利用激光雷達判別機場晴空風切變事件成因

代冰冰 何敏 楊靖新 張明欣

(云南機場集團麗江機場氣象臺，麗江 674100)

引言

風場的穩(wěn)定是實現(xiàn)民航安全飛行的基本前提，風切變則是飛行安全的“無形殺手”[1]，特別是出現(xiàn)在距地面600 m以下的低空風切變，除會造成飛機偏離航向外，還可能導致飛機提前接地或重著陸，是導致飛行事故的重要風險。2018年北京飛往澳門的JD5759航班在澳門機場著陸時受低空風切變影響，出現(xiàn)“海豚跳”式重著陸，導致飛機起落架嚴重受損，最終成功備降于深圳機場，險象環(huán)生。麗江機場位于云南西北高原，與青藏高原東南緣相連，受高原大地形影響，冬春季天氣晴好，低空風場變化快，多發(fā)生晴空風切變和顛簸，常常導致飛機低于決斷高度復飛，嚴重威脅航空安全。

多年來，航空氣象研究者對低空風切變的成因進行了大量研究，翁雪玲等統(tǒng)計分析出大連機場典型的風切變是西北大風和偏北大風造成的低空風切變[2]；單乃超等研究出合肥機場一次低空風切變的主要成因是γ中尺度對流單體底部的紊亂氣流造成的[3]；郭智亮等對廣州白云機場的一次低空風切變進行分析，發(fā)現(xiàn)是由超級單體風暴云產(chǎn)生的下?lián)舯┝骱完囷L鋒造成的[4]；逯野等對中川機場的一次風切變天氣進行成因分析，結(jié)果表明，具有較強輻合且移動緩慢的鋒面和對流云底部的下沖外流是造成此次風切變過程的重要因素[5]。但目前國內(nèi)針對中國西南高原地區(qū)頻發(fā)的晴空風切變[6]研究較少，主要原因是缺乏對晴空條件下的低空風場探測設備。隨著科技的發(fā)展，除了機場地面風站、風廓線雷達外，新興的激光雷達[7]成為了晴空風切變探測的有力補充，但目前在航空氣象中的應用仍處于起步階段。趙建偉等將風廓線雷達資料應用于大理機場低空風切變的探測和預警中，結(jié)果表明，風廓線雷達資料可為低空風切變的初步預警提供參考，但受最低探測高度的影響，近地面層的資料可用性較小，特別在晴空時300 m以下基本無探測資料[8]；張開俊等利用激光測風雷達對中川機場的低空風切變預警工作進行研究，結(jié)果表明，激光雷達產(chǎn)品可以有效地提高中川機場低空風切變預警命中率，適合應用于機場風切變的探測和預警工作[9]。因此，本文嘗試利用麗江機場試用階段的激光測風雷達[10]資料進行一次晴空風切變過程的特征分析，期望對提高風切變預警能力、確保航空安全提供重要參考。

1 資料和方法

1.1 設備介紹

本文所用的激光測風雷達設備是西南技術物理研究所研發(fā)的FC-Ⅲ型三維激光測風雷達，主要用途是測量機場、氣象場站等地垂直3000 m高度以下、水平5000 m距離范圍內(nèi)的徑向風場，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)實時反演出測量空域的風場演變信息，為飛機起飛及降落提供實時大氣風場信息。其工作原理是采用脈沖激光相干探測體制及全光纖相干光路結(jié)構(gòu)，以窄線寬脈沖激光為光源，通過檢測激光對氣溶膠散射回波信號的多普勒頻移信息，來實現(xiàn)對徑向風矢量的測量，通過多普勒光束擺動、距離高度顯示、平面位置顯示及下滑道等掃描方式，實現(xiàn)對風廓線、水平風場、起降通道的迎頭風、側(cè)風等的測量與風切變告警[11]。

1.2 資料與方法

為了更好地對低空風切變進行研究，本文主要利用NCEP的日平均、水平分辨率為 2.5°×2.5°的再分析資料、麗江機場VAISALA自動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)、航空器空中語音報告、三維激光測風雷達資料等多源數(shù)據(jù)，對麗江機場2020年3月29日晴空條件下的風切變過程進行特征分析，以期加深航空氣象人員對晴空風切變的認識。

