廣州白云機場一次微下擊暴流引起的低空風切變過程分析

郭智亮，謝文鋒，鐘加杰，黎偉標，陳淑敏

（1.中國民用航空中南地區空中交通管理局氣象中心，廣東 廣州510406；2.中山大學大氣科學學院，廣東 廣州510275）

20 世紀70 年代中期，Fujita 等[1-2]調查美國飛機起飛和降落過程中發生的三起嚴重飛行事故原因時，發現造成飛機失事的“元兇”是強烈的風切變，從此開啟了風切變的研究。1976 年國際民航組織把低空風切變作為重要的研究課題[3]。低空風切變是指600 m 高度以下空間中風速矢量或其分量沿某一垂直或水平方向的變化[4]。產生風切變的原因主要有兩大類[5-6]，一類是地理、環境因素所造成的，例如香港機場一面靠山，三面環海，機場的70%風切變由復雜的地形造成[7]；另一類是大氣運動本身的變化造成，比如雷暴、微下擊暴流等強對流天氣發生時，產生強下沉氣流會造成低空風切變。廣州地處華南中南部，每年3—10 月容易出現強對流天氣，風切變出現頻繁，張美平等[8]統計發現下擊暴流產生的大風是白云機場產生低空風切變的主要原因。

下擊暴流根據尺度和持續時間又進一步分為微下擊暴流和宏下擊暴流[9-10]。下擊暴流產生的下沉氣流在空間分布是極不均勻的[11]，往往在大片的下沉氣流中，通常會有一股或幾股較強的下沉氣流造成低空風切變。李夢婕等[12]對發生在北京的一次微下擊暴流進行模擬，推斷強下沉氣流主要由雨水粒子拖曳作用產生，較大的位溫擾動則加強氣流上升運動，迫使暖濕氣塊更大程度抬升，進一步維持和發展下擊暴流系統。Fujita[13]發現弓狀回波是下擊暴流發生的重要特征之一。刁秀廣等[14]通過分析三次下擊暴流的雷達回波特征，發現3 次風暴中層為明顯氣旋上升結構有利于風暴的發展和維持，反射率因子強核高度或風暴頂高度下降使得下沉氣流增強，引起地面下擊暴流。Roberts 和Wilson[15]、俞小鼎等[16]通過大量分析下擊暴流事件，發現下擊暴流發生之前往往伴隨反射率因子的持續下降和云底以上的速度輻合，利用這一特征可以提前數分鐘對下擊暴流進行預警。吳芳芳等[17]、畢旭等[18]等通過個例分析，也發現下擊暴流產生前雷達發射率因子核的下降。鐘加杰等[19]對白云機場的颮線產生的下擊暴流進行了細致分析；黃奕銘等[20]分析白云機場產生雷雨大風的回波特征，發現產生下擊暴流時天氣雷達的低仰角PPI 速度回波圖像會出現相應量級的負速度回波或小尺度強烈輻散的速度特征；劉峰[21]通過與飛行數據作檢驗分析，證實白云機場在現有條件下，有條件開展低空風切變預警工作。

微下擊暴流生命周期短，尺度小，破壞性強，觀測困難，是民用航空氣象預報的難點和重點。美國已開展4 次外場實驗和研究[22-24]，但在我國大多數通過多普勒天氣雷達進行觀測和研究，觀測到微下擊暴流的各氣象要素的演變個例極少。2017 年8 月1日20：18：15 廣州白云機場自動觀測系統探測到自2004 年搬遷有記錄以來的最強陣風42.1 m/s，本研究將此次過程作為研究對象，利用自動觀測資料以及多普勒雷達資料分析造成此次強陣風的成因以及探討預報低空強風切變的可能性。

1 數據及方法

1.1 白云機場跑道以及自動觀測系統的分布介紹

張利平[25]等認為機場的自動觀測系統類似于美國開展的機場探測低空風切變警報實驗的高時空分辨率觀測網，為探測到微下擊暴流以及計算低空風切變強度提供了可能性。廣州白云國際機場現有3條跑道運行（圖1），從左到右依次為西跑道、東內側跑道和東外側跑道， 跑道長度依次為3800 m、3600 m、3800 m。西跑道和東內跑道間隔為2200 m，東內跑道與東外跑道間隔為400 m。在每條跑道的南北兩頭以及跑道中間配備3 個自動氣象觀測點，每個自動氣象觀測點均引進使用芬蘭VAISALA 公司的自動氣象觀測系統，安裝傳感器對常規的氣象要素進行探測[26]。3 條跑道所有的自動氣象觀測點均有風向風速傳感器，傳感器位于跑道道面10 m高度，根據需要可提供2 min或10 min 時距內的平均風向風速、瞬時風向風速、最大（小）風向風速等數據，時間分辨率為15 s；在3 條跑道的南北兩頭的6個自動氣象觀測點有溫度、濕度、壓力傳感器，傳感器距離航空器接地地帶的跑道面1.5 m，作為氣壓、溫度、濕度的計算基準點，時間分辨率為15 s。

