【专业分类】航务与运行
珠海机场背山面海，跑道三面环海，地理环境特殊，下垫面性质变化大，情况复杂。在遇到冷锋过境、雷暴及台风天气时极易形成低空风切变。低空风切变发生突然，持续时间短，强度大，严重危及飞行器起降安全，是目前国际上航空气象预报的主要难题之一，本文通过对珠海机场地理环境、天气过程进行分析，并且对实际工作中遇到的问题进行研究和总结，得出一些低空风切变预报预警方法供航空气象预报员参考。 一、低空风切变研究现状
低空风切变是1600英尺（约500米）以下风向风速在空间上的变化，是飞行器起飞、着陆阶段威胁飞行安全的主要危险因素之一。低空风切变具有持续时间短，尺度小，强度大，发生突然的特点，再加上目前天气图表和普通的气象雷达等无法直接探测，因此出现气象预警、航管难、飞行难等一系列的困难，引起了国际航空界和气象界的广泛重视。
图1[1]：香港国际机场在2006年8月2日台风外围降落的A340飞机黑匣子解密后的航迹与低空风切变报警系统的同步叠加。注：Head Wind （kts）：逆风（海里/小时），Altitude （ft）：高度（英尺）
图2[2]：日本关西机场微下击暴流的时间和尺度特征。注：number of microbusrts：微下击暴流个数，Lifetime （minutes）：生命史（分钟），diameter （km）：直径 （千米）
如图1可以看出香港国际机场的低空风切变持续时间短（一般在30-40秒之内）；又如日本关西机场的微下击暴流过程中，如图2所示，持续时间近70%在1分钟内，近90%在2分钟内，危险性极大。经过国际民航组织和世界气象组织30多年的共同探索和研究，对于低空风切变的实际探测已经取得了很大的进步，目前国际上虽然还没有一个较好的办法能较早地预报低空风切变，这还是一个难题，但是通过安装低空风切变雷达或低空风切变报警系统，及机载低空风切变报警系统等，还是能探测到低空风切变的发生时的实际情况的，但是可预期的提前时间短，还必须通过气象、空管，及时发现并发出警报，同时机组立即决断才能避免受到低空风切变的危害。因此在飞行中也要求飞行人员有高度的警惕才能够及时发现它，避开它，以确保飞行安全。
目前我国只有香港国际机场安装了现今国际上最先进的多普勒雷达、激光雷达和低空风切变及湍流报警系统。就珠海机场而言，要及时准确地做出以低空风切变进行观测和预报还是一个极其困难的问题，目前还只能通过将天气过程分类，凭经验进行定性分析和预报。
二、低空风切变种类与强度的指标
低空风切变主要有水平风的垂直切变、水平风的水平切变以及垂直风的切变等，风切变虽然时间短暂，但是对空速的影响很大，会导致航空器的航径发生改变。逆风减少或者顺风增加，导致空速瞬间减小；逆风增加或者顺风减少，导致空速瞬间增大；当遭遇垂直气流时会导致航空高度的短暂的变化。为了能使航空器回到计划航径，飞行员必须进行干预。具体如下面的描述。
1.水平风的垂直切变是的指在垂直方向上，一定距离内两点之间的风速或风向的改变。根据民航组织建议的水平风的垂直切变标准，空气的垂直厚度应取30米。用于计算风的资料为2分钟平均值。一般认为0.1米/秒以上的垂直切变就会对喷气飞机带来威胁。具体标准如下表2.1.1：
表1[3]：水平风垂直切变强度标准
强度
等级
风切变数值标准
对飞行
的影响
（米/秒）/30米
1/秒
轻度
≤2
0-0.7
飞机航迹和空速稍有变化
中度
2.1-4
0.8-0.13
对飞机的操纵造成很大困难
强烈
4-6
0.14-0.20
有使飞机失去操纵的危险
严重
>6
>0.2
会造成严重的危害
以下为因水平风的垂直切变引的航迹的改变，如图3所示：
图3：起飞与降落过程中水平风的垂直切变
图4：水平风的水平切变
2.水平风的水平切变，是指水平方向上两点之间的风速的改变，如图4所示。
3.垂直风的切变，是指上升或下降气流（垂直风）在水平方向上两点之间的改变，这类风切变多发生在雷暴云的影响范围内。强度标准如下：
表2[3]：下降气流和下击气流的强度标准
空间指标
下降气流
下击气流
