陇南机场一次对流型低空风切变作用机理分析

逯 野 陈丽晶

（中国民用航空西北地区空中交通管理局甘肃分局，甘肃兰州 730000）

1 引言

风切变， 是指地球大气中任意两点间的风矢量差， 反映了所研究两点间风向、 风速的变化情况。根据国际民用航空组织相关定义，低空风切变则是指发生在机场跑道及其上空500 m 内的风切变[1]，具有发生高度低、持续时间短、空间尺度小、爆发突然、探测困难及难以预测等特点[2-5]，可使处于起降阶段的航空器的飞行高度、 速度和姿态在短时间内发生剧烈变化，对航空器起降威胁极大，是影响航空飞行安全的重要因素之一， 被称为民航飞行的“隐形杀手”。据不完全统计，1964—1985年间，低空风切变在全球至少导致了31 起飞行事故与3 起事故征候，造成了至少700 人丧生[6]。 根据切变类型， 可将低空风切变分为水平风的水平切变（水平风切变）、水平风的垂直切变（垂直风切变）和垂直风的切变3 种；根据形成原因，可将其分为对流型低空风切变、锋面型低空风切变、湍流型低空风切变与急流型低空风切变4 种； 根据航迹方向，可将其分为顺风风切变、逆风风切变、侧风风切变与垂直风风切变4 种[7]。

低空风切变对航空飞行安全有着严重的威胁。 因此，20 世纪70 年代至今，国内外许多学者已利用地面测风仪器、多普勒天气雷达及风廓线、激光雷达等探测设备对产生低空风切变的大尺度大气环流形势、 中尺度天气背景条件及低空风切变对航空飞行的影响程度等做了大量研究[8-14]，取得了长足进步。但使用高精度机载探测数据，对航空器实际飞行轨迹上的小尺度风场特征进行定量分析仍较缺乏， 结合航空器探测数据对低空风切变形成机制与作用机理的深层次分析仍较少。 本文使用FNL 再分析资料、探空资料、多普勒天气雷达资料、 陇南机场跑道3 套自动观测系统风数据、航空器快速存储记录器（QAR）数据信息，利用环境风矢量分解方法及风切变值计算方法对此次事件发生时段的自动观测系统风场数据和QAR数据进行分析，以期找到低空风切变的作用机理。

2 风切变事件简介及资料和方法

2022 年6 月27 日15 时33 分某航班在陇南机场使用27 号跑道进近着陆时，在跑道接地地带155.75 m 高度处触发机载设备风切变告警复飞，16 时03 分该机使用27 号跑道安全着陆。

2.1 资料介绍

2.1.1 自动气象观测系统数据

自动气象观测系统（Automatic Meteorological Observation Systerm，AMOS） 可提供高时间分辨率的低空风场探测数据，为探测、计算低空风切变强度提供了可能。陇南成县机场使用迈特力德公司生产的APOS300 自动气象观测系统，3 套风传感器分别安装于机场跑道中段及跑道两端向内100 m处，距道面10 m 高。 本文使用的AMOS 数据时间分辨率为1 min。

2.1.2 甘肃省雷达拼图

甘肃省新一代天气雷达观测网由兰州、天水、张掖、庆阳、合作、嘉峪关、陇南、临夏共8 部新一代C 波段天气雷达组成， 拼图采用组合反射率回波，本文使用拼图为陇南、合作2 部雷达拼图。

2.1.3 QAR 数据

航空器快速存储记录器 （Quickly Access Recorder，QAR） 为飞机上装载的用于记录飞机各部件工作状态信息的飞行数据记录器。 与飞行数据记录系统 （Flight Data Recorder System，FDRS）相比，其存贮容量大、体积小、存取方便、便于转录。 QAR 数据的优点在于数据可靠、时间分辨率高。本文使用的QAR 数据时间分辨率为1 s。由于QAR 数据采集频率为1 Hz，即4 s 采集一次，故后续数据分析采用4 点滑动平均。

2.2 研究方法

McCarthy 等[8]利用数值模式模拟研究发现，与航空器飞行性能关系最大的是沿跑道方向（即平行于跑道）的风分量。 因此，为更好地研究低空风切变的形成机制与作用机理， 本文除分析环境风场及其变化外， 也将环境风矢量沿航空器下滑道方向（径向，本文中西风为正，东风为负）和与下滑道垂直方向（侧向，本文中南风为正，北风为负）进行矢量分解。 其中为环境风矢量，u径向风速为沿下滑道方向的径向风分量，v侧向风速为与下滑道垂直的侧向风分量，α 为风向。 进而分别分析径向风与侧向风对航空器起降的影响及其形成低空风切变的机制。

3 低空风切变事件分析

2022 年6 月27 日陇南机场共发生2 次弱雷雨天气过程， 本次低空风切变事件就发生在第二次弱雷雨天气过程的开始阶段。 现利用FNL 再分析资料、 实况高空探测资料、 多普勒天气雷达资料、自动观测系统风数据及QAR 数据，对此次低空风切变事件的天气背景、热力和动力条件、触发原因、形成机制和作用机理进行分析。

