2014—2017年石家庄正定国际机场低空风切变特征及天气形势分析

吴 丹，李美琪，郭 蕊，贾小卫，刘 浩，柳 泉

(1.河北省气象服务中心，河北 石家庄 050021；2.中国民用航空华北地区空中交通管理局河北分局，河北 石家庄 050802)

引 言

近年来，我国民航业飞速发展，同时通用航空作为民用航空的重要组成部分也在迅速崛起，意味着航空安全运行的气象保障需求激增，尤其是低空领域。航空气象学中，低空风切变通常是指近地面600 m高度以下的风切变[1]。低空风切变严重危害航空飞行安全，尤其在飞机起飞和着陆阶段，近年来由于低空风切变导致飞机复飞或飞行事故的情况时有发生[2-5]。低空风切变具有时间短、尺度小、强度大的特点，其探测和预报存在较大困难[6]。

低空风切变的研究开始于20世纪70年代，FUJITA等[7-8]通过调查美国飞机起降过程中出现的三起严重飞行事故发现强风切变是造成飞机失事的原因。我国大陆低空风切变研究开始于20世纪80年代中期，王学永等[9]、赵树海[10]先后利用气象观测塔资料对低空风切变开展研究，之后多普勒雷达、风廓线雷达等探测手段陆续用于低空风切变的识别和分析[11-14]。随着观测方法和计算条件的改进，数值模拟技术也逐渐用于低空风切变的个例研究[15-16]。

低空风切变报警系统是目前探测和识别低空风切变的有效手段[17-19]，但限于技术和资金等原因，中国大陆大部分机场还无法实现风切变的监测预警，主要通过分析低空风切变发生的天气形势和相关气象要素特征等为风切变的预报预警提供参考[20-24]。低空风切变除了由大气运动本身的变化造成外，还与机场周围的地形环境有一定关系[18,25]。因此，本文针对石家庄正定国际机场的实际情况，分析本场低空风切变及相关气象要素特征和天气形势，以期能够提前预判低空风切变的发生从而降低飞行事故的发生概率。

1 正定国际机场及资料

1.1 正定国际机场及地面气象资料

正定国际机场位于河北省中部太行山脉东麓，地势平坦，西北高、东南低，坡度为1.4‰；正定国际机场标高71 m，有一条跑道，跑道方向332°～152°，长3400 m，宽45 m，图1为正定国际机场周边地形及机场跑道示意图。2014—2017年的地面气象观测资料为机场南北两端自动站气象观测设备采集，各安装于跑道附近、距离跑道外端约300 m处，南北两端自动站气象观测设备相距约2800 m，包含风速、风向、气压、温度、湿度等传感器，其中风向、风速30 s采集一次，气压、气温、露点温度等1 min采集一次；机场实况报文为同期逐时地面风、主导能见度、天气现象、气温等。低空风切变数据为2014—2017年正定国际机场机组报告的共31次航空记录，且31次低空风切变事件均发生在高度600 m以下，其中有5次发生在60 m以下，大部分发生在飞机进近过程中。

图1 正定国际机场周边地形(单位：m)(a)及机场跑道示意图(b)(黑色圆点为机场位置)Fig.1 Terrain distribution (Unit: m) around the Zhengding international airport (a) and runway direction of the airport (b)(the black dot for the location of Zhengding international airport)

1.2 再分析资料

低空风切变的天气形势分析及分型采用2014—2017年NCEP/NCAR逐6 h再分析资料，分辨率为2.5°×2.5°，主要包含500、700、850 hPa及地面气温、位势高度(气压)和风场。

2 低空风切变特征

2.1 低空风切变的时间变化

图2为2014—2017年河北正定国际机场低空风切变发生频次的年际变化、月际变化和日变化。可以看出，2014—2017年正定国际机场低空风切变发生频次没有明显的年际变化规律，2016年低空风切变发生频次最少(3次)，2015年最多(14次)；2014—2017年除2—4月外其他月份低空风切变发生总频次分别为4次、7次、3次、5次，2—4月低空风切变发生总频次分别为1次、7次、0次、4次。2015年2—4月低空风切变的发生频次比其他年份2—4月相对较多，结合2014—2017年2—4月正定国际机场大风(平均风速大于10 m·s-1)次数(表1)可以看出，2015年2—4月大风次数也最多，说明大风天气可能会增加正定国际机场低空风切变出现的概率，但由于低空风切变的报告除了受不同机型机载风切变设备告警影响，还与机组人员的主观判断等有关，因此2015年正定国际机场低空风切变发生频次最多的原因难以确定。正定国际机场一年四季都有低空风切变出现，但主要出现在春季，占比达51.6%，其中4月出现最多，其次是夏季，这是由于在中国北方地区，春末夏初时，冷暖空气交替频繁，地面大风增多，从而增加了低空风切变的发生频率[21]。冬春季北方地区受冷气团快速移动及东北冷涡等天气系统影响较多，近地面风速较大，风向较不稳定，在这样天气系统背景下，低空风切变容易被诱导发生[26]。石家庄冬季受地形和稳定天气形势及污染影响，常有雾和霾天气出现，导致航班经常出现延误或停飞，因此冬季低空风切变发生的记录也相对较少。另外，14:00(北京时，下同)正定国际机场低空风切变发生频次最多，其次是16:00、18:00和19:00，说明低空风切变主要出现在午后和傍晚，这是因为午后动量下传，地面加热效应增加，对流加强，风速增大，强对流天气也容易发生在午后至傍晚[21]，有利于低空风切变发生。

