机场低空风切变的来源及分类出发

（1、空军装备研究院航空气象防化研究所，北京100085；2、吉林省长春市95988部队，长春130000）摘要本文从机场低空风切变的来源、分类、定义及对飞行影响出发，对风廓线雷达在机场低空风切变探测中的算法进行了推导，并对风廓线雷达在机场低空风切变探测中的问题进行了探讨。关键词：风切变风廓线雷达探测引言低空风切变是影响航空安全的一种重要天气。由于低空风切变的诱发因素多，且具有时间短，空间小等特点，对其准确探测一直是航空气象探测中的一个难题。风廓线雷达作为一种新型气象探测设备，能对雷达站上空的空中风实施高密度的探测，探测资料具有时空分辨率高的特点，对探测低空风切变等中小尺度天气有一定优势。本文从机场低空风切变的来源及分类出发，讨论风廓线雷达在探测机场低空风切变中的应用。机场低空风切变的产生风切变主要是由于大气运动本身的变化所造成的，同时地理和环境因素也会造成风切变。机场低空风切变形成天气背景主要有：雷暴前沿的冷性外流及雷暴云中的垂直气流；中尺度锋面以及锋面过渡区；晴朗夜间产生的强辐射逆温；中心位置在一、二百米以下的超低空急流、海陆风以及机场周围地形和建筑物等。这些天气背景很多时候并非单独出现，有时候连锁产生各种类型风切变。

机场低空风切变的定义及分类3.1机场低空风切变的定义风切变的广义解释是“风速和/或风向在空间的变化，包括上升气流和下降气流的变化”。风切变的简单定义是空间任意两点之间风向和风速的突然变化，具体说就是空间任意两点之间的风矢量差。机场低空风切变主要是指机场附近高度600m以下空气层中风向风速突然变化的现象。从广泛的意义上说，机场低空风切变包括低层大气（600米以下）的一系列空气运动，从可能造成航空器颠簸的小尺度涡旋和阵风到一个气层经过相邻气层的大尺度空气流动。产生这种空气运动的众多天气现象包括雷暴等强对流天气、海陆风、低空急流、辐射逆温、山地波和锋面系统等。由此可见，所有的颠簸（大气湍流）都含有风切变，即使尺度很小。3.2机场低空风切变的分类机场低空风切变的分类有气象学分类和飞机航向分类两种方法，其它分类方法还包括按风切变出现天气背景分类等。1）按气象学分类在航空气象学中，根据风场结构把机场低空风切变分成三种类型，即水平风的垂直切变、水平风的水平切变和垂直风的水平切变。水平风的垂直切变是指垂直方向上一定距离内两点之间的水平风速和（或）风向改变的垂直风切变；水平风的水平切变是指水平方向上两点之间的水平风速和（或）风向改变的水平风切变；垂直风的水平切变是指上升或下降气流（垂直气流）在水平方向上单位距离改变的垂直气流切变。

飞机飞行中，既会遇到到三种风切变中一种影响的情况，也会受遇到三种风切变共同影响的情况。2）按飞机航迹方向分类按飞机航迹方向可分为顺风切变、逆风切变、侧风切变和下冲气流切变。顺风切变是指飞机从小的顺风进入大的顺风区域，或从逆风进入无风或顺风区域，及从大的逆风进入小的逆风区域，突变的风切变使飞机空速迅速减小，升力下降，飞机下沉，危害较大；逆风切变是指飞机从小的逆风进入大的逆风区域或从顺风进入无风区，以及从大的顺风进入小的顺风区，与顺风切变对飞机产生效果相反，危害相对较小；侧风切变是指飞机从有侧风或无侧风状态进入另一种明显不同的侧风状态，可使飞行发生侧滑、滚转、偏转，对飞行起降有一定的危害。下冲气流切变是指飞机从无明显的升降运动区域进入到强烈的下冲气流区的情况。它会使飞机突然下沉，对飞行安全危害最大，具有猝发性特点。低空风切变对飞行的影响低空风切变是威胁飞行安全的一种重要危险天气，特别是在飞机起降阶段，飞机在稳定的气层或向某一固定方向匀速移动的气层（风向风速不变或变化很小）中飞行时，其状态和各种数据一般是稳定的，突然遇到风切变时，飞机原有的稳定状态必然会有相应的改变,水平风切变主要因风速的变化影响升力，从而改变正常的起降航迹和飞机姿态;垂直风切变往往直接对飞行航迹和飞机姿态构成威胁，它是飞机在起降阶段中最危险的天气现象。

