梯度不大但存在一定的輻合上升運(yùn)動(dòng)，位于河南中部的報(bào)告位置則渦度較弱，此處渦度場(chǎng)的變化不是引發(fā)顛簸的主要原因。300 hPa圖上存在兩個(gè)渦度大值中心，湖北、河南交界處的報(bào)告位于渦度大梯度區(qū)，靠近大值中心值20×10-5s-1；廣西北部的報(bào)告點(diǎn)靠近渦度大值中心值25×10-5s-1，且所在位置等值線曲率較大。250 hPa圖上湖南、廣西交界處的顛簸報(bào)告位于靠近渦度大值中心的等值線密集區(qū)，中心值為24×10-5s-1，可見顛簸的位置多分布在靠近大值中心附近的強(qiáng)渦度梯度區(qū)域。

圖2 2017年2月4日20：00 400 hPa（a）、300 hPa（b）、250 hPa（c）渦度場(chǎng)（單位：10-5 s-1）

2.3 垂直速度場(chǎng)

400 hPa（圖3a）湖南西部和河南中部的顛簸報(bào)告位于垂直速度的大值區(qū)內(nèi)，垂直速度均在0.2 Pa/s以上，位于海南的顛簸報(bào)告對(duì)應(yīng)的垂直速度則較小，對(duì)應(yīng)該處顛簸較弱。300 hPa圖上（圖3b）湖北、河南交界處的垂直速度在0.2 Pa/s，位于廣西北部的垂直速度在0.1 Pa/s，且這兩處的等值線分布均較為密集。250 hPa圖（圖3c）顛簸分布在垂直速度負(fù)大值中心附近，在-0.1 Pa·s-1到 -0.2 Pa·s-1之間，且梯度較大，可見顛簸的位置與垂直速度的方向無關(guān)，其多分布在大值中心附近或強(qiáng)梯度區(qū)。

圖3 2017年2月4日 20：00 400 hPa（a）、300 hPa（b）、250 hPa（c）垂直速度場(chǎng)（單位：Pa/s）

2.4 溫度平流場(chǎng)

400 hPa上（圖4a）的顛簸報(bào)告點(diǎn)大多位于溫度平流的等零度線附近，僅湖南西部的其中一個(gè)報(bào)告點(diǎn)位于-1×10-6K/s線附近；300 hPa圖上（圖4b）位于湖北、河南交界處的顛簸報(bào)告位于-2×10-6K/s到0×10-6K/s之間，接近于0線附近；250 hPa圖上（圖4c）的顛簸均分布在等零K線兩側(cè)?？梢婎嶔?bào)告與溫度平流的等零度線分布對(duì)應(yīng)良好。由于溫度平流零度線兩側(cè)的氣團(tuán)性質(zhì)不同引發(fā)運(yùn)動(dòng)方式不同，造成飛機(jī)穿越零度線時(shí)容易發(fā)生顛簸。

圖4 2017年 2月4日20：00 400 hPa（a）、300 hPa（b）、250 hPa（c）溫度平流場(chǎng)（單位：10-6 K/s）

2.5 物理量場(chǎng)與顛簸強(qiáng)度的關(guān)系

400 hPa圖中位于河南中部和海南北部的報(bào)告僅在散度場(chǎng)上位于強(qiáng)梯度區(qū)，在渦度場(chǎng)和垂直速度場(chǎng)上對(duì)應(yīng)較弱，這2個(gè)區(qū)域報(bào)告均為中度顛簸。同時(shí)滿足處于散度場(chǎng)、渦度場(chǎng)、垂直速度場(chǎng)強(qiáng)梯度區(qū)的位置則報(bào)告嚴(yán)重顛簸居多。以及對(duì)應(yīng)的物理量場(chǎng)梯度越大，強(qiáng)度越強(qiáng)。

與顛簸發(fā)生位置對(duì)應(yīng)最好的是散度場(chǎng)的大梯度區(qū)和溫度平流的等零度線附近，如果該區(qū)域再同時(shí)滿足位于渦度場(chǎng)的大梯度區(qū)或者靠近大值區(qū)的曲率較大處，則容易發(fā)生嚴(yán)重顛簸；或者該區(qū)域也滿足位于垂直速度大值區(qū)或強(qiáng)梯度區(qū)附近，也將有利于嚴(yán)重顛簸的發(fā)生。

3 結(jié)論

1）2017年2月4日20：00前后的顛簸主要發(fā)生在散度場(chǎng)強(qiáng)梯度區(qū)、渦度場(chǎng)靠近大值中心附近的強(qiáng)梯度區(qū)、垂直速度大值區(qū)或大梯度區(qū)附近，以及溫度平流等零度線兩側(cè)。

2）顛簸區(qū)散度場(chǎng)的強(qiáng)梯度區(qū)與溫度平流等零度線兩側(cè)與顛簸位置對(duì)應(yīng)最好。若該區(qū)域再同時(shí)滿足位于渦度場(chǎng)的大梯度區(qū)或者靠近大值區(qū)的曲率較大處，則容易發(fā)生嚴(yán)重顛簸；或者該區(qū)域也滿足位于垂直速度大值區(qū)或強(qiáng)梯度區(qū)附近，也將有利于嚴(yán)重顛簸的發(fā)生。

本研究選取了較有代表性的個(gè)例，分析各次實(shí)例中顛簸的物理量分布特征。由于再分析資料時(shí)間和空間分辨率的限制，在以后的研究中需要更多的航空器實(shí)例以及更高分辨率的氣象資料加以驗(yàn)證和完善飛機(jī)顛簸的動(dòng)力學(xué)特征。