在晴朗的夜间, 正在进场着陆的飞机有时会遇到机头突然下沉、空速指示迅速减少等情况, 这可能是遭遇了低空急流。低空急流一般指600 hPa以下出现的强而窄的气流^[1], 它是水平动量集中的气流带, 具有强大的水平和垂直风速切变, 与雷暴等强对流天气、航空安全、空气污染物的输送和扩散等密切相关。近年来, 我国许多学者对其形成机制以及与强降水等天气的关系做了大量富有成效的工作^[2-8]。但局限于常规探空观测的不足, 很难捕捉到低空急流的短时变化过程。美国国家海洋大气局对布设在美国中部的风廓线雷达网做出最终评估结论^[9]:风廓线雷达的时间和空间分辨率超过任何一种高空风测量系统, 间隔6分钟的风廓线资料可显示出短波波动等天气系统的连续变化过程。Mark等^[10]在1995年利用风廓线雷达观测资料来研究美国夏季大草原上的低空急流时发现:弱(强)的急流平均持续时间是4(2)小时, 一天两次的常规探测不能很好地监测低空急流, 常漏掉最强急流的出现时刻; Joshi等^[11]利用风廓线雷达资料研究了印度普纳季风期的低空急流, 发现7月是急流的高发时期, 且白天与夜间的低空急流高度有明显不同。可见, 风廓线雷达很适合做低空急流的研究, 它能直观显示低空急流的持续时间、所在高度、风速强度等信息。

国内学者张小雯等^[12]指出风廓线雷达提供的高空风资料进入快速同化系统和中尺度模式后可提高预报准确率; 刘红艳等^[13]发现把水平风的垂直分布作为移动矢量进行回波外推, 能够预测出雷达回波的整体移动趋势, 对1小时内的临近预报有较好的效果。所以利用风廓线雷达对临近预报预警的作用, 学者们重点研究了低空急流对强降水等天气的指示意义, 刘淑媛等^[14]、张京英等^[15]、张柽柽等^[16]研究指出风廓线雷达能够很好揭示低空急流脉动的强度及向下扩展的程度与中小尺度强降水之间的密切关系, 暴雨的产生主要是由低空急流的下传和加强引起; 金巍等^[17]研究也表明强降水的强弱和低空急流的强度和伸展高度直接相关。

从目前的研究现状可看出, 一方面, 很多学者都侧重利用风廓线雷达资料研究低空急流对强降水等灾害性天气的作用, 以提高临近预报准确率, 对低空急流在飞行活动中的影响则很少涉足, 若急流发生高度比较低, 处于飞机起降范围之内, 就会影响飞机的正常起飞和着陆, 甚至威胁飞行安全; 另一方面, 局限于高空探测手段和资料的匮乏, 同样较少见到低空急流系统的气候统计分析。本文主要利用2016、2017年郑州机场CFL-03(测风雷达型号)边界层风廓线雷达HOBS(Half Observation)观测资料(半小时平均, 其中有几次停机维护导致资料缺失或不全, 处理数据时已将其剔除), 对机场上空低空急流的时空分布特征进行较全面的统计分析, 揭示其发展演变规律, 并结合一次因低空急流而导致飞机复飞的案例分析其对航空飞行活动的影响。

本文所用的CFL-03边界层风廓线雷达于2015年下半年安装在郑州机场北跑道北侧, 同年12月通过行业验收并开放运行, 其中一些参数是:经纬度为113.8 °E, 34.5 °N, 海拔高度为148 m, 工作频率为1 320 mHz, 空间分辨率为60 m、120 m, 时间分辨率为5 min, 探测精度为水平风速≤1 m/s, 径向速度≤0.25 m/s, 风向角度≤10 °^[18]。