3.1 天气形势分析

FNL 分析资料显示，2022 年6 月27 日14 时500 hPa 等压面上，欧亚大陆中高纬呈“一槽一脊”的环流形势， 欧洲大陆的阻塞高压导致大气环流稳定少动，低纬地区副热带高压强盛，蒙古冷涡南下受阻，转向东去（图1）。 500 hPa 甘肃大部受冷涡底后部西北气流控制， 中南部等高线与等温线交角明显，有较强的冷平流，陇南地区冷平流尤其显著，24 h 降温4～6 ℃（图2）。 低层随着冷槽东移，甘肃南部和东部转为暖脊控制，由四川盆地不断发展北伸的暖舌在850 hPa 等压面上表现尤为明显，陇南地区24 h 升温达6～8 ℃。 中层显著的冷平流与低层暖平流的共同作用， 有助于陇南地区热力不稳定层结的建立， 有利于热对流天气的发生与发展， 进而为对流型低空风切变的出现提供有利的天气背景。

图1 2022 年6 月27 日14 时500 hPa（a）、850 hPa（b）位势高度场（黑线，单位：dagpm）、温度场（红线，单位：℃）、风场（风羽）、湿度场（阴影，单位：%）

图2 2022 年6 月27 日14 时500 hPa（a）、850 hPa（b）24 h 变温（单位：℃）

3.2 物理量场分析

6 月27 日08 时武都站探空资料表明，600 hPa以下风随高度顺转存在暖平流，600—400 hPa 风随高度逆转存在冷平流， 大气层结热力不稳定性增加。 虽然初始对流有效位能仅15.90 J/kg，但在抬升凝结高度处浅薄的逆温层有助于对流天气发生前静力能的储存。 而根据当日预计的最高气温对探空曲线进行订正后发现， 在低层暖平流与日间地表升温的共同影响下， 到午后CAPE 值可增加至720.90 J/kg， 较大的不稳定能量为对流天气的发生提供了丰富“燃料”。 从探空曲线还可以看出，400 hPa 以下相对湿度较小，低层比湿较大，为对流天气的发生提供了足够的水汽条件； 甘肃南部多山区， 地形条件为午后的热对流天气提供了较好的抬升机制。 探空图上还显示400 hPa 有干冷空气侵入，通过蒸发加强了雷暴中的下沉气流，有利于雷暴大风天气的产生；400 hPa 以下存在明显的垂直风切变， 为对流天气的发展提供了动力条件。 以上物理量场均有利于午后热对流和大风天气的产生， 也为低空风切变的出现创造了良好的热力和动力条件。

3.3 雷达回波特征分析

甘肃省多普勒天气雷达反射率因子回波演变拼图显示，陇南机场当天午后共有2 次雷暴过程。第一次雷暴过程回波上表现为孤立的对流云团，从上游生成后自北向南移动， 成熟阶段经过本场后远离。 第二次雷暴过程回波上表现为多个对流云团，最强回波中心强度超过50 dBz，自东北向西南移动，移动过程中有新老单体生成与消亡，表现为多单体雷暴特征。15:19 成片对流云团南压至机场后，分裂为东、北、西三个对流单体。受其影响机场出现弱雷雨天气。随着云系继续南移，机场东测和北侧对流单体不断减弱， 西侧对流单体不断加强南压， 直到16:33 陇南机场第二次弱雷雨天气过程结束。 此次低空风切变发生在对流云团南下影响机场并出现弱雷雨的天气条件下， 属典型的对流型低空风切变。 航空器报告遭遇风切变的时间、位置也与王学永等[9]发现的“雷暴单体移动方向前20 km 范围内较易产生风切变”的结论一致。

3.4 自动观测系统风数据分析

6 月27 日13:30—16:30，受机场对流云影响，跑道两端先后出现不同强度的偏北风，10 min 平均风速最大可达13.28 m/s， 瞬时风速最大可达16.40 m/s（图3a）。 且在对流云底下沉气流外流的影响下，低空风场会先表现为风向的转变，再表现为风速的增加，二者相差6～21 min，与王学永等[9]对雷暴天气下近地层风场变化的分析结果一致。可见， 风向转变是对流云底下沉气流外流开始影响的标志，也是地面阵性大风即将出现的预兆，对预警风切变有一定指示性意义。此外，风向变率与风速变率的波动表明， 在雷暴密度流内活跃的湍流影响下，风速将出现剧烈波动且维持较长时间，而雷暴密度流导致的风向突变仅发生于对流云下沉气流外流影响初期。

15:27—15:36 受对流云影响， 道面已转为稳定的偏北风， 但风速在9 min 内由3.20 m/s 急速增加至15.50 m/s。 在航空器遭遇风切变的15:33，地面风速更是于1 min 内突增5.70 m/s，风速变率达0.10 m/s2。 且环境风矢量沿跑道与跑道垂直方向的分解（径向，逆风为正，顺风为负；侧向，右侧风为正，左侧风为负）结果显示（图3b），在偏北大风影响下，当时跑道右侧风速达12.62 m/s，风速变率达0.09 m/s2。可见，通过自动观测系统风场数据分析可知， 对流云底下沉气流外流可能是导致机场跑道右侧风速激增， 进而导致该航空器遭遇风切变的主要原因。

