基于航空器实例对一个颠簸物理量场特征模型验证和分析

王宇亮+靳英燕+李红梅+高洁+巩敏莹

【摘 要】在分析西北地区中部航空器飞行实例的大尺度环流背景基础上，对一个颠簸物理量场特征模型的适用性进行了研究验证和分析，结果表明，飞机顛簸产生在气压梯度相对较大且存在气旋性切变的环境中，颠簸区恰是正负垂直速度的转换区，梯度密集区吻合飞机实际发生颠簸的区域，也即垂直P速度由均匀场变换为非均匀场，与共性特征研究结果一致。颠簸出现在冷性和暖性平流交汇且靠近暖性平流侧。不稳定的冷暖平流垂直配置及正涡度平流输送造成局地性涡度增加，使上升运动加强，局部垂直环流发展，加剧颠簸程度。飞机发生颠簸的区域出现流场的间断线，同时间断线处上升气流与下沉气流共存是造成飞机难以操控的主要原因。流线分布状况的辨析为飞机颠簸的分析和预警服务带来新思路。

【关键词】飞机颠簸；物理量场；动力学共性；特征模型

中图分类号： P458.3 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）23-0094-003

【Abstract】Based on the analysis of the large-scale circulation background of the aircraft flight in the northwest China，the applicability of a bumpy physical field model is verified and analyzed.The results show that the airplane turbulence is caused by the relatively large gas pressure gradient and the existence of cyclone In the environment of the shear zone， the bump area is the positive and negative vertical velocity conversion area.The gradient-intensive area coincides with the actual bumpy area of the aircraft，that is，the vertical P velocity is changed from the uniform field to the nonuniform field， which is consistent with the common characteristic The The bumps appear in the confluence of cold and warm advection and close to the warm advection side.Unstable vertical and horizontal advection and positive vorticity caused by the increase of local vorticity，so that the ascending movement to strengthen the local vertical circulation development，aggravate the degree of bumps.Aircraft in the bumpy area of the flow field of the intermittent line，at the same time between the rising air flow and subsidence flow coexistence is difficult to control the main reason for the aircraft.The analysis of the distribution of the streamlines brings new ideas for the analysis and early warning services of aircraft bumps.

【Key words】Aircraft bumps；Physical field；Dynamic commonness；Characteristic model

0 引言

飞机在短时间内忽而上升、忽而下落，以及摇晃、摆头、局部抖动的现象称为飞机颠簸。强烈颠簸严重影响飞行活动，它使飞机操纵困难，乘员疲劳，严重时甚至会使飞机结构因承受过大的应力而损坏，造成失事[1]。飞机颠簸的产生在各个高度上的机理都不近相同。对于飞机颠簸的研究，我国工作者已经做了不少基础性研究。徐海等[2]对成都至拉萨航线严重颠簸进行分析，指出高原南侧副热带西风急流增强是造成此次颠簸主因；吕艳彬等[3]研究指出低空急流和垂直风切变易造成颠簸，并提出用小球测风资料可有效短时预报飞行颠簸；高洁等[4]对兰州区域飞机颠簸事件分析，发现急流轴左下方垂直顺风切变导致飞机升力突然减小，暖性平流使颠簸加剧；巩敏莹等[5]对中等强度及以上的颠簸进行研究，发现其具有水平散度、垂直速度、涡度梯度大的动力学共性特征模型。

对于飞机颠簸的有效持续监测目前较为困难，主要是话音方式的航空器空中报告和机载设备记录。本文利用高空资料对西北辖区中部一次多架航班遭遇飞机颠簸的天气过程进行分析探究，一方面通过物理量场的诊断分析对中等强度及以上颠簸具有的动力学共性特征模型进行适用性研究，另一方面通过验证和讨论，寻找航路颠簸预警分析新方法和指标，以期提高颠簸的预报准确度和真情服务质量。

1 西北辖区中部飞行实例概况

2010年7月23日国航CA1776航班机组报告：04：38时（世界协调时，下同）从银川飞至西安，在H58航线庆阳方向（约N35°48′，E107°36′）遭遇严重颠簸，3600米的高度飞行员操纵困难、飞行高度难以保持。后相继有多架航班反映庆阳方向此高度遇到中等强度或严重飞机颠簸。endprint

