銀川河?xùn)|機(jī)場低空風(fēng)切變氣候特征統(tǒng)計及分型研究

杜 星，王海霞，梁希豪，趙云鵬

（民航寧夏空管分局氣象臺，寧夏 銀川 750009）

銀川河?xùn)|機(jī)場處于銀川平原東部，是蒙古高原和黃土高原交匯地帶，全年大部分時間受西風(fēng)環(huán)流的控制，北方大陸氣團(tuán)影響的時間很長。銀川河?xùn)|機(jī)場地處黃河?xùn)|側(cè)，其東邊、東北邊與毛烏素沙漠、烏蘭布和沙漠相連，西距賀蘭山山脈50 km，銀川河?xùn)|機(jī)場地理位置如圖1 所示。四周大范圍開闊，西風(fēng)環(huán)流和特殊的地理環(huán)境，銀川河?xùn)|機(jī)場每年春季多大風(fēng)天氣，易出現(xiàn)低空風(fēng)切變。低空風(fēng)切變[1]通常是指600 m 以下的風(fēng)切變，具有變化時間短、范圍小、強(qiáng)度大等特點，常常導(dǎo)致飛機(jī)航跡偏離，破壞飛機(jī)的穩(wěn)定性，造成飛機(jī)速度、姿態(tài)不可控，被公認(rèn)為是飛機(jī)起飛、降落過程中的重要危險因素。近年來，楊建華[2]、強(qiáng)曉西[3]、黃軒等[4]、張亞男等[5]分別對蘭州、西安、西寧和貴陽機(jī)場的低空風(fēng)切變個例和氣候特征做了分析研究，張曦等[6]利用激光測風(fēng)雷達(dá)對低空風(fēng)切變的探測和識別做了深入研究，王海霞等[7]統(tǒng)計分析了銀川河?xùn)|機(jī)場2002-2010 年航空器報告的低空風(fēng)切變，總結(jié)了關(guān)于低空風(fēng)切變發(fā)生對應(yīng)的5 種高空形勢和3 種地面形勢，近來銀川河?xùn)|機(jī)場氣象臺通過對機(jī)場周邊低空風(fēng)場變化的長期統(tǒng)計和研究，對其成因進(jìn)行研究做了大量工作。本文繼續(xù)統(tǒng)計了2010-2021 年銀川河?xùn)|機(jī)場航空器報告的低空風(fēng)切變，統(tǒng)計氣候特征，與以往環(huán)流分型不同角度分型研究，以期為日后低空風(fēng)切變的預(yù)報和預(yù)警起到幫助作用。

圖1 銀川河?xùn)|機(jī)場地理位置

1 大風(fēng)氣候特征

根據(jù)銀川河?xùn)|機(jī)場2010-2020 年的觀測報告統(tǒng)計風(fēng)向分布如圖2 所示，從16 個方位的各風(fēng)向頻率來看，全年盛行風(fēng)向為北到東北風(fēng)和西南風(fēng)，這主要是因為西風(fēng)氣流受南北走向的賀蘭山山脈阻擋，在此分流后，從南邊的青銅峽和北邊的石嘴山繞流影響本場的原因。2011 年后啟用自動觀測系統(tǒng)，年平均風(fēng)速明顯增大，1998-2004 年平均風(fēng)速為2.1 m/s，2005-2018 年平均風(fēng)速為2.3 m/s。全年春季平均風(fēng)速最大，冬季平均風(fēng)速最小。二十年間銀川河?xùn)|機(jī)場最大風(fēng)速極值為24 m/s（風(fēng)向280°），出現(xiàn)在2017 年6 月22 日。

圖2 銀川河?xùn)|機(jī)場大風(fēng)風(fēng)向統(tǒng)計

銀川河?xùn)|機(jī)場大風(fēng)（10 min 平均風(fēng)速大于等于8 m/s）集中出現(xiàn)在4-6 月，主要由于春季強(qiáng)冷鋒過境引起的，其次是夏季強(qiáng)雷暴造成的。春季冷暖空氣活動頻繁，大風(fēng)出現(xiàn)時間與冷鋒過境時間基本吻合，風(fēng)向一般以290～320°居多，由強(qiáng)西北氣流直接翻越賀蘭山山脈所致。而夏季出現(xiàn)大風(fēng)時的風(fēng)向不定，夏季銀川河?xùn)|機(jī)場的大風(fēng)主要是由積雨云所產(chǎn)生的下沉氣流導(dǎo)致的地面陣風(fēng)鋒引起的，特點為強(qiáng)度大，持續(xù)時間短。由于河?xùn)|機(jī)場大風(fēng)主要集中在春季和夏季，低空風(fēng)切變主要集中在春夏兩季，據(jù)業(yè)務(wù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)向往西北風(fēng)轉(zhuǎn)且風(fēng)速明顯增大時最易出現(xiàn)低空風(fēng)切變。

