风廓线仪在低空风切变探测中的应用初探-纪鹏飞讲解

风廓线仪在低空风切变探测中的应用初探
纪鹏飞丁艳丽石步鸠
民航华北空管局气象中心北京市 100621
摘要：低空风切变是航空器起飞、着陆阶段威胁飞行安全的危险因素。

本文根据首都机场风廓线探测资料，按照雷雨型、锋面型、逆温型、低空急流型和其他型，对产生的低空风切变过程进行了分类和统计；并利用风廓线探测资料，个例分析了几种产生低空风切变的风场特点。

关键词：风廓线低空风切变探测
1引言
低空风切变属于微尺度天气现象，存在时间一般仅在几分钟到几小时，范围也仅是几米到几公里，同时，危及飞行安全的低空风切变还具有强度大的特点，这随之带来了探测难、预报难、航管难、飞行难等一系列困难，是一个不易解决的航空气象难题。

2低空风切变的探测设施
目前，国内外研究低空风切变多是利用气象铁塔的观测资料进行的，近些年来，随着风廓线仪和多普勒天气雷达等技术设备的日趋成熟，应用这些设备的输出数据进行低空风切变研究也逐渐兴起。

对于机场来说，其进近区域内不可能建设过高的设施和建筑，因此安装风廓线仪和多普勒天气雷达更符合机场探测低空风切变的要求。

本文就首都机场新近安装的风廓线仪在低空风切变探测中的作用进行了探讨。

北京首都机场于2007年5月安装了芬兰维萨拉公司生产的LAP-3000型号风廓线仪系统，安装于两条旧跑道的中间，用于探测地面以上3公里或更高高度的地球大气数据。

该风廓线仪技术是由美国海洋大气管理署，即NOAA开发并授权维萨拉公司和Sonoma科技有限公司将其商业化。

通过维萨拉公司和NOAA的进一步合作开发和精益求精，使风廓线仪成为产品。

LAP-3000型号风廓线仪可以提供连续的边界层大气数据，并生成风场的廓线图，具有较高的时间和空间分辨率：全新数据的时间分辨率最短可以是4.5分钟，空间分辨率是低模式60米，高模式100米，能够探测的最低高度依赖于设备的设置，通常设置为130米左右。

这样的大气数据能够清晰地反映出边界层大气的结构特点，以及变化规律，对进行天气预报，以及进行理论研究来说都是不可多得的宝贵资料。

纪鹏飞，1977年5月，男，工程师，航空气象。

3低空风切变的定义
风切变是风速和风向的变化率，它对飞行的影响可以从很小到极端危险，按空间结构可以分为：垂直风切变，水平风切变，上升气流、下沉气流或垂直阵风切变。

在国际上，普遍认为高度在2000英尺（约609米）以下的风切变对飞行来说是最危险的，称之为低空风切变。

按照Binbin Zhou[1]对低空风切变和强低空风切变的定义标准，低空风切变为地面和2000英尺（约609米）高度间的风矢量差异。

强低空风切变为低空风切变大于20节/2000英尺（约10.3米/秒/609米），或2000英尺高度意下任意厚度为200英尺的气层中，如果存在低空风切变大于20节/200英尺（约10.3米/秒/61米）。

在本文中我们将上述标准进行了扩大：在609米高度以下任意高度间的风矢量差异>10.3米/秒，就认为达到了强低空风切变的标准；并认为10.3米/秒>风矢量差异>7米/秒为较强低空风切变的标准。

4使用风廓线仪探测到的首都机场低空风切变统计
我们对2007年5月风廓线仪雷达投入运营开始，到12月间的探测数据进行了计算，对达到强低空风切变标准或较强低空风切变标准的低空风切变过程进行了统计。

按类型统计的结果如下，其它类型是指低层出现较强的西北风时伴随的低空风切变，如下表：
表1 首都机场2007年使用风廓线仪探测的低空风切变类型统计
表1表明：在首都国际机场，由超低空急流引起的低空风切变数量最多，基本上占到总数的一半；其它类型的低空风切变次之，占到了总数的21.1%；雷暴型、锋面型的低空风切变数量较少，但是强度相对更强；逆温型最少，强度相对较弱。

因为收集到的风廓线仪资料的时间为5月下旬到12月底，因此无法统计其季节规律，大致上以夏季最多。

按时段统计，日变化规律见下表：
表2 首都机场2007年使用风廓线仪探测的低空风切变，按时段统计
从表2中可以看到，在一天当中，风切变出现最多的时段分布在05—11时之间，即凌
晨到上午的时段内；傍晚前后较少。

