本文利用机场AWOS资料、激光测风雷达资料及新疆区域航空器空中报告对2020~2023年新疆空域内航路危险天气事件进行统计，并对风切变进行着重分析，结果表明：1) 风切变是对航路影响最大的危险天气。2) 机场东南大风时风切变强度较强，持续时间长，出现风切变的频数较大。跑道两端风速差越大，风向差越大，水平风切变越强。3) 可利用三条跑道AWOS可实现对机场平面的风切变进行监测和告警，结合激光测风雷达产品，构建时间连续性强、时空分辨率高的机场低空三维风切变监视模型，提供有效的风切变告警产品，对保障机场低空飞行安全来说是有价值的。 In this paper, using AWOS data, laser wind radar data and Xinjiang regional aircraft air report to make statistics on hazardous weather events in Xinjiang airspace during 2020~2023, and focuses on wind shear analysis. The results show that: 1) Wind shear is the hazardous weather with the greatest impact on flight paths. 2) Wind shear is stronger and lasts longer when the airport is windy from the southeast, and the frequency of wind shear is higher. The greater the difference in wind speed between the two ends of the runway, the greater the difference in wind direction, the strong-er the horizontal wind shear. 3) The three runway AWOS can be used to monitor and warn the wind shear in the airport plane, and combined with the laser wind radar products, to construct a three-dimensional wind shear monitoring model with strong time continuity and high spatial and temporal resolution in the low altitude of the airport, and to provide effective wind shear warning products, which is valuable to ensure the safety of low altitude flights in airports.
本文利用机场AWOS资料、激光测风雷达资料及新疆区域航空器空中报告对2020~2023年新疆空域内航路危险天气事件进行统计，并对风切变进行着重分析，结果表明：1) 风切变是对航路影响最大的危险天气。2) 机场东南大风时风切变强度较强，持续时间长，出现风切变的频数较大。跑道两端风速差越大，风向差越大，水平风切变越强。3) 可利用三条跑道AWOS可实现对机场平面的风切变进行监测和告警，结合激光测风雷达产品，构建时间连续性强、时空分辨率高的机场低空三维风切变监视模型，提供有效的风切变告警产品，对保障机场低空飞行安全来说是有价值的。
危险天气，风切变，三维风场，监测系统，告警系统
Xu Ding, Yangquan Chen, Jianjun Hu
Meteorological Center, Xinjiang Air Traffic Management Bureau, Civil Aviation Administration of China, Urumqi Xinjiang
Received: Dec. 10th, 2023; accepted: Jan. 8th, 2024; published: Jan. 16th, 2024
In this paper, using AWOS data, laser wind radar data and Xinjiang regional aircraft air report to make statistics on hazardous weather events in Xinjiang airspace during 2020~2023, and focuses on wind shear analysis. The results show that: 1) Wind shear is the hazardous weather with the greatest impact on flight paths. 2) Wind shear is stronger and lasts longer when the airport is windy from the southeast, and the frequency of wind shear is higher. The greater the difference in wind speed between the two ends of the runway, the greater the difference in wind direction, the stronger the horizontal wind shear. 3) The three runway AWOS can be used to monitor and warn the wind shear in the airport plane, and combined with the laser wind radar products, to construct a three-dimensional wind shear monitoring model with strong time continuity and high spatial and temporal resolution in the low altitude of the airport, and to provide effective wind shear warning products, which is valuable to ensure the safety of low altitude flights in airports.
