广州白云机场一次微下击暴流引起的低空风切变过程分析

郭智亮，谢文锋，钟加杰，黎伟标，陈淑敏

（1.中国民用航空中南地区空中交通管理局气象中心，广东 广州510406；2.中山大学大气科学学院，广东 广州510275）

20 世纪70 年代中期，Fujita 等[1-2]调查美国飞机起飞和降落过程中发生的三起严重飞行事故原因时，发现造成飞机失事的“元凶”是强烈的风切变，从此开启了风切变的研究。1976 年国际民航组织把低空风切变作为重要的研究课题[3]。低空风切变是指600 m 高度以下空间中风速矢量或其分量沿某一垂直或水平方向的变化[4]。产生风切变的原因主要有两大类[5-6]，一类是地理、环境因素所造成的，例如香港机场一面靠山，三面环海，机场的70%风切变由复杂的地形造成[7]；另一类是大气运动本身的变化造成，比如雷暴、微下击暴流等强对流天气发生时，产生强下沉气流会造成低空风切变。广州地处华南中南部，每年3—10 月容易出现强对流天气，风切变出现频繁，张美平等[8]统计发现下击暴流产生的大风是白云机场产生低空风切变的主要原因。

下击暴流根据尺度和持续时间又进一步分为微下击暴流和宏下击暴流[9-10]。下击暴流产生的下沉气流在空间分布是极不均匀的[11]，往往在大片的下沉气流中，通常会有一股或几股较强的下沉气流造成低空风切变。李梦婕等[12]对发生在北京的一次微下击暴流进行模拟，推断强下沉气流主要由雨水粒子拖曳作用产生，较大的位温扰动则加强气流上升运动，迫使暖湿气块更大程度抬升，进一步维持和发展下击暴流系统。Fujita[13]发现弓状回波是下击暴流发生的重要特征之一。刁秀广等[14]通过分析三次下击暴流的雷达回波特征，发现3 次风暴中层为明显气旋上升结构有利于风暴的发展和维持，反射率因子强核高度或风暴顶高度下降使得下沉气流增强，引起地面下击暴流。Roberts 和Wilson[15]、俞小鼎等[16]通过大量分析下击暴流事件，发现下击暴流发生之前往往伴随反射率因子的持续下降和云底以上的速度辐合，利用这一特征可以提前数分钟对下击暴流进行预警。吴芳芳等[17]、毕旭等[18]等通过个例分析，也发现下击暴流产生前雷达发射率因子核的下降。钟加杰等[19]对白云机场的飑线产生的下击暴流进行了细致分析；黄奕铭等[20]分析白云机场产生雷雨大风的回波特征，发现产生下击暴流时天气雷达的低仰角PPI 速度回波图像会出现相应量级的负速度回波或小尺度强烈辐散的速度特征；刘峰[21]通过与飞行数据作检验分析，证实白云机场在现有条件下，有条件开展低空风切变预警工作。

微下击暴流生命周期短，尺度小，破坏性强，观测困难，是民用航空气象预报的难点和重点。美国已开展4 次外场实验和研究[22-24]，但在我国大多数通过多普勒天气雷达进行观测和研究，观测到微下击暴流的各气象要素的演变个例极少。2017 年8 月1日20：18：15 广州白云机场自动观测系统探测到自2004 年搬迁有记录以来的最强阵风42.1 m/s，本研究将此次过程作为研究对象，利用自动观测资料以及多普勒雷达资料分析造成此次强阵风的成因以及探讨预报低空强风切变的可能性。

1 数据及方法

1.1 白云机场跑道以及自动观测系统的分布介绍

张利平[25]等认为机场的自动观测系统类似于美国开展的机场探测低空风切变警报实验的高时空分辨率观测网，为探测到微下击暴流以及计算低空风切变强度提供了可能性。广州白云国际机场现有3条跑道运行（图1），从左到右依次为西跑道、东内侧跑道和东外侧跑道， 跑道长度依次为3800 m、3600 m、3800 m。西跑道和东内跑道间隔为2200 m，东内跑道与东外跑道间隔为400 m。在每条跑道的南北两头以及跑道中间配备3 个自动气象观测点，每个自动气象观测点均引进使用芬兰VAISALA 公司的自动气象观测系统，安装传感器对常规的气象要素进行探测[26]。3 条跑道所有的自动气象观测点均有风向风速传感器，传感器位于跑道道面10 m高度，根据需要可提供2 min或10 min 时距内的平均风向风速、瞬时风向风速、最大（小）风向风速等数据，时间分辨率为15 s；在3 条跑道的南北两头的6个自动气象观测点有温度、湿度、压力传感器，传感器距离航空器接地地带的跑道面1.5 m，作为气压、温度、湿度的计算基准点，时间分辨率为15 s。

