基于AMDAR資料的鋒區(qū)飛機顛簸高發(fā)區(qū)特征研究

張啟凡,王永忠,裴柯欣,王圣堂

(中國民航飛行學院 空中交通管理學院,四川 廣漢 618300)

隨著民用航空業(yè)的發(fā)展，飛機已經(jīng)成為人們商旅中普遍選擇的交通工具，而乘客對于飛機飛行安全的要求也日益提高[1].對飛機顛簸的研究可以更好地為民航系統(tǒng)提供精確的預報，使其氣象保障服務能力大大加強，減少飛行事故的發(fā)生，降低人員傷亡率和財產(chǎn)損失[2].數(shù)十年來，航空氣象學者針對飛機顛簸的探索繁多.王永忠等[3]基于不考慮地球旋轉(zhuǎn)效應的包辛內(nèi)斯克近似方程，指出邊界層急流型重力波可能是產(chǎn)生邊界層飛機顛簸的一種可能機制.黃儀方等[4]根據(jù)風云二號衛(wèi)星云圖資料統(tǒng)計和分析了我國高原地區(qū)大尺度云系的背景條件下飛機顛簸的產(chǎn)生和分布規(guī)律.徐佳男等[5]利用飛機觀測資料和再分析資料，結(jié)合多種評估指標對比分析了 7 種飛機顛簸指數(shù)在中國地區(qū)的診斷效果.劉岳峰等[6]利用地形及氣象觀測數(shù)據(jù),研究低空顛簸與環(huán)境因子的相關(guān)性,利用地理加權(quán)回歸(GWR)模型進行擬合分析,發(fā)現(xiàn)上述環(huán)境因子的影響強度存在空間差異.

飛機顛簸產(chǎn)生的原因是多方面的，但很少有學者對其進行細致分析，冷鋒鋒區(qū)的顛簸問題更是少有人問津，但實際上發(fā)生的幾率很高.鋒區(qū)的顛簸預報技術(shù)，沒有理論基礎(chǔ)，往往停留在經(jīng)驗上，尤其在具體的高度和位置的預報上極不嚴謹,造成現(xiàn)有飛行保障中只能提供飛機顛簸的概要圖而適用較差，不能滿足安全性的保障需求.本文將從找尋冷鋒時空分布特征出發(fā)，并采用15次強冷鋒事件進行合成分析，進而定位冷鋒鋒區(qū)的空間位置，并分析顛簸位置點在鋒區(qū)內(nèi)分布的空間特性.最后通過分析顛簸高發(fā)區(qū)氣象參數(shù)場特征得到致使冷鋒鋒區(qū)顛簸產(chǎn)生的原因及該類顛簸的預報策略.

1 數(shù)據(jù)來源及處理

1.1數(shù)據(jù)的來源

本文所用到的資料為：(1) 美國國家大氣海洋局(NOAA)提供的公開展現(xiàn)的AMDAR java display采集含有表征湍流強度的等效垂直陣風速(DEVG)值的冷鋒顛簸案例. AMDAR[5]系統(tǒng)指航空器上裝載的傳感器和導航系統(tǒng)接收到的原始數(shù)據(jù)通過機載設備解碼后再傳輸至地面接收站，再由各國的國家氣象局信息中心進行處理、規(guī)整及必要的質(zhì)量控制傳輸?shù)紾TS(global telecommunication system)進行全球數(shù)據(jù)交換.(2) 美國環(huán)境預報中心/美國大氣資料中心(NCEP/NCAR) 提供的再分析資料，分辨率為(1×1)，垂直方向17層，時間分辨率為 6 h 一次.

本文將采用合成分析的研究方法對澳洲冷鋒的時空分布特性以及飛機鋒區(qū)顛簸空間特性進行分析[7].