根据已有研究, 低空急流按所在高度大致分为自由大气低空急流和边界层低空急流^[19], 自由大气低空急流一般位于850~600 hPa之间, 常与天气系统相伴出现; 边界层低空急流发生在大气边界层以内(大概在850 hPa以下, 一般把位于900 hPa以下的低空急流称为超低空急流^[20-21]), 有时伴随暴雨过程, 有时无明显的天气系统, 比如夜间低空急流高度较低, 有逆温层和明显的日变化, 但与暴雨关系不大^[22-25]。我国学者在研究中国低空急流时一般将其定义为:600 hPa以下的大气低层, 某一层等压面上(700 hPa、850 hPa、925 hPa)在某一区域内风速达到某一标准的强风带(最常用的风速标准是≥12 m/s或16 m/s)^[26], 风向一般以偏南风为主, 大多为西南风急流^{[20, 27]}。另外, 郑州机场跑道的方向是西北-东南走向, 西南低空急流恰好垂直于跑道, 对飞行而言属于侧风, 若侧风分量(指风沿垂直于跑道方向的分量)较大, 飞机两翼所受的动力作用不同, 严重影响飞机起降时的操纵, 所以本文更多只关注西南低空急流。

考虑雷达有效探测高度及低空急流对飞机起降的影响(低空风的瞬时变化也会对飞机起降造成较大影响), 本文采取的低空急流判定方法以郑州机场测站为基础, 定义为在60~1 500 m垂直高度层内(只有在分析急流的月、日时空分布时才将高度延伸至4 200 m, 即600 hPa附近), 如果满足风速≥12 m/s(根据郑州机场本地气候特点及文献[1], 设定最大风速一般不超过40 m/s), 风向在180~270 °之间, 即出现一次西南低空急流, 对风速的垂直切变和持续时间并没有特别要求。若在两个以上高度出现风速极大值(≥12 m/s)时, 同一时间均算出现一次低空急流事件, 文中在统计急流中心高度时选取风速极大值最大的所在高度作为急流中心的高度。

图 1整体显示, 夏末(8月)、秋季(9、10、11月)低空急流出现次数相对较少, 而春季(3、4、5月)、夏初(6、7月)则是急流的频发时期, 其中上半年累计频率占60%以上, 5月出现次数最多, 8月最少, 这和Joshi等^[11]的研究“7月是印度普纳急流的高发时期”有一定的差异, 和陈楠等^[27]的研究“南京地区低空急流春、夏季出现次数多于秋、冬季”比较相似, 说明低空急流具有明显的地域特征。冬季两年差别较大, 2017年1、2月出现次数比2016年要高, 12月则低许多, 由于观测资料年限较短, 尚不能作出定性结论。

图 1

图 1 低空急流出现频次及累计频率月变化图 a. 2016年; b. 2017年。

为全面了解郑州机场上空低空急流的垂直结构变化特征, 本段把探测高度延伸至4 140 m(600 hPa附近), 利用2016、2017年两年的风廓线雷达资料做出了此高度下低空急流的最大风速及其平均风向随高度的月际变化及相应频次统计(图 2)。

图 2

图 2 2016—2017年低空急流最大风速及其平均风向随高度的月变化及相应频次统计图 a.最大风速随高度的月变化; b.最大风速的频次统计; c.平均风向随高度的月变化; d.平均风向的频次统计。a中黑色部分表示风速超出研究范围。

冬季(12—2月)只是在低层(500 m以下)有较大的风速区, 最大值在28 m/s以上, 这表明冬季是超低空急流的频发时期, 且强度较强, 500 m以上低空急流的最大风速相对较小, 其中12月在1 500~1 620 m这个高度层两年均未探测到低空急流的存在, 故以阴影部分表示。

春季(3—5月)特征最明显, 从低层到高层风速呈现先增大后减小、再增大的变化过程, 其中有两个风速大值区, 分别是700~1 500 m和2 700~4 200 m, 分界层在1 800 m左右, 整层最大风速达到全年最大, 且存在较大的风速垂直切变。图 2c显示, 该层中的风向也基本一致, 在200~220 °。

夏季(6—8月)在8月900~1 500 m出现低空急流空白区, 即图中阴影部分, 表明这一时期这一高度层内风廓线雷达并没有探测到郑州机场上空有低空急流的存在, 图 1可给出相应解释, 8月是低空急流出现次数最少的月份, 相应的发展高度并不能覆盖整个高度层, 就会出现空白区。除此之外, 夏季整层风速较春季显著减小, 只有在8月末, 3 400 m以上又出现风速大值区, 最大风速可达36~40 m/s, 平均风向转为260~270 °。