图1 白云机场跑道分布及自动观测系统的分布

1.2 分析资料及多普勒天气雷达介绍

采用空间分辨率1°×1°的FNL 资料分析背景形势，对湿度和能量进行诊断。广州白云机场的C 波段雷达是2006 年从德国引进的METEIR-1500，提供了丰富的多普勒雷达图。

2 背景形势分析

利用FNL 再分析资料分析2017 年8 月1 日14时（北京时，下同）的天气形势（图2），500 hPa 内蒙古东部有一浅槽向东移动，热带气旋“海棠”位于江西湖北交界处，华南地区处于“海棠”台风槽的西南气流影响，850 hPa 切变线（棕色实线）位于安徽、湖北、江西、湖南南部一线，广东受槽前西南气流控制，风速在6～8 m/s。

1 日14 时广东中南部有对流不稳定能量积聚，对流有效位能普遍超过1000 J/kg，为中等的对流不稳定；925 hPa 风场也可以看出在广东中东部地区存在一条中尺度辐合线，存在明显风速和风向的辐合，有利于对流上升运动的发展（图3）。沿着23°N作相对湿度垂直经向剖面图（图4），可以看到，在112°～117°E 地区700 hPa 附近存在相对湿度高值区，550 hPa附近存在相对湿度低值区，白云机场（23°N、113°E）上空的这种上干下湿结构也有利于对流的发生。

广州白云机场在1 日傍晚到夜间出现雷雨天气，自动观测系统的雨量传感器录得白云机场8 月1 日24 h 总降水量为20.8 mm。这次中尺度对流天气过程在午后下垫面加热，不稳定能量累积，在傍晚前后中尺度辐合线附近局地形成。

图3 2017 年8 月1 日14 时925 hPa 风场（风杆，单位：m/s）与对流有效位能（等值线，单位：J/kg）

图4 2017 年8 月1 日14 时相对湿度（单位：%）垂直经向剖面

3 微下击暴流的识别以及低空风切变的强度和演变

3.1 各气象要素的演变特征

2017 年8 月1 日午后开始，广州白云机场周边有孤立、强度较弱的对流云团生成，跑道各自动观测点探测的风速稳定在5～9 m/s，风向为偏北风，航空器在三条跑道的南端自南向北逆风起飞和降落。17时以后机场南面20～60 km 的对流云团加强发展，逐渐向白云机场移动，20：03 机场出现雷暴伴随降水的天气。20：17 开始，机场的风速突然加大，东内侧跑道02L 自动观测点探测的瞬时风速达到42.1 m/s（图5 中蓝色曲线20：18：15 时瞬时风速），这也是广州白云机场自2004 年8 月5 日搬迁新址以来探测到的最大风速。

图5 是3 条跑道上9 个自动观测点的瞬时风速的时间序列图，虚线是17.9 m/s 的大风临界线。02L、02R 和MID3、MID2 4 个自动观测站点的瞬时风速出现超过17.9 m/s 的强地面风。02L 的风速（图5 蓝色曲线）从20：17：00 开始迅速增大，在20：18：15 出现了14 级42.1 m/s 极值大风，此后风速回落，20：21：30后风速＜10 m/s，持续时间＜5 min。15 s 后的20：17：15，02R（图5 灰色曲线）风速开始剧增，极大风值为24.1 m/s，20：22：00 后风速＜10 m/s。20：19：00，MID3自动观测点风速（图5 褐色曲线）也剧增，出现34.7 m/s 的13 级大风，20：22：45 风速＜10 m/s。此外，MID2 自动观测点（图5 棕色曲线）于20：22：00 短暂出现过18.2 m/s 的阵风。

图5 机场各观测站点的瞬时风速随时间的变化

为了避免与障碍物相撞，航空器着陆（起飞）时，飞行员将统一高度表气压刻度调到本场的修正海平面气压（Query normal height，简称QNH），QNH 的值决定航空器接地离地的高度。通常QNH 变化1 hPa的数值，飞行器的接地离地高度变化为8 m。图6 给出了机场出现地面大风的自动观测站点的02L 和02R 的QNH 随时间的演变特征（3 条跑道中间的3个自动观测点无温度、湿度、压力传感器；为避免线条多而杂乱，省略各气象要素变化不明显的其它4个自动观测站点演变图），微下击暴流的下沉气流到达地面经过的02L（蓝色线）、02R（绿色线）点时，QNH 变化剧烈，2 个自动观测点出现了气压骤升，又迅速回落的“气压鼻”，从20：16 到20：23 的7 min时间内，02L 的QNH 上升了0.3 hPa，“气压鼻”呈双峰状；02R 从1 001.95 hPa 骤升到1 002.15 hPa，随着大风的结束，QNH 值出现回落。

