白寒冰,陈 诚,林 彤

(1.中国民用航空西北地区空中交通管理局宁夏分局,宁夏 银川 750004;2.中国民用航空华东地区空中交通管理局福建分局,福建 福州 350000;3.宁夏防灾减灾重点实验室,宁夏 银川 750002)

1 引 言

民用航空规范中的低空风切变是指跑道及周边区域600 m高度以下风向或风速突然变化的现象。低空风切变尺度小、变化快、难于探测,被航空界称为“隐形杀手”[1-2]。20世纪70年代,Fujita[3]指出雷暴强烈下沉气流造成的低空风切变是导致飞机失事的直接原因。传统测风设备在低空风切变探测方面存在局限性[2,4],例如地表风速计只能单点探测水平风切变;多普勒天气雷达无法探测晴空条件下的风切变;风廓线雷达无法进行全方位扫描,因此无法提前预警低空风切变。以往研究利用传统探测设备对典型风切变个例进行详细剖析[5-6];也有部分研究关注长时间段内风切变的统计特征及规律[7-8],但受限于设备探测能力,涉及风切变结构的研究尚且较少,亟需进行研究。

激光频段的雷达近年来逐渐被用于低空风场与风切变探测[2,9-11]。激光测风雷达具有探测分辨率高、测速精准、数据实时性好等优点。胡杨[12]等对1.55 μm全光纤相干多普勒激光测风雷达的测速性能进行测试,仿真与实际实验均表明激光雷达测量结果具有稳定性与准确性。范琪等[13-14]以及冯力天等[15]的研究指出,在地理气候条件复杂的高原机场进行测试,不同天气条件下,全光纤相干激光测风雷达对低空风场与风切变的探测能力较优。以往有学者利用激光测风雷达对机场的典型风切变过程进行分析[16-17],但激光测风雷达在国内民航机场的应用仍处在起步阶段,利用1.55 μm激光雷达研究低空风切变结构还需要更多工作。

宁夏北部春季受高空急流影响,配合冷空气南下,常出现大风沙尘及低空风切变天气[18-19]。银川机场属于西部高原机场,独特的地形地貌使机场具有晴空风切变多发的特征。目前使用激光雷达探测晴空风切变是较为理想的办法,可弥补传统风场探测设备的不足[13,20]。本研究的特点在于利用激光测风雷达可多角度探测风场信息的优点,研究典型高原机场晴空条件下的风切变结构以及风切变过程中的三维风场变化,这对晴空风切变研究有意义,同时也可为其他尚未配备激光测风雷达的高原机场或其他有需要的单位提供参考。因此本文对银川机场2022年2月13日一次典型晴空低空风切变过程进行研究,利用1.55 μm激光测风雷达数据分析此次低空风切变的结构和演变特征。

2 实验原理

2.1 天气形势

利用美国国家大气研究中心NCAR/NCEP再分析资料(1°×1°分辨率)分析风切变发生当日天气背景。如图1为2022年2月13日14时(北京时间,下同)各层气象要素场(图中星号表示银川机场位置)。300 hPa上高空急流位于30°N附近(图1(a)),河套地区位于急流左侧辐合区,500 hPa上河套北部处于急流最大风速中心(图1(b)),850hPa上河套地区有明显冷平流活动(图1(c)),海平面气压场上(图1(d))我国华北至西北地区受带状冷高压控制。综合各层要素场结果可知,当日午后天气形势有利于下沉运动及动量下传风发展,河西至河套地区白天地面风速有增大的趋势。

图1 2022年2月13日14时各层气象要素场

2.2 自动观测系统风场变化

如图2为风切变发生前后03#与21#跑道地面观测系统所测得的风向风速数据结果。柱状图表示风向,图中两条虚线参考线与中线将Y轴分为四个区域,风向度数范围分别代表西北(NW)、西南(SW)、东南(SE)、东北(NE)。折线图则代表风速,圆圈与圆圈之间连接实线表示风速突然增大的时刻及增大幅度。机场21#跑道的自动观测系统设备位于跑道北端,15∶48此处风向由西南风快速转为东北风,风速增幅约8 m/s(图2(a))。而03#跑道风向转变的时间在16∶00,比21#跑道晚12 min,且风速增幅较小(图2(b))。