秋季(9—11月)和夏季不同的是上下两层(大概2 700 m以上和900 m以下)开始出现风速大值区, 最大风速在32~40 m/s, 900~2 700 m高度层内风速较小基本在16~20 m/s, 700~900 m有非常明显的风速垂直切变, 最大垂直切变达24 m/s。另外, 秋季整层的风向变化较明显, 由低到高呈现出顺时针、逆时针交替变化的过程。

从最大风速及平均风向出现频次(图 2b、2d)来看, 最大风速16~20 m/s出现次数最多, 高达152次, 36~40 m/s次数最少, 仅为7次, 其中16~28 m/s占74.2%, 平均风向集中在210~250 °, 累计占82.6%。另外, 值得注意的是8月末有可能是郑州机场低空急流的时空转换期, 即8月末急流开始在上下两层先后发展增强, 不同的是上层在10月后有所减弱, 而下层一直维持较强的急流风速, 直至次年2月开始向上发展, 同时上层急流也开始增强向下发展, 春季, 上下两层低空急流几乎贯通, 5月末开始减弱, 进入夏季的低频时期。

低空急流日变化特征是白天出现次数相对较少, 傍晚以后开始逐渐增加, 16时左右达到最大, 此后逐渐减少。以2016年(图 3a)为例, 23—10时出现次数仅占全天的30.1%, 其中05时达到最低值33次, 10时后逐渐上升, 16、17时达到最大值127次, 18时后逐渐降低, 11—22时出现次数占全天的69.9%, 2017年(图 3b)也显示相同的特点。这和王东阡等^[28]的研究“在夜间和早晨(18时和00时)中国东南大部分地区急流发生频率较高, 而在白天和傍晚(08时和12时)发生频率较低”有一定差别, 本文研究发现郑州机场低空急流发生频率最高时段基本在15—16时, 02时和05时则最低, 这也可能是地域特征不同。

图 3

图 3 低空急流出现次数日变化图 a. 2016年; b. 2017年。

两年的统计资料表明, 郑州机场低空急流具有明显的单峰单谷型变化特征, 夜间和凌晨(10—21时)是低空急流的高发时段, 午夜前后(14—17时)达到全天次数最大值, 19时左右开始减弱, 白天(22—09时)属于低频时期, 发生次数相较于夜间降低30%~40%。在对低空急流进行日变化统计时, 考虑到低空急流中心速度和动量下传的高度均是反映低空急流强度的指标, 因此若有两个或者两个以上时刻低空急流的最大速度相同时, 本文取最大速度所在高度最低的那一个时刻为低空急流中心速度最大时刻。图 4是利用2016、2017年两年的风廓线雷达资料做出的探测高度在4 140 m(600 hPa附近)以下的低空急流最大风速及其平均风向随高度的日变化及相应频次统计图。

图 4

图 4 2016—2017年低空急流最大风速及其平均风向随高度的日变化及相应频次统计图 a.最大风速随高度的日变化; b.最大风速的频次统计; c.平均风向随高度的日变化; d.平均风向的频次统计。

从图 4可看出, 低空急流具有明显的时空分布特征。白天(00—12时)低层的低空急流发展高度较低, 1 000~2 500 m最大风速仅为12~20 m/s, 2 500 m以上急流开始增强, 值得关注的是在08—09时、2 000~4 200 m垂直方向上有一个急流轴, 最大速度在36~40 m/s, 对照平均风向图(图 4c)来看, 此时此高度层内风向(240~270 °)比较稳定, 排除了风向突变的可能, 由于探测资料年限较短, 这一现象的成因还需进一步研究。12时以后最明显的变化就是白天位于低层的低空急流开始增强向上发展, 比较明显的大值区在600~1 500 m, 14—15时及17—18时急流达到峰值, 最大风速为36 m/s, 较白天最低的12 m/s, 最大增幅达到24 m/s, 且一直连续稳定持续至21时左右, 风向基本在220 °, 之后急流开始减弱, 这一变化特点可能和夜间逆温层的形成有关。有研究表明^[28-30]:逆温层的存在为边界层内部风速的增长提供了有利的层结条件, 反过来边界层风速的强垂直切变又利于逆温层的维持与发展, 二者形成正反馈关系, 促进了低空急流的形成与发展。