5风廓线仪在低空风切变探测中的作用
能够对飞机起飞和着陆产生较大影响的低空风切变的天气系统是雷暴、锋面和低空急流。

此外，低空逆温也可以产生较强的风切变。

因而根据低空风切变出现的不同天气背景可以分为雷暴、锋面、逆温和低空急流型。

下面就风廓线仪在四种不同风切变类型中的表现探讨其在低空风切变中的作用。

使用的资料为风廓线仪低模式数据。

5.1雷暴型
图1 雷暴中的强风切变示意图
主要指雷暴前沿的冷性外流及雷暴云中的垂直气流所形成的强风切变，如图1所示。

冷性外流也即雷暴来临前最初的阵风，阵风的前缘称之为阵风锋，据统计表明大多数风切变事故都发生在阵风锋到其后的150英尺范围内。

雷暴云中的垂直气流也即下击暴流，是由雷暴产生的极端强烈的局地下沉气流，很多时候其强度足以超过飞机的爬升能力。

2007年6月27日，首都机场出现了一次雷雨天气过程，伴有雷暴、大风等强对流天气现象，雷雨存在的时间段为14:12—15:05（北京时，下同），在这一过程中风廓线仪探测的垂直风场如图2所示，起止时间分别是11:40和16:40。

图2 2007年6月27日首都机场雷雨过程前后风廓线仪探测的垂直风场从图2中我们可以清楚地发现，在首都机场出现雷雨的1个小时前，其冷性外流就已开始影响机场跑道和进近、起飞区域，在冷性外流最初的1个小时内存在明显的低空风切变。

表3 2007年6月27日低空各层风廓线仪数据
空风切变的标准。

表4 2007年6月27日13:33—15:04低空各层风廓线仪的垂直速度数据
在图4所示的时段内，下击暴流的垂直风速均在6米/秒以上，飞机突然进入这种低空区域时，根据计算升力至少会减少80%，高度会降的非常迅速，处于非常危险的情形当中。

5.2锋面型
指伴随着锋面天气系统出现的低空风切变，其中对飞行危害较大的是冷锋型低空风切变[2]。

图3是2007年12月28日一次首都机场冷锋过境时风廓线仪探测的垂直风场。

从中我们可以看到冷空气主要集中在2500米以下，冷锋前倾，地面锋线过境时间大约在07:15—07:30间，锋面过境后，低层存在明显的水平风切变和垂直风切变。

图3 2007年12月28日首都机场冷锋过境时风廓线仪探测的垂直风场
表5 2007年12月28日首都机场7:30:21、8:00:21两个时刻的
低层风廓线仪探测的风速数据
在表5中，锋面过境以后，风速存在一个迅速由小转大的过程，在三维风场中应该表现为明显的水平风切变，从250米到612米高度上，水平风切变的数值都在8米/秒以上； 130米高度与551米和612米高度上的风速差分别为14.4米/秒和15.5米/秒，远大于10.3米/秒，存在强低空风切变。

5.3低空急流型
指伴随着低空急流出现的低空风切变。

低空急流的形成原因有多种：可以由天气形势引起，可以由逆温引起（即逆温型风切变），也可以由地形引起。

图4是首都机场一次由天气形势引起的低空急流和超低空急流的风廓线仪探测风场。

从
图中可以明显地看到：800米以下至200米附近存在着超低空急流。

这一天首都机场从08:36到第二天的凌晨04:42总降水量达29.4mm，达到了大雨的等级。

图4 2007年5月22日首都机场探测的低空急流和超低空急流的风场
表6 首都机场2007年5月22日15:45风廓线仪探测的低层风数据。

从表6中我们可以看到超低空急流的急流中心在491米到551米高度上，中心风速超过13米/秒，与最低层风的切变风矢的速度为12.25米/秒，也达到了强风切变的标准，同时还伴有较强的下沉气流，下沉速度达到了5米/秒左右，两方面共同作用，对飞行中的飞机的影响更强。

6小结
低空风切变是因为其尺度小、存在时间短等特点，不可能在常规天气图上捕捉到，因此如何探测低空风切变并做好临近预警工作是现在可行的途径。

从以上分析中我们可以看到，风廓线仪可以很好地探测到低空风切变的存在，并可以根据其实时输出的数据计算低空风切变的强度，并在一定程度上弥补了机场探空数据的不足。

但是，风廓线仪也有局限的方面：因为风廓线仪是无线电遥测设备，容易受到其它无线电信号的干扰；因为风廓线仪探测的是单点上空垂直的风场，只能近似反应机场周围的风场结构，不能细致地刻画，如果想要较为完整的风场形势，可以将风廓线仪布网或与其它数据联合使用。

由于时间原因，本文章只对2007年的风廓线仪探测数据进行了分析，后续我们将对各年的数据进行整理和统计分析，总结使用经验，做好风切变的监测和预警工作。

参考文献：
[1] Binbin Zhou，NOAA/NWS/NCEP/EMC，October 21, 2004，Verification of SREF Low-Level Wind Shear (LLWS)
[2]赵树海.航空气象学. 北京：气象出版社，1994.。