2 低空風(fēng)切變氣候特征

據(jù)2010-2020 年銀川河?xùn)|機(jī)場低空風(fēng)切變報告記錄統(tǒng)計，共有123 次出現(xiàn)低空風(fēng)切統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，造成58 架航班復(fù)飛。據(jù)圖3 可知，本場發(fā)生的風(fēng)切變導(dǎo)致的復(fù)飛或返航事件呈明顯上升趨勢，2018-2020 年增量明顯，均超過了18 次，這與銀川河?xùn)|機(jī)場航班量的迅速增加有關(guān)，隨著航班量和旅客吞吐量的增加，每年航班遭遇低空風(fēng)切變而低高度復(fù)飛的時間就隨之攀升，因此也表現(xiàn)出了非常明顯的氣候變化特征。圖4 表明低空風(fēng)切變易發(fā)生在3-5 月，達(dá)57 次，占全年的46.3%，其中5 月發(fā)生次數(shù)最多，達(dá)27 次，據(jù)統(tǒng)計3-5月份是銀川河?xùn)|機(jī)場大風(fēng)最集中的季節(jié)，而低空風(fēng)切變的發(fā)生和大風(fēng)發(fā)生呈正相關(guān)，因此低空風(fēng)切變和機(jī)場大風(fēng)呈現(xiàn)了較為一致的氣候特征，低空風(fēng)切變的報告次數(shù)與航班量成正比，低空風(fēng)切變次數(shù)和復(fù)飛次數(shù)成正比，其中47.2%的低空風(fēng)切變伴隨著飛機(jī)的復(fù)飛，根據(jù)航空器報告統(tǒng)計，大多數(shù)的復(fù)飛都是低高度復(fù)飛，因此，低空風(fēng)場變化已成為銀川河?xùn)|機(jī)場威脅飛行器起降安全不容忽視的重要因素，開展低空風(fēng)切變的深入研究工作十分迫切。

圖3 低空風(fēng)切變及其引起的復(fù)飛次數(shù)統(tǒng)計

圖4 低空風(fēng)切變及其引起的復(fù)飛次數(shù)月統(tǒng)計

2019-2021 年銀川河?xùn)|機(jī)場低空風(fēng)切變的月變化如圖5 所示，發(fā)現(xiàn)與過去十來年的變化基本一致，2019-2021 年仍然集中在3-5 月和7-10 月，3-5 月是機(jī)場大風(fēng)季節(jié)易出現(xiàn)低空風(fēng)切變，占總數(shù)的60.0%，7-10 月是對流性天氣頻發(fā)季節(jié)，對流性天氣有攜帶低空風(fēng)切變的必然屬性，因此也是易發(fā)季節(jié)，占總數(shù)的25.0%，對流性天氣消散階段的下沉氣流形成的下?lián)舯┝鞲菍︼w行安全有嚴(yán)重的威脅，到達(dá)地面形成的輻散性大風(fēng)會形成強(qiáng)烈的低空風(fēng)切變。

圖5 2019-2021 年低空風(fēng)切變月變化

3 風(fēng)切變典型個例匯總

根據(jù)形成低空風(fēng)切變的直接系統(tǒng)或天氣，從近幾年航空器報告的低空風(fēng)切變事件中選取了以下10 起典型事例作為分型研究樣本，10 起低空風(fēng)切變概述如下：

（1）2013 年4 月29 日14:46，某航班，在使用03 號跑道時，在距離本場2 海里的距離，91～122 m 的高度遇到風(fēng)切變而復(fù)飛。

（2）2019 年4 月29 日17:38，某航班，使用03 號跑道時，距跑道頭1～2 海里，152.4 m 高度遇風(fēng)切變復(fù)飛。

（3）2021 年4 月29 日12:18，某航班，在銀川河?xùn)|機(jī)場距03 號跑道入口1～2 海里，高度約130 m 出遇到風(fēng)切變復(fù)飛。

