杭州萧山机场“10·22”低空风切变过程分析

刘伟东 史佩剑

(中国民用航空华东空中交通管理局浙江分局，浙江 杭州311207)

0 引 言

低空风切变[1]通常是指发生在600 m高度以下的平均风矢量在空间两点之间的差值。根据风场的空间结构不同可分为水平风的垂直切变、水平风的水平切变和垂直风的切变3种类型。

低空风切变是影响飞机起飞和进近着陆阶段的一个危险因素，它严重危害航空活动的安全。造成低空风切变有诸多原因，快速移动的冷锋两侧、低空逆温层、低空急流、阵风锋、雷暴的局地强下沉气流或下击暴流等。由于低空风切变具有高度低、时间短、尺度小、强度大及难以预测等特点，因此期望能够了解机场附近的风场的分布情况，为航空管制员和飞行机组提供关于机场附近航线上的风切变预警。

现今，很多民用机场安装有低空风切变警告系统(LLWAS)用于直接提供低空风切变预警信息。但是，由于低空风切变警告系统要求有很大的资金和技术的投入，因而我国除香港和台湾地区以外的民用机场暂时没有条件配备。杭州萧山国际机场虽然没有低空风切变警告系统(LLWAS)，但有一台多普勒气象雷达、二套跑道自动观测系统，依据现有条件本文将对2016年10月22日发生的低空风切变事件进行分析，探讨本次低空风切变发生的机理，探索多普勒雷达资料在探测低空风切中的应用情况。

1 资料和分析方法

本文采用2016年10月22日08时地面形势图及850、700、500 hPa高度场形势图，分析本次过程天气尺度的背景形势；使用杭州萧山国际机场多普勒雷达在此次过程中0.5°仰角回波强度数据、0.5°仰角径向速度数据及0.5°仰角径向速度垂直剖面图数据进行分析；采用机场自动观测系统(AWOS) 3台测风仪15:00—18:00(北京时，下同)时3个时次1 min风向风速平均值资料作为分析对象。

2 背景形势分析

从图1可以看出，在蒙古有冷空气从东路海上逐渐扩散下来，本场处于台风减弱后的热带低压辐合区，暖区特征明显，高压底部的偏东气流带来充沛水汽，同时冷空气的扩散为对流发展提供了动力因素。850 hPa长江中下游地区为暖性低压波动，暖区较强，台风“海马”消散后的水汽维持在华东中南部，高空锋区位于华北，冷空气位置偏东。700 hPa和500 hPa为副高的西侧大范围的西南气流中，水汽与能量输送条件较好。由于本场暖层结构，当低层冷空气侵入造成气层的抬升，对流发展相对比较有利，同时暖区的空前强大使对流发展并不顺畅，只在相对水汽较充沛地理抬升条件较有利的地区出现局地对流运动。由此可以看出此次风切变过程产生的背景条件为地面热低压与北方冷空气渗透造成辐合，配合高空中低层的低涡切变而产生。

图1 2016年10月22日08时地面图(a)及850hPa(b)、700hPa(c)、500 hPa(d)高度场

3 低空风切变

3.1 风向风速资料分析

图2为2016年10月22日15：00—18：00杭州萧山机场07/25号跑道风向风速1 min瞬时值的变化趋势。从15：36—15：54，07号跑道风速与25号跑道头及中间跑道风速变化呈相反趋势，且风向呈对头风趋势，表明在07/25号跑道上有风向辐合，风向大幅度变化从07号跑道头开始，对应有小尺度天气系统自07号跑道头开始影响本场，这个时段是低空风切变的开始阶段；从15：54—16：18，07/25号跑道3点的风速均增大，增大的时间点有较大的差异性，呈现不同步的现象，风向从16：00开始07号和中间跑道的风向为东北风，25号跑道风向从东北风转向西北风，两个跑道头的风向呈现辐散，一直持续到16：12时，之后07号与25号跑道头风向发生剧烈波动，在这段时间风速和风向呈现不连续、无规则的剧烈变化，表明这个时段是低空风切变的最剧烈的阶段；从16：18—16：48，07/25号跑道上3点的风向虽有较大波动，但风速减小，变化幅度降低，低空风切变趋于减弱，这个时段处于低空风切变的尾声阶段。

