利用激光雷达判别机场晴空风切变事件成因

代冰冰 何敏 杨靖新 张明欣

(云南机场集团丽江机场气象台，丽江 674100)

引言

风场的稳定是实现民航安全飞行的基本前提，风切变则是飞行安全的“无形杀手”[1]，特别是出现在距地面600 m以下的低空风切变，除会造成飞机偏离航向外，还可能导致飞机提前接地或重着陆，是导致飞行事故的重要风险。2018年北京飞往澳门的JD5759航班在澳门机场着陆时受低空风切变影响，出现“海豚跳”式重着陆，导致飞机起落架严重受损，最终成功备降于深圳机场，险象环生。丽江机场位于云南西北高原，与青藏高原东南缘相连，受高原大地形影响，冬春季天气晴好，低空风场变化快，多发生晴空风切变和颠簸，常常导致飞机低于决断高度复飞，严重威胁航空安全。

多年来，航空气象研究者对低空风切变的成因进行了大量研究，翁雪玲等统计分析出大连机场典型的风切变是西北大风和偏北大风造成的低空风切变[2]；单乃超等研究出合肥机场一次低空风切变的主要成因是γ中尺度对流单体底部的紊乱气流造成的[3]；郭智亮等对广州白云机场的一次低空风切变进行分析，发现是由超级单体风暴云产生的下击暴流和阵风锋造成的[4]；逯野等对中川机场的一次风切变天气进行成因分析，结果表明，具有较强辐合且移动缓慢的锋面和对流云底部的下冲外流是造成此次风切变过程的重要因素[5]。但目前国内针对中国西南高原地区频发的晴空风切变[6]研究较少，主要原因是缺乏对晴空条件下的低空风场探测设备。随着科技的发展，除了机场地面风站、风廓线雷达外，新兴的激光雷达[7]成为了晴空风切变探测的有力补充，但目前在航空气象中的应用仍处于起步阶段。赵建伟等将风廓线雷达资料应用于大理机场低空风切变的探测和预警中，结果表明，风廓线雷达资料可为低空风切变的初步预警提供参考，但受最低探测高度的影响，近地面层的资料可用性较小，特别在晴空时300 m以下基本无探测资料[8]；张开俊等利用激光测风雷达对中川机场的低空风切变预警工作进行研究，结果表明，激光雷达产品可以有效地提高中川机场低空风切变预警命中率，适合应用于机场风切变的探测和预警工作[9]。因此，本文尝试利用丽江机场试用阶段的激光测风雷达[10]资料进行一次晴空风切变过程的特征分析，期望对提高风切变预警能力、确保航空安全提供重要参考。

1 资料和方法

1.1 设备介绍

本文所用的激光测风雷达设备是西南技术物理研究所研发的FC-Ⅲ型三维激光测风雷达，主要用途是测量机场、气象场站等地垂直3000 m高度以下、水平5000 m距离范围内的径向风场，并根据测量数据实时反演出测量空域的风场演变信息，为飞机起飞及降落提供实时大气风场信息。其工作原理是采用脉冲激光相干探测体制及全光纤相干光路结构，以窄线宽脉冲激光为光源，通过检测激光对气溶胶散射回波信号的多普勒频移信息，来实现对径向风矢量的测量，通过多普勒光束摆动、距离高度显示、平面位置显示及下滑道等扫描方式，实现对风廓线、水平风场、起降通道的迎头风、侧风等的测量与风切变告警[11]。

1.2 资料与方法

为了更好地对低空风切变进行研究，本文主要利用NCEP的日平均、水平分辨率为 2.5°×2.5°的再分析资料、丽江机场VAISALA自动观测系统数据、航空器空中语音报告、三维激光测风雷达资料等多源数据，对丽江机场2020年3月29日晴空条件下的风切变过程进行特征分析，以期加深航空气象人员对晴空风切变的认识。

2 风切变事件概况

2020年3月29日，丽江机场出现了罕见的晴空低空风切变及地面大风天气。气象台共收到风切变航空器空中语音报告共5份(表1)，导致返航备降航班4架次；根据地面VAISALA自动观测系统资料，地面大风(≥17 m/s)从14:36开始到17:13停止，持续超过2.5 h，最大风速达到23 m/s，是丽江机场建站以来大风天气持续最长、风切变一天内最多的一次天气过程。从表1中可以看出，29日5次低空风切变有3个显著特征：①出现时间集中，持续时间长。11：00—14:00的3 h内共有10架次航班进近着陆，50%的航班遭遇低空风切变，可见29日的风切变天气并非偶发，是天气系统导致的系统性风切变天气过程；②出现高度低。5次风切变均出现在低空150 m及以下，特别是13:01发生的风切变，出现在离地20 m的高度，飞机还有4 s左右时间即将着陆，此时出现风切变非常危险，如果飞行员没有采取果断措施立即复飞，可能出现重着陆或偏离跑道着陆等事故；③切变强度大。备降的4架航班中第1架复飞2次进近后仍遭遇风切变，其他3架第1次遭遇风切变后均未尝试2次进近，飞行员均表示风切变强度大，待天气稳定后再返航丽江。为此丽江机场后续航班大量延误，给机场地面服务保障带来很大压力。在此次气象保障过程中，气象台预报员结合当天天气形势及激光雷达资料，及时提醒航行管制员向机组通报低空风场变化情况，注意乱流天气下的飞机操纵，做好复飞准备，确保航空安全。

