地面突风对通航飞行器的影响及数值模拟研究

王钦,潘微多,李瑶婷,曾波

(1.中国民用航空飞行学院广汉分院,广汉 618307;2.中国气象局成都高原气象研究所/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室,成都 610072)

突风主要包括近地面大侧风、顺风以及风切变。突风一直以来都是危及飞行安全的重要气象要素之一,航空器在飞行时遇到大风及风切变往往出现突然剧烈抖动,影响飞机操纵的稳定性,特别是离地500 m以下的强风及低空风切变,使得正处于起飞和降落阶段的飞机,调整空间不足,操作不及时极易坠机,造成国民经济和人民生命财产的损失[1-2]。目前超过30%的进近及着陆事故均与突风相关,因此作为民航、通航机场来说,对突风的研究是确保飞行安全的重要课题。

为了提高气象保障能力,气象科技工作者对地面大风的特征和物理机制开展了大量研究,获得很多对实际生产有重要指导意义的有益结论。毕波等[3]总结了地处青藏高原东南缘的大理机场地面风的变化特征,得出机场干季受大风、颠簸和低空风切变影响较大。申辉等[4]、王钦等[5]总结了四川盆地通航机场地面风场的时空变化特征,这些研究成果对机场的运行、飞行计划等提供了一定的参考。孙晓磊等[6]和吴海英等[7]对近地面强风发展的物理过程进行研究,认为温度平流通过使地面变压场和变压梯度增强,而成为地面大风的重要原因之一。黄彬等[8]、李玲萍等[9]和邬仲勋等[10]在研究冷空气大风过程中发现出气压梯度风外,高空动量下传在冷空气引起的地面强风天气过程中也起到了重要作用。随着人们生活水平的提高,航班量的增加,飞行对于近地层大风的监控和预报需求也在不断增加,越来越多的研究人员利用天气研究与预报(weather research and forecasting,WRF)等数值模式通过不同的参数化方案试验,模拟局地的近地层风场[11-14],以期达到日益增长的气象保障需求。如蒋兴文等[15]研究了中国三大高原机场之一的九黄机场地面风的演变特征,并通过WRF模拟较好的再现了机场一次大风过程的发生时间和强度,但也指出模式对该机场夜间模拟能力较差。总的来说,目前关于机场近地面风场的很多研究大多从气候统计或者大尺度气象条件分析入手进行气象要素统计,通过将气象诊断和飞行器标准紧密结合进行详细诊断和分析的研究还很少。

广汉机场地处四川盆地西部,由于高原和秦岭的阻挡作用,机场一年四季平均风在2～4 m/s,瞬时风出现≥12 m/s的情况较少,而约17 m/s的瞬时风更是罕见,地理位置十分有利于中小型飞行器进行高密度的飞行训练[5]。但是在2022年3月30日,机场出现了一次强度较为罕见的地面大侧风过程,侧风分量严重超过中小型飞行器起降标准,迫使进场飞机复飞,对航空器飞行安全造成很大威胁。鉴于此,利用机场地面逐分钟的风场数据,对地面风的平均风向、风速、阵风系数等特征进行了详细诊断,并通过第5代欧洲数值预报中心再分析数据集(the fifth reanalysis of European center for medium-range weather forecasts,ERA5)逐小时的高空细网格数据,利用WRF模式对此次过程进行了数值模拟,探讨了大风成因以及近地层风场的三维结构对飞行训练的影响,为加强机场气象保障服务工作提供参考。

1 资料来源和研究方法

1.1 机场概况和数据

广汉机场属于通航机场,海拔高度为540 m,主要用于进行飞行学生的日常飞行训练、西南地区人工增雨等飞行任务,用于飞行活动的机型主要包括172、钻石、西锐、小双发以及新舟,当风速≥3.5 m/s时学生的飞行训练便受到影响,而12 m/s是所有机型的起降最高阈值。

使用的资料包括广汉机场逐分钟的地面10 min平均风向、风速、10 min最大风速、瞬时风向、风速、气压以及温度。机场ADWR-X波段多普勒气象雷达的径向速度资料,每10 min完成一次体扫,距离分辨率为125 m,共计14个仰角。ERA5逐小时再分析资料,包括高空风、温度、相对湿度、垂直速度等气象要素,分辨率为0.25°×0.25°,所有资料时间段取2022年3月29日18:00—30日18:00。

1.2 计算方法

民航局规定使用地面观测10 min平均风进行参考,但是对于高密度起降训练的中小型飞行器来说,其对风的变化比大型机更加敏感。赵德山等[16]研究表明,强风条件下由于湍流运动十分强烈,阵风和风速脉动对飞行的影响至关重要,因此计算风速脉动值u′[17]来分析大风及对飞行的影响,定义为

(1)