2 風切變事件概況

2020年3月29日，麗江機場出現(xiàn)了罕見的晴空低空風切變及地面大風天氣。氣象臺共收到風切變航空器空中語音報告共5份(表1)，導致返航備降航班4架次；根據(jù)地面VAISALA自動觀測系統(tǒng)資料，地面大風(≥17 m/s)從14:36開始到17:13停止，持續(xù)超過2.5 h，最大風速達到23 m/s，是麗江機場建站以來大風天氣持續(xù)最長、風切變一天內(nèi)最多的一次天氣過程。從表1中可以看出，29日5次低空風切變有3個顯著特征：①出現(xiàn)時間集中，持續(xù)時間長。11：00—14:00的3 h內(nèi)共有10架次航班進近著陸，50%的航班遭遇低空風切變，可見29日的風切變天氣并非偶發(fā)，是天氣系統(tǒng)導致的系統(tǒng)性風切變天氣過程；②出現(xiàn)高度低。5次風切變均出現(xiàn)在低空150 m及以下，特別是13:01發(fā)生的風切變，出現(xiàn)在離地20 m的高度，飛機還有4 s左右時間即將著陸，此時出現(xiàn)風切變非常危險，如果飛行員沒有采取果斷措施立即復飛，可能出現(xiàn)重著陸或偏離跑道著陸等事故；③切變強度大。備降的4架航班中第1架復飛2次進近后仍遭遇風切變，其他3架第1次遭遇風切變后均未嘗試2次進近，飛行員均表示風切變強度大，待天氣穩(wěn)定后再返航麗江。為此麗江機場后續(xù)航班大量延誤，給機場地面服務保障帶來很大壓力。在此次氣象保障過程中，氣象臺預報員結(jié)合當天天氣形勢及激光雷達資料，及時提醒航行管制員向機組通報低空風場變化情況，注意亂流天氣下的飛機操縱，做好復飛準備，確保航空安全。

表1 麗江機場2020年3月29日低空風切變統(tǒng)計

3 成因分析

3.1 天氣背景分析

根據(jù)3月29日08:00的天氣背景(圖1)可以看出，青藏高原上有一高壓生成，新疆至河套地區(qū)有一高壓脊，麗江機場(26.68°N、100.25°E)處于高壓脊南側(cè)，受偏西氣流控制。高壓脊東側(cè)東北氣流與長江流域以南的西南急流形成深厚切變，高緯度地區(qū)冷空氣向南輸送，與西南水汽匯合。長江流域及其以南大部分地區(qū)為陰雨天氣，但云南由于地形因素，冷空氣從東北方向擴散停滯在滇東北地區(qū)，云南大部處于青藏高原東側(cè)地面低壓內(nèi)。麗江機場下午氣壓持續(xù)下降，地面低壓不斷加強，氣壓梯度大導致地面風速加大[12]。麗江機場處于負變壓中心，變壓風輻合容易出現(xiàn)低空風切變。另外29日麗江天氣晴好，午后氣溫迅速升高，最大達到27.3 ℃，是近15年麗江機場3月氣溫最高值，地面升溫氣流擾動加強[13]，熱力湍流有利于低層風切變的發(fā)生。

圖1 2020年3月29日08:00天氣背景：(a)700 hPa位勢高度場和流線、(b)地面氣壓場和中國區(qū)域02:00—08:00降水量 (圖a中等值線為位勢高度，單位：dagpm；藍線為流線；圖b中等值線為修正海平面氣壓，單位：hPa；陰影為降水量)

3.2 物理量場分析

在3月29日日平均風場和日平均散度場(圖2)上，300 hPa和700 hPa麗江上空均處于西風急流帶內(nèi)，平均風速分別為46 m/s和12 m/s，受高低空急流影響。300 hPa上麗江處于散度負值區(qū)，700 hPa上處于散度正值區(qū)，高層輻合、低層輻散，形成向下的垂直環(huán)流，為動量下傳提供了動力條件[14]。圖3為29日麗江地區(qū)日平均垂直速度沿26.68°N垂直剖面，在麗江機場上空600～300 hPa高度范圍有較大的正垂直速度，最大值出現(xiàn)在500 hPa高度，表明在此范圍高度上有氣流強烈的向下輸送，高空動量下傳使低層風速加大[15]，近地面層風向風速切變加強。

圖2 2020年3月29日300 hPa(a)和700 hPa(b)日平均風場和日平均散度場(陰影)

圖3 2020年3月29日日平均垂直速度沿26.68°N垂直剖面

通過以上分析可以看出，2020年3月29日麗江機場的低空風切變天氣過程，主要是受地面變壓風輻合、地面增溫湍流加強以及高層輻合、低層輻散，形成向下的垂直環(huán)流使動量下傳等因素共同影響而形成的。