3.5 低空风切变值分析

虽然两次雷暴天气期间，机场跑道两端环境风的侧向风分量均显著大于径向风分量，但侧向与径向上的水平风切变强度分别平均为2.24 m·s-1·km-1和2.13 m·s-1·km-1（图4），仍处于一个量级，且侧向与径向上分别出现过15.85 m·s-1·km-1和13.88 m·s-1·km-1的严重风切变。 而在13:30—14:00 环境风速小于5.00 m/s 的情况下，27 号跑道上稳定维持的弱径向风辐合区使径向水平风切变值长时间超过2.57 m·s-1·km-1，逆风切变平均达5.12 m·s-1·km-1，最强到8.69 m·s-1·km-1。 可见，大风并非是出现强风切变的必要条件， 弱风速条件下，风场辐合亦可造成强风切变。

图4 2022 年6 月27 日05:30—08:30 陇南机场跑道两端水平风切变值（a：径向；b：侧向）

但与湍流辐合所形成的乱流型低空风切变不同， 雷暴密度流所形成的对流型低空风切变持续时间较短，单次过程最长不超过22 min，最短仅7 min，平均约14 min。但强度强，最强可达15.85 m·s-·1km-1。且越靠近对流云团，风切变持续时间越长，强度越大。 此外，两次雷暴天气期间，对航空器起降有威胁的水平风切变首次出现时刻与风切变强度峰值时刻均表明， 最强风切变出现在对流云底下沉气流外流影响初期，与王学永等[9]研究结果一致。

通过对航空器起降时段内的风切变值进行分析发现，15 时30 分27 号跑道水平风切变首次突破2.57 m·s-1·km-1，达到6.29 m·s-1·km-1。3 分钟后便迅速达到峰值6.86 m·s-1·km-1，远超美国联邦航空局（FAA）认为的可对航空器起降造成威胁的告警值，跑道东段出现了严重风切变。而在航班落地时的16 时03 分27 号跑道水平风切变值仅有0.29 m·s-1·km-1，远小于2.5 m·s-1·km-1，适合降落。可见，利用跑道测风数据计算水平风切变，可有效识别出对航空器起降有威胁的低空风切变。

3.6 QAR 数据分析

当事航班在15:32:59—15:35:34 的QAR 数据显示，航空器进近着陆过程中，航迹上逐渐由西北风顺转为偏北风，风向变化较小。 但在飞机反应式风切变警告系统发出告警时，机载风传感器探测到的环境风速由17.25 m/s 增至17.50 m/s， 风速虽大但无显著突变。 通过将环境风矢量沿下滑道方向（径向，逆风为正，顺风为负）与垂直下滑道方向（侧向，右侧风为正，左侧风为负）进行矢量分解，当航空器触发风切变告警时， 侧向风速由16.26 m/s 增加至17.07 m/s， 径向风速则由5.13 m/s 骤降至3.83 m/s。可见，在此次对流型低空风切变过程中，水平风向、 风速变化并非是引起机载设备风切变告警的直接原因。

从QAR 数据中各项记录航空器飞行状态的数据也可明显看到，航空器在进近着陆过程中越接近道面，指示空速波动越大（图5）。15:33:59 受顺风风切变影响，航空器指示空速骤增11.63 km/h，重力加速度突增0.36 g， 飞机出现较为明显的增速和掉高度。 且旋转角和俯仰角分别发生8.44°和2.90°的转变。可见，垂直风的切变使处于进近着陆阶段的航空器飞行高度、 速度和姿态发生剧烈变化，从而触发机载设备风切变告警。

图5 2022 年6 月27 日陇南机场复飞航班QAR 数据（a：指示空速；b：飞机过载；c：旋转角与俯仰角）

4 结语

（1） 显著的高空冷平流与低层暖平流共同强迫，有助于陇南地区热力不稳定层结的建立，有利于热对流天气的发生与发展， 进而为对流型低空风切变的出现提供有利的天气背景。

（2） 某航班在陇南机场遭遇的低空风切变发生于弱雷雨天气条件下， 属典型的对流型低空风切变， 最强的对流型风切变出现在对流云底下沉气流外流影响初期。

（3）水平风向、风速变化并非是引起机载设备风切变告警的直接原因； 垂直风的切变才是使处于进近着陆阶段的航空器飞行高度、 速度和姿态发生剧烈变化， 从而触发机载设备风切变告警的直接原因。

（4）地面机场跑道自动观测系统可准确、及时地反映近地层风场突变， 对预警风切变有一定作用；利用风切变值计算方法，可有效识别出对航空器起降有威胁的低空风切变， 但利用其研究讨论风切变作用机理仍有较大偏差。

（5） 利用环境风矢量分解方法及风切变值计算方法分析QAR 数据对于研究低空风切变形成机制与作用机理有较大帮助。