最大风速及平均风向出现频次(图 4b、4d)显示, 最大风速20~24 m/s出现次数最多, 高达775次, 36~40 m/s次数最少, 仅为10次, 其中16~28 m/s占85.7%, 平均风向集中在210~250 °, 累计占86.9%。

低空急流的高度一般取低空急流中心所在的高度, 即最大风速所在的高度, 若有两个以上高度出现相同的最大风速, 则取高度最低的那个作为低空急流中心的高度。本文统计的低空急流中心特征主要包括急流中心速度、急流中心所在高度及急流中心出现时刻三个方面。2016年(图 5a)低空急流中心最大风速14~16 m/s出现次数最多(38次), 30~32 m/s出现次数最低(0次), 12~22 m/s累积频率达到78.2%。2007年(图 5b)出现次数最多的是12~14 m/s(43次), 28~30 m/s和30~32 m/s出现次数最低(均为1次), 12~24 m/s累积频率达到88.2%。综合来看, 郑州机场一半以上的低空急流中心最大风速在12~18 m/s, 其中12~24 m/s占80%以上, 28 m/s以上较少出现。

图 5

图 5 急流中心最大风速及其频次统计图 a. 2016年; b. 2017年。

最大风速时的平均风向主要集中在200~230 °和250~270 °, 大约占45%和24%, 其中210~220 °(240~250 °)出现次数最多(最少)(图 6)。

图 6

图 6 急流中心最大风速时的平均风向频次统计图 a. 2016年; b. 2017年。

急流中心高度主要集中在60~180 m和300~900 m, 共占约76%, 900~1 500 m高度仅占约20%, 其中60~180 m、420~540 m出现次数最高, 可见急流中心主要在900 m以下, 意味着很大一部分是超低空急流, 对飞机起降的影响不言而喻, 这和陈楠等^[27]研究指出“南京地区低空急流中心主要出现在1 400 m高度以下”不同, 郑州地区低空急流中心高度更低, 对飞行影响更大(图 7)。

图 7

图 7 急流中心高度频次统计图 a. 2016年; b. 2017年。

图 8是2016、2017年低空急流中心风速达到最大时出现时刻的统计结果, 整体来看, 夜间(12—23时)出现最大风速的频率远高于白天(00—11时), 尤其14—19时是出现最大风速的高频时段, 约占40%, 其中15—16时达到最大, 19时后明显减少, 00—11时仅占约30%。这和低空急流出现次数日变化特征(图 3)比较一致。

图 8

图 8 低空急流最大风速出现时刻频次统计图 a. 2016年; b. 2017年。

2018年4月7日12时高空图(图略)显示, 郑州机场上空500 hPa、700 hPa均受较强的西北气流控制, 850 hPa河套地区有一短波槽, 机场上空受偏西气流影响, 地面图(图略)是南高北低的气压场。当天地面观测显示为晴天少云, 偏南风3~6 m/s, 能见度在10 km以上, 天气非常适合飞行。16:50塔台管制员电话通报气象值班员有飞机在跑道五边上空复飞, 图 9(当日机场上空风向绝大部分在180~360 °之间, 故0~180 °之间的方向在图 9b中均以黑色表示, 可忽略)显示, 机场上空08:30低层(1 000 m以下)开始转为一致的西南风, 风速逐渐加大, 11:00达到12 m/s以上, 12:30已经达到20 m/s, 且高度向上发展至2 200 m左右, 16:00从2 200 m往下至800 m风向开始转为西北风, 800 m以下仍然维持20 m/s的西南风, 持续至19时左右。

