風(fēng)廓線儀在低空風(fēng)切變探測(cè)中的應(yīng)用初探-紀(jì)鵬飛

1、風(fēng)廓線儀在低空風(fēng)切變探測(cè)中的應(yīng)用初探紀(jì)鵬飛 丁艷麗 石步鳩民航華北空管局氣象中心 北京市 100621摘要：低空風(fēng)切變是航空器起飛、著陸階段威脅飛行安全的危險(xiǎn)因素。本文根據(jù)首都機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線探測(cè)資料，按照雷雨型、鋒面型、逆溫型、低空急流型和其他型，對(duì)產(chǎn)生的低空風(fēng)切變過(guò)程進(jìn)行了分類和統(tǒng)計(jì)；并利用風(fēng)廓線探測(cè)資料，個(gè)例分析了幾種產(chǎn)生低空風(fēng)切變的風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn)。關(guān)鍵詞： 風(fēng)廓線 低空風(fēng)切變 探測(cè)1 引言低空風(fēng)切變屬于微尺度天氣現(xiàn)象，存在時(shí)間一般僅在幾分鐘到幾小時(shí)，范圍也僅是幾米到幾公里，同時(shí)，危及飛行安全的低空風(fēng)切變還具有強(qiáng)度大的特點(diǎn)，這隨之帶來(lái)了探測(cè)難、預(yù)報(bào)難、航管難、飛行難等一系列困難，是一個(gè)不易解決的航空

2、氣象難題。2 低空風(fēng)切變的探測(cè)設(shè)施目前，國(guó)內(nèi)外研究低空風(fēng)切變多是利用氣象鐵塔的觀測(cè)資料進(jìn)行的，近些年來(lái)，隨著風(fēng)廓線儀和多普勒天氣雷達(dá)等技術(shù)設(shè)備的日趨成熟，應(yīng)用這些設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行低空風(fēng)切變研究也逐漸興起。對(duì)于機(jī)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，其進(jìn)近區(qū)域內(nèi)不可能建設(shè)過(guò)高的設(shè)施和建筑，因此安裝風(fēng)廓線儀和多普勒天氣雷達(dá)更符合機(jī)場(chǎng)探測(cè)低空風(fēng)切變的要求。本文就首都機(jī)場(chǎng)新近安裝的風(fēng)廓線儀在低空風(fēng)切變探測(cè)中的作用進(jìn)行了探討。北京首都機(jī)場(chǎng)于2007年5月安裝了芬蘭維薩拉公司生產(chǎn)的LAP-3000型號(hào)風(fēng)廓線儀系統(tǒng)，安裝于兩條舊跑道的中間，用于探測(cè)地面以上3公里或更高高度的地球大氣數(shù)據(jù)。該風(fēng)廓線儀技術(shù)是由美國(guó)海洋大氣管理署，即NOAA

3、開發(fā)并授權(quán)維薩拉公司和Sonoma科技有限公司將其商業(yè)化。通過(guò)維薩拉公司和NOAA的進(jìn)一步合作開發(fā)和精益求精，使風(fēng)廓線儀成為產(chǎn)品。LAP-3000型號(hào)風(fēng)廓線儀可以提供連續(xù)的邊界層大氣數(shù)據(jù)，并生成風(fēng)場(chǎng)的廓線圖，具有較高的時(shí)間和空間分辨率：全新數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率最短可以是4.5分鐘，空間分辨率是低模式60米，高模式100米，能夠探測(cè)的最低高度依賴于設(shè)備的設(shè)置，通常設(shè)置為130米左右。這樣的大氣數(shù)據(jù)能夠清晰地反映出邊界層大氣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及變化規(guī)律，對(duì)進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)，以及進(jìn)行理論研究來(lái)說(shuō)都是不可多得的寶貴資料。3 低空風(fēng)切變的定義風(fēng)切變是風(fēng)速和風(fēng)向的變化率，它對(duì)飛行的影響可以從很小到極端危險(xiǎn)，按空間結(jié)構(gòu)