4 地面風場變化特征分析

2020年3月29日麗江機場天氣晴好，無云，09:00前地面風場為穩(wěn)定的東北風，10 min平均風向40°，平均風速2 m/s。根據(jù)麗江機場VAISALA自動觀測場測風數(shù)據(jù)(圖4)，09:00后機場跑道北端(R20)、中間端(MID)及南端(R02)地面10 min平均風向均轉(zhuǎn)為南偏西風200°左右，平均風速也隨著風向的轉(zhuǎn)變增加到5～8 m/s；11:00—12:00，風場突然劇烈變化，跑道3個測風點風向風速出現(xiàn)差異，地面風向在南風與西風之間反復變化，最大變化120°，并且北端(R20)較南端(R02)和中間端(MID)變化慢一些，也就是說風場反復變化是從南面開始，跑道兩側(cè)有風向強烈切變；12:00—14：40時間段內(nèi)，跑道3端風向穩(wěn)定在偏西風240°～280°之間，但風速差異較大，最大時刻南北兩端平均風速相差9 m/s，但總體是隨時間增大的趨勢。其間南側(cè)(R02)明顯風速最大，平均風速在9～14 m/s之間波動，中間端(MID)風速居中，在7～11 m/s之間波動，而北側(cè)(R20)風速最小，平均風速在4～9 m/s之間波動，此時間段內(nèi)南北兩端有明顯的風速切變，動量從南向北傳遞。14:40—17:00，3端風速差異減小，10 min平均風速均維持在11 m/s上下，地面大風天氣主要出現(xiàn)在此時間段。由此可以分析出，29日麗江機場11:00—12:00是地面風場由偏南風轉(zhuǎn)為偏西風的過程，地面風場風向紊亂，跑道兩端風向切變明顯，12:00—14:40地面風速由南向北增大，跑道兩端出現(xiàn)風速切變，14:40—17:00風向穩(wěn)定為偏西風，風速維持大值，是地面大風天氣出現(xiàn)的主要時段。

圖4 麗江機場2020年3月29日VASALA自動觀測站10 min平均風向變化(a)、10 min平均風速變化(b) (圖a、b中藍色實線為跑道北端，橙色實線為跑道中端，灰色為跑道南端)

5 激光測風雷達特征分析

5.1 環(huán)境風場特征分析

根據(jù)麗江機場激光測風雷達3月29日風廓線模式資料(圖5)可以看到，10:20—14:20期間麗江機場3000 m以下風場紊亂，風切變主要發(fā)生在此時段。其中12:18前高層風速較大且穩(wěn)定為西北風，低層1000 m以下風向不規(guī)則變化，風速總體偏小。12:18—14:20期間高層風向風速變化大，低層1000 m以下風向為較穩(wěn)定的偏西風，但風速變化大。14:20后麗江機場高低空風向穩(wěn)定為偏西風，整層風速較大，是地面大風天氣出現(xiàn)的主要時段。

圖5 麗江機場激光測風雷達3月29日09:36:31—15:14:16風廓線

根據(jù)PPI水平掃描模式的6°仰角資料(圖6)可以看到， 在整個風切變出現(xiàn)階段環(huán)境風場與地面風場變化基本吻合，主要有以下3個特征：①300 m以下風場主體從偏南風向偏西風轉(zhuǎn)變：11:00前低空風場以穩(wěn)定的偏南風為主，11:25時機場西側(cè)和南側(cè)水平距離4000～6000 m(距地面高度200～300 m)處有明顯的西風分量入侵，最大風速為32 m/s，打破穩(wěn)定的偏南風流場，此后偏西風和西北風逐漸向北入侵，與其他方位風向形成強烈切變，導致低層風場紊亂。12:20后低層風場基本轉(zhuǎn)為偏西風為主；②300 m以下風場風速切變較大：12:20—14:20期間，風向整層穩(wěn)定為偏西風，但風速隨時間由西向東、由高空向地面逐漸增大，即近地面風速小，高空及進近區(qū)域西側(cè)風速大，導致機場20號跑道進近區(qū)域0°～45°區(qū)間有明顯的風速切變。14:20后機場地面風速加大，地面大風天氣開始；③低層風場受山谷地形影響有明顯的繞流現(xiàn)象，西風氣流受東側(cè)山脈阻擋風速顯著減小，出現(xiàn)風速輻合，流場沿山向南北兩側(cè)分流，在南北分別形成東北風與偏西風、東南風與偏西風的風向切變，是導致低空風切變的重要影響因素。

