基于AMDAR资料的锋区飞机颠簸高发区特征研究

张启凡,王永忠,裴柯欣,王圣堂

(中国民航飞行学院 空中交通管理学院,四川 广汉 618300)

随着民用航空业的发展，飞机已经成为人们商旅中普遍选择的交通工具，而乘客对于飞机飞行安全的要求也日益提高[1].对飞机颠簸的研究可以更好地为民航系统提供精确的预报，使其气象保障服务能力大大加强，减少飞行事故的发生，降低人员伤亡率和财产损失[2].数十年来，航空气象学者针对飞机颠簸的探索繁多.王永忠等[3]基于不考虑地球旋转效应的包辛内斯克近似方程，指出边界层急流型重力波可能是产生边界层飞机颠簸的一种可能机制.黄仪方等[4]根据风云二号卫星云图资料统计和分析了我国高原地区大尺度云系的背景条件下飞机颠簸的产生和分布规律.徐佳男等[5]利用飞机观测资料和再分析资料，结合多种评估指标对比分析了 7 种飞机颠簸指数在中国地区的诊断效果.刘岳峰等[6]利用地形及气象观测数据,研究低空颠簸与环境因子的相关性,利用地理加权回归(GWR)模型进行拟合分析,发现上述环境因子的影响强度存在空间差异.

飞机颠簸产生的原因是多方面的，但很少有学者对其进行细致分析，冷锋锋区的颠簸问题更是少有人问津，但实际上发生的几率很高.锋区的颠簸预报技术，没有理论基础，往往停留在经验上，尤其在具体的高度和位置的预报上极不严谨,造成现有飞行保障中只能提供飞机颠簸的概要图而适用较差，不能满足安全性的保障需求.本文将从找寻冷锋时空分布特征出发，并采用15次强冷锋事件进行合成分析，进而定位冷锋锋区的空间位置，并分析颠簸位置点在锋区内分布的空间特性.最后通过分析颠簸高发区气象参数场特征得到致使冷锋锋区颠簸产生的原因及该类颠簸的预报策略.

1 数据来源及处理

1.1数据的来源

本文所用到的资料为：(1) 美国国家大气海洋局(NOAA)提供的公开展现的AMDAR java display采集含有表征湍流强度的等效垂直阵风速(DEVG)值的冷锋颠簸案例. AMDAR[5]系统指航空器上装载的传感器和导航系统接收到的原始数据通过机载设备解码后再传输至地面接收站，再由各国的国家气象局信息中心进行处理、规整及必要的质量控制传输到GTS(global telecommunication system)进行全球数据交换.(2) 美国环境预报中心/美国大气资料中心(NCEP/NCAR) 提供的再分析资料，分辨率为(1×1)，垂直方向17层，时间分辨率为 6 h 一次.

本文将采用合成分析的研究方法对澳洲冷锋的时空分布特性以及飞机锋区颠簸空间特性进行分析[7].

1.2 颠簸数据的采集与处理

AMDAR资料主要分布在:(1)中国东南部地区及日本岛附近；(2)澳洲和新西兰附近;(3)北美地区;(4)欧洲地区.其中，飞机颠簸下传数据主要分布在澳洲及北美地区.北美地区采用涡动耗散率(EDR)指数记录颠簸，而澳洲地区采用等效垂直阵风速(DEVG)指数.因北美地区很少受到冷锋影响，本文主要采集澳洲地区颠簸数据.本文数据来源为AMDAR java display 在线展示数据筛选后颠簸数据点，颠簸点数据包含了颠簸发生时刻、风向、风速、温度、航班号、航线，DEVG.依据Truscott[8]对颠簸等级的划分，本文选取DEVG超过或等于 9 m/s 的重度颠簸案例进行研究.

