利用風廓線雷達研究鄭州機場低空急流特征及其對飛行的影響

李健，栗敬仁，田軍

(中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局河南分局，河南鄭州450000)

1 引 言

在晴朗的夜間，正在進場著陸的飛機有時會遇到機頭突然下沉、空速指示迅速減少等情況，這可能是遭遇了低空急流。低空急流一般指600 hPa以下出現(xiàn)的強而窄的氣流[1]，它是水平動量集中的氣流帶，具有強大的水平和垂直風速切變，與雷暴等強對流天氣、航空安全、空氣污染物的輸送和擴散等密切相關(guān)。近年來，我國許多學者對其形成機制以及與強降水等天氣的關(guān)系做了大量富有成效的工作[2-8]。但局限于常規(guī)探空觀測的不足，很難捕捉到低空急流的短時變化過程。美國國家海洋大氣局對布設(shè)在美國中部的風廓線雷達網(wǎng)做出最終評估結(jié)論[9]：風廓線雷達的時間和空間分辨率超過任何一種高空風測量系統(tǒng)，間隔6分鐘的風廓線資料可顯示出短波波動等天氣系統(tǒng)的連續(xù)變化過程。Mark等[10]在1995年利用風廓線雷達觀測資料來研究美國夏季大草原上的低空急流時發(fā)現(xiàn)：弱(強)的急流平均持續(xù)時間是4(2)小時，一天兩次的常規(guī)探測不能很好地監(jiān)測低空急流，常漏掉最強急流的出現(xiàn)時刻；Joshi等[11]利用風廓線雷達資料研究了印度普納季風期的低空急流，發(fā)現(xiàn)7月是急流的高發(fā)時期，且白天與夜間的低空急流高度有明顯不同?？梢?，風廓線雷達很適合做低空急流的研究，它能直觀顯示低空急流的持續(xù)時間、所在高度、風速強度等信息。

國內(nèi)學者張小雯等[12]指出風廓線雷達提供的高空風資料進入快速同化系統(tǒng)和中尺度模式后可提高預(yù)報準確率；劉紅艷等[13]發(fā)現(xiàn)把水平風的垂直分布作為移動矢量進行回波外推，能夠預(yù)測出雷達回波的整體移動趨勢，對1小時內(nèi)的臨近預(yù)報有較好的效果。所以利用風廓線雷達對臨近預(yù)報預(yù)警的作用，學者們重點研究了低空急流對強降水等天氣的指示意義，劉淑媛等[14]、張京英等[15]、張檉檉等[16]研究指出風廓線雷達能夠很好揭示低空急流脈動的強度及向下擴展的程度與中小尺度強降水之間的密切關(guān)系，暴雨的產(chǎn)生主要是由低空急流的下傳和加強引起；金巍等[17]研究也表明強降水的強弱和低空急流的強度和伸展高度直接相關(guān)。

從目前的研究現(xiàn)狀可看出，一方面，很多學者都側(cè)重利用風廓線雷達資料研究低空急流對強降水等災(zāi)害性天氣的作用，以提高臨近預(yù)報準確率，對低空急流在飛行活動中的影響則很少涉足，若急流發(fā)生高度比較低，處于飛機起降范圍之內(nèi)，就會影響飛機的正常起飛和著陸，甚至威脅飛行安全；另一方面，局限于高空探測手段和資料的匱乏，同樣較少見到低空急流系統(tǒng)的氣候統(tǒng)計分析。本文主要利用2016、2017年鄭州機場CFL-03(測風雷達型號)邊界層風廓線雷達HOBS(Half Observation)觀測資料(半小時平均，其中有幾次停機維護導(dǎo)致資料缺失或不全，處理數(shù)據(jù)時已將其剔除)，對機場上空低空急流的時空分布特征進行較全面的統(tǒng)計分析，揭示其發(fā)展演變規(guī)律，并結(jié)合一次因低空急流而導(dǎo)致飛機復(fù)飛的案例分析其對航空飛行活動的影響。

