西北地区中度以上颠簸的物理量场特征.pdf

第2 9 卷第5 期 2 0 1 1 年l O 月 中国民航大学学报 J O U R N A LO FC I V I LA V I A T I o NU N I V E R S I T YO FC I N A V 0 1 2 9N o 5 O c t o b e r2 0 1l 西北地区中度以上颠簸的物理量场特征 巩敏莹1 ，崔竹囡1 ，靳英燕2 ，黎巍1 ( 1 西北空管局气象中心，西安7 1 0 0 8 2 ；2 西北空管局气象服务部。西安7 1 0 0 8 2 ) 摘要：利用N C E P l o X l o 再分析资料，使用客观分析的方法，对2 0 1 0 年西北地区的航空器空中报告中的中度以上 颠簸物理量场进行分析，发现中度以上颠簸发生区域具有水平散度梯度、水平垂直速度梯度、水平涡度梯 度大的大气动力学特征，为中度以上颠簸预报提供了新的思路和依据。 关键词：中度以上颠簸；垂直速度；场散度场；涡度场 中图分类号：P 4 3 4 2文献标志码：A文章编号：1 6 7 4 5 5 9 0 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 1 2 0 6 C h a r a c t e r i s t i c so fP h y s i c a lQ u a n t i t yo fM o d e r a t ea n d S e v e r eT u r b u l e n c ei nN o r t h w e s tC h i n a G O N GM i n - y i n g a ，C U IZ h u - n a n l ，J I NY i n g - y a n 2 ，L IW e i l ( 1 N W A T M B ，X i 觎7 1 0 0 8 2 ，C h i n a ；2 N W A T M B ，X i 吼7 1 0 0 8 2 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：D i vg r a d i e n ta n dv o rg r a d i e n ta n d g r a d i e n ta r ec o m p r e s s e di nm o d e r a t ea n ds e v e r et u r b u l e n c ea D g at h a t h a p p e n e di nN o r t h w e s tC h i n ai n2 0 1 0b ya n a l y s i sN C E P I 。X 1 0F N Ld a t at h r o u g ho b j e c t i v ea n a l y s i s ，a b o v e m e n t i o n e dd i s c o v e r yc a r lh e l pt of i n dan e wi d e ai nm o d e r a t ea n ds e v e r et u r b u l e n c ef o r e c a s t K e yw o r d s ：m o d e r a t ea n ds e v e r et u r b u l e n c e ；g r a d i e n t ；d i vg r a d i e n t ；v o rg r a d i e n t 航空器颠簸由大气湍流引起，它使飞行员操纵飞 机困难，使进入发动机气道的空气量显著减少，严重 时会造成自动停车，甚至使飞机结构遭到破坏，造成 机毁人亡的事故。全国范围每年都会有飞机在飞行过 程中因为遭遇强烈颠簸而造成机组成员或乘客受伤 的报道，所以颠簸预报是民航天气预报的重点之一。 国内外许多学者和航空气象工作者在此方面进行 了量的研究：个例分析如徐海1 1 1 等所著成都一拉萨 航线一次严重颠簸过程分析，分析了一次严重颠簸 过程的成因；高洁闭等分析了兰州区域一次飞机颠簸 事件的成因，是由于高空急流引起的一次强晴空颠 簸。