（4）2022 年3 月6 日15:03，某航班，在03 號跑道著陸過程中幾乎接地時遇到風(fēng)切變而復(fù)飛。

（5）2016 年7 月2 日14:54，某航班，在銀川河?xùn)|機(jī)場復(fù)飛點位置，決斷高30 m 處遇到風(fēng)切變而復(fù)飛。

（6）2017 年6 月18 日07:30 和07:33，某航班A和B，分別使用21 號跑道起飛時，在122～244 m 處遇到中度風(fēng)切變和遇到20 節(jié)風(fēng)切變。

（7）2017 年9 月21 日11:05，某航班在使用03 號跑道落地過程中跑道口遇到風(fēng)切變復(fù)飛。

（8）2015 年5 月18 日21:45，某航班在使用03 號跑道時，在152 m 的高度遇到風(fēng)切變而復(fù)飛。

（9）2018 年5 月18 日11:34-13:13 塵卷風(fēng)天氣，近兩小時內(nèi)銀川河?xùn)|國際機(jī)場有5 架航班因遭遇不穩(wěn)定氣流或風(fēng)切變復(fù)飛，直到13:20 許才恢復(fù)正常。

（10）2019 年5 月18 日20：04，某航班，在03 號跑道入口3～4 海里處，高度213.36～243.84 m 遇到風(fēng)切變復(fù)飛。

4 低空風(fēng)切變分型研究

以上多個實例可以看出，機(jī)場跑道及周邊區(qū)域低空風(fēng)場變化對于飛行的影響很大，會導(dǎo)致飛機(jī)復(fù)飛、備降甚至返航，因此對低空風(fēng)切變成因進(jìn)行精細(xì)化研究有迫切的實際意義，將低空風(fēng)切變分為不同的類型，提煉相應(yīng)的預(yù)報指標(biāo)，總結(jié)不同的影響系統(tǒng)有助于預(yù)報員在實際工作中有參考依據(jù)，從而提高預(yù)報準(zhǔn)確率，提升服務(wù)水平。而以往的研究大多以500 hPa 環(huán)流為依據(jù)進(jìn)行分型探討，本文以造成低空風(fēng)切變的直接原因入手，分為以下4 種，分別為動量下傳型、鋒面過境型、對流性天氣型和局地湍流型。

4.1 動量下傳型

500 hPa 以上的中高空，銀川河?xùn)|機(jī)場均處在槽后西北氣流之中，在200 hPa 附近有明顯的急流配合，往往溫度槽落后高度槽，迫使槽發(fā)展加深，槽后西北氣流加強(qiáng)。700 hPa 以下的低層往往配合有弱的切變或短波槽過境，低空風(fēng)切變發(fā)生前銀川河?xùn)|機(jī)場往往處在偏南氣流之中，午后高空動量下傳風(fēng)到達(dá)地面引起風(fēng)向變化從而出現(xiàn)低空風(fēng)切變。而地面形勢配合有低壓或倒槽，近地面層較不穩(wěn)定，易引起湍流發(fā)展，此類型低空風(fēng)切變在銀川河?xùn)|機(jī)場出現(xiàn)次數(shù)最多，其中個例（1）、（2）、（3），即2013 年4 月29 日，2019 年4 月29日，2021 年4 月29 日是典型的動量下傳型低空風(fēng)切變。

4.2 鋒面過境型

500 hPa 的高空圖上，在低空風(fēng)切變發(fā)生前為偏西氣流控制，而中低空有弱槽過境，并沒有明顯的冷暖平流，鋒區(qū)結(jié)構(gòu)也不明顯，水汽條件較差，而此時地面有清楚的冷鋒結(jié)構(gòu)，鋒線壓在河西走廊，以上系統(tǒng)相互作用并不會給相應(yīng)的地區(qū)帶來降水，雷暴等天氣，往往是大風(fēng)沙塵天氣，隨著500 hPa 及其以上轉(zhuǎn)為強(qiáng)西北氣流控制，從而帶動低層偏北氣流灌入河套地區(qū)，隨之地面鋒線東移到寧夏西部，銀川河?xùn)|機(jī)場地面風(fēng)出現(xiàn)突變，風(fēng)速急轉(zhuǎn)，風(fēng)速猛增，而此時若有進(jìn)近著陸或開車離港的航班就會遭遇中度以上的低空風(fēng)切變。個例（4），即2022 年3 月6 日是典型的鋒面過境型低空風(fēng)切變。

