基于航空器實例對一個顛簸物理量場特征模型驗證和分析

王宇亮+靳英燕+李紅梅+高潔+鞏敏瑩

【摘 要】在分析西北地區(qū)中部航空器飛行實例的大尺度環(huán)流背景基礎(chǔ)上，對一個顛簸物理量場特征模型的適用性進(jìn)行了研究驗證和分析，結(jié)果表明，飛機(jī)顛簸產(chǎn)生在氣壓梯度相對較大且存在氣旋性切變的環(huán)境中，顛簸區(qū)恰是正負(fù)垂直速度的轉(zhuǎn)換區(qū)，梯度密集區(qū)吻合飛機(jī)實際發(fā)生顛簸的區(qū)域，也即垂直P速度由均勻場變換為非均勻場，與共性特征研究結(jié)果一致。顛簸出現(xiàn)在冷性和暖性平流交匯且靠近暖性平流側(cè)。不穩(wěn)定的冷暖平流垂直配置及正渦度平流輸送造成局地性渦度增加，使上升運(yùn)動加強(qiáng)，局部垂直環(huán)流發(fā)展，加劇顛簸程度。飛機(jī)發(fā)生顛簸的區(qū)域出現(xiàn)流場的間斷線，同時間斷線處上升氣流與下沉氣流共存是造成飛機(jī)難以操控的主要原因。流線分布狀況的辨析為飛機(jī)顛簸的分析和預(yù)警服務(wù)帶來新思路。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī)顛簸；物理量場；動力學(xué)共性；特征模型

中圖分類號： P458.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0094-003

【Abstract】Based on the analysis of the large-scale circulation background of the aircraft flight in the northwest China，the applicability of a bumpy physical field model is verified and analyzed.The results show that the airplane turbulence is caused by the relatively large gas pressure gradient and the existence of cyclone In the environment of the shear zone， the bump area is the positive and negative vertical velocity conversion area.The gradient-intensive area coincides with the actual bumpy area of the aircraft，that is，the vertical P velocity is changed from the uniform field to the nonuniform field， which is consistent with the common characteristic The The bumps appear in the confluence of cold and warm advection and close to the warm advection side.Unstable vertical and horizontal advection and positive vorticity caused by the increase of local vorticity，so that the ascending movement to strengthen the local vertical circulation development，aggravate the degree of bumps.Aircraft in the bumpy area of the flow field of the intermittent line，at the same time between the rising air flow and subsidence flow coexistence is difficult to control the main reason for the aircraft.The analysis of the distribution of the streamlines brings new ideas for the analysis and early warning services of aircraft bumps.

【Key words】Aircraft bumps；Physical field；Dynamic commonness；Characteristic model

0 引言

飛機(jī)在短時間內(nèi)忽而上升、忽而下落，以及搖晃、擺頭、局部抖動的現(xiàn)象稱為飛機(jī)顛簸。強(qiáng)烈顛簸嚴(yán)重影響飛行活動，它使飛機(jī)操縱困難，乘員疲勞，嚴(yán)重時甚至?xí)癸w機(jī)結(jié)構(gòu)因承受過大的應(yīng)力而損壞，造成失事[1]。飛機(jī)顛簸的產(chǎn)生在各個高度上的機(jī)理都不近相同。對于飛機(jī)顛簸的研究，我國工作者已經(jīng)做了不少基礎(chǔ)性研究。徐海等[2]對成都至拉薩航線嚴(yán)重顛簸進(jìn)行分析，指出高原南側(cè)副熱帶西風(fēng)急流增強(qiáng)是造成此次顛簸主因；呂艷彬等[3]研究指出低空急流和垂直風(fēng)切變易造成顛簸，并提出用小球測風(fēng)資料可有效短時預(yù)報飛行顛簸；高潔等[4]對蘭州區(qū)域飛機(jī)顛簸事件分析，發(fā)現(xiàn)急流軸左下方垂直順風(fēng)切變導(dǎo)致飛機(jī)升力突然減小，暖性平流使顛簸加??；鞏敏瑩等[5]對中等強(qiáng)度及以上的顛簸進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其具有水平散度、垂直速度、渦度梯度大的動力學(xué)共性特征模型。

對于飛機(jī)顛簸的有效持續(xù)監(jiān)測目前較為困難，主要是話音方式的航空器空中報告和機(jī)載設(shè)備記錄。本文利用高空資料對西北轄區(qū)中部一次多架航班遭遇飛機(jī)顛簸的天氣過程進(jìn)行分析探究，一方面通過物理量場的診斷分析對中等強(qiáng)度及以上顛簸具有的動力學(xué)共性特征模型進(jìn)行適用性研究，另一方面通過驗證和討論，尋找航路顛簸預(yù)警分析新方法和指標(biāo)，以期提高顛簸的預(yù)報準(zhǔn)確度和真情服務(wù)質(zhì)量。