图2 2022年2月13日15:20～16:30跑道自动观测系统风数据时间序列

机场预报业务中常利用自动观测系统实时风场数据发布风切变预警,预报员发现跑道两端风向风速差异过大或出现对头风时,判断可能存在低空风切变进而发布预警。本次风切变过程的预警发布时间为15∶50,此时跑道北端风向已经转变(图2(a)),跑道两端存在对头风现象。自动观测系统实时风数据对风切变进行预警的提前量很少,往往是在风切变已经发生之后才发布预警,不利于航空飞行安全。因此业务中需要配合激光测风雷达对低空风切变过程进行监测,提前预警发布时间。

3 实验过程

银川机场位于银川平原东南(图3),毗邻黄河与戈壁,周边地形特殊。机场跑道全长3.2 km,为东北(21#)-西南(03#)走向,测风设备包括三套自动观测系统和一部三维激光测风雷达。该雷达是一部多普勒脉冲相干体制及全光纤结构的激光雷达,雷达工作波长为1550 nm,距离、高度分辨率为100 m(可调整),探测数据包括径向速度、水平风向风速、垂直风向风速、信噪比、风切变强度和频谱强度等,具体参数可见表1。激光测风雷达具有风廓线探测模式、扫描探测模式(含RHI、PPI探测模式)、综合扫描模式和飞机起降通道等不同的扫描模式。风廓线扫描模式、PPI模式和飞机起降通道模式具备风切变监测、预警功能,可对严重危害飞机起降的风切变进行预警。为了实现风场的三维探测,银川机场激光测风雷达采用多种扫描模式混合运行,混合运行包括1次多普勒波束摆动(DBS)扫描、1次4°的平面位置显示(PPI)扫描、1次6°的PPI扫描、1次-10°～190°的距离高度显示(RHI)扫描(沿跑道两端方向)、1次03#起降通道(GP)扫描和1次21#起降通道(GP)扫描。激光测风雷达在银川机场连续运行并探测到此次晴空风切变发生时段的风场信息,本文将利用激光测风雷达风场数据对此次晴空风切变的结构进行分析。

表1 激光测风雷达主要性能参数

图3 银川机场地理环境及激光雷达位置

4 基于激光测风雷达的风切变结构分析

4.1 风切变的垂直结构特征

激光测风雷达采用四波来实现波束摆动扫描,并反演计算大气风廓线。多普勒波束摆动(DBS)扫描模式获取的风廓线数据可用于分析风场的垂直结构。图4为2022年2月13日15∶29∶52～16∶03∶19 DBS模式风廓线结果。15∶29雷达上空1500 m以上为较强偏北风,以下逐渐转为偏西风至西南风。15∶30～15∶49期间偏北风高度随时间下降,由1500 m逐渐下降至700 m,垂直速度结果中代表下沉运动的负速度同样有下沉的特征,该现象表明大气出现动量下传现象。偏北风在15∶49～15∶56下降至地面,1000 m以下转为北风控制,而1000～1500 m高度层(黑色虚线椭圆)出现西南风,结合同一时刻垂直速度,该高度层附近有较强上升运动,可知该现象对应偏北风引导冷空气接地后,导致暖空气被迫抬升,从而形成局地上升运动。之后地面风速增大,16∶03出现了超过12 m/s的阵风。

图4 2022年2月13日15:29:52～16:03:19激光测风雷达DBS模式水平风及垂直风(单位:m/s)