1.2 顛簸數(shù)據(jù)的采集與處理

AMDAR資料主要分布在:(1)中國東南部地區(qū)及日本島附近；(2)澳洲和新西蘭附近;(3)北美地區(qū);(4)歐洲地區(qū).其中，飛機顛簸下傳數(shù)據(jù)主要分布在澳洲及北美地區(qū).北美地區(qū)采用渦動耗散率(EDR)指數(shù)記錄顛簸，而澳洲地區(qū)采用等效垂直陣風速(DEVG)指數(shù).因北美地區(qū)很少受到冷鋒影響，本文主要采集澳洲地區(qū)顛簸數(shù)據(jù).本文數(shù)據(jù)來源為AMDAR java display 在線展示數(shù)據(jù)篩選后顛簸數(shù)據(jù)點，顛簸點數(shù)據(jù)包含了顛簸發(fā)生時刻、風向、風速、溫度、航班號、航線，DEVG.依據(jù)Truscott[8]對顛簸等級的劃分，本文選取DEVG超過或等于 9 m/s 的重度顛簸案例進行研究.

2 澳洲冷鋒鋒區(qū)位置確定

2.1 澳洲冷鋒時空分布特征

圖1 高度-緯度位溫的垂直結(jié)構(gòu)

鋒區(qū)是密度不同的2個氣團之間的過渡區(qū)，在天氣圖上表現(xiàn)為溫度水平梯度大的區(qū)域且隨高度向冷區(qū)傾斜[9].少數(shù)情況則表現(xiàn)為溫度差異小而水汽含量差異大.根據(jù)澳洲國家氣象中心發(fā)布的預警信息，澳洲冷鋒氣候系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)在南半球冬季(5～7月).冷鋒造成大范圍降溫，降水、極寒，大風等惡劣天氣，同時對航班運行環(huán)境造成嚴重影響.繪制位溫空間分布圖如圖1、2所示，從近10年(2011—2020年)冬季平均位溫剖面圖(圖1)可以看到，位溫隨高度增加，為穩(wěn)定層節(jié)，冷鋒表現(xiàn)為對流層上層(500 hPa 以上)的等位溫線密集帶，鋒區(qū)隨高度向南傾斜，地面鋒區(qū)位于(-20°～-30°)S，300 hPa～200 hPa 的等位溫線最密集，最密集帶位于-30°S附近.考察近10年冬季平均的 500 hPa、300 hPa,200 hPa 水平位溫梯度分布情況發(fā)現(xiàn)，水平位溫梯度在 300 hPa 處最大即鋒區(qū)最強(圖2b)，大值區(qū)位于(-25°～-35°)S.

圖2 水平位溫梯度分布圖

2.2 澳洲冷鋒事件時間分布特征

首先篩選出澳洲國家氣象中心發(fā)布的15次強冷鋒事件，強冷鋒事件發(fā)生頻率存在明顯的年際和月際差異，2016年冬季以及2018年冬季強冷鋒事件發(fā)生的頻次較多，強冷鋒事件主要發(fā)生在5、6和7月，且呈現(xiàn)明顯上升的趨勢.

2.3 澳洲冷鋒鋒區(qū)空間結(jié)構(gòu)特征

圖3為15個強冷鋒事件合成的鋒區(qū)垂直結(jié)構(gòu)，可以看出鋒區(qū)空間特性與上節(jié)分析一致，300～200 hPa 的等位溫線最密集且垂直梯度最大，圖4為300～200 hPa 位溫垂直梯度水平分布，圖5a和5b為水平為溫梯度在200及 300 hPa 的分布情況，圖6a和6b分別為水平位溫梯度沿經(jīng)向和緯向的垂直分布情況.可以看出地面鋒線位于((-20°～-25°)S,(120°～140°)E)，鋒區(qū)隨高度增加由西北向東南方向傾斜,即東南為冷氣團，自 500 hPa 處開始鋒面的寬度和上下界面間的厚度明顯增加.水平位溫梯度隨高度增加至 300 hPa 最大,最大區(qū)域位于((27°～33°)S，(130°～155°)E)，300～200 hPa 鋒區(qū)強度開始減弱,此時的鋒面斜率減緩，鋒區(qū)垂直溫度梯度隨高度開始增加并在 200 hPa 附近達到最大，最大值區(qū)位于((-30°～-45°)S,(130°～155°)E).