理论研究方面如王永忠1 3 探讨了流动能的产生与 飞行中严重的晴空颠簸的关系，基于湍流动能倾向 方程，推导出了其只含风切变和大气稳定度的简化方 程；朱志愚 4 1 探讨了高空急流区飞机颠簸的一种形成 机制；李子良、黄仪方1 5 1 等对重力惯性波及其不稳定引 发急流附近飞机颠簸产生的可能机制进行研究，指出 重力波失稳破碎为湍流是飞机颠簸产生的可能机制， 并对地形影响的飞机颠簸及其数值进行了仿真实验； 王永忠、朱伟军【日研究了边界层急流型重力波飞机颠 簸的一种形成机制，认为边界层急流型重力波是造 成边界层飞机颠簸的一种机制；李子良、黄仪方网进行 了大气湍流引起飞机颠簸的理论分析和数值试验。探 测资料使用方面如黄仪方、孙智博1 8 I 等分析了我国高 原地区产生飞机颠簸的大尺度云系及其分布的关系 和分布规律。形势统计方面如Y u f e i 、王科 9 1 等对华北 地区晴空颠簸进行了分类及分析，对造成华北地区晴 空颠簸的天气形势进行分类，分为高空急流型、高空 槽线型、切变线型和高空脊型，并结合卫星云图，归纳 总结了每类晴空颠簸的特点和预报着眼点。E l l r o di n d e x 是目前美国颠簸业务预报中使用的一个预报指 数，其计算公式中包含有散度项，说明颠簸可能与表 征大气运动特征的物理量场有密切的关系，E l l r o d i n d e x 的提出者E l l r o d t l o 2 0 1 0 年发表了文章( ( I m p r o v e m e n t st oa nO p e r a t i o n a lC l e a rA i rT u r b u l e n c eD i a g n o s t i c I n d e xb yA d d i t i o no faD i v e r g e n c eT r e n dT e r m ) 论述散度 收稿日期：2 0 1 0 - 0 5 1 8 ：修回日期：2 0 1 1 - 0 7 1 3 作者简介：巩敏莹( 1 9 7 4 一) ，女，陕西泾阳人，高级工程师。工学硕士，研究方向为航空气象 万方数据 第2 9 卷第5 期 巩敏莹，崔竹囡，靳英燕，等：西北地区中度以上颠簸的物理量场特征 一1 3 一 项在颠簸预报中的作用。所有以上研究都非常有价 值，能够帮助我们更好地理解颠簸的形成机理。 但在实际业务中，航空气象目前仍缺乏有效的预 报依据，气象预报员多根据对形势的分析、或依据数 值预报计算的颠簸指数进行颠簸的预报，判断容易发 生颠簸的区域范围和颠簸的强弱。形式分析中通常判 断在高空急流的附近有颠簸发生的可能，从而在高空 急流附近预报较大范围的颠簸区，但根据航空器空中 报告的统计结果显示其空报率较高；国内普遍使用的 L P 颠簸指数的预报范围通常范围非常广泛而缺乏明 确的指示性，使得预报员在使用过程中产生疑惑。由 于以上的预报效果不理想，使的颠簸预报成为航空预 报的难点之一。 数值预报发展到今天，其准确率已有了相当的提 高，特别是在形势预报方面与实际大气形势拟合度相 当高。从物理量场人手或许可以有新的发现，并能方 便地使用数值预报输出的丰富物理量场进行颠簸预 报，有利于实际业务的应用。 本文选取了西北地区空管局气象中心收集的 2 0 1 0 年所有中度以上颠簸的航空器空中报告作为研 究对象，其一是由于中度以上颠簸( 本文指中到严重 颠簸和严重颠簸) 对飞行影响较大，严重的颠簸有可 能造成航空器难以操纵，难于保持高度，特别是垂直 间隔缩小后，更成为飞行中的安全隐患；其二是考虑 到中度以上的颠簸除了与强对流天气有关外，应主要 由尺度较大的可以在1 0 x l o 格点资料上分辨的较强天 气系统造成，其在物理量场上存在明显的变化，便于 找到颠簸预报的重点。 1 报告介绍 2 0 1 0 年西北地区共接收到航空器空中中度以上 颠簸报告1 5 份，如表l 所示，发生时间主要集中在春 季( 2 5 月) ，共1 3 份；其次是初冬季节( 1 1 1 2 月) ，共 2 份。