烏魯木齊國際機場風切變顛簸天氣個例分析

王春紅，朱雯娜，陳陽權

（民航新疆空中交通管理局，新疆烏魯木齊 830016）

烏魯木齊國際機場風切變顛簸天氣個例分析

王春紅，朱雯娜，陳陽權

（民航新疆空中交通管理局，新疆烏魯木齊 830016）

利用常規天氣資料、風廓線雷達探測資料、自動站資料、NCEP再分析資料及數值模擬資料，對烏魯木齊2010年12月2—3日對飛行安全有較大影響的風切變顛簸天氣進行了多角度分析。結果表明，局地性東南風層的形成和下傳造成的水平方向上非東南風與東南風的切變、鋒區南壓過程中在北疆沿天山一帶低空誘發的小范圍風場擾動對東南風層短暫破壞而引起的水平和垂直方向上風向風速的迅即變化，是造成機場附近風切變顛簸的原因。中尺度數值預報模式（WRF）對此次風切變天氣有較好的模擬能力，有助于在探測資料有限的情況下了解風切變的細微結構及其演變。

風切變；急流鋒區；數值模擬

近年來，隨著我國民航飛行總量的迅速增長，航班遭遇風切變情況呈上升趨勢。發生在低空的風切變局地性特點突出，發生時間短、尺度小、強度變化大，嚴重危害航空安全，導致過多起機毀人亡的航空飛行事故，風切變的監測和預報已成為航空氣象服務的重點和難點問題之一[1-3]。根據風切變出現的天氣背景一般可將其分為雷暴型、冷鋒型、逆溫型、低空急流型及地形性風切變等幾類。目前對于雷暴以及與其相聯系的下擊暴流引起的風切變研究較多，有效的探測手段及預警系統也在實際中有了有效應用，但其它幾種風切變的研究相對較少[4-8]。

烏魯木齊國際機場對飛行安全影響較突出的風切變主要是由局地性的東南風引起的，其次是與冷鋒鋒區影響有關的風切變。由于探測資料以及航空器報告資料的不足，預報人員對于上述風切變天氣的時間空間尺度特征、形成機制、天氣特點及表現形式等的認識還十分不足，預測難度很大。

本文利用常規天氣資料、風廓線探測資料、自動站資料、NCEP再分析資料及中尺度數值模式模擬資料，對2010年12月2—3日烏魯木齊國際機場一次對飛行安全有較大影響的風切變天氣進行了多角度分析，希望對風切變的分析和預報有所幫助。

1 航空器顛簸報告及航班受影響情況

2010年12月2日傍晚至夜間，烏魯木齊國際機場（以下簡稱機場）多架航班在降落階段因風切變影響遭遇較強顛簸，機場氣象臺在21:27（北京時間，下同）和23:14接收到2份來自航空器關于在跑道距地面600～800 m高度遭遇中度以上顛簸和強烈顛簸的空中報告，由于顛簸強度趨于加強，后續有10個航班備降，3日凌晨02時之后，機場航班才恢復正常起降。

2 風場實況分析

2.1 地面風場實況

12月2日，北疆沿天山一帶及烏魯木齊地區晴到少云，柴窩堡谷地一直有6～14 m/s的偏東、東南風存在，烏魯木齊周邊各測站多為2～4 m/s的偏北風。23時前后，機場以西石河子、呼圖壁一帶為2～6 m/s西北風，昌吉、機場、市區為2～4 m/s的東南風，西北風與東南風的交界線位于呼圖壁和昌吉之間（圖1a），到了3日00時，石河子一帶轉為2～4 m/s的西南風，呼圖壁、昌吉一帶出現了顯著的西北風，個別測站達到了16 m/s（圖1b），機場地面風向在23:45—24:00由東南突轉為西北，瞬間風速增大達到9 m/s左右，并伴有顯著的氣壓上升和氣溫下降。3日01時到02時呼圖壁和機場一帶地面風速減小，風向由西北漸次轉為偏北、偏東，03時之后，從石河子到烏魯木齊一帶均轉為穩定的偏東和東南風。