2 飞机颠簸发生的大尺度高空环流背景分析

23日00时500hPa（图略）东亚地区维持两槽一脊背景场，巴湖和我国东北为低压槽控制，其两个低压冷槽之间的高压脊伸至贝湖附近，西太平洋副热带高压位于华东地区，蒙古至河套北部为高压控制，银川至西安正处在两个高压之间的相对低压环流区，存在弱气旋性切变。700hPa蒙古国中东部至河套北部仍为高压环流控制，青藏高原维持低压环流，银川至西安为等压线相对密集带，且风速银川方向较西安方向大。由此可见，此次飞机颠簸产生在气压梯度相对较大且存在弱气旋性切变的环境场中。

3 物理量场动力学共性特征模型的验证和讨论

巩敏莹[5]通过研究垂直速度场、涡度场、散度场这些表征大气运动的基本动力学物理量场，发现在从正垂直速度、正散度、正涡度区过渡到负垂直速度、负散度、负涡度区时或者相反，由于大气的运动方式和方向在前后发生截然不同的情形，是容易造成湍流运动发展的区域，尤其是强烈的正负物理量场过渡区更易造成较强的飞机颠簸产生。本文前述对颠簸发生的大尺度环流背景场进行分析描述，再运用气象学要素场，对描述支配的天气系统的动力过程进行物理量诊断验证和再分析，进而定性地了解物理量对颠簸产生的相对作用。

3.1 垂直速度

大气垂直上下运动是天气分析中经常考虑的一个重要物理量。垂直运动造成的热量、涡度、动量、水汽等垂直输送对天气系统的发展演变有很大影响[6]。分析7月23日00时垂直P速度沿107°E垂直剖面（图1a）可以看到，在41°N上空为正值的大值区，最大正值出现在4000米高度，约为4.12×10-3hPa/s。小值区的两个中心分别位于33°N上空和21°N上空，位于33°N上空最小值出现在7500米高度，約为-2.66×10-3hPa/s。从39°N到34°N之间为正垂直速度大值区向负垂直速度大值区转换，等值线由相对稀疏变化为相对密集，也即垂直P速度由均匀场变换为非均匀场，这说明气流运动在37-35°N之间较为强烈，正是飞机发生颠簸的区域段。

进一步分析此处的风速大小（图1b），可以看到3600米高度37°N风速值约为8.89 m/s，36°N风速值约为4.07 m/s，均未达到急流的标准，说明此次飞机颠簸并不是由于低空急流所引起的。

3.2 温度平流

随着空气流动，大气各物理的属性（或物理的量）都要作水平性输送。平流是描述物理属性输送强度的物理量，因而平流是对于物理属性（或物理量）的再分布，对天气变化起着决定性的作用[6]。分析700hPa温度平流（图2a）可以看到，河套西部为较强冷平流区，中心最大值约为-10.59×10-5C/s，一般来说，飞机颠簸往往与较强的冷平流相联系[7]，银川此时正处在较强冷平流区，庆阳位于冷暖平流交汇区靠近暖平流区一侧[8]，同时平流梯度十分明显，由此可知，颠簸区处在平流大梯度带上。

温度平流梯度密集区会激发空气的上升或下沉运动，引起垂直方向环流切变并产生绕水平方向旋转的湍流涡旋，温度水平分布形式值越大，对垂直运动的激发就越强烈[4]。进一步分析温度平流垂直分布（图2b），在36°N以北是较强冷性平流区，以南是暖性平流，同时在发生飞机颠簸的区域低层为暖平流，这种不稳定的环流配置使得局部垂直环流得以发展，加剧了航路上的飞机颠簸。

3.3 散度和涡度平流

散度表明大气运动单位体积的变形率，是衡量速度场辐合、辐散强弱程度的物理量[6]。由图3a可知，38-36°N上空3600米以下为正散度，以上为负散度，36-34°N上空3600米附近均为负散度大值区，这与34°N以南陕西南部的降水有一定关系，使得斜压性增强，有利于天气系统的发展。飞机飞越36°N附近时遇到气流由辐散下沉变化为辐合上升，使得飞行员突然操纵困难，难以调整。分析涡度平流垂直剖面（图3b）看到，36°N附近3600米以下的正涡度平流造成局地涡度增加，使上升运动得以加强，飞机高度难以保持。