其它季节均没有中度以上颠簸报告。中高空( 本 文特指60 0 0I n 以上) 中度以上颠簸主要发生在北部 航线，共6 份；其次以高原以东居多，共3 份；低空( 本 文特指60 0 0i n 以下) 中度以上颠簸主要发生在河套 区域，其中河套中部4 份，北部1 份，南部1 份。 2 动力学物理量场特征 航空器在飞行中遭遇中到严重颠簸是由于大气 湍流的影响，大气湍流的发生发展则必定受到大尺度 表12 0 1 0 年中度以上颠簸航空器空中报告 T a b 1 R e p o r to fm o d e r a t ea n d V e r et u r b u l e n c e f r o ma i r p l a n ei n2 0 1 0 西安预报室接收时间航线高度，m颠簸强度 2 0 1 0 年2 月6 日0 2 1 0 U T C 磴口A T B u O B I N84 0 0 - 98 0 0中度以上 2 0 1 0 年2 月6 日0 r 7 3 0U T C 雅布赖一景泰以西7 8 0 0 - 1 10 0 0 中度以上 2 0 1 0 年2 月2 8 日1 1 3 0 U T CX I X A N O M B O N6 0 0 0 以上中到严重 2 0 1 0 年2 月2 8 日1 1 3 5 I Y l EX I X A N O M B O N6 0 0 0 以上中到严重 2 0 1 0 年3 月1 7 日0 8 4 0 U T C 三原一宜君 2 7 0 0 - - 4 5 0 0中到严重 2 0 1 0 年3 月1 9 日0 3 0 0 u T C 敦煌附近1 0 0 0 0严重 2 0 1 0 年3 月1 9 日0 4 4 5 U T C 星星毙_ 敦謦嘻峪关72 0 0 - 1l0 0 0 中度以上 2 0 1 0 年4 月2 6 日0 4 3 0 U T C 洛川三原3 0 0 0 - - 4 2 0 0中到严重 2 0 1 0 年4 月2 6 日0 5 2 5 V I E 洛川一三原4 0 0 0 中到严重 2 0 1 0 年4 月2 7 日0 2 4 0 U T C 宁陕小烟庄 3 9 0 0 4 2 0 0 严重 2 0 1 0 年4 月2 7 日0 4 2 5 I Y l E 宜君北6k m3 6 0 0 5 4 0 0中到严重 2 0 1 0 年5 月3 日1 7 4 0 U T C 雅布赖嘉峪关 1 l0 0 0 以下 严重 2 0 1 0 年5 月4 日0 5 3 0 U I E 雅布赖附近8 9 0 0 - 9 5 0 0严重 2 0 1 0 年1 1 月1 2 日0 7 1 0 u - I 进港包头方向4 5 0 0中度以上 2 0 1 0 年1 2 月2 7 日0 3 2 0 u 1 雅布赖附近 1 0 4 0 0 中到严重 大气运动的制约，在什么样的大气运动条件下大气湍 流容易得到发展，是颠簸预报需要考量的问题。 大气的运动是由一组方程所控制，其热力学变化 与动力学变化是相辅相成相互制约的，在大尺度运动 过程中，动力变化过程也可反映热力变化过程，而大 气的湍流又直接与大气的流动有关，故本文认为关注 大气的动力学特性对颠簸的预报非常重要。涡度场、 散度场、垂直速度场是表征大气运动的基本动力学物 理量场，分别描述了空气微团的旋转速度和方向、体 积的变化和垂直运动的速度和方向，大范围的正涡度 场反映了大气的气旋式运动，负涡度场反映了大气的 反气旋式运动；大范围的正散度场反映了大气的辐散 运动，负散度场反映了大气的辐合运动；大范围正垂 直速度区反映了大气的下沉运动，负垂直速度区反映 了大气的上升运动。可以从其物理意义上分析认为， 在正负散度区、正负涡度区、正负垂直速度区的过渡 区域，由于大气的运动方式、方向发生逆转，是湍流容 易得到发展的区域，特别是强的正负散度过渡区、强 的正负涡度过渡区、强的正负垂直速度过渡区是容易 产生较强颠簸的区域。