圖1 2010年12月2—3日機場（位置用“■”標示）附近觀測實況

2.2 風廓線雷達實時風場資料分析

在機場跑道西頭，安裝有一部LAP3000型風廓線雷達，有效垂直探測范圍為距地面250～3 000 m。從風廓線雷達測風實況來看：12月2日，從凌晨開始機場上空距地面1 200 m以上就存在東南風層，東南風層下方為4 m/s以下的西西南風；2日白天東南風層逐漸下傳到距地面500 m左右，大風層（風速>12 m/s，下同）距地面600～800 m，最大風速16 m/s，東南風層下方為4 m/s以下的偏東和東北風，入夜后東南風層繼續下傳，到23時前后距地面1 000 m以下整層均為東南風，大風層距地面300～ 500 m，最大風速14 m/s。在兩次航空器報告遭遇較強顛簸的時段前后，機場上空為東南風層，顛簸高度附近分別為5～10 m/s和10～12 m/s東南風，且無顯著變化。從風速大小及隨其時間變化情況來看，東南風層內部因上下層風速差引起的風速切變尚不足以造成航空器中度以上的顛簸[3]，造成兩次航空器報告的顛簸原因還有待于進一步分析。距地面1 000 m以下的低空風場在23:45—00:30出現了較為急劇的變化，即由東南風突轉為西北風，并維持了一個多小時，導致了航班的集中備降，02時之后距地面1 000 m以下又再次轉為整層的東南風（圖2）。

圖2 2012年12月2—3日機場風廓線雷達探測的風場時間—高度（m）剖面

綜合上述實況分析可知：此次風切變天氣與烏魯木齊地區低空局地性東南風層及其短暫被破壞之后的變化過程有關。烏魯木齊地區的東南風刮風范圍狹小[9]，一般是從柴窩堡谷地到機場一線，遠則能影響到昌吉、呼圖壁一帶，常發生在3 000 m以下的中低空。當航空器在水平或垂直方向上穿越非東南風與東南風的顯著切變區域時，就有可能產生顛簸，這也是兩次航空器報告較強顛簸產生的可能原因。航班的集中備降則應是由于東南風層被短暫破壞，低層風場出現急劇變化而導致的。

目前對于東南風導致的風切變和顛簸已有一定的分析和研究[10-11]，但由于各類探測資料各有局限，使我們對風切變的詳細結構仍近乎“盲人摸象”，對東南風層的空間影響范圍及其變化的預報仍沒有實質性的幫助：地面實時觀測資料可以幫助我們判斷小尺度系統的影響，但無法反映空中風場的演變；風廓線資料可以反映機場空中風場的變化，但因其單點的局限性，無從了解機場附近區域風場的水平及垂直演變特征。

3 天氣成因

3.1 有利于局地性東南風的天氣形勢

從12月2日08時的高空、地面天氣形勢來看非常有利于烏魯木齊地區局地性東南風的形成。從高空形勢演變可以看出，12月2日08—20時，500 hPa和700 hPa上，50°N以北，烏拉爾以東地區為西伯利亞低槽控制，槽前西南氣流強盛，50°N以南，咸海附近為一南支槽，槽前氣流偏西，南北兩支低槽槽前的高空鋒區位于中亞—巴湖一帶，北疆地區處于高空鋒區南側的偏西、西南氣流之中，850 hPa（圖3a）上，高空鋒區南側巴湖—西部國境線一帶為西南—東北向暖舌，烏魯木齊—庫爾勒—阿克蘇一線為溫度槽，烏魯木齊以東的北疆地區基本為南風和東南風。上述高空形勢的配置有利于北疆地區地面減壓、南疆加壓。地面圖上（圖3b），12月2日08—20時，烏拉爾山以東的亞洲中高緯地區受西伯利亞低值系統控制，地面鋒區位于巴爾喀什湖附近，北疆地區位于低壓底部，等壓線相對稀疏并有顯著減壓，南疆氣壓高于北疆，形成了“南高北低”的有利于烏魯木齊局地性東南風形成的地面氣壓場形勢。到3日02時，烏魯木齊附近"南高北低"的氣壓場形勢還有所加強。

圖3 2010年12月2日20時天氣形勢實況

3.2 誘發低層小范圍風場擾動的天氣形勢

12月2 —3日，50°N附近西伯利亞—貝加爾湖一帶，最顯著的就是西伯利亞低槽前的高空急流鋒區。

2日08 時，高空鋒區在70°E以西呈近東西向，70°E以東則呈西南—東北向；西風急流在250 hPa達到最大，急流核分別位于咸海以西，巴湖以北，風速超過65 m/s。

2日14 時到3日08時，70°E以東的高空鋒區明顯南壓，走向變為東西向（圖4a、4b），咸海以西的西風急流核在東移過程中與巴湖附近的急流核合并、南壓并迅速東移。在此過程中，2日20時開始，北疆沿天山一帶西風風速自高層向低層顯著增大（圖4c、4d），2日20時，500 hPa上北疆地區西風達到了40 m/s，烏魯木齊附近700 hPa以上西風迅速增大，在3日02時達到最大。