2 澳洲冷锋锋区位置确定

2.1 澳洲冷锋时空分布特征

图1 高度-纬度位温的垂直结构

锋区是密度不同的2个气团之间的过渡区，在天气图上表现为温度水平梯度大的区域且随高度向冷区倾斜[9].少数情况则表现为温度差异小而水汽含量差异大.根据澳洲国家气象中心发布的预警信息，澳洲冷锋气候系统经常出现在南半球冬季(5～7月).冷锋造成大范围降温，降水、极寒，大风等恶劣天气，同时对航班运行环境造成严重影响.绘制位温空间分布图如图1、2所示，从近10年(2011—2020年)冬季平均位温剖面图(图1)可以看到，位温随高度增加，为稳定层节，冷锋表现为对流层上层(500 hPa 以上)的等位温线密集带，锋区随高度向南倾斜，地面锋区位于(-20°～-30°)S，300 hPa～200 hPa 的等位温线最密集，最密集带位于-30°S附近.考察近10年冬季平均的 500 hPa、300 hPa,200 hPa 水平位温梯度分布情况发现，水平位温梯度在 300 hPa 处最大即锋区最强(图2b)，大值区位于(-25°～-35°)S.

图2 水平位温梯度分布图

2.2 澳洲冷锋事件时间分布特征

首先筛选出澳洲国家气象中心发布的15次强冷锋事件，强冷锋事件发生频率存在明显的年际和月际差异，2016年冬季以及2018年冬季强冷锋事件发生的频次较多，强冷锋事件主要发生在5、6和7月，且呈现明显上升的趋势.

2.3 澳洲冷锋锋区空间结构特征

图3为15个强冷锋事件合成的锋区垂直结构，可以看出锋区空间特性与上节分析一致，300～200 hPa 的等位温线最密集且垂直梯度最大，图4为300～200 hPa 位温垂直梯度水平分布，图5a和5b为水平为温梯度在200及 300 hPa 的分布情况，图6a和6b分别为水平位温梯度沿经向和纬向的垂直分布情况.可以看出地面锋线位于((-20°～-25°)S,(120°～140°)E)，锋区随高度增加由西北向东南方向倾斜,即东南为冷气团，自 500 hPa 处开始锋面的宽度和上下界面间的厚度明显增加.水平位温梯度随高度增加至 300 hPa 最大,最大区域位于((27°～33°)S，(130°～155°)E)，300～200 hPa 锋区强度开始减弱,此时的锋面斜率减缓，锋区垂直温度梯度随高度开始增加并在 200 hPa 附近达到最大，最大值区位于((-30°～-45°)S,(130°～155°)E).

图3 高度-纬度位温垂直结构 图4 位温垂直梯度的水平分布

图5 位温水平梯度的分布

图6 位温水平梯度垂直结构

2.4 澳洲冷锋锋区颠簸空间特性

依据澳洲国家气象中心发布的冷锋事件信息，通过AMADAR java display在线采集15次冷锋事件下的重度颠簸点的位置信息, 将合成的重度颠簸位置点对应到由上节分析得到的冷锋锋区结构特征中，绘制锋区空间结构及颠簸点的空间特征分布图7a所示.重度颠簸点主要集中于高度层300～200 hPa 之间，总占比65%，水平分布密集区位于((-30°～-40°)S,(135°～150°)E)即澳洲东南部维多利亚州和新南威尔士州，总占比45%(图7b).

3 重度颠簸高发区气象要素场特征分析

澳洲地区东南部，高度200～300 hPa 空间是锋区内颠簸的高发区，这一区域正位于位温的垂直梯度最大值区域如图8所示，同时也具有较大的水平位温梯度.所以，垂直位温梯度和水平位温梯度可能是锋区高空颠簸产生重要因素.

图7 颠簸点分布特征

图7 颠簸点与垂直温度梯度水平分布关系图

为进一步探究致使颠簸形成动力条件，进而对高空颠簸区的流场进行分析，300及 200 hPa 的水平流场如图9a、9b所示，中纬度地区存在西风带急流，((-30°～-45°)S,(120°～140°)E)区域存在明显风向切变.对水平流场做梯度分析如图10a、10b 所示，中低纬度地区水平流场梯度较大，西风带急流由西向东逐渐增强.在急流带南侧 ((-30°～-40°)S,(140°～150°)E)区域水平流场呈较大的气旋性切变梯度，此区域内有较强的气旋性切变气流.

