中南地区一次飞机颠簸的物理量场分析

陈春元

（中国民用航空中南地区空中交通管理局，广东广州 510405）

航空器颠簸是指在飞行中飞机突然出现上下抛掷、左右摇晃、摆头、局部震颤等现象，从而导致飞行员操纵飞机困难，仪表不准等。若进入发动机气道的空气量显著减少，可造成飞机自动停车甚至飞机结构造成破坏，引发飞行事故［1］。颠簸不但会造成人员不适甚至受伤，颠簸强烈时可使几分钟内飞机上下抛掷十几次，高度突然变化几百米，空速变化20 km/h以上［2］，威胁飞机机体和飞行安全。尤其在飞行垂直间隔缩小后，对颠簸预报提出了更高的要求。

目前对于飞机颠簸已经取得了许多研究成果。在理论方面，朱志愚［3］探讨了高空急流区飞机颠簸的一种形成机制；王永忠等［4-5］指出湍流动能的产生引起晴空颠簸；李子良等［6-7］对重力惯性波及其不稳定引发急流附近颠簸产生的可能机制进行研究，指出重力波失稳破碎为湍流是其可能机制。在个例分析上，如徐海等［8］分析了成都-拉萨航线一次严重颠簸过程，指出高原南侧副热带西风急流增强是主要原因；吕艳彬等［9］、高洁等［10］通过分析兰州区域一次颠簸事件发现急流轴左下方垂直顺风切变导致飞机升力减小，暖性平流使颠簸加剧。航空气象目前对于颠簸的预报产品往往存在着颠簸范围预报过大、强度预报模糊以及空报率较高、缺乏明确指示性等问题。造成使用时的困惑从而降低产品的参考价值。关于颠簸的研究已经成为航空气象的重点和难点。如今数值预报在形势预报方面与实际大气的拟合度较高，本研究从物理量场的角度寻找颠簸发生的规律，有利于使用数值预报产品中丰富的物理量场进行颠簸预报，以期提高颠簸预报的准确率。

1 航空器空中报告

目前对于飞机颠簸的持续有效监测仍然比较困难，话音方式的航空器空中报告是颠簸的主要记录方式。本研究通过分析中南地区收集到的航空器空中报告，包括河南、湖北、湖南、广西、广东和海南6省（区）上空区域。分析发现2017年2月4日发生在中南管区的航空器颠簸报告数量最多且强度较大，共收到26份颠簸报告，其中严重颠簸18份、中度颠簸8份。本研究选取20：00（北京时，下同）前后2 h以内的15份颠簸报告进行重点分析，其中将颠簸发生高度在6 600～7 500 m的报告点分析集中在400 hPa上；将8 900～9 500 m高度的报告分析集中在300 hPa上；将10 200～11 000 m高度的报告分析集中在250 hPa上（表1）。并运用ERA-interim再分析资料（空间分辨率为 0.5°×0.5°），分析物理量场的动力学特征，结合颠簸发生的位置，探索颠簸的分布规律。

2 颠簸区的物理量场动力学特征

2.1 散度场

2月4日20：00散度场的大值中心呈东北-西南走向分布（图1）。在400 hPa上（图1a）湖南西部的2个严重颠簸报告位于等值线最为密集区，散度中心值为-6×10-5s-1，并迅速递减到0。位于河南中部和海南北部的颠簸报告分布在等值线较为密集且曲率较大的位置，其中河南中部的报告位于正散度区；另外4个报告点均位于负散度区。在300 hPa（图1b），位于湖北、河南交界处和广西北部的颠簸报告均分布在等值线较为密集的负散度大值区，大值中心分别为-10×10-5和 -6×10-5s-1。250 hPa上（图1c）位于广西、湖南交界处存在3个颠簸报告分布在由正散度向负散度过渡区，等值线密集，散度变化由2×10-5s-1递减到-2×10-5s-1。可见颠簸发生位置与正、负散度区无关，与梯度大的区域对应良好，且梯度越大颠簸强度越强。