圖3 高度-緯度位溫垂直結(jié)構(gòu) 圖4 位溫垂直梯度的水平分布

圖5 位溫水平梯度的分布

圖6 位溫水平梯度垂直結(jié)構(gòu)

2.4 澳洲冷鋒鋒區(qū)顛簸空間特性

依據(jù)澳洲國家氣象中心發(fā)布的冷鋒事件信息，通過AMADAR java display在線采集15次冷鋒事件下的重度顛簸點的位置信息, 將合成的重度顛簸位置點對應到由上節(jié)分析得到的冷鋒鋒區(qū)結(jié)構(gòu)特征中，繪制鋒區(qū)空間結(jié)構(gòu)及顛簸點的空間特征分布圖7a所示.重度顛簸點主要集中于高度層300～200 hPa 之間，總占比65%，水平分布密集區(qū)位于((-30°～-40°)S,(135°～150°)E)即澳洲東南部維多利亞州和新南威爾士州，總占比45%(圖7b).

3 重度顛簸高發(fā)區(qū)氣象要素場特征分析

澳洲地區(qū)東南部，高度200～300 hPa 空間是鋒區(qū)內(nèi)顛簸的高發(fā)區(qū)，這一區(qū)域正位于位溫的垂直梯度最大值區(qū)域如圖8所示，同時也具有較大的水平位溫梯度.所以，垂直位溫梯度和水平位溫梯度可能是鋒區(qū)高空顛簸產(chǎn)生重要因素.

圖7 顛簸點分布特征

圖7 顛簸點與垂直溫度梯度水平分布關(guān)系圖

為進一步探究致使顛簸形成動力條件，進而對高空顛簸區(qū)的流場進行分析，300及 200 hPa 的水平流場如圖9a、9b所示，中緯度地區(qū)存在西風帶急流，((-30°～-45°)S,(120°～140°)E)區(qū)域存在明顯風向切變.對水平流場做梯度分析如圖10a、10b 所示，中低緯度地區(qū)水平流場梯度較大，西風帶急流由西向東逐漸增強.在急流帶南側(cè) ((-30°～-40°)S,(140°～150°)E)區(qū)域水平流場呈較大的氣旋性切變梯度，此區(qū)域內(nèi)有較強的氣旋性切變氣流.

圖11a、11b 為垂直風分別沿經(jīng)度與緯度的剖面圖，圖12為垂直速度的水平分布圖.負值代表上升氣流，正值則代表下沉氣流.圖中已標記出0值區(qū)的位置，0值區(qū)附近的垂直風等值線最為密集呈現(xiàn)較大的水平梯度.因此，在氣壓高度 300 hpa 附近，鋒區(qū)范圍內(nèi)水平位置((-30°～-40°)S,(135°～150°)E)是冷氣團與暖氣團抬升與下0最強烈的區(qū)域，存在次級環(huán)流，有較強的垂直切變氣流，故該區(qū)域也位于位溫垂直梯度大值區(qū)，同時這一區(qū)域也正于鋒區(qū)顛簸高發(fā)區(qū)位置對應且據(jù)圖13所示，此區(qū)域內(nèi)的Richardon數(shù)小于0.25易形成湍流.

4 冷鋒鋒區(qū)顛簸機制探尋

式(1)及式(2)表示由溫差引起的浮力產(chǎn)生垂直運動，而垂直運動又引起溫差的變化.切變速度也利于重力波的形成，在切邊速度小的時候重力波較為穩(wěn)定，但鋒生過程中鋒區(qū)附近存在逐漸遞增的強切變氣流，文中的顛簸密集區(qū)附近存在水平氣旋性切變氣流和垂直切變氣流，故隨切變速度增加則Richardson數(shù)減少, Reynolds增加，持續(xù)的擾動導致該區(qū)域內(nèi)較強的重力波不穩(wěn)定碎變，失去穩(wěn)定性的重力波從而轉(zhuǎn)化為能量較高的湍流導致飛機產(chǎn)生嚴重顛簸.