为了评估模式对风场的模拟能力,计算地面风场观测值与模拟值的均方根误差(RMSE),可表示为

(2)

式(2)中:N为样本总数;Oi为地面风的实际观测;Si为地面风的模拟值,m/s。

1.3 模式设置和试验设计

为了进一步研究WRF模式对冷空气大风影响下机场终端区风场精细化特征的模拟能力,采用区域天气预报模式WRF(版本为4.1),以广汉机场为中心(30.95°N,104.31°E)的8.1 km×8.1 km的区域为试验区域,如图1所示,模式采用四重嵌套,网格分辨率分别为8.1,2.7,0.9,0.3 km,网格数分别为105×105、103×103、103×103、103×103个,垂直方向为35层,其中1 km以下为9层,模式参数化方案设置如表1所示。模式采用ECMWF-ERA-interim逐小时再分析资料作为初始场和侧边界条件,积分时间为2022年3月29日18:00—3月30日18:00,共计24 h,模拟结果每30 min输出一次。

图1 WRF四层嵌套的区域设置及地形Fig.1 Four nest domains in WRF simulation and topography

表1 数值试验中WRF模式物理化参数方案配置Table 1 Configures of the physical scheme in WRF simulation

2 地面强风影响飞行的精细化特征

通过机场2022年3月30日00:00—16:00(世界时)10 min平均风的风向、风速、10 min最大风速和最小风速的时间演变(图2)可以看出,本次大风过程观测到的最大瞬时风速出现在12:40,风速最大达到16.1 m/s,10 min平均风最大出现在12:28,风速值为8.5 m/s。按照平均风≥3.5 m/s作为大风影响飞行时段的起始,可以看出,本次大风对飞行的影响时段为11:58—13:44[图2(a)],持续时间接近2 h,影响过程中风向变化较小,以0°～50°的偏北风为主。从图2(a)可知,12:00以后地面平均风在3 min内就急剧增加至6 m/s,10 min最大风瞬达到了10.6 m/s,12:05最大风加大至12.8 m/s,12:16进一步加大至14.9 m/s,12:40达到最大本次过程最大风速值16.1 m/s。由此可见,本次偏北大风过程不仅强度强,且爆发性也强,由于飞机起飞和降落均在几分钟内,因此导致进场飞机被迫复飞。

从30日地面风的时间演变(图2)可以看出,机场在上午大部分时间以低于2 m/s的风为主,风向逐渐由东南风转为偏北风,并一直持续,风速共经历了四次明显的增加过程(表2)。10 min平均风速的第一次明显加强从世界时04:00开始,13号跑道接地端风速从0.8 m/s加大到2.8 m/s,风向以北东北风为主,随着一次又一次的风速波动,地面风随着风速的波动峰值也在逐渐增加,每一次风速波动达到峰值的耗时也在逐渐缩短,这也预示着地面风速的爆发力也在逐渐加强,第4次加强导致了本次大风过程,风涌持续36 min,瞬时风最大为16.1 m/s。

表2 4次明显的地面风波动过程Table 2 Four significant wind speed fluctuations

由于广汉机场跑道为31/13,飞机通常在13号跑道端降落,因此将地面风根据13号跑道方向分解为侧风分量以及顺/逆风分量,如图3所示,其中左侧风为正,右侧风为负,顺风为正,逆风为负。可以看出,06:00以后机场地面风对飞机的影响主要以左侧风为主,顺/逆风分量很小,且随着风速的急剧增加,左侧风分量也随之增加。从图3(b)中可以看出,风速脉动在上午基本在±1 m/s,脉动很小,午后随着近地面湍流的加强,风速脉动逐渐增加至±2 m/s,11:58地面风场急剧增加,风速脉动增强,达到了±3 m/s,12:38风速脉动一度达到5.4 m/s,这表明地面风速变化大,气流不稳定,非常不利于飞机的起飞和降落,且左侧风易造成飞机侧翻或者冲出跑道。

图3 2022年3月30日沿着跑道的侧风分量、顺/逆风分量和风速脉动的时间变化Fig.3 Time variation of cross wind speed,tail/head wind speed and wind velocity fluctuation on March 30,2022

3 大风过程成因分析

3.1 环流形势与变压场

本次大风对应500 hPa不断有短波槽东移南下从高原影响四川盆地,引领冷空气向南入侵,与西太平洋副热带高压配合,在低层盆地西部受下沉辐散气流控制,从陕甘南地区至四川盆地西部有偏北风急流,广汉处于急流底部,与500 hPa强西南气流北侧对应,形成中层辐合低层辐散的耦合形势,有利于高空动量下传[18]。