4 飞机颠簸发生的流场分析

流线表示线型和风矢量相切，等风速线是风速相等的各点的连线。流线可以起止于风向有急剧变化之处。流线的稀疏表示风速的大小，风速大处流线密集，相反则较稀[6]。通过对流线风场中风向风速的细微变化捕捉，进一步研究航路颠簸预报效益。

对7月23日700hPa流场水平分布（图4a）进行分析发现，银川至西安航线处在气旋性流入的东北边缘，并且为流线的相对密集区，有汇合渐近线，说明此处风速较周围区域大。同时，可以看到在银川至西安航线中间偏东北位置，出现流线的奇异线——间断线，这说明在此处间断线两侧，风向是不一样的。

为了进一步研究此处间断线两侧风向的变化情况，作沿37-35°N每间隔1°的流线垂直剖面图。对比图4（b，c，d）三张图可以看出，在37°N 107°E附近3600米高度为较一致的下沉气流，在36°N 107°E附近3600米高度处于下沉气流与上升气流共存，而到35°N 107°E附近这一变化更为明显，飞机飞行高度正处在上升气流与下沉气流的交汇处，并且为离散渐近线，由此可知飞机在从银川起飞时并无机组报告遇有飞机颠簸，而到庆阳（约N35°48′，E107°36′）附近时有多个机组报告遇有中度或严重飞机颠簸，正是遇到气旋式切变，加之垂直气流在此处为离散场，易于乱流发生发展，飞机穿越时出现明显的颠簸。

5 结论验证与分析

5.1 巩敏莹等提出的颠簸物理量场动力学共性特征在此次实际飞行中，通过分析可以看到多有表现：首先，此次飞机的颠簸并不是由低空急流所引起的，飞机遭遇颠簸的区域恰是正负垂直速度的转换区，垂直运动梯度密集区吻合飞机实际发生颠簸的区域，也即垂直P速度由均匀场变换为非均匀场。其次，飞机颠簸出现正负平流过渡带的梯度密集区，与共性特征研究结果一致。进一步分析发现其出现在冷暖平流交汇区靠近暖平流区一侧，不稳定的冷暖平流垂直配置，以及正涡度平流造成局地涡度增加，使上升运动加强，局部垂直环流得以发展，加剧了航路飞行颠簸的程度，导致航空器飞行高度难以保持。

5.2 飞机颠簸产生在气压梯度相对较大且存在气旋性切变的环境中。飞机发生颠簸的区域出现有流线的奇异线——间断线，同时间断线处上升气流与下沉气流共存是造成航空器空中飞行难以操控的主要原因。流线分布状况的辨析为飞机颠簸的分析和预警服务带来新思路。

5.3 由于此次航空器飞行实例为个例研究验证，且选取验证的物理量场尚未完全涵盖，还需要选取不同季节时间和高度空间的航空器飞行实例作进一步的对比研究，以验证和完善飞机颠簸的动力学共性特征。

【参考文献】

[1]《大气科学词典》编委会.大气科学词典[M].北京：气象出版社，1994：185.

[2]徐海，黄仪方，李跃春等.成都—拉萨航线一次严重颠簸过程分析[J].中国民航飞行学院学报，2007，18（6）：3-7.

[3]吕艳彬等.一次较强飞行颠簸的成因分析及对策[J].四川气象，2000，71（1）：26-27.

[4]高洁，张开俊，蔡国盛.兰州区域一次飞机颠簸事件的成因分析[J].中国民航飞行学院学报，2010，21（1）：45-51.

[5]巩敏莹，崔竹囡，靳英燕，黎巍.西北地区中度以上颠簸的物理量场特征[J].中国民航大学学报，2011，29（5）：14-19.

[6]朱乾根，林锦瑞，寿绍文等.天气学原理[M].北京：气象出版社，2000：601-636.

[7]赵树海.航空气象学[M].北京：气象出版社，1994：148-151.

[8]梁爱民，张云谨，刘开宇等.”20060102”飞机颠簸天气过程诊断分析和数值模拟[J].云南大学学报（自然科学版），2008，30（S1）：320-323.endprint