4、可以分為：垂直風(fēng)切變，水平風(fēng)切變，上升氣流、下沉氣流或垂直陣風(fēng)切變。在國(guó)際上，普遍認(rèn)為高度在2000英尺（約609米）以下的風(fēng)切變對(duì)飛行來(lái)說(shuō)是最危險(xiǎn)的，稱之為低空風(fēng)切變。按照Binbin Zhou1對(duì)低空風(fēng)切變和強(qiáng)低空風(fēng)切變的定義標(biāo)準(zhǔn)，低空風(fēng)切變?yōu)榈孛婧?000英尺（約609米）高度間的風(fēng)矢量差異。強(qiáng)低空風(fēng)切變?yōu)榈涂诊L(fēng)切變大于20節(jié)/2000英尺（約10.3米/秒/609米），或2000英尺高度意下任意厚度為200英尺的氣層中，如果存在低空風(fēng)切變大于20節(jié)/200英尺（約10.3米/秒/61米）。在本文中我們將上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了擴(kuò)大：在609米高度以下任意高度間的風(fēng)矢量差異>10.3米/秒，

5、就認(rèn)為達(dá)到了強(qiáng)低空風(fēng)切變的標(biāo)準(zhǔn)；并認(rèn)為10.3米/秒>風(fēng)矢量差異>7米/秒為較強(qiáng)低空風(fēng)切變的標(biāo)準(zhǔn)。4 使用風(fēng)廓線儀探測(cè)到的首都機(jī)場(chǎng)低空風(fēng)切變統(tǒng)計(jì)我們對(duì)2007年5月風(fēng)廓線儀雷達(dá)投入運(yùn)營(yíng)開始，到12月間的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)達(dá)到強(qiáng)低空風(fēng)切變標(biāo)準(zhǔn)或較強(qiáng)低空風(fēng)切變標(biāo)準(zhǔn)的低空風(fēng)切變過(guò)程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。按類型統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如下，其它類型是指低層出現(xiàn)較強(qiáng)的西北風(fēng)時(shí)伴隨的低空風(fēng)切變，如下表：表1 首都機(jī)場(chǎng)2007年使用風(fēng)廓線儀探測(cè)的低空風(fēng)切變類型統(tǒng)計(jì)雷暴型鋒面型逆溫型低空急流型其它221104表1表明：在首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)，由超低空急流引起的低空風(fēng)切變數(shù)量最多，基本上占到總數(shù)的一半；其它類型的低空風(fēng)切變次之

6、，占到了總數(shù)的21.1%；雷暴型、鋒面型的低空風(fēng)切變數(shù)量較少，但是強(qiáng)度相對(duì)更強(qiáng)；逆溫型最少，強(qiáng)度相對(duì)較弱。因?yàn)槭占降娘L(fēng)廓線儀資料的時(shí)間為5月下旬到12月底，因此無(wú)法統(tǒng)計(jì)其季節(jié)規(guī)律，大致上以夏季最多。按時(shí)段統(tǒng)計(jì)，日變化規(guī)律見下表：表2 首都機(jī)場(chǎng)2007年使用風(fēng)廓線儀探測(cè)的低空風(fēng)切變，按時(shí)段統(tǒng)計(jì)時(shí)段08-1111-1414-1717-2020-2323-0202-0505-08次數(shù)96523448從表2中可以看到，在一天當(dāng)中，風(fēng)切變出現(xiàn)最多的時(shí)段分布在0511時(shí)之間，即凌晨到上午的時(shí)段內(nèi)；傍晚前后較少。5 風(fēng)廓線儀在低空風(fēng)切變探測(cè)中的作用能夠?qū)︼w機(jī)起飛和著陸產(chǎn)生較大影響的低空風(fēng)切變的天氣系統(tǒng)是雷

7、暴、鋒面和低空急流。此外，低空逆溫也可以產(chǎn)生較強(qiáng)的風(fēng)切變。因而根據(jù)低空風(fēng)切變出現(xiàn)的不同天氣背景可以分為雷暴、鋒面、逆溫和低空急流型。下面就風(fēng)廓線儀在四種不同風(fēng)切變類型中的表現(xiàn)探討其在低空風(fēng)切變中的作用。使用的資料為風(fēng)廓線儀低模式數(shù)據(jù)。5.1 雷暴型圖1 雷暴中的強(qiáng)風(fēng)切變示意圖主要指雷暴前沿的冷性外流及雷暴云中的垂直氣流所形成的強(qiáng)風(fēng)切變，如圖1所示。冷性外流也即雷暴來(lái)臨前最初的陣風(fēng)，陣風(fēng)的前緣稱之為陣風(fēng)鋒，據(jù)統(tǒng)計(jì)表明大多數(shù)風(fēng)切變事故都發(fā)生在陣風(fēng)鋒到其后的150英尺范圍內(nèi)。雷暴云中的垂直氣流也即下?lián)舯┝?，是由雷暴產(chǎn)生的極端強(qiáng)烈的局地下沉氣流，很多時(shí)候其強(qiáng)度足以超過(guò)飛機(jī)的爬升能力。2007年6月27