1 西北轄區(qū)中部飛行實例概況

2010年7月23日國航CA1776航班機(jī)組報告：04：38時（世界協(xié)調(diào)時，下同）從銀川飛至西安，在H58航線慶陽方向（約N35°48′，E107°36′）遭遇嚴(yán)重顛簸，3600米的高度飛行員操縱困難、飛行高度難以保持。后相繼有多架航班反映慶陽方向此高度遇到中等強(qiáng)度或嚴(yán)重飛機(jī)顛簸。endprint

2 飛機(jī)顛簸發(fā)生的大尺度高空環(huán)流背景分析

23日00時500hPa（圖略）東亞地區(qū)維持兩槽一脊背景場，巴湖和我國東北為低壓槽控制，其兩個低壓冷槽之間的高壓脊伸至貝湖附近，西太平洋副熱帶高壓位于華東地區(qū)，蒙古至河套北部為高壓控制，銀川至西安正處在兩個高壓之間的相對低壓環(huán)流區(qū)，存在弱氣旋性切變。700hPa蒙古國中東部至河套北部仍為高壓環(huán)流控制，青藏高原維持低壓環(huán)流，銀川至西安為等壓線相對密集帶，且風(fēng)速銀川方向較西安方向大。由此可見，此次飛機(jī)顛簸產(chǎn)生在氣壓梯度相對較大且存在弱氣旋性切變的環(huán)境場中。

3 物理量場動力學(xué)共性特征模型的驗證和討論

鞏敏瑩[5]通過研究垂直速度場、渦度場、散度場這些表征大氣運(yùn)動的基本動力學(xué)物理量場，發(fā)現(xiàn)在從正垂直速度、正散度、正渦度區(qū)過渡到負(fù)垂直速度、負(fù)散度、負(fù)渦度區(qū)時或者相反，由于大氣的運(yùn)動方式和方向在前后發(fā)生截然不同的情形，是容易造成湍流運(yùn)動發(fā)展的區(qū)域，尤其是強(qiáng)烈的正負(fù)物理量場過渡區(qū)更易造成較強(qiáng)的飛機(jī)顛簸產(chǎn)生。本文前述對顛簸發(fā)生的大尺度環(huán)流背景場進(jìn)行分析描述，再運(yùn)用氣象學(xué)要素場，對描述支配的天氣系統(tǒng)的動力過程進(jìn)行物理量診斷驗證和再分析，進(jìn)而定性地了解物理量對顛簸產(chǎn)生的相對作用。

3.1 垂直速度

大氣垂直上下運(yùn)動是天氣分析中經(jīng)?？紤]的一個重要物理量。垂直運(yùn)動造成的熱量、渦度、動量、水汽等垂直輸送對天氣系統(tǒng)的發(fā)展演變有很大影響[6]。分析7月23日00時垂直P速度沿107°E垂直剖面（圖1a）可以看到，在41°N上空為正值的大值區(qū)，最大正值出現(xiàn)在4000米高度，約為4.12×10-3hPa/s。小值區(qū)的兩個中心分別位于33°N上空和21°N上空，位于33°N上空最小值出現(xiàn)在7500米高度，約為-2.66×10-3hPa/s。從39°N到34°N之間為正垂直速度大值區(qū)向負(fù)垂直速度大值區(qū)轉(zhuǎn)換，等值線由相對稀疏變化為相對密集，也即垂直P速度由均勻場變換為非均勻場，這說明氣流運(yùn)動在37-35°N之間較為強(qiáng)烈，正是飛機(jī)發(fā)生顛簸的區(qū)域段。

進(jìn)一步分析此處的風(fēng)速大?。▓D1b），可以看到3600米高度37°N風(fēng)速值約為8.89 m/s，36°N風(fēng)速值約為4.07 m/s，均未達(dá)到急流的標(biāo)準(zhǔn)，說明此次飛機(jī)顛簸并不是由于低空急流所引起的。

3.2 溫度平流

隨著空氣流動，大氣各物理的屬性（或物理的量）都要作水平性輸送。平流是描述物理屬性輸送強(qiáng)度的物理量，因而平流是對于物理屬性（或物理量）的再分布，對天氣變化起著決定性的作用[6]。分析700hPa溫度平流（圖2a）可以看到，河套西部為較強(qiáng)冷平流區(qū)，中心最大值約為-10.59×10-5C/s，一般來說，飛機(jī)顛簸往往與較強(qiáng)的冷平流相聯(lián)系[7]，銀川此時正處在較強(qiáng)冷平流區(qū)，慶陽位于冷暖平流交匯區(qū)靠近暖平流區(qū)一側(cè)[8]，同時平流梯度十分明顯，由此可知，顛簸區(qū)處在平流大梯度帶上。

溫度平流梯度密集區(qū)會激發(fā)空氣的上升或下沉運(yùn)動，引起垂直方向環(huán)流切變并產(chǎn)生繞水平方向旋轉(zhuǎn)的湍流渦旋，溫度水平分布形式值越大，對垂直運(yùn)動的激發(fā)就越強(qiáng)烈[4]。進(jìn)一步分析溫度平流垂直分布（圖2b），在36°N以北是較強(qiáng)冷性平流區(qū)，以南是暖性平流，同時在發(fā)生飛機(jī)顛簸的區(qū)域低層為暖平流，這種不穩(wěn)定的環(huán)流配置使得局部垂直環(huán)流得以發(fā)展，加劇了航路上的飛機(jī)顛簸。