下面将通过2 0 1 0 年西北地区 中到严重颠簸个例的总结来印证以上的推断。 2 1中到严重颠簸区域中散度场的特征 通过对2 0 1 0 年西北地区收集到的1 5 次中度以 上颠簸的航空器空中报告的N C E P l o X l o 再分析资料 的标准等压面散度场进行分析，发现有中到严重颠簸 航空器报告的区域，均有相邻的强辐合、辐散区域，即 水平散度梯度大的区域，且航线穿越零散度线；或根 万方数据 一1 4 一 中国民航大学学报 2 0 1 1 年】0 月 据前后时次的散度场比较，有强散度梯度区随着高空 偏西气流输送与颠簸区发生重合。有时中度以上颠 簸的航空器空中报告位置并未出现在西北地区散度 水平梯度最大的区域，这是由于航路是特定的，未与 最强散度梯度区发生重合，特别是低空飞行多为机场 的起飞和降落航班，集中在机场附近，与最强散度梯 度区重合的可能性更小。由于1 5 个个例图表非常之 多，故仅列举3 个不同的个例进行说明。 如2 0 1 0 年2 月6 日0 7 3 0 U T C 雅布赖一景泰以西 航线78 0 0 1 l0 0 0m 机组报告有中度以上颠簸现象， 分析当1 3N c E P 0 6 0 0 u T c 3 0 0h P a 、2 5 0h P a 资料发现在 河西地区高空存在强水平散度梯度区，雅布赖一景泰 航线与此区域重叠如图1 所示。 9 0 9 5 i o o1 0 51 l o o E ( b ) 0 6 1 J T C 2 5 0 h P a 散度 图12 0 1 0 年2 月6 日嘶u T c 散度图 F i g 1 D i vo f 0 6 U T Co i lF e b 6 2 0 1 0 注：椭圆所示范围即为颠簸发生区域卜图同 又如2 0 1 0 年2 月2 8 日1 1 3 0 、1 1 3 5 U T C X I X A N O M B O N 航线60 0 0m 以上分别有机组报高遇到| _ f 1 到 严重颠簸现象，分析当日N C E P l 2 0 0 U T C 4 0 0 h P a 、 3 0 0 h P a 资料发现在甘东南高空存在强水平散度梯度 区，X I X A N O M B O N 航线与强水平散度梯度区重合， 如图2 所示。 同样2 0 1 0 年5 月3 日1 7 4 0 U T C 雅布赖一嘉峪关 l l0 0 0 以下几组报告有严重颠簸，分析当日1 8 U T C N C E P 3 0 0 h P a 、2 5 0 h P a 资料，在河西走廊高空有强水平 9 51 0 0 1 ( H1 1 0 0 E b ) 1 8 U 1 C 2 5 0 h P a 散度 图32 0 1 0 年5 月3 日1 8 U T C 散度图 F i g 3 D i vo f l 8 U T Co R M a y 3 - 2 0 1 0 万方数据 第2 9 卷第5 期 巩敏莹崔竹囡，靳英燕，等：西北地区中度以上颠簸的物理量场特征 一1 5 一 分析2 0 1 0 年的中度以上颠簸的航空器空中报告 的位置和时间均处于强散度梯度区域或强散度梯度 区域移动的路径之上，强散度梯度区域f I ；现于强辐散 与强辐合过渡区域。故航路上中度以上颠簸区的预报 应关注强散度梯度区域及其移动方向和移动过程中 的强度变化。在北部航线中度以上颠簸出现在高层， 强水平散度梯度多呈现东西向，而在河套中部中度以 L 颠簸主要出现在低层，其强水平散度梯度多为南北 走向，这可能与不同地理环境，不同层次天气系统的 运行路径有关。 2 2 中到严重颠簸区域中垂直速度场的特征 通过对2 0 1 0 年西北地区收集到的1 5 次中度以 上颠簸的航空器空中报告的N C E P I 。X I o 再分析资料 的标准等压面垂直速度场进行分析，发现有中到严重 颠簸航空器报告的区域，均有相邻的强上升气流区、 强下沉气流区，即水平垂直速度梯度大的区域，且航 线穿越零垂直速度线；或根据前后时次的垂直速度场 的比较，有强垂直速度梯度区域随着高空偏西气流输 送，与颠簸区发生重合。