2 設(shè)備與方法

本文所用的CFL-03邊界層風廓線雷達于2015年下半年安裝在鄭州機場北跑道北側(cè)，同年12月通過行業(yè)驗收并開放運行，其中一些參數(shù)是：經(jīng)緯度為113.8°E，34.5°N，海拔高度為148 m，工作頻率為1 320 mHz，空間分辨率為60 m、120 m，時間分辨率為5 min，探測精度為水平風速≤1 m/s，徑向速度≤0.25 m/s，風向角度≤10 °[18]。

根據(jù)已有研究，低空急流按所在高度大致分為自由大氣低空急流和邊界層低空急流[19]，自由大氣低空急流一般位于850～600 hPa之間，常與天氣系統(tǒng)相伴出現(xiàn)；邊界層低空急流發(fā)生在大氣邊界層以內(nèi) (大概在850 hPa以下，一般把位于900 hPa以下的低空急流稱為超低空急流[20-21])，有時伴隨暴雨過程，有時無明顯的天氣系統(tǒng)，比如夜間低空急流高度較低，有逆溫層和明顯的日變化，但與暴雨關(guān)系不大[22-25]。我國學者在研究中國低空急流時一般將其定義為：600 hPa以下的大氣低層，某一層等壓面上(700 hPa、850 hPa、925 hPa)在某一區(qū)域內(nèi)風速達到某一標準的強風帶 (最常用的風速標準是≥12 m/s或16 m/s)[26]，風向一般以偏南風為主，大多為西南風急流[20,27]。另外，鄭州機場跑道的方向是西北-東南走向，西南低空急流恰好垂直于跑道，對飛行而言屬于側(cè)風，若側(cè)風分量(指風沿垂直于跑道方向的分量)較大，飛機兩翼所受的動力作用不同，嚴重影響飛機起降時的操縱，所以本文更多只關(guān)注西南低空急流。

考慮雷達有效探測高度及低空急流對飛機起降的影響 (低空風的瞬時變化也會對飛機起降造成較大影響)，本文采取的低空急流判定方法以鄭州機場測站為基礎(chǔ)，定義為在60～1 500 m垂直高度層內(nèi)(只有在分析急流的月、日時空分布時才將高度延伸至4 200 m，即600 hPa附近)，如果滿足風速≥12 m/s(根據(jù)鄭州機場本地氣候特點及文獻[1]，設(shè)定最大風速一般不超過40 m/s)，風向在180～270°之間，即出現(xiàn)一次西南低空急流，對風速的垂直切變和持續(xù)時間并沒有特別要求。若在兩個以上高度出現(xiàn)風速極大值(≥12 m/s)時，同一時間均算出現(xiàn)一次低空急流事件，文中在統(tǒng)計急流中心高度時選取風速極大值最大的所在高度作為急流中心的高度。

3 低空急流特征

3.1 月變化特征

圖 1 整體顯示，夏末(8 月)、秋季(9、10、11 月)低空急流出現(xiàn)次數(shù)相對較少，而春季(3、4、5月)、夏初(6、7月)則是急流的頻發(fā)時期，其中上半年累計頻率占60%以上，5月出現(xiàn)次數(shù)最多，8月最少，這和Joshi等[11]的研究“7月是印度普納急流的高發(fā)時期”有一定的差異，和陳楠等[27]的研究“南京地區(qū)低空急流春、夏季出現(xiàn)次數(shù)多于秋、冬季”比較相似，說明低空急流具有明顯的地域特征。冬季兩年差別較大，2017年1、2月出現(xiàn)次數(shù)比2016年要高，12月則低許多，由于觀測資料年限較短，尚不能作出定性結(jié)論。