垂直风切变的主要表现形式是微下冲气流。微下冲气流是一种急剧的下降气流，其尺度从几百米到几公里不等。它往往产生于雷暴、锋面和逆温之下。高原机场大多地处高山峡谷之中，在复杂的地理环境和天气背景的制约下，高原机场受低空风切变、湍流等灾害性天气的影响较为严重。在拉萨、九黄、林芝、昆明、攀枝花等一些繁忙的高原机场，时常因机场低空风切变和乱流颠簸，造成飞机的复飞或备降。例如九黄机场2009-2010年期间因风切变和顺风超标引起的飞机返航每月几十次，最高达七十多架次。下面以机场低空风切变对飞机着陆的影响为例来讨论机场低空风切变对飞行的影响。1）顺风风切变对着陆的影响。飞机着陆进入顺风切变区，逆风风速变小，使飞机空速迅速减小，升力明显下降，从而使飞机不能保持高度而下沉，危害较大，如图3.1（a）所示。2）逆风切变对着陆的影响。飞机着陆进入逆风切变区，使飞机的空速突然增大，升力也明显增大，飞机抬升，脱离正常下滑线，飞行员面临的问题是怎样消耗掉飞机过剩的能量或过大的空速。但如果逆风切变的高度低，强度大或飞行员未及时修正，也会使飞机冲出跑道或过早接地，如图3.1（b）所示。3）侧风切变对着陆的影响。侧风有左侧风和右侧风之分，飞机在着陆下滑时遇到侧风切变，会产生侧滑、滚转或偏转，使飞机偏离预定下滑着陆方向，飞行员要及时修正。

如果侧风切变层的高度较低，飞行员来不及修正时，飞机会带坡度和偏流接地，影响着陆滑跑方向。4）垂直风切变对着陆的影响。当飞机在飞行过程中遇到强烈的升降气流，飞机的升力会发生变化，从而使飞行高度发生变化。垂直风切边对飞机着陆的影响主要是对飞机的高度、空速、俯仰姿态和杆力的影响。当飞机进入微下冲气流时，开始时逆风突然增大，空速和升力增大，飞机姿态上仰。进入中心地带时，受强烈的下冲气流的影响而出现明显沉落。继而从中心飞出时，又突然进入顺风区域，使空速和升力迅速减小，机头下俯。特别是强烈的下降气流往往有很强的猝发性，强度很大，飞行员如不及时地做出判断和迅速操纵调整，则有可能造成飞机坠地。图4.1风切变对飞机起飞着陆影响示意图实际飞行中所遇到的风切变往往是综合性且不断变化的风切变，往往以某一种形式切变为主，而伴有另外形式的切变分量。风廓线雷达探测特点风廓线雷达工作方式为24小时连续工作，探测周期短，具有自动化程度高、时空分辨率高等特点。边界层风廓线雷达的探测周期一般为2-4分钟，低对流层风廓线雷达的探测周期一般为4-6分钟。可输出空中风向风速、垂直气流、大气折射率结构常数、回波功率、信噪比等多种数据。

每个探测周期输出的风资料为垂直方向上一定间隔的水平风向风速廓线资料，称为距离库，如图4.1所示，通常边界层风廓线雷达距离库长为50、75m，对流层风廓线雷达距离库长为75、100、150m。根据雷达探测资料特点及风切变定义可知，风廓线雷达资料可对雷达站上空水平风的垂直切变进行反演计算。另外，风廓线雷达除了能够输出水平风向风速资料外，还能通过垂直探测波束的探测，输出垂直气流资料，如图4.2 所示,因此，风廓线雷达对下冲气流等也可进行实时监测。 图5.1 水平风向风速图 5.2 垂直气流图 机场低空风切变算法推导6.1 机场低空风切变的强度标准 利用风廓线雷达探测资料计算机场低空风切变，首先应对机场低空风切变的强度标准进行划分。航 空气象保障中对风切变的强度定义一般按照其对飞行的危害程度来进行划分，但这种划分方法涉及的因 素较多，包括气象条件、飞机特性、驾驶员水平等不同，遭遇同样风切变会有不同结果。国际民航组织 在第五次国际航空会议上曾对机场低空风切变的等级标准做了划分，如表5.1 所示。另外，著名美国芝 加哥大学教授、中尺度气象学家藤田 70 年代曾对下降气流和下冲气流强度标准做出过建议，如表 5.2 所示，但空军飞机与民航飞机在气动布局、尺寸大小、飞行速度等方面有很大差异，该标准是否适用于 空军还需进一步研究，下面我们以民航组织定义的风切变标准对风廓线雷达探测资料反演水平风垂直切变算法进行讨论。