8、日，首都機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)了一次雷雨天氣過(guò)程，伴有雷暴、大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象，雷雨存在的時(shí)間段為14:1215:05（北京時(shí)，下同），在這一過(guò)程中風(fēng)廓線儀探測(cè)的垂直風(fēng)場(chǎng)如圖2所示，起止時(shí)間分別是11:40和16:40。圖2 2007年6月27日首都機(jī)場(chǎng)雷雨過(guò)程前后風(fēng)廓線儀探測(cè)的垂直風(fēng)場(chǎng)從圖2中我們可以清楚地發(fā)現(xiàn)，在首都機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)雷雨的1個(gè)小時(shí)前，其冷性外流就已開始影響機(jī)場(chǎng)跑道和進(jìn)近、起飛區(qū)域，在冷性外流最初的1個(gè)小時(shí)內(nèi)存在明顯的低空風(fēng)切變。表3 2007年6月27日低空各層風(fēng)廓線儀數(shù)據(jù)timeheightWSWDuvw13:12:511301.30232.5010.8-0.313:12:511901.10

9、184.500.11.1-0.413:12:512505.20222.203.53.8-0.713:12:513103.70155.10-1.63.4-0.613:12:513716.60187.400.96.6-1.313:12:514315.50110.20-5.21.9-0.913:12:5149121.10208.6010.118.5-113:12:5155119.10206.208.517.2-0.313:12:5161219.70210.009.917-0.4在表3中431米到491米的高度層中僅風(fēng)速的變化就已經(jīng)達(dá)到了15.6米/秒，滿足強(qiáng)低空風(fēng)切變的標(biāo)準(zhǔn)。表4 2007年6月27

10、日13:3315:04低空各層風(fēng)廓線儀的垂直速度數(shù)據(jù) 時(shí)間高度（米）13:3413:5014:0014:1614:2614:4314:5315:04130-7.5-7.9-7.2-6.9-6.9-7-7.1-6.7190-8-7.9-7.5-7-7.1-7.1-7.2-6.7250-8-7.8-7.6-7.1-7-7.1-7.2-6.7310-8.1-7.8-7.5-7.2-7.2-7.2-7.2-6.4371-7.7-7.8-7.5-7.3-7.3-7.3-7.3-6.7431-7.9-7.7-7.4-7.4-7.3-7.4-7.4-6.1491-7.5-7.8-7.4-7.4-7.4-7.

11、5-7.4-6.3551-8.8-8-7.4-7.4-7.4-7.5-7.5-6.7612-8.6-8.2-7.5-7.5-7.4-7.4-7.5-6.6在圖4所示的時(shí)段內(nèi)，下?lián)舯┝鞯拇怪憋L(fēng)速均在6米/秒以上，飛機(jī)突然進(jìn)入這種低空區(qū)域時(shí)，根據(jù)計(jì)算升力至少會(huì)減少80%，高度會(huì)降的非常迅速，處于非常危險(xiǎn)的情形當(dāng)中。5.2 鋒面型指伴隨著鋒面天氣系統(tǒng)出現(xiàn)的低空風(fēng)切變，其中對(duì)飛行危害較大的是冷鋒型低空風(fēng)切變2。圖3是2007年12月28日一次首都機(jī)場(chǎng)冷鋒過(guò)境時(shí)風(fēng)廓線儀探測(cè)的垂直風(fēng)場(chǎng)。從中我們可以看到冷空氣主要集中在2500米以下，冷鋒前傾，地面鋒線過(guò)境時(shí)間大約在07:1507:30間，鋒面過(guò)境后，低層