圖9 平均水平流場圖

圖10 平均水平流場梯度圖

圖11 高度-緯度垂直速度結(jié)構(gòu)圖

圖12 垂直速度水平結(jié)構(gòu)圖 圖13 Richardson 數(shù)水平分布圖

6 冷鋒鋒區(qū)顛簸預報

參考前人的研究，許多學者以大氣湍流理論為基礎(chǔ)提出了不同的顛簸指數(shù)[11].其中，L-P指數(shù)[12]、水平風切變、垂直風切變指數(shù)、Dutton指數(shù)、Ellrod指數(shù)等在不同條件下都表現(xiàn)出較好的預報精度.Ellrod指數(shù)是Ellrod[13]基于鋒生公式推導出的晴空湍流指數(shù)，相比與其他顛簸指數(shù)對于鋒區(qū)的機理有較好的描述，其表達式為：

EI=VWS·(DEF+DIV),

(4)

圖14 冷風鋒區(qū)顛簸預報圖

7 結(jié)語

澳洲冷鋒多發(fā)于南半球冬季的5—7月，近10年中2017,2018年發(fā)生次數(shù)最多，經(jīng)統(tǒng)計強冷鋒事件多發(fā)于7月份.通過對15次強冷鋒事件進行合成分析，利用水平位溫梯度確定鋒區(qū)的位置，并繪制鋒區(qū)空間結(jié)構(gòu)圖.地面鋒線位于((-20°～-25°)S,(120°～140°)E)，鋒區(qū)隨氣壓高度上升由西北向東南方向傾斜.鋒區(qū)強度隨氣壓高度增加至 300 hPa 最大，300～200 hPa 鋒區(qū)水平溫度梯度開始減弱,此時的鋒面斜率減緩，鋒區(qū)垂直溫度梯度隨氣壓高度開始增加至 200 hPa 附近達到最大，最大值區(qū)位于((-30°～-45°)S、(130°～155°)E).將重度顛簸數(shù)據(jù)與鋒區(qū)空間位置對應后得到重度顛簸點位置主要集中于高度層300～200 hPa 之間，水平分布密集區(qū)位于((-30°～-40°)S,(135°～150°)E)即澳洲東南部維多利亞州和新南威爾士州.

對重度顛簸高發(fā)區(qū)的氣象參數(shù)特征分析發(fā)現(xiàn)，重度顛簸最密集區(qū)位于位溫垂直梯度最大區(qū)域內(nèi)，所以此區(qū)內(nèi)由溫差產(chǎn)生的浮力引起的震蕩即重力波較強.對重度顛簸高發(fā)區(qū)的流場進行分析，發(fā)現(xiàn)在西風急流帶南側(cè)顛簸密集區(qū)內(nèi)水平流場存在較大的氣旋性切變，垂直速度的水平梯度大值區(qū)位于0值區(qū)附近，此區(qū)域存在次級環(huán)流，冷氣團與暖氣團的抬升與下沉運動最強烈.隨著流場中切變速度的增加，Richardson數(shù)減少, Reynolds增加，持續(xù)的擾動導致該區(qū)域內(nèi)較強的重力波不穩(wěn)定碎變，失去穩(wěn)定性的重力波從而轉(zhuǎn)化為能量較高的湍流導致飛機產(chǎn)生嚴重顛簸.由Ellrod基于鋒生公式推導出的晴空湍流指數(shù)基礎(chǔ)上，考慮鋒區(qū)內(nèi)湍流形成的重力波機制，將鋒生過程中的垂直運動作用加入其中得到EI*指數(shù)，經(jīng)對比驗證EI*指數(shù)有較好的預報效果.

本文所研究的冷鋒鋒區(qū)顛簸時空分布及氣象參數(shù)特征可以為冷鋒天氣系統(tǒng)下顛簸高發(fā)區(qū)的預報提供參考，也可以向管制員和飛行員繞飛與脫離冷鋒天氣系統(tǒng)下的顛簸區(qū)提供指導.同時，對于鋒區(qū)顛簸機制的探尋還可以進行更深入的研究，也可以對暖鋒、準靜止鋒、錮囚鋒的飛機顛簸時空分布特征及機理進行研究.