91米高度上的下降速度
≥3.6米
800米直径内的辐散值
≥144/时
图5为飞机遇到微下击暴流下时（含低空风切变的水平切变和垂直切变）航线变化：
图5：微下击暴流引起的航迹的改变
三、珠海机场的地理位置与周围的环境对地面风的影响
图6：珠海机场的地理位置与周围环对地面风的影响
由于珠海机场的特殊地理位置与下垫面，跑道呈东北-西南向，跑道的西北侧是观音山-茅田山-拦浪山等山脉，主峰最高的有近300米，走向与跑道一致，离跑道的最近距离只有1.5公里左右，跑道的南北二头填海而成，尤其是南头伸入大海，且北侧的山脉对它也基本上没有大的阻挡，环境开阔。而跑道其余部分由于受北侧的观音山-茅田山-拦浪山等山脉阻挡。并且跑道的东北-东-东南-南侧是无际的大海。
从上述分析及图6中可看出，当本场中等或强冷锋后吹西北或北风时，由于地形的阻挡， 往往是当飞行器切5边后，飞行器的高度一般在数十米以上，南头的山顶对切5边后的进近区域的风阻挡小，而当飞行器进入接地区域，由于风受到山的阻挡。因此产生了接地点的风比南头下降区要小。由此，产生了由于地形造成的水平风的水平切变和垂直切变，尤其是吹西北时当平均风速超过9米/秒后，易出现水平风的切变。另外， 05号与23号的风速差突然在短时可达7.7米/秒以上的水平风的水平切变时，也易造成飞机操纵的很大的困难。一旦出现这种情况应立即提醒飞行人员注意低空风切变！
四、发生低空风切变的天气条件
引起低空风切变的主要天气系统有雷暴、锋面、台风（含热带气旋和东风波）、山地波及辐射逆温等引起。
根据香港、国内外近30来的资料分析结果[5]如图7、图8所示：
图7[1]：香港国际机场在不同天气状态下的机组报告低空风切变及湍流的频率
图8[1]：在非结冰区不同天气状态下因为恶劣天气引起的频率
1.雷暴型低空风切变
雷暴是产生风切变的重要天气条件之一。雷暴产生的下击气流主要有两种。一种是在雷暴云的正下方的强下沉气流产生的下击气流，特点是范围小，持续时间短，强度大，大致在雷达回波的正下方。另一种是由雷雨中的下击气流到达地面后，形成强烈的冷性气流向四周传播，这股气流可传到离雷暴主体20公里外的地方，如图5所示。由于它离雷暴主体远，且没有明显的天气现象，所以不易被普通的天气雷达发现，对飞行威胁更大。例如：2011年6月29日上午，本场的雷雨在10:02时开始，12:00时结束，持续了2小时，在11:31时本场出现雷雨大风，风向风速为：22013G18MPS 170V240，能见度0900米；最大阵风达到了18米/秒，风向在170-240度之间急剧变化，风向极不稳定，表明地面存在严重的水平风向的切变。造成此次雷雨天气过程的天气系统是副热带高压西北部边缘的南支槽和中低空切变线共同作用的结果。由于机场的雷雨大风导致了出港的二个航班的延误。
2.锋面型低空风切变
锋面是产生风切变最多的气象条件。由于锋面两侧的气象要素具有不连续性，锋面过渡区的垂直结构，是产生大风及风切变的重要条件。根据本场近5年的资料统计结果，平均每年有5-8天因冷锋过境引起的大风天气（瞬时风速>=17米/秒）。如从2010年11月至2011年4月30日就出现了12天冷锋后大风。例如2009年3月13日的下午的冷锋过程中，冷锋于1510时过境，1530时本场地面风速就达到了17米/秒，1705本场的风风速达到了34021G32米/秒，平均风速与阵风之间的风速差达到了11米/秒，存在强烈的风速切变，因此导致了于1705时落地的A320滑出跑道的事故征候。
3.台风型低空风切变
本场地处珠江入海口，跑道与大海直接相连，平均每年都有4-6个台风影响本场，其中在珠江口登陆的台风就有1-2个。由于台风的外围由螺旋云带组成，云带中有大量的暴雨云团，具有巨大的不稳定能量，另一方面由于台风附近风速一般都在30米以上，阵风可达50米/秒以上。台风接近机场时水平风切变可达20（米/秒）/30米以上。2008年9月24日0时10分，0814号强台风黑格比最近本场时（中心离机场的约85KM），最大平均风速达到了32米/秒，阵风38米/秒低空风切变英文，因此23日晚取消了飞来珠海所有的航班。