3.3 散度和渦度平流

散度表明大氣運(yùn)動單位體積的變形率，是衡量速度場輻合、輻散強(qiáng)弱程度的物理量[6]。由圖3a可知，38-36°N上空3600米以下為正散度，以上為負(fù)散度，36-34°N上空3600米附近均為負(fù)散度大值區(qū)，這與34°N以南陜西南部的降水有一定關(guān)系，使得斜壓性增強(qiáng)，有利于天氣系統(tǒng)的發(fā)展。飛機(jī)飛越36°N附近時遇到氣流由輻散下沉變化為輻合上升，使得飛行員突然操縱困難，難以調(diào)整。分析渦度平流垂直剖面（圖3b）看到，36°N附近3600米以下的正渦度平流造成局地渦度增加，使上升運(yùn)動得以加強(qiáng)，飛機(jī)高度難以保持。

4 飛機(jī)顛簸發(fā)生的流場分析

流線表示線型和風(fēng)矢量相切，等風(fēng)速線是風(fēng)速相等的各點的連線。流線可以起止于風(fēng)向有急劇變化之處。流線的稀疏表示風(fēng)速的大小，風(fēng)速大處流線密集，相反則較稀[6]。通過對流線風(fēng)場中風(fēng)向風(fēng)速的細(xì)微變化捕捉，進(jìn)一步研究航路顛簸預(yù)報效益。

對7月23日700hPa流場水平分布（圖4a）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，銀川至西安航線處在氣旋性流入的東北邊緣，并且為流線的相對密集區(qū)，有匯合漸近線，說明此處風(fēng)速較周圍區(qū)域大。同時，可以看到在銀川至西安航線中間偏東北位置，出現(xiàn)流線的奇異線——間斷線，這說明在此處間斷線兩側(cè)，風(fēng)向是不一樣的。

為了進(jìn)一步研究此處間斷線兩側(cè)風(fēng)向的變化情況，作沿37-35°N每間隔1°的流線垂直剖面圖。對比圖4（b，c，d）三張圖可以看出，在37°N 107°E附近3600米高度為較一致的下沉氣流，在36°N 107°E附近3600米高度處于下沉氣流與上升氣流共存，而到35°N 107°E附近這一變化更為明顯，飛機(jī)飛行高度正處在上升氣流與下沉氣流的交匯處，并且為離散漸近線，由此可知飛機(jī)在從銀川起飛時并無機(jī)組報告遇有飛機(jī)顛簸，而到慶陽（約N35°48′，E107°36′）附近時有多個機(jī)組報告遇有中度或嚴(yán)重飛機(jī)顛簸，正是遇到氣旋式切變，加之垂直氣流在此處為離散場，易于亂流發(fā)生發(fā)展，飛機(jī)穿越時出現(xiàn)明顯的顛簸。

5 結(jié)論驗證與分析

5.1 鞏敏瑩等提出的顛簸物理量場動力學(xué)共性特征在此次實際飛行中，通過分析可以看到多有表現(xiàn)：首先，此次飛機(jī)的顛簸并不是由低空急流所引起的，飛機(jī)遭遇顛簸的區(qū)域恰是正負(fù)垂直速度的轉(zhuǎn)換區(qū)，垂直運(yùn)動梯度密集區(qū)吻合飛機(jī)實際發(fā)生顛簸的區(qū)域，也即垂直P速度由均勻場變換為非均勻場。其次，飛機(jī)顛簸出現(xiàn)正負(fù)平流過渡帶的梯度密集區(qū)，與共性特征研究結(jié)果一致。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)在冷暖平流交匯區(qū)靠近暖平流區(qū)一側(cè)，不穩(wěn)定的冷暖平流垂直配置，以及正渦度平流造成局地渦度增加，使上升運(yùn)動加強(qiáng)，局部垂直環(huán)流得以發(fā)展，加劇了航路飛行顛簸的程度，導(dǎo)致航空器飛行高度難以保持。

5.2 飛機(jī)顛簸產(chǎn)生在氣壓梯度相對較大且存在氣旋性切變的環(huán)境中。飛機(jī)發(fā)生顛簸的區(qū)域出現(xiàn)有流線的奇異線——間斷線，同時間斷線處上升氣流與下沉氣流共存是造成航空器空中飛行難以操控的主要原因。流線分布狀況的辨析為飛機(jī)顛簸的分析和預(yù)警服務(wù)帶來新思路。

5.3 由于此次航空器飛行實例為個例研究驗證，且選取驗證的物理量場尚未完全涵蓋，還需要選取不同季節(jié)時間和高度空間的航空器飛行實例作進(jìn)一步的對比研究，以驗證和完善飛機(jī)顛簸的動力學(xué)共性特征。

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