图2 2014—2017年正定国际机场低空风切变发生频次的年际(a)、月际(b)和日(c)变化Fig.2 The inter-annual (a), monthly (b) and diurnal (c) variation of occurrence frequency of low-level wind shear at Zhengding international airport from 2014 to 2017

表1 2014—2017年2—4月正定国际机场大风(10 min平均风速大于10 m·s-1)发生频次Tab.1 The occurrence frequency of gale (10 minutes average wind speed greater than 10 m·s-1) at Zhengding international airport from February to April during 2014-2017 单位：次

2.2 低空风切变时地面风特征

同一高度和时间范围内的风速与风切变强度变化几乎相同[6]，说明风速增大时风切变也在增强，大风速的出现与风切变的发生有一定联系。因此，利用正定国际机场跑道两端的风向风速仪探测数据，统计出现低空风切变前后10 min的地面阵风风速和风向的发生频率(图3)。可以看出，正定国际机场发生低空风切变时地面阵风风速主要在6～10 m·s-1(占37.5%)，其次为0～5 m·s-1(占26.7%)和11～15 m·s-1(占23.4%)，最大风速可达23 m·s-1。从风向来看，正定国际机场出现低空风切变时以北风为主(占27.4%)，其次是西北风(占14%)，因此正定国际机场发生低空风切变时主要影响天气系统来自于北或西北方向，北风活跃的天气系统容易在机场诱发对航空飞行安全有影响的低空风切变。

图3 2014—2017年正定国际机场出现低空风切变前后10 min的地面阵风风速(a)和风向(b)的发生频率Fig.3 The occurrence frequency of wind speed (a) and wind direction (b) of ground gust 10 minutes before and after low-level wind shear at Zhengding international airport during 2014-2017

3 低空风切变的主要天气形势

低空风切变在一定的大气环流背景下发生[13]，掌握发生低空风切变的天气形势，是做好低空风切变预报的前提。对正定国际机场31次低空风切变发生时的高低空环流形势、地面形势进行分析，以500 hPa为主进行分型，发现正定国际机场出现低空风切变的天气形势主要有：西北气流型(19次)、低涡型(8次)、西风槽型(3次)和横槽型(1次)。可以看出，西北气流型天气形势下出现低空风切变的次数最多，另外，低涡型的低空风切变发生时有6次出现雷暴天气，说明该天气形势下的对流天气易引发低空风切变。

3.1 西北气流型

西北气流型天气形势下的低空风切变多出现在春季和冬季，且春季最多。以2015年3月3日08:00和2017年3月1日14:45正定国际机场发生低空风切变时对应天气形势为例进行分析，图4为西北气流型天气形势下500、700 hPa位势高度场、风场、温度场和海平面气压场、风场、温度场。可以看出，500 hPa正定国际机场位于西风槽后，西北气流很强，最大风速可达30 m·s-1以上，有明显的温度槽与高度槽配合，40°N以北地区存在较强冷中心，700 hPa温度槽落后于高度槽，风速较大，均在12 m·s-1以上，850 hPa正定国际机场以高压前部西北气流为主或转为高压控制，风速较大时可达12 m·s-1以上，存在冷平流(图略)；地面冷高压明显，正定国际机场处于高压前部的强气压梯度区，以偏北风为主，附近有大风区，等温线密集，表明地面有冷锋过境。