在850 hPa上，風場的變化與700 hPa以上各層有所不同，2日20時，北疆西部國境線附近西風加大到16 m/s左右，其余地區仍為偏東和東南風，使得克拉瑪依和烏魯木齊之間的北疆中部地區形成了偏西風和偏東、東南風的“對峙”。到3日02時，850 hPa上北疆沿天山一帶轉為一致西西南風。但西風并沒有維持下去，到3日08時，除克拉瑪依以西仍為西風外，烏魯木齊及其以東地區又為偏南風控制。

結合第一小節所述風場實況來看，北疆沿天山一帶垂直風場的變化，應該與高空鋒區（急流核）南壓、東移過程中的動量下傳的動力擾動作用有關，且在700 hPa以上表現得十分顯著，而在850 hPa以下的層次，其擾動作用的時間和強度范圍均有限。

3.3 高空急流鋒區南壓、東移的熱力擾動作用

12月2 —3日，北疆盆地及沿天山一帶700 hPa以下存在有穩定的逆溫層結（圖5a），機場附近逆溫在2日20時最強，逆溫層頂位于800 hPa，溫度5℃，在2日20時到3日02時中高層風速急速增大以及低層風向轉變風速增大的時段，逆溫層結雖有所減弱，但沒有得到根本性的破壞（圖5b）。冷暖平流的分析表明，2日20時到3日02時，烏魯木齊機場附近700 hPa以上空中有弱冷平流存在，而700 hPa以下并無明顯的冷空氣出現。

圖4 高空急流、北疆沿天山一帶高低空風場演變（1°×1°NCEP資料分析）

圖5 北疆沿天山、機場溫度分布及演變（1°×1°NCEP資料分析）

以上分析說明，高空急流鋒區南壓、東移的熱力擾動作用較弱。究其原因，主要是因為鋒區雖有明顯的南壓，冷空氣有所南下，但從實況來看，2日20時，500 hPa上-24℃等溫線僅壓到塔城-阿勒泰一線，于北疆沿天山一帶來講相對偏北。冷空氣在南壓、東移過程中沒有給北疆沿天山一帶，尤其是低層帶來顯著的冷平流，使得北疆盆地低層穩定維持逆溫層結僅僅被短暫地破壞，在急流鋒區迅速東移后就很快得以恢復。

綜合上述，高空鋒區及其上急流核南壓、東移誘發了北疆沿天山一帶的小范圍風場擾動，烏魯木齊低空局地性東南風場的短暫破壞就是由此造成的。這種擾動以動力作用為主，熱力作用不顯著。由于鋒區位置相對偏北、冷空氣南下不明顯，北疆盆地低層逆溫層十分穩定，而急流核又快速東移等諸多因素，使得其誘發的這種低層風場擾動在時間上較為短暫，空間上范圍不大。從1°×1°NCEP資料分析看，其對850 hPa風場的影響時間尺度在6 h左右，空間范圍300～400 km。而在地面，其影響時間尺度不足3 h，空間范圍不足100 km。

4 風切變結構的數值模擬分析

由于利用常規天氣資料、現有的探測資料和NCEP資料無法對風切變結構在空間和時間上進行細致的分析，本文在WRF中尺度數值模式對天氣形勢演變成功模擬的基礎上，利用其輸出的高時空分辨率資料進行了診斷分析。模式中心44°N，87°E，3重嵌套，格距分別為45 km，15 km和5 km。模式垂直分39層（其中1 200 m以下共分12層），采用每6 h一次的1°×1°NECP資料作為初始和側邊界條件，從2010年12月1日20時到2010年12月3日08時，共積分36 h。

模式很好地模擬出了此次風切變顛簸天氣的高低空形勢演變，與實況分析和NCEP資料的診斷分析十分一致。模式成功地模擬出了烏魯木齊機場低層的東南風層及其下傳過程，也模擬出了中低空風場的急劇轉變。只是3日00時到02時，距地面250 m左右（σ=5）層次以下模擬風場仍為東南風，與實況的偏西風不符。