在冬季、春季,由冷锋过境造成地面大风的物理机制主要包括两种:一种是高空系统通过引导冷空气南下使得地面变压增强,变压梯度增加所致[18-19];第二种是强冷平流和高低空辐合辐散环流引起强烈的下沉运动,造成地面大风[20-21],第二种情况有时配合低空急流,通过高空通量下传诱发极端突发大风[22]。图4给出了机场24 h变温和变压的变化情况,03:00之前机场就已处于明显的正变压区,24 h变压在5 hPa,而24 h变温在0 ℃附近,变温不明显。这主要是受到28日冷锋过境的影响,随着冷锋的过境,冷锋后部的高压在东移南下的过程中逐渐变性,造成了地面加压明显,但气温的逐渐升高造成变温不明显。03:00开始24 h变温明显转负,24 h变压逐渐增加,整个过程表现出明显的冷空气入侵特征。而地面3 h变压场的分布显示在大风发生时变压梯度大值区已经过机场并向南移动至四川盆地南部,广汉机场处于两个正变压中心之间变压梯度较小的区域。因此从地面变压场的时空分布可以得出,冷空气入侵引起的地面加压和变压梯度并不是造成12:00地面偏北大风强度爆发性增强的主要原因。

虚线为大风影响的关键点图4 广汉机场2022年3月30日24 h变温、变压的时间演变Fig.4 Time revolution of 24 h temperature and pressure changes at Guanghan Airport on March 30,2022

3.2 高空风动量下传

在大风发生前1 h,从ADWR-X波段多普勒气象雷达的径向速度场上就观测到有明显的“牛眼”特征,即空中有大风中心存在[图5(a)]。19:03从3.4°仰角可以观测到大风中心位于测站的东北方向,与低层强东北风一致,大风核位于1 800 m高度,径向速度达到16.5 m/s。从沿着图5(a)中AB径向线上径向速度的时间演变可知[图5(b)],从11:03—12:23蓝色所示的大风区随着时间表现出明显的向下传播的特征,12:23时,大风区中心速度至增加21.5 m/s,大风区以平均4.6 m/s的速度下沉并向机场移动。大风发生时可见有大于16 m/s的大风核穿过雷达站,意味着大风核接地,与本次过程最大瞬时风对应。从大风发生前1 h至大风强盛期多普勒雷达的径向速度场明显可见大风中心强度逐渐增加,大风核下沉的特征,说明与地面变压相比,高空动量下传机制在机场20:00以后地面突发的偏北大风过程中占据主导地位。

图5 气象雷达3.4°仰角的径向速度分布及AB线上径向速度的时间演变Fig.5 Radial velocity distribution of weather radar 3.4° elevation angle and its time revolution of velocity on AB line

进一步从机场上空流场垂直分布的时间演变以及垂直环流进行分析,如图6所示,30日白天在750 hPa以下广汉机场均为东北气流控制,风速逐渐增加,随着上升气流转换为下沉气流,风速表现出动量下传的特征。06:00时,0～6 km风垂直切变指数在23 m/s,表明有深厚的垂直风切变,在此之前风随高度顺转有暖平流,06:00—15:00时,随着700～600 hPa高空风也逐渐转为东北气流控制,暖平流向冷平流转换,在12:00前后从850 hPa向下由强上升气流转为强下沉气流控制,形成了低层辐散下沉叠加中层有辐合上升的垂直结构,900～850 hPa出现整层的大风速中心,风速等值线随时间向下倾斜,表现为高空动量下传的特征,15:00以后风速等值线趋于平缓。从12:00广汉机场沿着纬度和经度的垂直剖面图[图6(b)和图6(c)]可知,在850～900 hPa有大风中心,风速17.5 m/s,大风区对应为下沉运动控制,十分有利于高空动量下传,而在105.5°E以东的地区整层表现出一致的上升运动,有利于与机场上空的下沉气流在低层形成垂直次级环流。沿着经度方向,冷空气入侵的特征更为明显,自北向南上升气流与下沉气流分界面成“契形”向下,而风速大值中心也顺着分界面自北向南,自上而下向广汉机场延伸,为典型的冷空气影响下高空动量下传的剖面特征。

图6 广汉机场上空水平和垂直风场的时间演变以及南北、东西反向的垂直剖面Fig.6 Time revolution of the horizontal and vertical wind field above Guanghan Airport,and the vertical structure of circulation along the latitude and longitude of airport

4 数值模拟

分析可知,2022年3月30日广汉机场地面偏北大风主要是由于500 hPa高空短波槽东移的过程中冷空气补充南下,中层强偏南气流与低层偏北急流配和,中低层形成中层辐合上升,低层辐散下沉的垂直结构使得低层下沉气流异常强劲,将900～850 hPa的强风通过高空动量下传作用向地面传导,使得地面风速在短时间内出现爆发性增强,引起地面侧风超过飞行器起落标准。由于飞行器下降到进场着陆仅需3～10 min的时间,且区域往往在15 km范围内,因此精细化的预报有助于降低突风的影响。