Keywords:Hazardous Weather, Wind Shear, Three-Dimensional Wind Field, Monitoring System, Warning System
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随着经济快速发展，人民群众对航空运输业的需求日益增长。我国航空运输业也迎来了新的发展与挑战。近年来，因晴空颠簸、大风、风切变、积冰等天气原因造成的航空不正常事件逐年增多，甚至造成多名旅客及机组人员受伤。危险天气严重威胁着航空飞行的安全 [
为此民航气象工作者针对航空危险天气做了大量研究。颜玉倩等 [
在对航路危险复杂天气分析的基础上，本文利用机场自动气象观测系统资料、激光测风雷达资料、新疆区域航空器空中报告对2020年1月28日~2023年4月27日区域内的航路危险天气事件进行统计，针对其中的风切变进行分类分析，了解其时空变化规律、结构特征、成因及影响。为今后不同天气条件下的风切变预报提供一定的参考，以期进一步提高风切变预报预警能力，最大限度的减少天气对航空运行安全与效率造成的危害。
文中使用的资料主要包括：
1) 新疆区域航空器空中报告，其中包括航路危险天气种类、时间、高度、强度、成因等资料；
2) 乌鲁木齐机场的自动观测数据；
3) 激光测风雷达资料。
陈阳权等 [
据统计，影响航路的主要天气类型为颠簸，其次为积冰、风切变、8.4海里颠簸。造成航路危险天气的成因主要为急流(935份)，其次为8.4海里颠簸、风场变化大、不明原因(370份)及高空槽(341份)。受东南风层和对流云影响分别为195及119份；受低涡、冷锋、切变线、山地波及地形影响较少，共计68份。
风切变对飞行影响最大，造成了72%的航空器复飞、备降或返航；其次为其它，包括风速风向变化大、风场不连续、气流紊乱等，占比21%，这种情况虽然没有直接报告风切变，但对航空运行来说其影响与风切变的影响同样重要；可见风切变与航空器正常运行有着密不可分的关系。
针对风切变造成的影响和其成因进行深入分析，近三年风切变导致24%的航班复飞，3%的航班备降及2%的航班返航，另有71%的航班在起飞、着陆及航路飞行时因风切变产生了其它影响。出现风切变的原因主要包括对流云(17份)、东南风层(12份)、高空槽(12份)等，其中对流云、东南风层及急流占比较大，低涡及切变线数量较少。
作为严重威胁飞行安全的天气，风切变与航空飞行活动的安全和正常密不可分。本文统计了乌鲁木齐机场及终端区内航空器起降及飞行过程中的32份风切变报告。结果表明：导致风切变的主要原因为东南大风，底高主要在1000米以下，强度为轻度；其次为风向风速变化不连续，在各高度层均有可能出现；由对流云引起的风切变主要在航空器起降过程中发生，强度未知，高度较低，对飞行安全危害较大；因切变线造成的风切变数量较少，仅2份，但影响高度低，一般在跑道入口或跑道末端。
如图1所示，2022年4月30日02:00乌鲁木齐机场出现东南大风天气，16:00后机场风速明显增大，平均风≥12 m/s，阵风≥17 m/s。14:30后，东南风再次加大，平均风速维持在12 m/s以上，阵风风速最大达到24 m/s，持续至2日08:00后平均风降至10 m/s以下。整个东南大风过程持续55个小时，东南大风期间，R07号跑道风速大于R25号跑道风速。
此次东南大风天气强度较强，持续时间久，对航空运行产生了较大影响。4月30日~5月2日机场运行保障共358架次，因天气原因出港延误49架次，延误超两小时航班18架次，备降29架次。
图2为乌鲁木齐机场R07及R25号跑道风场时间变化序列图，如图所示，东南大风期间，跑道两端风向差整体小于30˚，30日00:00~06:00、20:00~2日05:00期间，跑道两端风速差≥5 m/s，30日05:00前后，30日20:00~1日07:00水平风切变超过7.7 m/s的警戒标准。可见此次东南大风在跑道上分布不均匀，风向变化小，风速差较大，多时间段出现水平风切变超标准情况。
图1. 乌鲁木齐机场4月30日00时~5月1日12时R07及R25号跑道风向风速变化时间序列图。(蓝色实线为R25号跑道风向风速，橘色虚线为R25号跑道风向风速，黑色虚线代表风速为12 m/s)
图2. 2022年4月30日00:00~5月1日12:00乌鲁木齐机场R07及R25号跑道风速差(m/s)、风向差(˚)及跑道水平风切变(m/s)时间变化序列图(黑色虚线代表风切变为7.7 m/s)
为了定量研究跑道两端风向差及风速差大小对风切变值的影响，本研究将东南大风天气过程期间跑道两端的风向、风速差进行分级研究。