图11a、11b 为垂直风分别沿经度与纬度的剖面图，图12为垂直速度的水平分布图.负值代表上升气流，正值则代表下沉气流.图中已标记出0值区的位置，0值区附近的垂直风等值线最为密集呈现较大的水平梯度.因此，在气压高度 300 hpa 附近，锋区范围内水平位置((-30°～-40°)S,(135°～150°)E)是冷气团与暖气团抬升与下0最强烈的区域，存在次级环流，有较强的垂直切变气流，故该区域也位于位温垂直梯度大值区，同时这一区域也正于锋区颠簸高发区位置对应且据图13所示，此区域内的Richardon数小于0.25易形成湍流.

4 冷锋锋区颠簸机制探寻

式(1)及式(2)表示由温差引起的浮力产生垂直运动，而垂直运动又引起温差的变化.切变速度也利于重力波的形成，在切边速度小的时候重力波较为稳定，但锋生过程中锋区附近存在逐渐递增的强切变气流，文中的颠簸密集区附近存在水平气旋性切变气流和垂直切变气流，故随切变速度增加则Richardson数减少, Reynolds增加，持续的扰动导致该区域内较强的重力波不稳定碎变，失去稳定性的重力波从而转化为能量较高的湍流导致飞机产生严重颠簸.

图9 平均水平流场图

图10 平均水平流场梯度图

图11 高度-纬度垂直速度结构图

图12 垂直速度水平结构图 图13 Richardson 数水平分布图

6 冷锋锋区颠簸预报

参考前人的研究，许多学者以大气湍流理论为基础提出了不同的颠簸指数[11].其中，L-P指数[12]、水平风切变、垂直风切变指数、Dutton指数、Ellrod指数等在不同条件下都表现出较好的预报精度.Ellrod指数是Ellrod[13]基于锋生公式推导出的晴空湍流指数，相比与其他颠簸指数对于锋区的机理有较好的描述，其表达式为：

EI=VWS·(DEF+DIV),

(4)

图14 冷风锋区颠簸预报图

7 结语

澳洲冷锋多发于南半球冬季的5—7月，近10年中2017,2018年发生次数最多，经统计强冷锋事件多发于7月份.通过对15次强冷锋事件进行合成分析，利用水平位温梯度确定锋区的位置，并绘制锋区空间结构图.地面锋线位于((-20°～-25°)S,(120°～140°)E)，锋区随气压高度上升由西北向东南方向倾斜.锋区强度随气压高度增加至 300 hPa 最大，300～200 hPa 锋区水平温度梯度开始减弱,此时的锋面斜率减缓，锋区垂直温度梯度随气压高度开始增加至 200 hPa 附近达到最大，最大值区位于((-30°～-45°)S、(130°～155°)E).将重度颠簸数据与锋区空间位置对应后得到重度颠簸点位置主要集中于高度层300～200 hPa 之间，水平分布密集区位于((-30°～-40°)S,(135°～150°)E)即澳洲东南部维多利亚州和新南威尔士州.

对重度颠簸高发区的气象参数特征分析发现，重度颠簸最密集区位于位温垂直梯度最大区域内，所以此区内由温差产生的浮力引起的震荡即重力波较强.对重度颠簸高发区的流场进行分析，发现在西风急流带南侧颠簸密集区内水平流场存在较大的气旋性切变，垂直速度的水平梯度大值区位于0值区附近，此区域存在次级环流，冷气团与暖气团的抬升与下沉运动最强烈.随着流场中切变速度的增加，Richardson数减少, Reynolds增加，持续的扰动导致该区域内较强的重力波不稳定碎变，失去稳定性的重力波从而转化为能量较高的湍流导致飞机产生严重颠簸.由Ellrod基于锋生公式推导出的晴空湍流指数基础上，考虑锋区内湍流形成的重力波机制，将锋生过程中的垂直运动作用加入其中得到EI*指数，经对比验证EI*指数有较好的预报效果.

本文所研究的冷锋锋区颠簸时空分布及气象参数特征可以为冷锋天气系统下颠簸高发区的预报提供参考，也可以向管制员和飞行员绕飞与脱离冷锋天气系统下的颠簸区提供指导.同时，对于锋区颠簸机制的探寻还可以进行更深入的研究，也可以对暖锋、准静止锋、锢囚锋的飞机颠簸时空分布特征及机理进行研究.