首都机场两次低空风切变过程特点和大气环流形势分析
首都机场两次低空风切变过程特点
和大气环流形势分析
纪鹏飞[1]丁艳丽[1]李胜[2]
1.民航华北空管局气象中心北京 100621
2.民航华北空管局战略发展部北京 100621
摘要本文通过对首都机场曾经出现过的两次低空风切变的大气环境和成因分
析发现，这两次发生的低空风切变不完全属于传统的低空风切变分型，具有其
自身的特点：（1）没有发生在冷锋过境时；（2）发生在平均风速和阵风风速最
大，且阵风风速起伏变化较大时；（3）在天气形势上，经向气流强盛，横槽转
竖，冷空气向南爆发，使首都机场的出现强风；（4）横槽转竖后在北京附近与
南支槽相接，并且移速突然减缓，使高层冷区在北京附近堆积，加强动量下传
作用，从而导致风的阵性加强，是此种类型低空风切变形成的主因；（5）近地
层存在东西向上升中心和下沉中心的相互耦合，使首都机场风的侧向分量强
大，飞行操作难度增加，更加突显低空风切变的影响。预报业务中利用这些特
点对提前发布低空风切变预警趋势,确保飞行安全有一定的参考价值。
关键词低空风切变阵风风速起伏变化横槽转竖耦合侧向风
引言
航空气象学中，低空风切变通常是指近地面600米高度以下的风切变[1]，属于微尺度气象学范畴。微尺度气象学[2]是关于仅存在几分钟或几小时的天气现象的天气学说，空间范围是几米到几公里，因此，低空风切变不可能在天气图上表现出来，也不可能在天气预报中论及。但是低空风切变是飞机在爬升和着陆阶段中的一个重要危险因素，据统计[3]，航空事故死亡人数中的40%为低空风切变所造成,与低空风切变有关的飞行事故都发生在300m 以下的起飞和着陆阶段,尤以着陆阶段为甚,占78%。首都机场是全国最繁忙的机场，现在日起降架次均在1000架以上，2008年第三条跑道启用以来，日起降最高已达1777架次，因此风切变对飞行安全、机场正常运营来说，影响也将越来越显著，如2006年12月16日，受风切变影响，先后有4架航班复飞。
对于首都机场来说，风切变探测手段还比较缺乏，虽然安装有多普勒天气雷达，但也只在有特殊天气回波的条件下能够探测到低空风切变，安装的机场跑道自动观测系统和风廓线仪，探测范围受到限制，没有办法延伸到跑道外围区域。因此，研究现有个例，找出本地发生风切变时的天气特点，总结经验，是现行最有效的途径。
通过对首都机场低空风切变过程的统计，我们发现在强地面风的情况下存在着低空风切变，不包含于传统的低空风切变类型当中，非常具有研究的意义。
一、资料和方法
本篇文章针对于民航华北空管局气象中心收到的两次关于在大风条件下出
现的低空风切变天气过程的机组报告，进行了资料统计和分析。使用的资料ncep资料、机场跑道自动观测资料、飞机气象报告等，对低空风切变过程的天气形势和风场变化进行了详细的描述和分析，并进行了数值诊断。
首都机场海拔高度35米，跑道南北真方向为173°—353°。使用的时间均为世界时。
二、低空风切变过程简介
本文涉及到的低空风切变过程共有两次，均出现在大风条件，天气过程简介如下：
一次发生于2005年05月07日，共有两个航班报告遭遇到了风切变，报告时间分别为07:15、07:46，位置在进近过程中距地200英尺。
另一次发生于2006年12月16日，共有5个航班报告遭遇到了风切变，其中后4架复飞，报告时间分别为02:15、03:28、04:30、04:54、05:00，位置在进近过程中距地700英尺。
这两次低空风切变过程持续的时间都较长，超过了30分钟，尤其第二次，不但强度要强，而且持续的时间也更长，长达3个小时左右，机场的正常运行受到很大影响。通过查看这两天所有整点和半点的首都机场实况了解到，在低空风切变发生时，锋面已经过境一段时间，并且均为晴到少云天气，无对流云。
这两次风切变过程有一个共同的特点，六次飞机报告均是在进近的过程中遭遇风切变，并且高度很低，没有起飞飞机遭遇低空风切变的报告。
三、地面实况测风分析
图1 2006年12月15日12时—16日13时的平均风向和风向变差（上左）、平均风速和阵风（上右）2005年05月07日00时—14时的平均风向和风向变差（下左）、平均风速和阵风（下右）
