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。