图3为2016年10月22日15:00—18:00杭州萧山机场06/24号跑道风向风速1 min瞬时值的变化趋势。从图中看出，06号跑道和24号及中间跑道的风速有较大的差异，但风向变化相差不大，没有出现明显的风向辐合和风向辐散，因此06/24号跑道的风切变强度比07/25号跑道要弱。

图2 2016年10月22日杭州萧山机场07/25号跑道风向风速变化时间序列图

图3 2016年10月22日杭州萧山机场06/24号跑道风向风速变化时间序列图

从上面的风速及风向数据分析来看，在4 km2的范围内，在1 h左右的时间内两条跑道风向风速呈现巨大的差异，可看出造成本次天气过程的系统空间尺度小，历时短，天气现象变化剧烈，符合中尺度γ天气系统的特点。

根据国际民航组织规定，水平风的垂直切变值达到2．6 m·s-1·30 m-1，可作为能对飞行构成危害的强度标准。而垂直风下沉速度大于3．6 m·s-1，即可认为是危害安全的下冲气流(水平风的垂直切变强度标准见表1)。根据机组报告，起飞过程中地面风垂直变化值为3.1 m·s-1·30 m-1，在垂直方向上为中等强度，但是在300 m以下尤其是近地面层的风向不连续比较严重，直接造成一架航班终止起飞，多架航班延误。

表1 水平风度的垂直切变强度标准

3.2 机场多普勒雷达资料分析

3.2.1 回波强度分析

从图4回波强度图上看，在15：47距离本场西南偏南方向10 km处有小的对流单体逐渐向本场靠近，最大强度40～45 dBz，由于温度层结的影响，对流发展并不旺盛，顶高4～6 km。对流单体移动方向为西南——东北方向，对流单体的主体位置及移动方向决定其主要影响本场的一条跑道即07/25号跑道，首先影响的是07号跑道端，进而是25号跑道端，而对于另外一条跑道即06/24号跑道影响小的多，这与前文中自动观测系统的风速风向数据分析一致。从对流单体发展的强度来看，从15：47—15：56，对流单体强度维持略有加强，在16：00左右覆盖本场07/25号跑道，此时本场雨量最大，但由于顶端盲区造成视图上看起来单体范围缩小强度减弱，16：20对流单体强度仍然维持，但主体已经开始远离本场，并沿70°方向东北向逐渐移出，本场阵雨逐渐减弱。

综上，本次天气过程是一个尺度较小对流单体造成的，由于层结原因对流发展不旺盛，对流单体主体位于机场南侧，主要影响07/25号跑道，对流单体移动并覆盖本场时造成本场)7/25号跑道上较大的风切变，造成两架航班起飞过程中遭遇风切变，其中一架被迫中止起飞，另有20多架航班延误。

典型的雷暴单体引起的低空风切变一般是由其下击暴流或阵风锋造成的，下击暴流引起的灾害性风的速度一般要达到17.9 m·s-1或以上，而本次风速最大值在12 m·s-1左右，远达不到下击暴流的标准，同时从回波强度图上也很难看出下击暴流或阵风锋的钩状或弓状回波的特征，类似这种由不强的对流单体引起同时从雷达回波强度图上很难看出其特征的低空风切变事件在航空运行中比较多见，对于此类低空风切变的预报对于民航气象保障人员来说尤为重要。