表1 丽江机场2020年3月29日低空风切变统计

3 成因分析

3.1 天气背景分析

根据3月29日08:00的天气背景(图1)可以看出，青藏高原上有一高压生成，新疆至河套地区有一高压脊，丽江机场(26.68°N、100.25°E)处于高压脊南侧，受偏西气流控制。高压脊东侧东北气流与长江流域以南的西南急流形成深厚切变，高纬度地区冷空气向南输送，与西南水汽汇合。长江流域及其以南大部分地区为阴雨天气，但云南由于地形因素，冷空气从东北方向扩散停滞在滇东北地区，云南大部处于青藏高原东侧地面低压内。丽江机场下午气压持续下降，地面低压不断加强，气压梯度大导致地面风速加大[12]。丽江机场处于负变压中心，变压风辐合容易出现低空风切变。另外29日丽江天气晴好，午后气温迅速升高，最大达到27.3 ℃，是近15年丽江机场3月气温最高值，地面升温气流扰动加强[13]，热力湍流有利于低层风切变的发生。

图1 2020年3月29日08:00天气背景：(a)700 hPa位势高度场和流线、(b)地面气压场和中国区域02:00—08:00降水量 (图a中等值线为位势高度，单位：dagpm；蓝线为流线；图b中等值线为修正海平面气压，单位：hPa；阴影为降水量)

3.2 物理量场分析

在3月29日日平均风场和日平均散度场(图2)上，300 hPa和700 hPa丽江上空均处于西风急流带内，平均风速分别为46 m/s和12 m/s，受高低空急流影响。300 hPa上丽江处于散度负值区，700 hPa上处于散度正值区，高层辐合、低层辐散，形成向下的垂直环流，为动量下传提供了动力条件[14]。图3为29日丽江地区日平均垂直速度沿26.68°N垂直剖面，在丽江机场上空600～300 hPa高度范围有较大的正垂直速度，最大值出现在500 hPa高度，表明在此范围高度上有气流强烈的向下输送，高空动量下传使低层风速加大[15]，近地面层风向风速切变加强。

图2 2020年3月29日300 hPa(a)和700 hPa(b)日平均风场和日平均散度场(阴影)

图3 2020年3月29日日平均垂直速度沿26.68°N垂直剖面

通过以上分析可以看出，2020年3月29日丽江机场的低空风切变天气过程，主要是受地面变压风辐合、地面增温湍流加强以及高层辐合、低层辐散，形成向下的垂直环流使动量下传等因素共同影响而形成的。

4 地面风场变化特征分析

2020年3月29日丽江机场天气晴好，无云，09:00前地面风场为稳定的东北风，10 min平均风向40°，平均风速2 m/s。根据丽江机场VAISALA自动观测场测风数据(图4)，09:00后机场跑道北端(R20)、中间端(MID)及南端(R02)地面10 min平均风向均转为南偏西风200°左右，平均风速也随着风向的转变增加到5～8 m/s；11:00—12:00，风场突然剧烈变化，跑道3个测风点风向风速出现差异，地面风向在南风与西风之间反复变化，最大变化120°，并且北端(R20)较南端(R02)和中间端(MID)变化慢一些，也就是说风场反复变化是从南面开始，跑道两侧有风向强烈切变；12:00—14：40时间段内，跑道3端风向稳定在偏西风240°～280°之间，但风速差异较大，最大时刻南北两端平均风速相差9 m/s，但总体是随时间增大的趋势。其间南侧(R02)明显风速最大，平均风速在9～14 m/s之间波动，中间端(MID)风速居中，在7～11 m/s之间波动，而北侧(R20)风速最小，平均风速在4～9 m/s之间波动，此时间段内南北两端有明显的风速切变，动量从南向北传递。14:40—17:00，3端风速差异减小，10 min平均风速均维持在11 m/s上下，地面大风天气主要出现在此时间段。由此可以分析出，29日丽江机场11:00—12:00是地面风场由偏南风转为偏西风的过程，地面风场风向紊乱，跑道两端风向切变明显，12:00—14:40地面风速由南向北增大，跑道两端出现风速切变，14:40—17:00风向稳定为偏西风，风速维持大值，是地面大风天气出现的主要时段。

图4 丽江机场2020年3月29日VASALA自动观测站10 min平均风向变化(a)、10 min平均风速变化(b) (图a、b中蓝色实线为跑道北端，橙色实线为跑道中端，灰色为跑道南端)

5 激光测风雷达特征分析

5.1 环境风场特征分析

根据丽江机场激光测风雷达3月29日风廓线模式资料(图5)可以看到，10:20—14:20期间丽江机场3000 m以下风场紊乱，风切变主要发生在此时段。其中12:18前高层风速较大且稳定为西北风，低层1000 m以下风向不规则变化，风速总体偏小。12:18—14:20期间高层风向风速变化大，低层1000 m以下风向为较稳定的偏西风，但风速变化大。14:20后丽江机场高低空风向稳定为偏西风，整层风速较大，是地面大风天气出现的主要时段。