圖1 低空急流出現(xiàn)頻次及累計頻率月變化圖 a.2016年；b.2017年。

為全面了解鄭州機場上空低空急流的垂直結(jié)構(gòu)變化特征，本段把探測高度延伸至4 140 m(600 hPa附近)，利用2016、2017年兩年的風廓線雷達資料做出了此高度下低空急流的最大風速及其平均風向隨高度的月際變化及相應(yīng)頻次統(tǒng)計(圖 2)。

冬季(12—2月)只是在低層(500 m以下)有較大的風速區(qū)，最大值在28 m/s以上，這表明冬季是超低空急流的頻發(fā)時期，且強度較強，500 m以上低空急流的最大風速相對較小，其中12月在1 500～1 620 m這個高度層兩年均未探測到低空急流的存在，故以陰影部分表示。

圖2 2016—2017年低空急流最大風速及其平均風向隨高度的月變化及相應(yīng)頻次統(tǒng)計圖 a.最大風速隨高度的月變化；b.最大風速的頻次統(tǒng)計；c.平均風向隨高度的月變化；d.平均風向的頻次統(tǒng)計。a中黑色部分表示風速超出研究范圍。

春季(3—5月)特征最明顯，從低層到高層風速呈現(xiàn)先增大后減小、再增大的變化過程，其中有兩個風速大值區(qū)，分別是700～1 500 m和2 700～4 200 m，分界層在1 800 m左右，整層最大風速達到全年最大，且存在較大的風速垂直切變。圖2c顯示，該層中的風向也基本一致，在200～220 °。

夏季(6—8月)在8月900～1 500 m出現(xiàn)低空急流空白區(qū)，即圖中陰影部分，表明這一時期這一高度層內(nèi)風廓線雷達并沒有探測到鄭州機場上空有低空急流的存在，圖1可給出相應(yīng)解釋，8月是低空急流出現(xiàn)次數(shù)最少的月份，相應(yīng)的發(fā)展高度并不能覆蓋整個高度層，就會出現(xiàn)空白區(qū)。除此之外，夏季整層風速較春季顯著減小，只有在8月末，3 400 m以上又出現(xiàn)風速大值區(qū)，最大風速可達36～40 m/s，平均風向轉(zhuǎn)為260～270°。

秋季(9—11月)和夏季不同的是上下兩層(大概2 700 m以上和900 m以下)開始出現(xiàn)風速大值區(qū)，最大風速在32～40 m/s，900～2 700 m高度層內(nèi)風速較小基本在16～20 m/s，700～900 m有非常明顯的風速垂直切變，最大垂直切變達24 m/s。另外，秋季整層的風向變化較明顯，由低到高呈現(xiàn)出順時針、逆時針交替變化的過程。

從最大風速及平均風向出現(xiàn)頻次 (圖2b、2d)來看，最大風速16～20 m/s出現(xiàn)次數(shù)最多，高達152次，36～40 m/s次數(shù)最少，僅為7次，其中16～28 m/s占74.2%，平均風向集中在210～250°，累計占82.6%。另外，值得注意的是8月末有可能是鄭州機場低空急流的時空轉(zhuǎn)換期，即8月末急流開始在上下兩層先后發(fā)展增強，不同的是上層在10月后有所減弱，而下層一直維持較強的急流風速，直至次年2月開始向上發(fā)展，同時上層急流也開始增強向下發(fā)展，春季，上下兩層低空急流幾乎貫通，5月末開始減弱，進入夏季的低頻時期。

3.2 日變化特征

低空急流日變化特征是白天出現(xiàn)次數(shù)相對較少，傍晚以后開始逐漸增加，16時左右達到最大，此后逐漸減少。以2016年(圖3a)為例，23—10時出現(xiàn)次數(shù)僅占全天的30.1%，其中05時達到最低值33次，10時后逐漸上升，16、17時達到最大值127次，18時后逐漸降低，11—22時出現(xiàn)次數(shù)占全天的69.9%，2017年(圖3b)也顯示相同的特點。這和王東阡等[28]的研究“在夜間和早晨(18時和00時)中國東南大部分地區(qū)急流發(fā)生頻率較高，而在白天和傍晚(08時和12時)發(fā)生頻率較低”有一定差別，本文研究發(fā)現(xiàn)鄭州機場低空急流發(fā)生頻率最高時段基本在15—16時，02時和05時則最低，這也可能是地域特征不同。