表5.1 第五次国际民航组织建议的风切变强度标准 类别 低空风切变 强度 数值 米/秒/30 微弱＜1.0 ＜0.033 基本无影响 轻度1.1-2.0 0.034-0.067 飞机航迹和空速稍有变化 中度2.1-4.0 0.068-0.133 对飞机的操纵造成很大困难 强烈4.1-6.0 0.134-0.20 有使飞机失去操纵的危险 严重＞6.0 ＞0.20 会造成严重的危害 表5.2 下降气流和下冲气流强度标准 下降气流（downdroft） 下冲气流（downburst） 800 米直径范围内的辐散值 ＜144/时 144/时 91 米高度上的下降气流速度 ＜3.6 6.2机场低空风切变算法推导 1）风速垂直切变计算公式 根据风廓线雷达资料特点，将风廓线雷达上空按照风廓线雷达资料的距离库长进行分层，按照风切 变定义，如不考虑风向切变，则两个相邻距离库之间的风切变计算公式为： 上面公式中M 代表风速切变值，V 为风速值，Z 为距离库所在高度值，下标j 代表不同的气层厚度， 即相应距离库的库长，i 代表不同的层数，即相应的距离库数。 2）风矢量切变计算公式 而要准确地风切变计算公式应该包括风向的作用，如不考虑风速切变，只考虑风向切变时，即只进 行风切变的向量差计算，向量差得计算公式为： 这里D为上下两层的风向差， 为风切变的向量差。

如同时考虑风向风速影响，则应采用标量差风切变计算公式，根据风切变定义，可得出风的标量差 垂直切变值公式为： 其中M 为向量差得垂直切变值（1/秒），V 为风速（米/秒），D 为风向，Z 为高度层，单位米。 通过上式，可计算出每两个相邻距离库之间的风矢量切变值。 3）归一化处理 由于风廓线雷达探测有不同的探测模式，不同探测模式输出的距离库长不同，不同气层厚度对风切变计算造成的差异相当大，气层厚度越薄所计算得到的风切变值越大，反之越小。另外国际民航组织给 出风切变分类标准是以30 米高度距离为计算单位。这里按国际民航组织给出的切变强度标准来确定风 切变强度值，因此还需将计算所得各层风切变值换算到30 米高度距离，以便于与标准值比较，对强度 进行分类。归一化公式可采用如下公式： 4）机场低空风切变时间平均问题 国外学者研究指出，风切变时间过短可以不产生影响，因为飞机对时间较短的速度脉动没什么反应， 而时间较长的较大速度脉动，飞行员可以进行修正。介于二者之间的一种速度脉动，即一定时间范围内 的风的突变，则会造成对飞机的重大影响，破坏其飞行稳定性。这种时间范围的风切变值应该是最合乎 我们研究风切变所需的平均时间范围。

虽然飞机在起飞或着陆时穿过大气底层（如60 米）的时间间隔 约为30 秒，而且每个可能的测风高度附近也很短暂，但为了估计风对飞行的影响，应当采用这些高度 上一定平均期的平均资料。许多研究都指出用2-10 分钟的平均风资料计算的风切变值是最佳的，对于 风廓线雷达，其测风资料本身就是一种经过时间平滑后输出值，且边界层和低对流层风廓线雷达探测周 期大都在2-10 分钟之内，所以认为可直接采用雷达输出风资料而不仅再进一步进行平均处理。 5）垂直气流因子 在空军现有风廓线雷达中，终端对风切变的计算大多数都没有考虑垂直气流影响，根据国外许多学 者研究结果，飞机在遇到风切变时，垂直气流特别是强下冲气流会使切变影响成倍增加，因此，在计算 风切变强度时，应考虑强下冲气流的影响。 根据国外文献研究结果，取强下冲气流影响因子为2.5-3，此处取50 米-150 米之间高度上的垂直