为了进一步了解WRF模式对广汉机场近地面风场精细化特征的模拟能力,使用ERA5的再分析资料作为初始场和侧边界场驱动WRF模式,通过四重嵌套得到风场高精度的时空信息。图7对比了观测和模式模拟的广汉机场每30 min的地面风演变。可以看出,模拟值与观测值的变化趋势较为一直,均呈现出波动性增加的过程。模式对于大风过程中最大风速值得模式结果较好,最大为8.5 m/s,仅比观测最大值偏高0.4 m/s,并且大风时段风向以45°的东北风为主,与观测值也较为一致。不同的是,模式对于部分时段的风向、风速模拟偏差还是比较大的,图7(b)反映出风速偏差主要体现在两个时段:一是30日05:00—07:00;二是大风影响时段(13:00—16:00)。在大风影响时段,由于模式模拟比实际观测整体延迟约2 h,这就使得模式的最大风速也延迟至14:00,也进一步导致该时段误差比较大。图7(c)中风向偏差较大主要出现在非大风时段,该时段风速较弱,风向多为偏南风为主。

图7 模拟与观测的地面风场24 h对比以及偏差Fig.7 The comparation and bias between observed and simulated wind field in 24 hours

对此次机场偏北大风的风向和风速模拟结果进行了验证,结果如表3所示。可以看出,机场风向模拟结果的均方根误差约为90°,与观测之间存在显著的正相关关系,相关系数为0.51,说明局地风向的模拟结果与实际情况较为吻合。风速模拟结果的均方根误差在1.7 m/s以内,但与机场实际的风速之间同样存在显著的正相关关系,主要是由于在大风时段风速整体出现约2 h的滞后。结合图7和表3可知,WRF模式能够成功模拟出大风过程中风速的变化趋势、风速最大值和大风影响时段的风向,对于飞行保障而言,有利于进一步预测大风对飞行的影响是侧风还是顺/逆风,有助于飞行员在着陆地时快速调整姿态。而机场风速的模拟部分时段与实际情况存在较大偏差且模拟风速值总体偏高,这不仅与西川盆地西部的复杂地形有关[23],而且与ERA5的初始场、背景场的数据质量密切相关[24-26]。将ERA5中10 m风场的网格数据插值到广汉机场所在经纬度,对比图8可知,2022年3月39日18:00—30日18:00背景场提供的风场与观测得到的风场本身在大风影响时段就存在较大偏差,而风向偏差主要也体现在弱南风时段。

红色区域和蓝色区域分别表示风速偏差大于0和小于0图8 地面风场风向、风速模拟值与观测值的偏差Fig.8 Deviation of wind speed and direction between simulation and observation

表3 地面风向和风速模拟结果验证Table 3 Validation of simulation local wind speed and wind direction

5 结论

根据常规观测资料、ADWR-X多普勒气象雷达资料和ERA5逐小时0.25°×0.25°再分析资料,对2022年3月30日发生在广汉机场的偏北大风过程中风场的变化特征、大风成因及对飞行的影响进行了诊断分析和模拟研究,探索了气象在通航领域的保障应用。得出如下结论。

(1)此次偏北大风过程风速增长快,爆发性强,虽然从午后地面风场表现出一定规律的波动,且波动期间风速峰值呈增加趋势,但此次过程最大瞬时风爆发性增长到16.1 m/s的强度为预报难点。由于风向稳定,大风对飞行的影响主要表现为起降跑道侧风值超过了中小型飞行器的起降标准,并且风速脉动值最大超过5 m/s,致使跑道区域内流场的不稳定增加,造成进场飞机被迫复飞以及部分飞行器无法降落。

(2)对大风成因进行诊断表明,本次大风为补充冷空气南下过程中,以高空动量下传为主要机制引起的偏北大风。500 hPa上游有短波槽东移,大风发生在高空暖平流向冷平流转换的过程中,本次大风强度罕见主要在于中层有强偏南气流与低层偏北急流配和,中低层形成了中层辐合上升,低层辐散下沉的垂直结构使得低层下沉气流异常强劲,将900～850 hPa的强风通过高空动量下传向地面传导,引起地面偏北风的爆发性增强。

(3)利用ERA5再分析资料作为初始场驱动WRF模式,通过四重嵌套模拟地面10 m风场的精细化信息,模拟结果表明WRF对盆地西部冷空气补充南下引起的偏北大风在风速演变趋势、风速最大值和大风影响时段的风向有较好的模拟能力,对飞行起飞和着陆有一定的参考价值。但需要指出的是,本文仅针对一次个例进行初步研究,鉴于边界层参数化方案、背景场和初始场等不同都将影响模式模拟的结果,因此未来可利用WRF模式通过不同背景场、参数化方案的对比实验进一步开展突风的预测研究。