图5 丽江机场激光测风雷达3月29日09:36:31—15:14:16风廓线

根据PPI水平扫描模式的6°仰角资料(图6)可以看到， 在整个风切变出现阶段环境风场与地面风场变化基本吻合，主要有以下3个特征：①300 m以下风场主体从偏南风向偏西风转变：11:00前低空风场以稳定的偏南风为主，11:25时机场西侧和南侧水平距离4000～6000 m(距地面高度200～300 m)处有明显的西风分量入侵，最大风速为32 m/s，打破稳定的偏南风流场，此后偏西风和西北风逐渐向北入侵，与其他方位风向形成强烈切变，导致低层风场紊乱。12:20后低层风场基本转为偏西风为主；②300 m以下风场风速切变较大：12:20—14:20期间，风向整层稳定为偏西风，但风速随时间由西向东、由高空向地面逐渐增大，即近地面风速小，高空及进近区域西侧风速大，导致机场20号跑道进近区域0°～45°区间有明显的风速切变。14:20后机场地面风速加大，地面大风天气开始；③低层风场受山谷地形影响有明显的绕流现象，西风气流受东侧山脉阻挡风速显著减小，出现风速辐合，流场沿山向南北两侧分流，在南北分别形成东北风与偏西风、东南风与偏西风的风向切变，是导致低空风切变的重要影响因素。

图6 丽江机场激光测风雷达3月29日PPI水平扫描模式6°仰角风场 (图中风羽为沿6°仰角进行圆周扫描得到的锥面上的水平风场；红色实线是雷达正在扫描的角度； 中心粗黑实线为机场跑道；跑道北侧方框为飞机20号进近区域，跑道南侧方框为飞机20号起飞区域)

5.2 风切变特征分析

2020年3月29日丽江机场5次低空风切变事件中，有2次出现在11:00—12:20风向转变期间，有3次出现在12:20—14:20风速逐渐增大期间。图7为其中3次典型风切变事件出现时激光测风雷达下滑道模式资料。其中风切变指数是按照民航局对风切变强度的定义，软件自动计算所得，小于0.07 s-1为轻度、0.08～0.13 s-1为中度、0.14～0.19 s-1为强烈、大于0.2 s-1为严重。

图7 丽江机场激光测风雷达3月29日下滑道模式资料：(a)11:18:54侧风风速分量、(b)11:18:54迎头风风速分量、 (c)11:18:54侧风切变指数、(d)11:18:54迎头风切变指数、(e)13:50:37侧风风速分量、(f)13:50:37迎头风风速分量、 (g)13:50:37侧风切变指数、(h)13:50:37迎头风切变指数 (图a、b、e、f中间黑线为飞机进近着陆航线；图a、e负值代表西侧风，正值代表东侧风;图b、f正值代表逆风，负值代表顺风)

具体风切变的特征如下：

(1)11:18出现的风切变报告离地高度在150 m左右，此时激光雷达正在进行下滑道模式扫描，可以较好地反映出风切变情况。图7a可以看到，下滑道方向上水平距离3300 m、对应离地高度160 m处有明显侧风风向切变，航空器进近过程中在此高度附近从强东侧风转为西侧风。从图7c侧风切变指数看到水平距离3000～3500 m有中度侧风切变，此次风切变为风向切变。

(2)13:47和13:52出现的风切变报告离地高度均在50 m左右，因两次报告时间和高度相近，我们采用13:50:37的下滑道模式资料图。从图7e可以看到，下滑道方向上一直为强东侧风，在水平距离1000 m、对应离地高度50 m以下，侧风风速突然显著减小。从图8g看到水平距离1000 m、离地高度50 m，风切变指数0.113 s-1。这两次风切变为风速切变。

6 结论

通过分析2020年3月29日天气背景和激光测风雷达资料，得出丽江机场此次低空风切变过程特征如下：

(1)2020年3月29日丽江机场高空有西风急流，地面为低压区控制，处于负变压中心，天气晴朗，午后增温快。垂直方向上高层辐合、低层辐散，500 hPa为垂直负速度大值中心。低空风切变主要是受地面变压风辐合、地面增温湍流加强以及高层辐合低层辐散形成向下的垂直环流使动量下传等因素共同影响而形成的。

(2)风切变发生期间低空环境风场与地面风场变化基本吻合。11:00—12:20时段300 m以下风场主体从偏南风向偏西风转变，风向紊乱；12:20后低层风场基本转为偏西风为主，但风速随时间由西向东、由高空向地面逐渐增大，使20号跑道进近区域有明显的风速切变；14:20后高低空风向稳定在偏西风，整层风速较大，是地面大风天气出现的主要时段。

(3)3月29日5次晴空低空风切变事件中，有2次出现在11:00—12:20风向转变期间，属于侧风风向切变，有3次出现在12:20—14:20风速逐渐增大期间，属于风速切变。风切变指数均大于0.1 s-1，切变强度为中度及以上，严重影响飞行安全。