平均风向为零表示风向不定
图1给出的是首都机场整点和半点的实况测风数据，图中显示出这两次风切变过程都是冷空气过境的伴随现象。如果以风向达到或超过270度，并且风速达到或超过5米/秒视作冷锋过境标准的话，首都机场在2006年12月15日的14:30时和2005年05月07日的05:30时有冷锋过境，区别是前者的平均风速和阵风逐渐加大，在16日01:30时—08:00时阶段达到最大，风向变化较为缓慢，后者则是冷锋
过境后，风向改变迅速，平均风速和阵风也迅速达到最强阶段，直至11:00时开始减小。但两次风切变过程还是有相同的特点：（1）都没有发生在冷锋过境的时候，前者是因为冷锋过境前后风向和风速变化较少，后者通过对跑道自动观测系统的2分钟平均风速分析发现，平均风速还是在较短的时间内有一个渐变的过程，这种变化可能对现在的大型飞机的影响不大，所以没有接到机组的报告；（2）发生在平均风速和阵风都达到最强的阶段，两次过程平均风速≥10米/秒，阵风在20米/秒左右；（3）都发生在风速最强阶段中阵风风速起伏变化较大的时候，阵风风速的变化范围差不多在5米/秒左右；（4）风向变差与风切变没有必然的关系，在前者中，出现风切变时并没有风向变差。
四、环流形式分析
我们系统地分析了这两次风切变过程的天气形势，发现这两次过程同属于寒潮天气，在形势变化的过程中具有相同的特征，下面以2006年12月16日的过程为例进行介绍。
o 40
图2 2006年12月15日12时500hPa（左）、700hPa（中）、850hPa（右）形势
图2显示，2006年12月15日12时500hPa中国地区为一槽一脊的天气形势。高
压脊位于新疆地区，向北方伸展，势力强盛，并有较强的温度脊配合。低压槽系统分为南北两部分，南段槽位于华北至西南地区，槽后脊前冷舌明显，北京地区位于槽线附近，气流偏平，有冷平流存在，北段槽在15日12时位于东北北部，为横槽，有强冷中心配合，此时已有转竖的趋势。700hPa和850hPa的天气形势较为一致，蒙古东部和东海上各有一槽，构成阶梯槽的形势，槽线后倾，北京地区位于两槽之间，为西北气流；这两层也均在蒙古东部到西南地区有明显的冷舌存在。
o 40
图3 2006年12月16日00时（左）、16日06时（中）、16日12时（右） 500hPa形势
到16日00时，500hPa等压面上南段槽位置少动，北段槽已经转竖，并与南段
槽相接，温度槽追上低压槽，华北处槽加深，温度场与气压场位相一致，槽线刚过北京，北京地区风速为20米/秒。06时冷槽略有东移，而北京地区上空的风速明显加大，达到34米/秒。这样必然在槽后形成明显的风速辐合，产生冷空气的堆积，促进冷空气的下沉运动，致使动量下传。低层等压面上00UTC—06UTC间上游最强风速的变化也说明了这一点，如700hPa由24米/秒左右增大到28米/秒以
上，925hPa 由14—16米秒增大到18米/秒以上，并且最大风速区的范围也明显增大。
从以上分析我们可以看出，这是一次典型的横槽转竖、冷空气向南爆发的过程，属于寒潮天气，并具有其自身的的特点，地面天气形势和北京地区的天气演
120
图4 2006年12月15日12时（左）、16日00时（中）、16日12时（右） 地面气压场和风场
从图4中可以看到，在15日12时，整个中国地区受一强高压控制，高压中心
位于蒙古西部，中心气压值达到了1054hPa,主体冷锋已经入海，在北京的西侧有副冷锋存在，与整层的冷区位置配合较好。14:30时左右，副冷锋经过首都机场，但是500hPa 冷空气跟进缓慢，到16日00时500hPa 冷槽经过首都机场后，首都机场的风速才开始迅速加大，可见500hPa 冷空气的下沉运动对地面风速的影响非常明显，首都机场的地面气温到06时较前一日同比下降也超过了10摄氏度。
航空器报告遭遇风切变前后，也正是500hPa 横槽转竖经过首都机场后，移速突然减缓的时候。这种状况一方面有利于槽后的风速辐合，使空气产生堆积效果，另一方面也使强冷区在北京上游地区维持，两方面共同作用，使冷空气不断作下沉运动，不但增强了地面高压，使地转风增强，也将高层气体的动量向下传递，使低层的风速逐层加大，从而让低层湍流加强，即阵风出现，阵风越大湍流越强，阵风风速起伏变化越大，也即空气的湍流运动越不规则，当湍流的尺寸较大时（超过飞机的尺寸），就会形成风切变。