与散度场的分析一致，有时由 于航路不与最强垂直速度梯度区域重合，故中度以上 颠簸的航空器空中报告并未m 现在最强的垂直速度 梯度区域。由于1 5 个个例图表众多，故仅列举3 个不 同的个例进行说明。 2 0 1 0 年3 月1 7 日0 8 4 0 U T C 三原一宜君多个机 组报告27 0 0 45 0 0 m 遭遇中到严重颠簸现象，分析 当日0 6 U T C N C E P 7 0 0 h P a 资料发现在关中北部低层存 在较强的垂直速度场水平梯度大值区，咸阳机场起降 的飞机需要穿越此区域飞行，而至1 2 U T C 7 0 0 h P a 此区 域逐渐东移，关中北部的垂直速度场水平梯度逐渐减 弱。下午也未再收到航空器空中报告，如图4 所示。 2 0 1 0 年4 月2 6 日0 4 3 0U T C 机组报高洛川一三 原航线30 0 0 42 0 0 m 有中到严重颠簸，分析当日 N C E P 资料发现河套中部低层0 0 U T C 7 0 0 h P a 、5 0 0 h P a 还未形成强的垂直速度场水平梯度大值区，而到 1 2 U T C 中低层已有明显的垂直速度场水平梯度大值 区，咸阳机场的1 号走廊正穿越此区域。且在当日 0 5 0 5 U T C 和0 5 2 5 U T C 均收到机组的中度颠簸航空器 空中报告，该两份航空器空中报高也可作为垂直速度 场梯度增大可致航空器颠簸的佐证，如图5 所示。 又如2 0 1 0 年1 2 月2 71 30 3 2 0U T C 机组报高雅 布赖附近1 04 0 0m 中到严重颠簸现象，分析0 0 U T C N C E P 2 5 0 h P a 资料，可以发现在北部航线高空存在强的 的垂直速度场水平梯度大值区，而到0 6 U T C ，垂直速 度场水平梯度大值区东移并有所减弱，对比两张图 9 09 51 0 01 0 5 1 1 0 0 E ( a ) 0 6 U T C 7 0 0 h P a 垂直速度 一 9 0 9 51 0 0 1 0 3 1 1 0 。E ( b ) 1 2 U T C 7 0 0 h P a 垂直速度 图42 0 1 0 年3 月1 7 日7 0 0 h l P a 垂直速度圈 F i g 4o J o f 7 0 0 h P a o n M a r 1 7 2 0 1 0 可以发现雅布赖处于该水平梯度大值区东移的路径 之上，如图6 所示。 分析2 0 1 0 年的中度以上颠簸的航空器空中报告 的位置和时间均处于强垂直速度梯度区域或强垂直 速度梯度区域移动的路径之上，强垂直速度梯度区域 出现于强上升气流区与强下沉气流区过渡区域。故航 路上中度以上颠簸区的预报应关注强垂直速度梯度 区域及其移动方向和移动过程中的强度变化。 2 3 中到严重颠簸区域中涡度场的特征 通过对2 0 1 0 年西北地区收集到的1 5 次中度以 上颠簸的航空器空中报告的N C E P l o X I o 再分析资料 的标准等压面涡度场进行分析，发现高空报告有中到 严重颠簸航空器报告的区域，均有相邻的强正涡度 区、强负涡度区，即水平涡度梯度大的区域且航线穿 越零涡度线；或根据前后时次的垂直速度场的比较， 有强水平涡度梯度区域随着高空偏西气流输送，与颠 簸区发生重合。但在低层的颠簸区域涡度场的表现并 不明显，由于1 5 个个例图表众多，故仅列举2 个个例 进行说明。 2 0 1 0 年3 月1 9 日0 3 0 0 U T C 敦煌附近机组报高 1 00 0 0m 有严重颠簸，分析当日0 0 U T C 3 0 0 h P a ，正涡 度区偏北，涡度大梯度区位置也偏北，至0 6 U T C 正涡 万方数据 一1 6 一 中国民航大学学报 2 0 1 1 年1 0 月 9 0 9 51 0 01 0 51 1 0 0 E ( 1 ) o O t J T C 5 0 0 h P a 垂直速度 9 09 5 1 0 01 0 51 1 0 。