圖6 麗江機場激光測風雷達3月29日PPI水平掃描模式6°仰角風場 (圖中風羽為沿6°仰角進行圓周掃描得到的錐面上的水平風場；紅色實線是雷達正在掃描的角度； 中心粗黑實線為機場跑道；跑道北側(cè)方框為飛機20號進近區(qū)域，跑道南側(cè)方框為飛機20號起飛區(qū)域)

5.2 風切變特征分析

2020年3月29日麗江機場5次低空風切變事件中，有2次出現(xiàn)在11:00—12:20風向轉(zhuǎn)變期間，有3次出現(xiàn)在12:20—14:20風速逐漸增大期間。圖7為其中3次典型風切變事件出現(xiàn)時激光測風雷達下滑道模式資料。其中風切變指數(shù)是按照民航局對風切變強度的定義，軟件自動計算所得，小于0.07 s-1為輕度、0.08～0.13 s-1為中度、0.14～0.19 s-1為強烈、大于0.2 s-1為嚴重。

圖7 麗江機場激光測風雷達3月29日下滑道模式資料：(a)11:18:54側(cè)風風速分量、(b)11:18:54迎頭風風速分量、 (c)11:18:54側(cè)風切變指數(shù)、(d)11:18:54迎頭風切變指數(shù)、(e)13:50:37側(cè)風風速分量、(f)13:50:37迎頭風風速分量、 (g)13:50:37側(cè)風切變指數(shù)、(h)13:50:37迎頭風切變指數(shù) (圖a、b、e、f中間黑線為飛機進近著陸航線；圖a、e負值代表西側(cè)風，正值代表東側(cè)風;圖b、f正值代表逆風，負值代表順風)

具體風切變的特征如下：

(1)11:18出現(xiàn)的風切變報告離地高度在150 m左右，此時激光雷達正在進行下滑道模式掃描，可以較好地反映出風切變情況。圖7a可以看到，下滑道方向上水平距離3300 m、對應離地高度160 m處有明顯側(cè)風風向切變，航空器進近過程中在此高度附近從強東側(cè)風轉(zhuǎn)為西側(cè)風。從圖7c側(cè)風切變指數(shù)看到水平距離3000～3500 m有中度側(cè)風切變，此次風切變?yōu)轱L向切變。

(2)13:47和13:52出現(xiàn)的風切變報告離地高度均在50 m左右，因兩次報告時間和高度相近，我們采用13:50:37的下滑道模式資料圖。從圖7e可以看到，下滑道方向上一直為強東側(cè)風，在水平距離1000 m、對應離地高度50 m以下，側(cè)風風速突然顯著減小。從圖8g看到水平距離1000 m、離地高度50 m，風切變指數(shù)0.113 s-1。這兩次風切變?yōu)轱L速切變。

6 結(jié)論

通過分析2020年3月29日天氣背景和激光測風雷達資料，得出麗江機場此次低空風切變過程特征如下：

(1)2020年3月29日麗江機場高空有西風急流，地面為低壓區(qū)控制，處于負變壓中心，天氣晴朗，午后增溫快。垂直方向上高層輻合、低層輻散，500 hPa為垂直負速度大值中心。低空風切變主要是受地面變壓風輻合、地面增溫湍流加強以及高層輻合低層輻散形成向下的垂直環(huán)流使動量下傳等因素共同影響而形成的。

(2)風切變發(fā)生期間低空環(huán)境風場與地面風場變化基本吻合。11:00—12:20時段300 m以下風場主體從偏南風向偏西風轉(zhuǎn)變，風向紊亂；12:20后低層風場基本轉(zhuǎn)為偏西風為主，但風速隨時間由西向東、由高空向地面逐漸增大，使20號跑道進近區(qū)域有明顯的風速切變；14:20后高低空風向穩(wěn)定在偏西風，整層風速較大，是地面大風天氣出現(xiàn)的主要時段。

(3)3月29日5次晴空低空風切變事件中，有2次出現(xiàn)在11:00—12:20風向轉(zhuǎn)變期間，屬于側(cè)風風向切變，有3次出現(xiàn)在12:20—14:20風速逐漸增大期間，屬于風速切變。風切變指數(shù)均大于0.1 s-1，切變強度為中度及以上，嚴重影響飛行安全。