五、 诊断分析
首都机场的这两次风切变过程都较接近06时，因此选择了2006年12月16日和
2005年05月07日两天的06时次的资料进行物理量对比分析，以期寻找到首都机场发生风切变时的特点。
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o 40-5
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图7 2006年12月16日925hPa 风u （左）、v （右）分量，蓝色填充区为西风或北风
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图8 2005年05月07日925hPa 风u （左）、v （右）分量，蓝色填充区为西风或北风
图7和图8分别给出了两次风切变过程发生之际925hPa 高度上风的南北分量和东西分量，从中我们可以发现，在风切变发生时，进近着陆和起飞的飞机都在强侧风条件下飞行，风速的东西分量均超过了10米/秒。对于喷气式运输机来说，起飞/着陆所允许的最大侧风值为：90°侧风12米/秒，45°侧风16米/秒[1]。两次过程的侧风均已接近了这个限制。据研究[1]，在强侧风条件下滑跑的飞机，都应向侧风方向压杆以消除倾斜力矩，向侧风的反方向蹬舵以消除转弯力矩；而着陆的飞机遭遇的困难比起飞时更大，此时飞行员必须注意修正偏流，如果修正不当，会造成飞机场外界地。可想而知，在强侧风条件下进近着陆的飞机同时遭遇到不稳定的强阵风时，飞行员对飞机的控制将更加困难，飞机摇摆不定，很难对准跑道。这可能也是首都机场两次风切变过程中只有进近着陆的飞机报告遭遇风切变，而没有起飞飞机报告的原因。
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-0.4-0.4-0.4-0.4
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图9 2006年12月16日（左）、2005年05月07日（右）925hPa 的垂直P 速度
图9显示，风切变发生时，北京上游地区有强下沉中心存在，在辽东半岛有强上升中心，首都机场位于两者之间的下沉区边缘，下沉中心与上升中心相互耦合，两者连线也近于东西向，与首都机场很强的风u 分量相对应。而且2006年12月16日的下沉和上升中心也明显要比2005年05月07日强很多，也与2006年12月16日风速较2005年05月07日大相对应，也是前者风切变强于后者的原因。
六、 小结
通过对两次风切变过程中的实况侧风分析、天气形势分析、和物理量场的诊断，结果表明：
（1）风切变都发生在冷锋过境后，首都机场出现强平均风（≥10米/秒）和强阵风（20米/秒左右）时，而不是冷锋过境前后；
（2）风切变发生时，强阵风风速起伏变化较大；
（3）两次风切变的天气过程都是强经向环流下，由横槽转竖，冷空气向南爆发，使首都机场风场出现强烈的变化；
（4）横槽转竖前首都机场上游整层存在明显的冷舌，使形势场调整出低槽，横槽转竖后在北京附近与低槽相接，并且移速突然减缓，使高层冷
区在北京附近堆积，加强动量下传作用，从而导致风的阵性加强，是此种类型低
空风切变形成的主因；
（5）在进近高度上同时存在较强的气流下沉中心和上升中心，中心连线近于东西向，并相互耦合，使首都机场出现很强的侧向风。
（6）猛烈的侧向风对进近着陆的飞机影响更大，再加上强阵风风速的不稳定，飞行员更加难以控制飞机，使飞机摇摆不定，当飞机不能对准跑
道时，就需要复飞，也就是说，强风条件下，风切变与强阵风的不稳定
相关。
参考文献
[1]赵树海.航空气象学. 北京：气象出版社，1994.
[2]Microscale meteorology and atmospheric hazards.澳大利亚，2007.
[3]俞飞姬鸿丽.低空风切变的分析与预报.四川气象，2001年第3期.