圖3 低空急流出現(xiàn)次數(shù)日變化圖 a.2016年；b.2017年。

兩年的統(tǒng)計資料表明，鄭州機場低空急流具有明顯的單峰單谷型變化特征，夜間和凌晨(10—21時)是低空急流的高發(fā)時段，午夜前后(14—17時)達到全天次數(shù)最大值，19時左右開始減弱，白天(22—09時)屬于低頻時期，發(fā)生次數(shù)相較于夜間降低30%～40%。在對低空急流進行日變化統(tǒng)計時，考慮到低空急流中心速度和動量下傳的高度均是反映低空急流強度的指標，因此若有兩個或者兩個以上時刻低空急流的最大速度相同時，本文取最大速度所在高度最低的那一個時刻為低空急流中心速度最大時刻。圖4是利用2016、2017年兩年的風廓線雷達資料做出的探測高度在4 140 m(600 hPa附近)以下的低空急流最大風速及其平均風向隨高度的日變化及相應(yīng)頻次統(tǒng)計圖。

圖4 2016—2017年低空急流最大風速及其平均風向隨高度的日變化及相應(yīng)頻次統(tǒng)計圖

從圖4可看出，低空急流具有明顯的時空分布特征。白天(00—12時)低層的低空急流發(fā)展高度較低，1 000～2 500 m最大風速僅為12～20 m/s，2 500 m以上急流開始增強，值得關(guān)注的是在08—09時、2 000～4 200 m垂直方向上有一個急流軸，最大速度在36～40 m/s，對照平均風向圖(圖4c)來看，此時此高度層內(nèi)風向(240～270 °)比較穩(wěn)定，排除了風向突變的可能，由于探測資料年限較短，這一現(xiàn)象的成因還需進一步研究。12時以后最明顯的變化就是白天位于低層的低空急流開始增強向上發(fā)展，比較明顯的大值區(qū)在600～1 500 m，14—15時及17—18時急流達到峰值，最大風速為36 m/s，較白天最低的12 m/s，最大增幅達到24 m/s，且一直連續(xù)穩(wěn)定持續(xù)至21時左右，風向基本在220°，之后急流開始減弱，這一變化特點可能和夜間逆溫層的形成有關(guān)。有研究表明[28-30]：逆溫層的存在為邊界層內(nèi)部風速的增長提供了有利的層結(jié)條件，反過來邊界層風速的強垂直切變又利于逆溫層的維持與發(fā)展，二者形成正反饋關(guān)系，促進了低空急流的形成與發(fā)展。

最大風速及平均風向出現(xiàn)頻次(圖4b、4d)顯示，最大風速20～24 m/s出現(xiàn)次數(shù)最多，高達775次，36～40 m/s次數(shù)最少，僅為10次，其中16～28 m/s占85.7%，平均風向集中在210～250°，累計占86.9%。

3.3 低空急流中心特征

低空急流的高度一般取低空急流中心所在的高度，即最大風速所在的高度，若有兩個以上高度出現(xiàn)相同的最大風速，則取高度最低的那個作為低空急流中心的高度。本文統(tǒng)計的低空急流中心特征主要包括急流中心速度、急流中心所在高度及急流中心出現(xiàn)時刻三個方面。2016年(圖5a)低空急流中心最大風速14～16 m/s出現(xiàn)次數(shù)最多(38 次)，30～32 m/s出現(xiàn)次數(shù)最低 (0 次)，12～22 m/s累積頻率達到78.2%。2007年(圖5b)出現(xiàn)次數(shù)最多的是 12～14 m/s(43次)，28～30 m/s和 30～32 m/s出現(xiàn)次數(shù)最低(均為1次)，12～24 m/s累積頻率達到88.2%。綜合來看，鄭州機場一半以上的低空急流中心最大風速在12～18 m/s，其中12～24 m/s占80%以上，28 m/s以上較少出現(xiàn)。