圖1 白云機場跑道分布及自動觀測系統的分布

1.2 分析資料及多普勒天氣雷達介紹

采用空間分辨率1°×1°的FNL 資料分析背景形勢，對濕度和能量進行診斷。廣州白云機場的C 波段雷達是2006 年從德國引進的METEIR-1500，提供了豐富的多普勒雷達圖。

2 背景形勢分析

利用FNL 再分析資料分析2017 年8 月1 日14時（北京時，下同）的天氣形勢（圖2），500 hPa 內蒙古東部有一淺槽向東移動，熱帶氣旋“海棠”位于江西湖北交界處，華南地區處于“海棠”臺風槽的西南氣流影響，850 hPa 切變線（棕色實線）位于安徽、湖北、江西、湖南南部一線，廣東受槽前西南氣流控制，風速在6～8 m/s。

1 日14 時廣東中南部有對流不穩定能量積聚，對流有效位能普遍超過1000 J/kg，為中等的對流不穩定；925 hPa 風場也可以看出在廣東中東部地區存在一條中尺度輻合線，存在明顯風速和風向的輻合，有利于對流上升運動的發展（圖3）。沿著23°N作相對濕度垂直經向剖面圖（圖4），可以看到，在112°～117°E 地區700 hPa 附近存在相對濕度高值區，550 hPa附近存在相對濕度低值區，白云機場（23°N、113°E）上空的這種上干下濕結構也有利于對流的發生。

廣州白云機場在1 日傍晚到夜間出現雷雨天氣，自動觀測系統的雨量傳感器錄得白云機場8 月1 日24 h 總降水量為20.8 mm。這次中尺度對流天氣過程在午后下墊面加熱，不穩定能量累積，在傍晚前后中尺度輻合線附近局地形成。

圖3 2017 年8 月1 日14 時925 hPa 風場（風桿，單位：m/s）與對流有效位能（等值線，單位：J/kg）

圖4 2017 年8 月1 日14 時相對濕度（單位：%）垂直經向剖面

3 微下擊暴流的識別以及低空風切變的強度和演變

3.1 各氣象要素的演變特征

2017 年8 月1 日午后開始，廣州白云機場周邊有孤立、強度較弱的對流云團生成，跑道各自動觀測點探測的風速穩定在5～9 m/s，風向為偏北風，航空器在三條跑道的南端自南向北逆風起飛和降落。17時以后機場南面20～60 km 的對流云團加強發展，逐漸向白云機場移動，20：03 機場出現雷暴伴隨降水的天氣。20：17 開始，機場的風速突然加大，東內側跑道02L 自動觀測點探測的瞬時風速達到42.1 m/s（圖5 中藍色曲線20：18：15 時瞬時風速），這也是廣州白云機場自2004 年8 月5 日搬遷新址以來探測到的最大風速。

圖5 是3 條跑道上9 個自動觀測點的瞬時風速的時間序列圖，虛線是17.9 m/s 的大風臨界線。02L、02R 和MID3、MID2 4 個自動觀測站點的瞬時風速出現超過17.9 m/s 的強地面風。02L 的風速（圖5 藍色曲線）從20：17：00 開始迅速增大，在20：18：15 出現了14 級42.1 m/s 極值大風，此后風速回落，20：21：30后風速＜10 m/s，持續時間＜5 min。15 s 后的20：17：15，02R（圖5 灰色曲線）風速開始劇增，極大風值為24.1 m/s，20：22：00 后風速＜10 m/s。20：19：00，MID3自動觀測點風速（圖5 褐色曲線）也劇增，出現34.7 m/s 的13 級大風，20：22：45 風速＜10 m/s。此外，MID2 自動觀測點（圖5 棕色曲線）于20：22：00 短暫出現過18.2 m/s 的陣風。

圖5 機場各觀測站點的瞬時風速隨時間的變化

為了避免與障礙物相撞，航空器著陸（起飛）時，飛行員將統一高度表氣壓刻度調到本場的修正海平面氣壓（Query normal height，簡稱QNH），QNH 的值決定航空器接地離地的高度。通常QNH 變化1 hPa的數值，飛行器的接地離地高度變化為8 m。圖6 給出了機場出現地面大風的自動觀測站點的02L 和02R 的QNH 隨時間的演變特征（3 條跑道中間的3個自動觀測點無溫度、濕度、壓力傳感器；為避免線條多而雜亂，省略各氣象要素變化不明顯的其它4個自動觀測站點演變圖），微下擊暴流的下沉氣流到達地面經過的02L（藍色線）、02R（綠色線）點時，QNH 變化劇烈，2 個自動觀測點出現了氣壓驟升，又迅速回落的“氣壓鼻”，從20：16 到20：23 的7 min時間內，02L 的QNH 上升了0.3 hPa，“氣壓鼻”呈雙峰狀；02R 從1 001.95 hPa 驟升到1 002.15 hPa，隨著大風的結束，QNH 值出現回落。