4.地形及山地波型的低空风切变
A.地形的影响：当本场吹偏北风时，由于拦浪山、娇顶山等山脉阻挡，本场的跑道南头在300米以下易产生低空风切变；跑道南头附近300米以下的风速要小于飞机5边进近时的速度。
B.山地波的影响：当本场吹偏北风时，空气刚刚越过拦浪山、娇顶山等山脉时形成的下冲气流及山地波也会在跑道附近产生低空风切变。
5.辐射逆温型低空风切变
图中的时间从右至左并且以UTC时间计算
图9：珠海机场2011年5月23日风廓线雷达
当晴空夜间产生强辐射时，在逆温层顶附近常有低空急流，高度一般为几百米，有时可在100米以下，与逆温层的高度相联系，因此，有时也称它为夜间急流。逆温层阻挡了在其上的大尺度气流运动与地面之间的混合作用和动量传递，因此在逆温层以上形成了最大风速区即低空急流。逆温层阻挡了风速向下的动量传递，使地面风速很小，风向多变，这样在地面与上层气流之间形成了较大的风切变。一般秋冬季节较多。低空急流在日落后开始形成，日出之前最强，日出后随逆温层的解体而消失。如图9所示是珠海机场2011年1月14日风廓线雷达截图资料。
五、珠海机场预报低空风切变及湍流的指标
经过近10年的历史天气资料的分析研究得出以下低空风切变的定性的预警指标：
1.在天气形势预计本场有雷暴时，雷达回波上看到距本场20KM上游方向，有中到强回波向本场移来时，并且本场的K指数达到（含）36以上，本场的地面温度急剧降低，同时伴随风速风向剧变，地面阵风大于平均风速8米/秒以上，或两个测站间的风速差大于8米/秒时，本场向塔台等相关单位发布低空风切变警报。
2.有台风在本场200公里范围内移来，平均风速度15米/秒低空风切变英文，地面阵风大于平均风速8米/秒以上，或两个测站间的风速差大于8米/秒时，本场向塔台等相关单位发布低空风切变警报。
3.预计有中到强冷空气过境，当地面图上在珠江三角洲的等压线密度在5个纬距内多于5条以上时，易引起冷锋后大风，并在锋面附近有较强的风切变。当平均风速度>=9米/秒，地面阵风大于平均风速15米/秒以上，或两个测站间的风速差大于8米/秒时，本场向塔台等相关单位发布低空风切变警报。
4. 因地形、海陆锋，地面阵风大于平均风速8米/秒以上，或两个测站间的风速差大于8米/秒时，本场向塔台等相关单位发布低空风切变警报。
图10：珠海机场低空风切变预警系统的设置
图11：珠海机场未来低空风切变及湍流预警系统的构想
5. 预警结果验证：根据近两年来塔台及机组反馈意见，结果满意度较高，有相当的提醒价值。
六、珠海机场关于低空风切变及湍流的设想
珠海机场低空风切变观测系统的未来设想如图10、图11所示：
从自动观测系统、自动站、多普勒雷达和风廓线雷达采集物理量，建立低空风切变报警系统的数值模型，用数值分析方法，根据国外已有的低空风切变强度的等级标准，再结合本机场的实际情况，建立低空风切变强度等级的数值模型，实现自动预警，实现从定性预报到定量预报的飞跃。
参考文献：
[1]陈柏纬博士、杨敬基主任: 港机场低空风切变简介[R].，香港天文台，2008：10-20
[2] Kusunoki K, nishihara M，A Statistical Study of Strength， Scale， and Lifetime of Microburst outflows and Precursors detected around the Kansai International Airport in Japan[J]，Conference on Severe Local Storms， 199819卷309-312页
[3] Manual onLow-level Wind Shear and turbulence [S]ICAO，2005
鸣谢：世界民航气象组织主席、香港天文台岑智明台长的和国家气科所胡立群 博士指导
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