最大風速時的平均風向主要集中在200～230°和250～270°，大約占45%和24%，其中210～220 °(240～250 °) 出現(xiàn)次數(shù)最多 (最少)(圖6)。

急流中心高度主要集中在60～180 m和300～900 m，共占約76%，900～1 500 m高度僅占約20%，其中60～180 m、420～540 m出現(xiàn)次數(shù)最高，可見急流中心主要在900 m以下，意味著很大一部分是超低空急流，對飛機起降的影響不言而喻，這和陳楠等[27]研究指出“南京地區(qū)低空急流中心主要出現(xiàn)在1 400 m高度以下”不同，鄭州地區(qū)低空急流中心高度更低，對飛行影響更大(圖 7)。

圖8是2016、2017年低空急流中心風速達到最大時出現(xiàn)時刻的統(tǒng)計結(jié)果，整體來看，夜間(12—23時)出現(xiàn)最大風速的頻率遠高于白天(00—11時)，尤其14—19時是出現(xiàn)最大風速的高頻時段，約占40%，其中15—16時達到最大，19時后明顯減少，00—11時僅占約30%。這和低空急流出現(xiàn)次數(shù)日變化特征(圖3)比較一致。

圖5 急流中心最大風速及其頻次統(tǒng)計圖 a.2016年；b.2017年。

圖6 急流中心最大風速時的平均風向頻次統(tǒng)計圖 a.2016年；b.2017年。

圖8 低空急流最大風速出現(xiàn)時刻頻次統(tǒng)計圖 a.2016年；b.2017年。

4 低空急流對飛行的影響

2018年4月7日12時高空圖(圖略)顯示，鄭州機場上空500 hPa、700 hPa均受較強的西北氣流控制，850 hPa河套地區(qū)有一短波槽，機場上空受偏西氣流影響，地面圖(圖略)是南高北低的氣壓場。當天地面觀測顯示為晴天少云，偏南風3～6 m/s，能見度在10 km以上，天氣非常適合飛行。16:50塔臺管制員電話通報氣象值班員有飛機在跑道五邊上空復(fù)飛，圖9(當日機場上空風向絕大部分在180～360°之間，故0～180°之間的方向在圖9b中均以黑色表示，可忽略)顯示，機場上空08:30低層 (1 000 m以下)開始轉(zhuǎn)為一致的西南風，風速逐漸加大，11:00達到12 m/s以上，12:30已經(jīng)達到20 m/s，且高度向上發(fā)展至2 200 m左右，16:00從2 200 m往下至800 m風向開始轉(zhuǎn)為西北風，800 m以下仍然維持20 m/s的西南風，持續(xù)至19時左右。

顯然，這是一次典型的低空急流過程，符合其日變化特征。對于波音737、空客320這類常見的飛機，在干跑道上起降，正側(cè)風最大容許風速為17 m/s，而輕型運輸機要求一般不超過10 m/s，本文研究得出約78%的低空急流中心速度在12～22 m/s，61%的急流中心高度集中在300～1 000 m，低空急流最大風速的高頻時段在14—19時。此次復(fù)飛時間正值低空急流高發(fā)時段，同樣高度正處急流中心高度集中的區(qū)間，圖9a顯示復(fù)飛時800 m上下存在西北風和西南風的風向切變，風速均在20 m/s左右，因此，飛機在著陸的過程當中很可能是遭遇了此風切變，且側(cè)風分量已經(jīng)超出最大容許值，此時飛行高度和速度較低，機動余地變得很小，航向也局限在著陸的方向，可用加速的剩余推力已經(jīng)達到最低限度，若飛行員操作不當或忽視這一變化，降落時很容易對不準跑道，導(dǎo)致飛機復(fù)飛。