12、存在明顯的水平風(fēng)切變和垂直風(fēng)切變。圖3 2007年12月28日首都機(jī)場(chǎng)冷鋒過(guò)境時(shí)風(fēng)廓線儀探測(cè)的垂直風(fēng)場(chǎng)表5 2007年12月28日首都機(jī)場(chǎng)7:30:21、8:00:21兩個(gè)時(shí)刻的低層風(fēng)廓線儀探測(cè)的風(fēng)速數(shù)據(jù) 高度（米）時(shí)間1301902503103714314915516127:30:212.103.604.205.907.307.107.109.009.208:00:214.009.6012.6014.4015.0016.6018.0018.4019.50在表5中，鋒面過(guò)境以后，風(fēng)速存在一個(gè)迅速由小轉(zhuǎn)大的過(guò)程，在三維風(fēng)場(chǎng)中應(yīng)該表現(xiàn)為明顯的水平風(fēng)切變，從250米到612米高度上，水平風(fēng)切變的數(shù)值

13、都在8米/秒以上； 130米高度與551米和612米高度上的風(fēng)速差分別為14.4米/秒和15.5米/秒，遠(yuǎn)大于10.3米/秒，存在強(qiáng)低空風(fēng)切變。5.3 低空急流型指伴隨著低空急流出現(xiàn)的低空風(fēng)切變。低空急流的形成原因有多種：可以由天氣形勢(shì)引起，可以由逆溫引起（即逆溫型風(fēng)切變），也可以由地形引起。圖4是首都機(jī)場(chǎng)一次由天氣形勢(shì)引起的低空急流和超低空急流的風(fēng)廓線儀探測(cè)風(fēng)場(chǎng)。從圖中可以明顯地看到：800米以下至200米附近存在著超低空急流。這一天首都機(jī)場(chǎng)從08:36到第二天的凌晨04:42總降水量達(dá)29.4mm，達(dá)到了大雨的等級(jí)。圖4 2007年5月22日首都機(jī)場(chǎng)探測(cè)的低空急流和超低空急流的風(fēng)場(chǎng)表6 首

14、都機(jī)場(chǎng)2007年5月22日15:45風(fēng)廓線儀探測(cè)的低層風(fēng)數(shù)據(jù)。timeheightWSWDuvw15:45:151305.9025.30-2.5-5.4-4.815:45:151906.4036.30-3.8-5.2-515:45:152507.6050.90-5.9-4.8-4.815:45:153109.3067.80-8.6-3.5-4.715:45:1537111.0076.90-10.7-2.5-4.615:45:1543112.3086.50-12.3-0.7-4.715:45:1549113.4090.80-13.40.2-4.615:45:1555113.1094.70-131

15、.1-4.615:45:1561212.0097.20-11.91.5-4.715:45:1567211.0097.30-10.91.4-4.815:45:157329.9094.80-9.90.8-4.915:45:157928.7089.50-8.7-0.1-5.115:45:158537.6083.80-7.6-0.8-5.115:45:159136.8081.70-6.7-1-5.315:45:159735.9093.40-5.90.3-5.4從表6中我們可以看到超低空急流的急流中心在491米到551米高度上，中心風(fēng)速超過(guò)13米/秒，與最低層風(fēng)的切變風(fēng)矢的速度為12.25米/秒，也達(dá)到了強(qiáng)風(fēng)切變的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還伴有較強(qiáng)的下沉氣流，下沉速度達(dá)到了5米/秒左右，兩方面共同作用，對(duì)飛行中的飛機(jī)的影響更強(qiáng)。6 小結(jié)低空風(fēng)切變是因?yàn)槠涑叨刃?、存在時(shí)間短等特點(diǎn)，不可能在常規(guī)天氣圖上捕捉到，因此如何探測(cè)低空風(fēng)切變并做好臨近預(yù)警工作是現(xiàn)在可行的途徑。從以上分析中我們可以看到，風(fēng)廓線儀可以很好地探測(cè)到低空風(fēng)切變的存在，并可以根據(jù)其實(shí)時(shí)輸出的數(shù)據(jù)計(jì)算低空風(fēng)切變的強(qiáng)度，并在一定程度上彌補(bǔ)了機(jī)場(chǎng)探空數(shù)據(jù)的不足。但是，風(fēng)廓線儀也有局限的方面：因?yàn)轱L(fēng)廓線儀是無(wú)線電遙測(cè)設(shè)備，容易受到其它無(wú)線電信號(hào)的干擾；因?yàn)轱L(fēng)廓線儀探測(cè)的是單點(diǎn)上空垂直的風(fēng)場(chǎng)，只能近似反應(yīng)機(jī)場(chǎng)周圍