图6 出现地面大风前后02L 和02R 自动观测站点的修正海平面气压随时间的演变

当对流风暴流单体时影响机场时，产生了降水，6 个自动观测点的温度都有所下降。图7 给出了02L 和02R 自动观测站点的温度随时间的演变。比起对流风暴流单体降水引起的温度下降，微下击暴流影响的两个自动观测点的温度降幅更加明显。其中02L 观测点（蓝色线）在出现强风后，温度从20：18 的26.0 ℃到20：21 的23.7 ℃，3 min 内温度降幅为2.3 ℃；02R 观测点（绿色线）从20：18 的27.2 ℃降到20：22 的25.4 ℃，4 min 内下降了1.8 ℃。

图7 出现地面大风前后02L 和02R 自动观测站点的温度随时间的演变

3.2 微下击暴流的识别

Fujita[9-10]认为微下击暴流能在地面产生超过17.9 m/s 的辐散风，尺度＜4 km、持续时间＜10 min。胡迪[27]、潘彭刚[28]等研究发现微下击暴流完整的模型包括下冲气流、“气压鼻”和水平涡度。本次天气过程，只在机场东南部的4 个自动站点出现超过17.9 m/s 的强风，其它5 个自动观测站点风速没有显著的改变，这是一次小尺度的局地地面强风天气过程。出现大风的自动观测站点先后时间依次为02L-02R-MID3-MID2，大风自西南向东北移动（与下一章节分析的对流风暴单体移动方向一致），风速以02L-MID3 西南东北向连线向两边减小的特征。4个受影响的自动观测点风速＞17.9 m/s 的影响时间＜5 min，地面气压骤升，出现了“气压鼻”，雷达分析发现有下冲气流和地面涡度，符合微下击暴流的模型的特征，因此此次白云机场产生局地短时强阵风是一次典型的微下击暴流过程造成的。

3.3 低空风切变的强度及演变

微下击暴流引起的风切变过程的个例由于维持时间短，探测手段匮乏，以往的研究中缺乏准确的观测资料，只能通过机组报告等间接例证，但这一次机场自动观测资料恰好探测到了风向风速的变化。为了进一步分析引起短时地面强风的微下击暴流的特征，图8 分析了跑道出现超过17.9 m/s 的4 个自动观测点的风矢量随时间演变情况。水平风切变强度在国际尚无统一标准，在美国机场低空风切变警报系统中认为水平风切变值达到2.57 m/（s·km）对航空器构成危害，会发出风切变告警信号[22-24]。根据自动观测点的风速大小及已知的相互间距离可计算风速切变的大小。20：15：00，4 个自动观测点一致的东北风，风速也没有切变。20：18：15，02L 自动观测站点的风速迅速增大，根据02L 风速为42.09 m/s 与02R的24.10 m/s 以及2 个自动观测点的距离0.75 km，计算得到2 个自动观测点的切变值为23.98 m/（s·km），02L与MID2 的风速切变值为17.61 m/（s·km），此时02L与MID2 的水平风切变值远超过对航空器构成危害的临界值，航空器起飞和降落将受到极大威胁。倘若航空器此时在02L 降落，将遭受逆风增大的逆风风切变，航空器的升力迅速升高，航空器比预定航线升高，操作不及时将引起航空器复飞；航空器从02L向北起飞时，受强的顺风风切变，航空器的升力迅速降低，飞行员若来不及做修正，航空器的飞行高度会迅速下降，可能刚起飞离开跑道又下坠触地，造成严重飞行事故。20：19：15，经计算得MID3 与MID2 的风切变值为20.48 m/（s·km），MID3 与02R 的风切变值为4.36 m/（s·km），若在02L 跑道降落将遭受强烈的侧风风切变，会产生侧滑，严重时航空器会被吹翻；若此时航空器在02R 跑道起飞和降落，将受逆风减小的顺风风切变。02L 和02R 转为偏东风，MID2 和MID3 仍为东北风，在它们之间有风向的风切变。20：23：00，4 个自动观测点的大风已消失，02L为偏北风、02R 为东南风和MID2、MID3 为东北风，4个站点风向呈气旋性风切变，仍对飞机起降有很大的威胁。