图4 2015年3月3日08:00(a、c、e)、2017年3月1日14:00(b、d、f)西北气流型天气形势下500 hPa(a、b)、700 hPa(c、d)位势高度场(黑色线，单位：dagpm)、风场(风矢量，单位：m·s-1)、温度场(红色线，单位：℃)和海平面气压场(黑色线，单位：hPa)、风场(风矢量，单位：m·s-1)、温度场(红色线，单位：℃)(e、f)(红色圆点为正定国际机场位置，下同)Fig.4 The geopotential height field (the black lines, Unit: dagpm), wind field (vectors, Unit: m·s-1), temperature field (the red lines, Unit: ℃) on 500 hPa (a, b), 700 hPa (c, d) and sea level pressure field (the black lines, Unit: hPa), wind field (vectors, Unit: m·s-1) and temperature field (the red lines, Unit: ℃) (e, f) under the weather situation of northwest airflow type at 08:00 BST 3 March 2015 (a, c, e) and 14:00 BST 1 March 2017 (b, d, f)(the red dot for the location of Zhengding international airport, the same as below)

3.2 低涡型

以2015年6月4日15:24和6月9日16:00、16:04正定国际机场发生低空风切变时对应天气形势为例，图5为低涡型天气形势下500、700 hPa位势高度场、风场、温度场和海平面气压场、风场、温度场。可以看出，500 hPa低涡中心位于机场北部，并配合有冷中心，低涡南侧的偏西气流中有短波槽东移，短波槽有冷中心和温度槽配合，温度槽整体落后于高度槽，机场受低涡南部偏西气流或短波槽影响，风速一般大于10 m·s-1，位于短波槽底或槽后时风速可超过20 m·s-1，并伴随冷平流；700 hPa正定国际机场受低涡南部西南气流控制或处于明显切变线中，风速一般在10～15 m·s-1之间，有时存在低空急流，伴随暖平流；850 hPa正定国际机场受槽前西南气流影响，风速约为10 m·s-1，有切变线和暖平流(图略)；地面形势上正定国际机场受地面低压槽控制，附近有风向或风速辐合。由于高空冷平流或温度槽和低空暖平流叠加，上冷下暖的不稳定层结建立，低空风向、风速辐合或切变线等条件有利于雷暴发生发展，影响正定国际机场并可能造成雷暴大风等对流性天气。

图5 2015年6月4日14:00(a、c、e)、6月9日14:00(b、d、f)低涡型天气形势下500 hPa(a、b)、700 hPa(c、d)位势高度场(黑色线，单位：dagpm)、风场(风矢量，单位：m·s-1)、温度场(红色线，单位：℃)和海平面气压场(黑色线，单位：hPa)、风场(风矢量，单位：m·s-1)、温度场(红色线，单位：℃)(e、f)Fig.5 The geopotential height field (the black lines, Unit: dagpm), wind field (vectors, Unit: m·s-1), temperature field (the red lines, Unit: ℃) on 500 hPa (a, b), 700 hPa (c, d) and sea level pressure field (the black lines, Unit: hPa), wind field (vectors, Unit: m·s-1) and temperature field (the red lines, Unit: ℃) (e、f) under the weather situation of vortex type at 14:00 BST 4 June 2015 (a, c, e) and 14:00 BST 9 June 2015 (b, d, f)

3.3 西风槽型

此类型的低空风切变多出现在西风槽前，3次均出现在春季。以2014年5月24日00:30和2015年5月1日12:52正定国际机场发生低空风切变时对应天气形势为例，图6为西风槽型天气形势下500、700 hPa位势高度场、风场、温度场和海平面气压场、风场、温度场。500 hPa西风槽位于河套地区，最大风速可达20 m·s-1以上，温度场落后于高度场，正定国际机场位于西风槽前，受槽前西南气流影响，存在暖平流；700 hPa正定国际机场受西南气流控制，最大风速有时可达20 m·s-1，附近有风向辐合，存在明显风切变线，机场位于暖切变一侧，暖平流明显；850 hPa与700 hPa天气形势相似，但风速减小，暖平流减弱(图略)；地面存在低压系统，有明显风场辐合，机场受偏南气流控制，处于暖区中，上游有冷高压东移。受西风槽前一致的偏南气流影响，可能伴有降水天气。

图6 2014年5月23日20:00(a、c、e)、2015年5月1日08:00(b、d、f)西风槽型天气形势下500 hPa(a、b)、700 hPa(c、d)位势高度场(黑色线，单位：dagpm)、风场(风矢量，单位：m·s-1)、温度场(红色线，单位：℃)和海平面气压场(黑色线，单位：hPa)、风场(风矢量，单位：m·s-1)、温度场(红色线，单位：℃)(e、f)Fig.6 The geopotential height field (the black lines, Unit: dagpm), wind field (vectors, Unit: m·s-1), temperature field (the red lines, Unit: ℃) on 500 hPa (a, b), 700 hPa (c, d) and sea level pressure field (the black lines, Unit: hPa), wind field (vectors, Unit: m·s-1) and temperature field (the red lines, Unit: ℃) (e, f) under the weather situation of west wind trough type at 20:00 BST 23 May 2014 (a, c, e) and 08:00 BST 1 May 2015 (b, d, f)