圖6 出現地面大風前后02L 和02R 自動觀測站點的修正海平面氣壓隨時間的演變

當對流風暴流單體時影響機場時，產生了降水，6 個自動觀測點的溫度都有所下降。圖7 給出了02L 和02R 自動觀測站點的溫度隨時間的演變。比起對流風暴流單體降水引起的溫度下降，微下擊暴流影響的兩個自動觀測點的溫度降幅更加明顯。其中02L 觀測點（藍色線）在出現強風后，溫度從20：18 的26.0 ℃到20：21 的23.7 ℃，3 min 內溫度降幅為2.3 ℃；02R 觀測點（綠色線）從20：18 的27.2 ℃降到20：22 的25.4 ℃，4 min 內下降了1.8 ℃。

圖7 出現地面大風前后02L 和02R 自動觀測站點的溫度隨時間的演變

3.2 微下擊暴流的識別

Fujita[9-10]認為微下擊暴流能在地面產生超過17.9 m/s 的輻散風，尺度＜4 km、持續時間＜10 min。胡迪[27]、潘彭剛[28]等研究發現微下擊暴流完整的模型包括下沖氣流、“氣壓鼻”和水平渦度。本次天氣過程，只在機場東南部的4 個自動站點出現超過17.9 m/s 的強風，其它5 個自動觀測站點風速沒有顯著的改變，這是一次小尺度的局地地面強風天氣過程。出現大風的自動觀測站點先后時間依次為02L-02R-MID3-MID2，大風自西南向東北移動（與下一章節分析的對流風暴單體移動方向一致），風速以02L-MID3 西南東北向連線向兩邊減小的特征。4個受影響的自動觀測點風速＞17.9 m/s 的影響時間＜5 min，地面氣壓驟升，出現了“氣壓鼻”，雷達分析發現有下沖氣流和地面渦度，符合微下擊暴流的模型的特征，因此此次白云機場產生局地短時強陣風是一次典型的微下擊暴流過程造成的。

3.3 低空風切變的強度及演變

微下擊暴流引起的風切變過程的個例由于維持時間短，探測手段匱乏，以往的研究中缺乏準確的觀測資料，只能通過機組報告等間接例證，但這一次機場自動觀測資料恰好探測到了風向風速的變化。為了進一步分析引起短時地面強風的微下擊暴流的特征，圖8 分析了跑道出現超過17.9 m/s 的4 個自動觀測點的風矢量隨時間演變情況。水平風切變強度在國際尚無統一標準，在美國機場低空風切變警報系統中認為水平風切變值達到2.57 m/（s·km）對航空器構成危害，會發出風切變告警信號[22-24]。根據自動觀測點的風速大小及已知的相互間距離可計算風速切變的大小。20：15：00，4 個自動觀測點一致的東北風，風速也沒有切變。20：18：15，02L 自動觀測站點的風速迅速增大，根據02L 風速為42.09 m/s 與02R的24.10 m/s 以及2 個自動觀測點的距離0.75 km，計算得到2 個自動觀測點的切變值為23.98 m/（s·km），02L與MID2 的風速切變值為17.61 m/（s·km），此時02L與MID2 的水平風切變值遠超過對航空器構成危害的臨界值，航空器起飛和降落將受到極大威脅。倘若航空器此時在02L 降落，將遭受逆風增大的逆風風切變，航空器的升力迅速升高，航空器比預定航線升高，操作不及時將引起航空器復飛；航空器從02L向北起飛時，受強的順風風切變，航空器的升力迅速降低，飛行員若來不及做修正，航空器的飛行高度會迅速下降，可能剛起飛離開跑道又下墜觸地，造成嚴重飛行事故。20：19：15，經計算得MID3 與MID2 的風切變值為20.48 m/（s·km），MID3 與02R 的風切變值為4.36 m/（s·km），若在02L 跑道降落將遭受強烈的側風風切變，會產生側滑，嚴重時航空器會被吹翻；若此時航空器在02R 跑道起飛和降落，將受逆風減小的順風風切變。02L 和02R 轉為偏東風，MID2 和MID3 仍為東北風，在它們之間有風向的風切變。20：23：00，4 個自動觀測點的大風已消失，02L為偏北風、02R 為東南風和MID2、MID3 為東北風，4個站點風向呈氣旋性風切變，仍對飛機起降有很大的威脅。