4 雷达回波分析

2017 年8 月1 日午后，广州白云机场（位于多普勒雷达东南偏东约3～4 km，即图9 标记处）及周边对流天气开始逐渐活跃，一直有中小尺度的对流单体活动，自西南向东北移动。19：03BT（下同）开始在机场西南偏南约25 km 处有新的对流单体生成并快速发展（图9a 方框），尺度约为3 km，回波强度约为45 dBZ，回波顶高5 km，向机场移动。20：04，对流单体移到机场（图9b），机场出现雷阵雨天气，此时对流单体水平尺度约为12 km×20 km，回波强度为55～60 dBZ、回波顶高约7 km。20：10，对流单体发展旺盛，从图9c 虚线方框看到，单体的回波顶高高度超过10 km、回波强度65 dBZ。4 min 后（图9d 虚线方框），对流单体的回波顶高突然降低到5～6 km，回波强度降到60 dBZ。在回波强度降低和回波顶高的高度降低的过程中，据自动观测设备仪器探测的数据（图5）可知，地面风从20：17 开始突然加强，20：18 达到42.1 m/s 的最大风速。研究表明，微下击暴流和地面大风与对流单体回波强度和回波顶高的突然降低有很大关系。胡明宝[29]等解释了这一原因：对流单体回波突然坍塌与地面阵风锋切断上升气流入流有关，而且由于高层回波坍塌，对流单体中的下沉气流中增加了高层回波的大气的水平动量，所以当下沉气流达到地面时，形成下击暴流。

图9 白云机场多普勒雷达反射率因子的垂直分布

图10 是白云机场多普勒雷达径向速度图的演变过程，19：03（图10a），机场西南方向及偏南方向都是一致的朝向雷达的负速度回波，对流单体移向机场，最大径向风速在11 m/s 左右。对流单体不断发展，19：40（图10b）径向速度图出现正负速度对，核半径为5 km，最大平均转动速度为15 m/s，是一个中气旋。中气旋的出现，预示着强烈的天气发生[30]。20：03 对流单体接近本场，雷达径向速度场（图10c）的方框可以看到近地面的反气旋性辐散气流，正负径向风速速度中心大小为10 m/s 左右，辐散中心位于雷达偏南10 km 处，对应图9b 对流单体的位置，可知辐散区在对流单体的后部，根据雷达1.2°的仰角，和对流单体离雷达中心的距离，可以算出辐散区高度约为240 m。20：13，靠近雷达处为纯反气旋，正负径向风速速度中心为18 m/s 左右，强度在加强，辐散区中心位于雷达偏南8 km 处，辐散区高度约为200 m，辐散强度继续加强，最大正径向速度达到11 m/s，最大负径向速度达到15 m/s，最大正负径向速度风速差达到26 m/s 左右，此后辐散的强度继续增加、辐散高度也不断下降，最终下沉气流到达地面，地面风迅速加强，并于20：18 形成强风，造成低空强风切变。

5 结论

（1）2017 年8 月1 日白云机场出现了一次42.1 m/s的极值大风，本文通过自动观测资料和雷达探测资料，证实此次白云机场遭受的强阵风是微下击暴流的下沉气流到达地面形成的辐散大风所致。微下击暴流的下沉气流到达地面后，地面气压骤升，温度骤降，并形成低空强风切变。

图10 白云机场多普勒雷达经向速度图

（2）自动观测数据采集数据频率密集，从采集到传输到终端显示时间短。预报员在微下击暴流引起的风切变时可多注意自动观测数据站点气压温度等气象要素的变化，当气象要素变化剧烈，达到预警值后及时发布低空风切变告警产品。可利用白云机场外围的四个导航点的自动观测站的数据，使得资料密度加大，更好对低空风切变进行监测和告警。

（3）造成此次强地面风和风切变的对流单体从20：10 发展最旺盛，到20：18 微下击暴流的下沉气流到达地面形成强风的过程间隔时间为8 min，但目前白云机场雷达处理数据到出图像的时间需要约10 min，预报员往往也容易疏忽回波的突然减弱和回波顶高突然降低，即使从雷达图发现对流单体反射率因子下降、回波顶高下降，下击暴流实际已经发生，通过雷达组合反射率的变化提前发布机场大风及风切变预警难以完成。在多普勒径向速度图上，19：40 出现中气旋，20：04 近地面出现反气旋性辐散，若观测到这一变化，马上发布大风和低层风切变警报，能有一定预警效果。未来增加低仰角的雷达扫描密度以及对雷达多仰角PPI 的体积扫描探测时间减少，能够改进雷达预报大风及低空风切变预警的工作。