从图3(a)可以看出，风向差大于90˚时，尤其是风速差大于2 m/s时，易出现风切变超标。在同一风速差的情况下，跑道两端风向差越大，风切变越强。
图3. 2022年4月30日00:00~5月1日12:00乌鲁木齐机场跑道07-25方向风速差、风向差及风切变值的散点图。(a) 风速；(b) 风向
除了分析跑道两端的水平风切变特征外，利用FC-III型激光测风雷达资料可对乌鲁木齐机场上空低层风场的三维结构特征进行分析。
选取东南大风天气过程中具有代表性的时次的风场结构进行分析，获得航空器在起降过程中迎头风及侧风风场结构特征。图4是乌鲁木齐机场激光雷达R07及R25号跑道的侧风和迎头风廓线，由图4(a)可知R07跑道方向迎头风风速变化不均匀，成波动变化，迎头风向变化不一致，呈顺–逆–顺变化。R07号跑道侧风变化不均匀，0~1000米范围内跑道上为右侧风，风速呈上升趋势，最大侧风风速达27 m/s；1000~2800米侧风风速逐渐减小至3 m/s (图4(b))。R25号跑道整体为小于9 m/s的顺风(图4(c))。侧风风速分布不均匀，有明显风速波动，最大侧风值达30 m/s (图4(d))，航空器难以保持稳定姿态。综上可知，跑道上迎头风及侧风方向突然转变，侧风风速变化剧烈时，均易产生低空风切变，危害航空器飞行安全。
图5是乌鲁木齐机场激光雷达数据计算的500米高度以下水平风的垂直切变，所使用的标准为国际民航组织发布的风切变强度标准。由图可见，东南大风期间机场上空500米高度以下出现较为明显的风切变，在200米以下，出现了持续时间较长的中度到强烈的风切变。尤其在1日18:00~2日00:00期间200~400米高度层风切变显著加强，200米高度以下风切变强度达到严重级别。在此类大范围长时间的强侧风以及低空有持续且强烈的风切变条件下，航空器在进近、起降过程中受不稳定气流的影响，会出现偏离跑道、难以保持飞行姿态、着陆困难等安全威胁。
图4. 乌鲁木齐机场激光雷达R07及R25号跑道的侧风和迎头风廓线。2022年5月1日14:48。(a) R07号跑道迎头风；(b) R07号跑道侧风；(c) R25号跑道迎头风；(d) R25号跑道侧风
图5. 机场上空水平风的垂直切变廓线(计算时以27 m为高度间隔，单位：1/s)
目前乌鲁木齐机场气象部门通过计算跑道两端风向风速及风切变的变化情况，对单条跑道水平风切变进行监测和告警，提高了对跑道上风切变告监测和告警能力。随着机场改扩建工程的推进，乌鲁木齐机场将同时运行三条跑道，这对更大范围风场变化的预报提出了新的要求和挑战。
面对这一问题，一方面可以通过对三条跑道六端风场数据进行计算得到单条跑道两端、不同跑道之间风切变，对跑道面上的水平风切变进行监视和告警。另一方面可以利用激光测风雷达产品对本场及上空风场进行二次计算，得到时间及空间上连续的迎头风、侧风及风切变等资料。结合跑道面上的风场及风切变数据，构建时间连续性强、时空分辨率高的低空三维风场及风切变监测和告警模型，实时对机场跑道及其下滑道的风切变进行监视，当出现风切变、强侧风、强顺风、风场不均匀等情况及时向气象、管制人员发出告警，有助于气象人员及时发布风切变预警，也有利于管制人员在风切变发生时及时采取措施，最大限度保障航空器飞行安全。
1) 影响飞行的航路危险天气主要有颠簸、晴空颠簸、积冰、风切变、雷暴等，其中风切变对飞行的影响最大，且在东南大风、风场变化不连续及对流天气下最易产生风切变。
2) 东南大风时风切变强度较强，持续时间较长，出现风切变的频数较大。跑道两端风速差越大，风向差越大，水平风切变越强。
3) 目前气象部门已经基于现有单条跑道AWOS数据进行跑道水平风切变的监测和告警，随着二、三跑道建设，利用三条跑道AWOS可实现对机场平面的风切变进行监测和告警，结合激光测风雷达产品，构建高时空分辨率的机场低空三维风切变监视模型，提供有效的风切变告警产品，对保障机场低空飞行安全来说是有价值的。
乌鲁木齐东南大风天气的航空气象预报与服务研究。
丁 旭,陈阳权,胡建军. 乌鲁木齐机场风切变特征分析及对新跑道建成后风切变告警系统的思考Analysis of Wind Shear Characteristics at Urumqi Airport and Consideration of Wind Shear Warning System after the Completion of New Runway[J]. 气候变化研究快报, 2024, 13(01): 83-89. https://doi.org/10.12677/CCRL.2024.131010
https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00035
https://doi.org/10.12677/gser.2022.115049