图4 2016年10月22日杭州萧山机场多普勒雷达不同时刻0.5°仰角回波强度图

3.2.2 径向速度分析

从本场多普勒雷达径向速度图上(图5)整体上看，白色的零速度线呈“S”型，风向从低层的偏东风顺转到高层的西南偏南风。从15：47—15：52，低层雷达站东侧为大片的负速度区，最大速度可达18 m·s-1，西侧为大片的正速度区，最大速度可达14 m·s-1，本场低空处有弱的风速辐合。在15：56，在雷达站点东侧大片的负速度区出现了一小点的正速度区，形成逆风区，逆风区面积很小，此点处于雷达站的西南侧1 km左右处，即本场07/25号跑道中间段。在16：01，逆风区的面积有所增大，且缓慢向东北偏东风方向移动，至16:20逆风区的面积持续增大，逐渐远离本场，完全处于负速度区之中。逆风区为中尺度辐合辐散共轭系统风场在多普勒速度图上的表现形式[2]，说明在机场低空区风向存在不连续的情况，有风向辐合辐散。本次逆风区属于第一类逆风区[3]，本次为负速度区中包含小块的正速度区，正速度区与周围的负速度区形成辐合、辐散的结构，这种复杂的结构很容易造成风场的不连续，进而导致风切变的产生。此外由径向速度图中还可以看出，逆风区出现的时间在15:56左右，而从自动观测风向风速的数据分析，此时本场近地面层风切变已经出现并逐渐加大，至16：10左右为风切变最强烈时段，其中16：09接到机组报告因风切变而强迫刹车中止起飞。由此可以把逆风区的出现看作是低空风切变产生的一个指标，跟踪其移动路径和方向对风切变的预警预报有较好的帮助作用。

3.2.3 径向速度垂直剖面分析

本次径向速度垂直剖面方向为90°～260°，中心点位于07/25号跑道上方。从径向速度的垂直剖面图中(图6所示)可以更加清楚的看到对流单体中流场的不连续垂直结构及逆风区的移动路径，在近地面层自15:42始，在本场西南侧20 km范围内正速度区中夹杂着不连续的负速度小区块，表明本场西南侧近距离内存在非常明显的风的辐合辐散，而本场东侧为相对均匀的负速度区，表明本场东侧的风向较为一致。随着对流单体移近本场，在16:01雷达中心附近的负速度区中有小正速度区，表明风场的辐合辐散处于本场终端区附近，随后引起跑道附近强烈风切变而使航班中断起飞，至16:10左右风切变达到最强。16:20以后逆风区逐渐传导到本场东侧，跑道附近风场逐渐趋于稳定，时间尺度上与对流单体的发展移动同步。通过径向速度垂直剖面资料分析，在观察对流单体的三维结构上具有很好的作用，同时在预判低空风切变的发生时间、影响尺度以及结束时段都具有明显的时效性。

图5 2016年10月22日杭州萧山机场多普勒雷达不同时刻0.5°仰角径向速度图

图6 2016年10月22日杭州萧山机场多普勒雷达不同时刻0.5°仰角径向速度垂直剖面图

4 结 语

1)杭州萧山机场的2016年10月22日低空风切变事件是在弱冷空气入侵暖区的背景下，受地面台风减弱后的热低压辐合和高空中低层低涡切变系统的共同影响下，钱塘江入海口近地层东北风带来的充沛水汽和局部的地形抬升使得在本场附近触发生成小尺度对流单体而造成的。

2)这次过程中的对流单体系统空间尺度小，历时短，天气现象变化剧烈，符合中尺度γ天气系统的特点。对于中小尺度天气系统，利用多普勒雷达进行跟踪分析是目前较有效的预报手段。

3)通过多普勒雷达资料分析表明，常用的雷达资料如回波强度特征等较难预报出低空风切变的生消影响等诸要素，而利用雷达径向速度资料，特别是径向速度垂直剖面资料可以对孤立单体进行三维风场结构的分析，并结合反射率因子回波的移动，在预警预报低空风切变等严重影响民航运行的小微尺度危害性天气时可以得到较为良好的效果。

[1] 陈廷良．现代运输机航空气象学[M]．北京：气象出版社，1992：281-286．

[2] 张沛源，余志敏．多普勤天气雷达资料在强天气短时预报中的应用[C]//第十一届亚运会气象保障研究论文集．北京：气象出版社，1992：68-74.

[3] 李俊霞，汤达章，李培仁,等. 中小尺度的多普勒径向速度场特征分析[J]. 气象科学，2007，27(5)：558-563.