激光测风雷达的距离高度显示(RHI)扫描,指雷达以某一固定方位角做俯仰切片式扫描的探测方式,可提供剖面径向速度信息,方便了解风场内部结构。如图5为风切变影响机场前后六个时刻的RHI扫描结果。以雷达为中心,左侧为03#跑道,右侧为21#跑道。15∶28时(图5(a))1000 m以下雷达左侧为负速度,右侧为正速度,而1000 m以上径向速度方向相反,表明此高度上下存在水平风垂直切变现象(黑色虚线)。15∶35(图5(b))雷达右侧4～8 km处有负速度从高空连接至地面,破坏了分层结构,表明此处出现偏北气流下沉,与之相持的是环境场偏南气流,二者形成的水平风切变位于雷达右侧3 km处,其垂直高度约1000 m。15∶48(图5(c))偏北风引导冷空气呈楔形从近地层嵌入(左向空心箭头),导致前方暖空气抬升(右向空心箭头)。至15∶55(图5(d))雷达左右均为负速度,水平风切变已经移动到雷达附近,此时跑道两端出现南北对头风,其中偏北风风速较大。值得注意的是此时雷达上空有正速度中心,对应冷空气前端被迫抬升的暖空气,这一现象与DBS扫描模式结果中15∶56的强上升运动吻合。16∶02(图5(e))水平风切变移过雷达至左侧2 km处,随后的16∶15(图5(f))RHI扫描范围内约700 m以下为较强偏北风,以上为偏南风,与15∶28时的风场结构几乎相反,水平风垂直切变也更强,风场完成了一次南风到北风的转换。此外,15∶35时发现负速度接地时预报员可以判断机场即将出现低空风切变。

图5 激光测风雷达RHI模式不同时刻径向速度(单位:m/s)

4.2 风切变的水平结构特征

激光雷达平面位置显示(PPI)扫描,指雷达以某一固定仰角做全方位扫描的探测方式,其扫描获取的数据实际上是在该仰角所对应锥面上的风场及径向速度信息,可通过PPI产品来分析机场上空及周边风切变的水平结构。如图6为风切变影响机场前后六个时刻的6°仰角PPI径向速度和水平风场。15∶34(图6(a))机场跑道上为西南风,在雷达东北方向4～6 km处可观察到负径向速度区域(黑色虚线椭圆),表明此处出现逆风区,与RHI模式15∶35的结果对应。15∶47时(图6(b))上述逆风区加强并向西南方向移动,逆风区内水平风场出现东北风。至15∶54(图6(c))逆风区前沿移动至跑道北端,呈现出大风区特有的弓形,其后部出现超过20 m/s的强风,此时雷达两侧均为负径向速度,东北风与西南风对峙导致跑道上出现强烈水平风切变(黑色虚线),这一现象在RHI(图5(d))以及自动观测系统风数据(图3)结果中可得到印证。16∶00(图6(d))风切变经过雷达移动至跑道南端,探测范围内由东北向西南呈现出径向速度“负-正-负”分布,水平风场也可清晰观察到风的辐合(黑色虚线)。之后两个时刻辐合线向西南方向移出跑道区域,机场跑道整体转为东北风,此次风切变过程结束。

5 结 论

本文利用1.55 μm激光测风雷达混合扫描模式数据对2022年2月13日影响银川机场的晴空风切变过程进行研究,主要得到以下结论。

(1)风切变发生当日河套地区天气形势有利于动量下传大风发展。机场自动观测系统风数据表明15∶48时跑道北端风向由西南转为东北,风速增大,而跑道南端风向转换时间为16∶00。

(2)激光雷达混合扫描模式可探测出风切变的结构与演变特征。DBS模式反映出风切变发生前雷达上空存在动量下传现象,高空偏北大风随时间向下传播,偏北风与低层偏南风之间所形成的水平风垂直切变同样下传。RHI模式可反映出晴空风切变的位置、高度和垂直结构。15∶35时雷达东北方向的大风区呈楔形嵌入近地层,与环境场西南风之间形成水平风切变,切变垂直高度自地面向上可延伸至1000 m左右。PPI模式可反映出风切变的水平结构和演变特征。负径向速度代表的逆风区首先出现于雷达东北方向4～6 km处,之后逐渐南移加强。水平风场中可清楚观测到15∶54时东北风与西南风形成切变线,向西南方向推进并影响机场。

(3)利用激光测风雷达混合扫描模式,预报员可在15∶36判断机场即将出现低空风切变并发布预警,比实际预警时间提前15 min,这对于风切变天气中的航空安全保障有实际意义。