图 9

图 9 2018年4月7日郑州机场上空风速(a)、风向(b)随高度的日变化图

显然, 这是一次典型的低空急流过程, 符合其日变化特征。对于波音737、空客320这类常见的飞机, 在干跑道上起降, 正侧风最大容许风速为17 m/s, 而轻型运输机要求一般不超过10 m/s, 本文研究得出约78%的低空急流中心速度在12~22 m/s, 61%的急流中心高度集中在300~1 000 m, 低空急流最大风速的高频时段在14—19时。此次复飞时间正值低空急流高发时段, 同样高度正处急流中心高度集中的区间, 图 9a显示复飞时800 m上下存在西北风和西南风的风向切变, 风速均在20 m/s左右, 因此, 飞机在着陆的过程当中很可能是遭遇了此风切变, 且侧风分量已经超出最大容许值, 此时飞行高度和速度较低, 机动余地变得很小, 航向也局限在着陆的方向, 可用加速的剩余推力已经达到最低限度, 若飞行员操作不当或忽视这一变化, 降落时很容易对不准跑道, 导致飞机复飞。

另外, 有研究表明^{[26, 32]}:高空急流为低空急流的形成、发展及加强起到促进作用。所以可利用高空急流云系来分析低空急流的发展条件, 常见的急流云系有:移动迅速的细长束状卷云带, 呈波脊状并不断变化的卷云、卷层云, 分层的荚状高积云和卷积云等。本文在3.2节中提到, 晴朗的夜间, 逆温的正反馈机制也是低空急流形成与加强的重要因素之一, 所以若出现上述情况, 则要特别关注低空急流的形成及对飞行的影响, 但要认识到低空急流发生的现象特征很难用某一两个因素来解释, 正是各个因素的互相作用才促进了低空急流的发展与加强。

本文利用2016、2017年郑州机场CFL-03高分辨率边界层风廓线雷达半小时平均观测资料, 对机场上空低空急流时空分布特征进行统计研究, 并分析一次因低空急流而导致飞机复飞的事件, 得出以下结论。

(1) 郑州机场低空急流在夏末、秋季出现次数相对较少, 而春季、夏初则是低空急流出现的频繁时期, 上半年累计频率在60%以上, 最大(低)值一般出现在5(8)月。

(2) 冬季是超低空急流的频发时期, 且强度较强, 最大风速在28 m/s以上; 春季特征最明显, 有两个风速大值区, 从低层到高层风速呈现先增大后减小、再增大的变化过程, 存在较强的风速垂直切变; 夏季低空急流显著减弱, 出现急流空白区, 8月末可能是急流的时空转换期; 秋季在700~900 m有非常明显的风速垂直切变, 最大垂直切变达24 m/s。

(3) 夜间和凌晨是低空急流的高发时段, 午夜前后达到最大, 白天则属于低频时段, 发生次数比夜间降低30%~40%。从低空急流的强度变化来看, 00—12时整体较弱, 12时后开始增强向上发展, 14—15时、17—18时达到峰值, 急流最大风速较白天最大增幅达24 m/s, 19时左右开始减弱, 直到21时大值中心消失。

(4) 低空急流中心最大风速一半以上在12~18 m/s, 28 m/s以上较少出现; 中心高度主要集中在60~180 m和300~900 m, 共占约76%, 超低空急流占比较大; 中心风速达到最大时刻夜间出现的概率高于白天, 14—19时是高频时段, 约占40%。

(5) 低空急流发生高度大部分在飞机起飞或着陆的范围内, 很容易超出大多数机型的最大容许正侧风量, 加之低空风切变的影响, 使飞机复飞概率增加, 尤其对夜间航班影响更大。

但也有一些问题尚待解决, 比如, 3.1节中提到2016与2017年冬季相比, 低空急流出现次数差别较大, 由于观测资料较短, 推测可能是此三个月正处于冬季冷空气活动的频繁时期, 但受厄尔尼诺或拉尼娜现象影响, 每年冷空气出现的时间、次数及强度并不相同, 导致低空急流出现次数在时间上存在较大差别, 故关于低空急流与冷空气活跃周期之间的关系值得进一步研究。