4.3 對流性天氣型

由于對流性天氣在發(fā)展階段雷暴云中有強(qiáng)上升氣流，從而造成周圍區(qū)域減壓，在雷暴云消散階段有強(qiáng)下沉氣流，即下?lián)舯┝鳎诘孛孑椛㈤_來造成的地面大風(fēng)會造成強(qiáng)低空風(fēng)切變，因此對流性天氣有攜帶低空風(fēng)切變的必然性，所以對流性天氣發(fā)生時少有飛機(jī)著陸或起飛，從而失去了驗證低空風(fēng)切變的機(jī)會，但是對流性天氣包括雷暴、閃電、冰雹等天氣現(xiàn)象，同時積雨云也屬于雷暴，因此雖然沒有明顯的對流性天氣現(xiàn)象發(fā)生，但是有積雨云時也會出現(xiàn)低空風(fēng)切變，特別是其消散階段。個例（5）、（6）、（7）是典型的對流性天氣型低空風(fēng)切變，當(dāng)天均有積雨云發(fā)展。

4.4 局地湍流型

由于銀川河?xùn)|機(jī)場所處的地理位置三邊有毛烏素沙漠、巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠環(huán)繞，西北方向有賀蘭山的繞流作用，另外緊靠黃河，獨(dú)特的地形地貌造成銀川河?xùn)|機(jī)場近地面熱力屬性有很大的差異，加之近年來隨著銀川河?xùn)|機(jī)場三期和四期擴(kuò)展項目的推進(jìn)，跑道兩側(cè)的植被也發(fā)生了變化，以上條件造成跑道周圍多亂流發(fā)生，當(dāng)亂流強(qiáng)度較強(qiáng)時可造成明顯低空風(fēng)切變。個例（9），即2018 年5 月18 日，銀川河?xùn)|機(jī)場出現(xiàn)了長時間間斷性的塵卷風(fēng)，造成多架次航班因低空風(fēng)切變而低高度復(fù)飛，個例（10），即2019 年5 月18 日也發(fā)生了因地面湍流引起的低空風(fēng)切變。

5 結(jié)束語

（1）銀川河?xùn)|機(jī)場大風(fēng)主要集中在西北風(fēng)，東北風(fēng)和西南風(fēng)，尤其以西北風(fēng)為主，當(dāng)風(fēng)向往西北風(fēng)轉(zhuǎn)變且風(fēng)速增大時往往有低空風(fēng)切變。

（2）銀川河?xùn)|機(jī)場低空風(fēng)切變主要發(fā)生在3-5 月，其次是7-10 月，并且呈逐年增長的趨勢，在以上月份需要高度關(guān)注。

（3）銀川河?xùn)|機(jī)場復(fù)飛航班的時空特征和低空風(fēng)切變成正相關(guān)。

（4）通過挑選的典型個例比較發(fā)現(xiàn)，不同年份的同一日發(fā)生風(fēng)切變的可能性相當(dāng)，如2018 和2019 年5月18 日，2013 年、2019 年和2022 年的4 月29 日均出現(xiàn)了低空風(fēng)切變。

（5）分型研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)銀川河?xùn)|機(jī)場滿足強(qiáng)烈的動量下傳條件時往往有低空風(fēng)切變；當(dāng)水汽條件配合較差的鋒面過境時更應(yīng)該關(guān)注大風(fēng)沙塵天氣是否發(fā)生，鋒面過境引起地面風(fēng)場突變時易出現(xiàn)低空風(fēng)切變；對對流性天氣的研究不應(yīng)該僅停留在天氣現(xiàn)象上，看似影響較小的積雨云消散也會造成地面輻散性大風(fēng)，從而出現(xiàn)低空風(fēng)切變；由于地面熱力差異造成的亂流，最為典型的是塵卷風(fēng)的出現(xiàn)肯定伴隨有強(qiáng)烈的超低高度風(fēng)切變。

（6）通過分型研究發(fā)現(xiàn)，動量下傳型低空風(fēng)切變是銀川河?xùn)|機(jī)場最主要的類型，值班人員在滿足動量下傳的天氣背景下應(yīng)高度關(guān)注出現(xiàn)低空風(fēng)切變的可能性。