模擬結果顯示，烏魯木齊機場上空3日00時之前，偏西風與東南風層的分界線高度在距地面1 600 m左右（σ=14）附近，其上為偏西風，其下為東南風（圖6a），東南風水平分布呈東南—西北向，范圍隨著高度增加而縮小，東南風區域之外，基本為西風控制，烏魯木齊機場以西為偏西風與東南風的切變區域。高空鋒區及急流核南壓、東移過程中，在北疆沿天山一帶低層誘發出小范圍風場擾動，使偏西風與東南風切變的氣旋性逐漸增加，在低層甚至表現為氣旋性渦旋，在其東移過程中烏魯木齊機場附近東南風層從高向低，風向向西偏轉，東南風層被短暫破壞，該小范圍風場擾動東移減弱后，烏魯木齊機場附近中低空東南風層恢復。

以下重點分析兩次航空器報告顛簸、航班集中備降的風切變結構。從兩次航空器報告顛簸位置和高度來看，顛簸點基本上位于水平方向上非東南風與東南風的切變線附近。第一次顛簸報告的航空器執行阿克蘇—烏魯木齊航班任務，按其進場航線，是直接從機場西南的阿什里附近加入長五邊，在下降過程航班逐漸由較大的西風區進入弱風區，然后再進入較大的東南風層，顛簸是由水平和垂直方向上風向和風速的顯著變化（逆風切變、側風切變）造成的（圖6b、6c）。第二次顛簸報告的航空器執行西安—烏魯木齊航班任務，按其進場航線，是從機場北側走三邊、四邊后加入五邊，因此在其下降進近過程中，三邊從西風區下降穿越東南風區，四邊經跑道西側西風和東南風之間的弱風區進入較強的西風區，五邊則是由較大的西風區進入弱風區，然后再進入較大的東南風層（圖6d、6e），風場的變化情況十分復雜。航空器的嚴重顛簸是由水平和垂直方向上風向風速的迅即變化（順風切變、逆風切變、側風切變）造成的。而在小范圍風場擾動東移影響過程中，機場正好處于空中風場氣旋性切變曲率最大的地方（圖6f），在垂直方向上由高層向低層穿越時，無論是風向還是風速，都有較為急劇的轉變，給降落過程中的航空器帶來的顛簸程度也將更為劇烈，因此導致了航班的集中備降。

5 結論和討論

（1）此次風切變顛簸天氣與烏魯木齊地區局地性東南風層及其短暫破壞有關。西伯利亞急流鋒區南壓過程中，位置偏北且北疆盆地逆溫穩定維持，急流核東移過程中的動量下傳作用僅在北疆沿天山一帶低層誘發了小范圍風場擾動，導致烏魯木齊地區低層東南風層出現短暫而急劇向西北風的轉變。

（2）常規天氣資料、風廓線雷達資料在風切變的監測、分析預報上發揮的作用各有局限。中尺度數值預報模式WRF在邊界層分層加密的條件下很好地模擬了此次風切變顛簸天氣，有助于我們在探測資料有限的情況下了解風切變的細微結構及其演變，還可以為今后更加合理地布局風切變探測系統，提高其有效性方面發揮作用。

（3）先進探測技術和數值預報技術的結合應該成為未來風切變的監測和預報預警技術的發展方向。

圖6 機場附近水平、垂直風場模擬

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Analysis of a Wind Shear at Urumqi Airport

WANG Chunhong，ZHU Wenna，CHEN Yangquan
（Meteorological Center of Xinjiang Air Traffic Management Bureau，Urumqi 830016，China）

A strong wind shear case that occurred at Urumqi Airport during December 2-3,2010 was analyzed using routine meteorological data,wind profile radar data,automatic weather station data,NCEP reanalysis data and numerical simulation results data.The results show that wind shear occurred at such weather situations as following:polar front frontal zone slowly moved southwards to Xinjiang area,the inversion in the basin of the north of Xinjiang maintained stability and there was local low-level southeast wind at Urumqi area.Because of these conditions,some small-scale disturbance was induced at the north of Xinjiang along the Tianshan Mountains and the southeast wind layer was damaged temporarily,which caused strong horizontal and vertical wind shear. Because of the limitations of the detection,the spatial and temporal characteristics of the wind shear cannot be fully revealed.so it is very difficult to conduct the fine forecast.However,mesoscale numerical prediction model WRF can simulate this wind shear case,and the results are helpful to understanding the cause of the wind shear.

wind shear；local southeast wind layer；numerical model（WRF）

P458

B

1002-0799（2013）06-0015-07

10.3969/j.issn.1002-0799.2013.06.003

2013-03-15；

2013-06-15

新疆自然科學基金（2011211A102）資助。

王春紅（1971-），女，高級工程師，主要從事航空氣象預報工作。E-mail：ningning5021@shou.com