3.4 不同天气型的地面变压和变温特征

冷锋型低空风切变的强度与冷锋过境后的1 h变压和变温有关，1 h变温和变压越大，风切变强度也越强[6]。冷锋过境时，冷锋后有明显的3 h正变压，雷暴大风也会导致气压涌升和气温骤降。因此通过分析不同天气形势下正定国际机场出现低空风切变时的3 h、1 h和1 h内逐5 min变压、变温，归纳出现低空风切变时地面气压和气温的变化特点。

图7为2014—2017年天气形势为西北气流型和低涡型时正定国际机场出现低空风切变时地面3 h、1 h和1 h内最大5 min变压、变温的箱线图。可以看出，西北气流型天气形势下的3 h和1 h变压均以正变压为主[图7(a)]，3 h变压范围为-3.5～8.5 hPa，最大值8.5 hPa出现在2015年4月15日的典型冷锋过境过程，冷锋后有明显的3 h正变压，伴随大风天气，地面最大风速为17.8 m·s-1；1 h变压范围为-1.4～2.7 hPa，最大值也出现在2015年4月15日；1 h内最大5 min变压范围为-0.2～0.4 hPa，变化不明显。而低涡型天气形势下的变压与西北气流型明显不同，低涡型的1 h内最大5 min变压变化明显，以正变压为主，主要在0.1～1.4 hPa，雷暴高压造成的1 h内最大5 min变压在0.5 hPa以上，而3 h变压和1 h变压以负变压为主。

西北气流型和低涡型天气形势下的地面气温变化主要以负变温为主[图7(b)]。西北气流型天气形势下，3 h变温范围较大为-8.5～6.7 ℃；1 h变温范围为-3.5～2.2 ℃；3 h和1 h变温在西北气流较强的天气背景下大多为负值，而西北气流偏弱时基本为正值，说明冷空气对地面的影响已经结束，对应地面最大风速也减小。低涡天气形势下的3 h变温范围为-6.6～1.7 ℃；1 h变温范围为-6～0.1 ℃，最大负变温-6 ℃出现在2015年6月4日的雷暴大风过程，地面最大风速为18.4 m·s-1；1 h内最大5 min变温范围为-4.4～-0.2 ℃，其中-4.4 ℃的异常值与1 h最大负变温一样都出现在2015年6月4日。

图7 2014—2017年西北气流型和低涡型天气形势下正定国际机场出现低空风切变时地面不同时间变压(a)、变温(b)的箱线图Fig.7 The box diagram of allobaric (a) and variable temperature (b) at different time during low-level wind shear at Zhengding international airport under the weather situations of northwest airflow type and vortex type during 2014-2017

综上所述，在进行低空风切变预报预警时需多关注西北气流天气形势下的3 h和1 h变压、变温，而低涡天气形势下的雷暴大风主要关注短时间变化，如1 h内最大5 min变压、变温。

4 结论与讨论

(1)正定国际机场低空风切变主要出现在午后和傍晚，且14:00出现次数最多；春季出现最多，占比达51.6%，其中4月出现次数最多，夏季其次；2014—2017年正定机场低空风切变没有明显的年际变化规律。

(2)2015年正定国际机场低空风切变最多(14次)，2015年2—4月大风次数也最多，说明大风天气可能会增加低空风切变的出现概率；正定国际机场发生风切变时地面风以偏北风为主，说明北风活跃的天气系统容易在机场诱发风切变。

(3)正定国际机场出现低空风切变的天气形势主要有：西北气流型、低涡型、西风槽型和横槽型，其中西北气流型天气形势下出现低空风切变最多，且多出现在春冬季节，春季最多，低涡型天气形势下的对流天气易出现低空风切变；不同天气形势的高低空及地面形势明显不同，这有助于预判大形势下低空风切变发生的可能性，除此之外，地面变温和变压也有不同特征，西北气流天气形势下的3 h和1 h变压、变温明显，而低涡天气形势下短时间变压、变温较为明显，因此要多关注西北气流天气形势下的3 h和1 h正变压和负变温，以及低涡天气形势下1 h内逐5 min正变压和负变温。

低空风切变的预报、预警仍然是一个亟待解决的危及航空飞行安全的难题之一，由于低空风切变的个例及观测资料有限，本文分析结果的代表性存在一定局限，期望今后随着各类资料的不断积累和丰富，能够对低空风切变进行更深入的研究。