表1 2017年2月4日航空器空中报告

图1 2017年2月4日20：00 400 hPa（a）、300 hPa（b）、250 hPa（c）散度场（单位：10-5 s-1）

2.2 涡度场

图2为颠簸区的涡度场。400 hPa涡度场大值中心位于湖南和湖北东南部，达到30×10-5s-1，位于湖南西部的两个颠簸报告位于涡度等值线最为密集的区域且靠近涡度大值中心。位于海南的报告涡度值介于5×10-5s-1到10×10-5s-1之间，梯度不大但存在一定的辐合上升运动，位于河南中部的报告位置则涡度较弱，此处涡度场的变化不是引发颠簸的主要原因。300 hPa图上存在两个涡度大值中心，湖北、河南交界处的报告位于涡度大梯度区，靠近大值中心值20×10-5s-1；广西北部的报告点靠近涡度大值中心值25×10-5s-1，且所在位置等值线曲率较大。250 hPa图上湖南、广西交界处的颠簸报告位于靠近涡度大值中心的等值线密集区，中心值为24×10-5s-1，可见颠簸的位置多分布在靠近大值中心附近的强涡度梯度区域。

图2 2017年2月4日20：00 400 hPa（a）、300 hPa（b）、250 hPa（c）涡度场（单位：10-5 s-1）

2.3 垂直速度场

400 hPa（图3a）湖南西部和河南中部的颠簸报告位于垂直速度的大值区内，垂直速度均在0.2 Pa/s以上，位于海南的颠簸报告对应的垂直速度则较小，对应该处颠簸较弱。300 hPa图上（图3b）湖北、河南交界处的垂直速度在0.2 Pa/s，位于广西北部的垂直速度在0.1 Pa/s，且这两处的等值线分布均较为密集。250 hPa图（图3c）颠簸分布在垂直速度负大值中心附近，在-0.1 Pa·s-1到 -0.2 Pa·s-1之间，且梯度较大，可见颠簸的位置与垂直速度的方向无关，其多分布在大值中心附近或强梯度区。

图3 2017年2月4日 20：00 400 hPa（a）、300 hPa（b）、250 hPa（c）垂直速度场（单位：Pa/s）

2.4 温度平流场

400 hPa上（图4a）的颠簸报告点大多位于温度平流的等零度线附近，仅湖南西部的其中一个报告点位于-1×10-6K/s线附近；300 hPa图上（图4b）位于湖北、河南交界处的颠簸报告位于-2×10-6K/s到0×10-6K/s之间，接近于0线附近；250 hPa图上（图4c）的颠簸均分布在等零K线两侧。可见颠簸报告与温度平流的等零度线分布对应良好。由于温度平流零度线两侧的气团性质不同引发运动方式不同，造成飞机穿越零度线时容易发生颠簸。

图4 2017年 2月4日20：00 400 hPa（a）、300 hPa（b）、250 hPa（c）温度平流场（单位：10-6 K/s）

2.5 物理量场与颠簸强度的关系

400 hPa图中位于河南中部和海南北部的报告仅在散度场上位于强梯度区，在涡度场和垂直速度场上对应较弱，这2个区域报告均为中度颠簸。同时满足处于散度场、涡度场、垂直速度场强梯度区的位置则报告严重颠簸居多。以及对应的物理量场梯度越大，强度越强。

与颠簸发生位置对应最好的是散度场的大梯度区和温度平流的等零度线附近，如果该区域再同时满足位于涡度场的大梯度区或者靠近大值区的曲率较大处，则容易发生严重颠簸；或者该区域也满足位于垂直速度大值区或强梯度区附近，也将有利于严重颠簸的发生。

3 结论

1）2017年2月4日20：00前后的颠簸主要发生在散度场强梯度区、涡度场靠近大值中心附近的强梯度区、垂直速度大值区或大梯度区附近，以及温度平流等零度线两侧。

2）颠簸区散度场的强梯度区与温度平流等零度线两侧与颠簸位置对应最好。若该区域再同时满足位于涡度场的大梯度区或者靠近大值区的曲率较大处，则容易发生严重颠簸；或者该区域也满足位于垂直速度大值区或强梯度区附近，也将有利于严重颠簸的发生。

本研究选取了较有代表性的个例，分析各次实例中颠簸的物理量分布特征。由于再分析资料时间和空间分辨率的限制，在以后的研究中需要更多的航空器实例以及更高分辨率的气象资料加以验证和完善飞机颠簸的动力学特征。