圖9 2018年4月7日鄭州機場上空風速(a)、風向(b)隨高度的日變化圖

另外，有研究表明[26,32]：高空急流為低空急流的形成、發(fā)展及加強起到促進作用。所以可利用高空急流云系來分析低空急流的發(fā)展條件，常見的急流云系有：移動迅速的細長束狀卷云帶，呈波脊狀并不斷變化的卷云、卷層云，分層的莢狀高積云和卷積云等。本文在3.2節(jié)中提到，晴朗的夜間，逆溫的正反饋機制也是低空急流形成與加強的重要因素之一，所以若出現(xiàn)上述情況，則要特別關(guān)注低空急流的形成及對飛行的影響，但要認識到低空急流發(fā)生的現(xiàn)象特征很難用某一兩個因素來解釋，正是各個因素的互相作用才促進了低空急流的發(fā)展與加強。

5 結(jié)論與討論

本文利用2016、2017年鄭州機場CFL-03高分辨率邊界層風廓線雷達半小時平均觀測資料，對機場上空低空急流時空分布特征進行統(tǒng)計研究，并分析一次因低空急流而導(dǎo)致飛機復(fù)飛的事件，得出以下結(jié)論。

(1)鄭州機場低空急流在夏末、秋季出現(xiàn)次數(shù)相對較少，而春季、夏初則是低空急流出現(xiàn)的頻繁時期，上半年累計頻率在60%以上，最大(低)值一般出現(xiàn)在5(8)月。

(2)冬季是超低空急流的頻發(fā)時期，且強度較強，最大風速在28 m/s以上；春季特征最明顯，有兩個風速大值區(qū)，從低層到高層風速呈現(xiàn)先增大后減小、再增大的變化過程，存在較強的風速垂直切變；夏季低空急流顯著減弱，出現(xiàn)急流空白區(qū)，8月末可能是急流的時空轉(zhuǎn)換期；秋季在700～900 m有非常明顯的風速垂直切變，最大垂直切變達24 m/s。

(3)夜間和凌晨是低空急流的高發(fā)時段，午夜前后達到最大，白天則屬于低頻時段，發(fā)生次數(shù)比夜間降低30%～40%。從低空急流的強度變化來看，00—12時整體較弱，12時后開始增強向上發(fā)展，14—15時、17—18時達到峰值，急流最大風速較白天最大增幅達24 m/s，19時左右開始減弱，直到21時大值中心消失。

(4)低空急流中心最大風速一半以上在12～18 m/s，28 m/s以上較少出現(xiàn)；中心高度主要集中在60～180 m和300～900 m，共占約76%，超低空急流占比較大；中心風速達到最大時刻夜間出現(xiàn)的概率高于白天，14—19時是高頻時段，約占40%。

(5)低空急流發(fā)生高度大部分在飛機起飛或著陸的范圍內(nèi)，很容易超出大多數(shù)機型的最大容許正側(cè)風量，加之低空風切變的影響，使飛機復(fù)飛概率增加，尤其對夜間航班影響更大。

但也有一些問題尚待解決，比如，3.1節(jié)中提到2016與2017年冬季相比，低空急流出現(xiàn)次數(shù)差別較大，由于觀測資料較短，推測可能是此三個月正處于冬季冷空氣活動的頻繁時期，但受厄爾尼諾或拉尼娜現(xiàn)象影響，每年冷空氣出現(xiàn)的時間、次數(shù)及強度并不相同，導(dǎo)致低空急流出現(xiàn)次數(shù)在時間上存在較大差別，故關(guān)于低空急流與冷空氣活躍周期之間的關(guān)系值得進一步研究。