E ( c ) 0 6 U T C 7 0 0 h P a 垂直速度 9 09 5 1 0 01 0 5j 1 0 。E ( d ) 0 6 U T C 5 0 0 h P a 垂直速度 图52 0 1 0 年4 月2 6 日垂直速度图 F i g 5 o f A p r 2 6 2 0 1 0 度区南压，其南部的涡度大梯度区也随之南压，影响 到河西走廊上空，与航空器报告的时间和位置相吻 合，如图7 所示。 9 09 51 0 0j 0 51 1 0 。E ( a ) 0 0 U I C 2 5 0 h P a 垂卣速度 9 09 51 0 01 0 5I I o o E ( b ) 0 6 U T C 2 5 0 - P a 垂卣谴度 国62 0 1 0 年1 2 月2 7 日2 5 0 h P a 垂直速度 F i g 6 山o f 2 5 0 h P ao nD e c 2 7 2 0 1 0 a ) 0 0 U T C 3 0 0 h P a 涡度 9 09 51 0 01 0 51 1 0 0 E ( b ) 0 6 U I C 3 0 0 h P a 涡度 图72 0 1 0 年3 月1 9 日3 0 0h P a 涡度图 F i g 7 V o r o f 3 0 0 h P aO l l M a r 1 9 ，2 0 1 0 2 0 1 0 年2 月2 8 口11 3 5 U T Cx I x A N O M B O N6 0 0 0 m 以上中到严重颠簸现象，分析当日1 2 U T C 4 0 0h P a 万方数据 第2 9 卷第5 期巩敏莹，崔竹圄，靳英燕，等：西北地区中度以上颠簸的物理量场特征 一1 7 一 涡度场可以看到在E 1 0 4 附近度为涡度梯度大值区 该航线正处于大值区区域，如图8 所示。 9 09 5 1 0 01 0 51 1 0 。E 图82 0 1 0 年2 月勰日1 2 U T C 4 0 0 h P n 涡度 F i g 8 V o ro f1 2 U T Co i l4 0 0h P ao RF e b 2 8 ，2 0 1 0 通过分析2 0 1 0 年的中度以上颠簸的物理量场， 可以发现中高空的中度以上颠簸区均与强涡度梯度 区域重合或在强涡度梯度的移动路径之上，但低空中 度以上颠簸区域，其涡度梯度表现并不明显，这可能 与低层的中到严重颠簸发生区域在河套地区，其西部 为青藏高原，地理位置特殊有关。故中高空中度以上 颠簸区的预报也应关注强涡度梯度区域及其移动方 向和移动过程中的强度变化。 3 结语 1 ) 通过以上对散度场、垂直速度场、涡度场的分 析可以看出，中度以上颠簸容易发生在散度梯度、垂 直速度梯度、涡度梯度大的区域，可据此分析数值预 报的散度场、垂直速度场、涡度场，或者输出散度剃度 场、垂直速度梯度场、涡度梯度场，结合散度场、垂直 速度场、涡度场进行分析，积累资料，得到预报阈值， 进行颠簸潜势的预报。 2 ) 由于大气运动的复杂性，天气系统水平运动和 垂直运动也各不相同，所形成的物理量场也具有不同 的表现，有的表现为散度梯度较强，有的表现为垂直 速度梯度较强或涡度梯度较强。能造成较强烈颠簸的 中高层天气系统，在散度场、垂直速度场和涡度场均 表现较强，范围较广，其与周围系统间形成的物理量 场梯度也较大。低层系统造成的中度以上颠簸，散度 场、垂直速度场上均有明显的大梯度区存在，但在涡 度场上表现并不明显，一方面低层风速较高层风速小， 另一方面可能与西北地区低层中度以上颠簸主要发 生在河套区域，该区域位于青藏高原的东部，地理位 置非常特殊，具有较强旋转性质的天气系统较少有关。 3 ) 由于民航气象中心的航空器空中报告搜集及 信息传递制度施行时间较短，本文所搜集的资料仅为 2 0 1 0 年航空器空中报告，并不具备长时间的代表性， 故未能给出具体的预报阈值。并且N C E P 再分析资料 仅有o o 、0 6 、1 2 、1 8