4 雷達回波分析

2017 年8 月1 日午后，廣州白云機場（位于多普勒雷達東南偏東約3～4 km，即圖9 標記處）及周邊對流天氣開始逐漸活躍，一直有中小尺度的對流單體活動，自西南向東北移動。19：03BT（下同）開始在機場西南偏南約25 km 處有新的對流單體生成并快速發展（圖9a 方框），尺度約為3 km，回波強度約為45 dBZ，回波頂高5 km，向機場移動。20：04，對流單體移到機場（圖9b），機場出現雷陣雨天氣，此時對流單體水平尺度約為12 km×20 km，回波強度為55～60 dBZ、回波頂高約7 km。20：10，對流單體發展旺盛，從圖9c 虛線方框看到，單體的回波頂高高度超過10 km、回波強度65 dBZ。4 min 后（圖9d 虛線方框），對流單體的回波頂高突然降低到5～6 km，回波強度降到60 dBZ。在回波強度降低和回波頂高的高度降低的過程中，據自動觀測設備儀器探測的數據（圖5）可知，地面風從20：17 開始突然加強，20：18 達到42.1 m/s 的最大風速。研究表明，微下擊暴流和地面大風與對流單體回波強度和回波頂高的突然降低有很大關系。胡明寶[29]等解釋了這一原因：對流單體回波突然坍塌與地面陣風鋒切斷上升氣流入流有關，而且由于高層回波坍塌，對流單體中的下沉氣流中增加了高層回波的大氣的水平動量，所以當下沉氣流達到地面時，形成下擊暴流。

圖9 白云機場多普勒雷達反射率因子的垂直分布

圖10 是白云機場多普勒雷達徑向速度圖的演變過程，19：03（圖10a），機場西南方向及偏南方向都是一致的朝向雷達的負速度回波，對流單體移向機場，最大徑向風速在11 m/s 左右。對流單體不斷發展，19：40（圖10b）徑向速度圖出現正負速度對，核半徑為5 km，最大平均轉動速度為15 m/s，是一個中氣旋。中氣旋的出現，預示著強烈的天氣發生[30]。20：03 對流單體接近本場，雷達徑向速度場（圖10c）的方框可以看到近地面的反氣旋性輻散氣流，正負徑向風速速度中心大小為10 m/s 左右，輻散中心位于雷達偏南10 km 處，對應圖9b 對流單體的位置，可知輻散區在對流單體的后部，根據雷達1.2°的仰角，和對流單體離雷達中心的距離，可以算出輻散區高度約為240 m。20：13，靠近雷達處為純反氣旋，正負徑向風速速度中心為18 m/s 左右，強度在加強，輻散區中心位于雷達偏南8 km 處，輻散區高度約為200 m，輻散強度繼續加強，最大正徑向速度達到11 m/s，最大負徑向速度達到15 m/s，最大正負徑向速度風速差達到26 m/s 左右，此后輻散的強度繼續增加、輻散高度也不斷下降，最終下沉氣流到達地面，地面風迅速加強，并于20：18 形成強風，造成低空強風切變。

5 結論

（1）2017 年8 月1 日白云機場出現了一次42.1 m/s的極值大風，本文通過自動觀測資料和雷達探測資料，證實此次白云機場遭受的強陣風是微下擊暴流的下沉氣流到達地面形成的輻散大風所致。微下擊暴流的下沉氣流到達地面后，地面氣壓驟升，溫度驟降，并形成低空強風切變。

圖10 白云機場多普勒雷達經向速度圖

（2）自動觀測數據采集數據頻率密集，從采集到傳輸到終端顯示時間短。預報員在微下擊暴流引起的風切變時可多注意自動觀測數據站點氣壓溫度等氣象要素的變化，當氣象要素變化劇烈，達到預警值后及時發布低空風切變告警產品。可利用白云機場外圍的四個導航點的自動觀測站的數據，使得資料密度加大，更好對低空風切變進行監測和告警。

（3）造成此次強地面風和風切變的對流單體從20：10 發展最旺盛，到20：18 微下擊暴流的下沉氣流到達地面形成強風的過程間隔時間為8 min，但目前白云機場雷達處理數據到出圖像的時間需要約10 min，預報員往往也容易疏忽回波的突然減弱和回波頂高突然降低，即使從雷達圖發現對流單體反射率因子下降、回波頂高下降，下擊暴流實際已經發生，通過雷達組合反射率的變化提前發布機場大風及風切變預警難以完成。在多普勒徑向速度圖上，19：40 出現中氣旋，20：04 近地面出現反氣旋性輻散，若觀測到這一變化，馬上發布大風和低層風切變警報，能有一定預警效果。未來增加低仰角的雷達掃描密度以及對雷達多仰角PPI 的體積掃描探測時間減少，能夠改進雷達預報大風及低空風切變預警的工作。