1. 引言
航空气象上将低空风切变定义为发生在离地高度600米以下，风向和(或)风速变化的现象，它对飞机的起飞和着陆有很大的影响，可以改变飞机航迹，影响飞机稳定性和操作性，严重时甚至可能引发飞行事故 [1]。过去已有不少学者对风切变的特征有过研究，黄奕铭等 [2] 研究广州新白云机场风传感器的探测数据表明，白云机场低空风切变具有月变化和日变化特征，指出风切变日变化与对流的日变化有关；党冰等 [3] 分析了中川机场低空风切变发生的时间分布特征，发现兰州中川机场的低空风切变主要出现在每年的春末夏初，大多发生在午后和傍晚；王海霞等 [4] 对银川河东机场低空风切变的气候特征及发生风切变的大气环流形势进行了统计分析，指出该机场低空风切变易发生在春季。对于贵阳机场，沈宏彬等 [5] 统计分析了西南地区低空风切变事件，指出云贵准静止锋是贵阳机场的主要影响系统；刘开宇等 [6] [7] 对2007年至2011年发生在贵阳机场低空风切变的气候特征和冷锋型低空风切变案例进行了综合分析，表明贵阳机场低空风切变主要发生在冬末和春季，切变线和冷锋在低空风切变中起主导作用。尽管过去已有大量学者 [8] [9] [10] 对风切变的特征进行过研究，但低空风切变会受多尺度天气系统的影响，具有时空尺度小、强度大、发生和消失突然等特点 [11]，所以各个机场低空风切变的时空特征也不尽相同，且现今对贵阳机场的低空风切变并没有明确的分类标准。
本文将利用2014~2020年贵阳机场收到的航空器语音报告中的低空风切变事件，对低空风切变进行分型，并统计分析贵阳机场风切变的气候特征，探讨各类型风切变的时空分布特点，以期为贵阳机场风切变的归类提供依据，并对各个类型风切变的特征认识和预报预警提供一定的参考。
2. 资料和方法
2.1. 资料
本文所选用的资料包括：1) 2014~2020年贵阳机场接收到的话音方式航空器空中报告的低空风切变事件，包括风切变发生的时间、位置、高度、强度；2) 2014~2020年贵阳机场地面观测薄每日例行和特殊观测报告；3) 2014~2020年贵阳机场R19 (跑道北端)及R01 (跑道南端)每日逐分的风向和风速资料；4) ECMWF提供的ERA-Interim再分析数据。
本文所涉及的时间均为北京时。
2.2. 方法
以2014~2020年贵阳机场接收到的话音方式航空器空中报告的低空风切变事件为依据，统计其月、季、年特征；再逐个分析引起低空风切变事件的主要天气系统，对贵阳机场的风切变事件类型进行分类，最后对各个类型风切变的特征进行分析。
根据风场的不同空间结构，风切变分为水平风的垂直切变、水平风的水平切变和垂直风切变3种，西南地区低空风切变产生的主要原因有：低空急流、热低压、锋面、高空槽、积雨云发展或雷暴云团触发的阵风锋和下沉气流，以及乱流、航空器穿越逆温层等产生的风切变 [5]。贵州位于青藏高原东南侧、云贵高原的东斜坡上，贵阳机场是西南地区天气状况较为复杂机场之一，虽然低空风切变发生时往往同时存在多个天气系统的配合，但均存在直接触发而引起风场上改变的系统，以引起低空风切变的主要天气系统为依据，可以将贵阳机场的风切变事件按照以下方法分型：1) 冷锋型：贵阳站点有明显的冷锋过境；2) 准静止锋型：在云贵地区云贵准静止锋已存在至少2天，此时即便中低层存在低空急流，也判定为准静止锋型；3) 低空急流型：贵阳上空850 hPa和700 hPa存在急流(风速 ≥ 12 m/s)，近地面为热低压或高压后部控制，不伴有局地对流天气；4) 局地对流型：受贵阳机场或机场附近的局地生成的对流产生的风切变，通常包括低空急流左侧和副热带高压外围生成的局地对流。
Table 1. Statistics of different types of windshear in Guiyang Airport from 2014 to 2020
表1. 2014~2020年贵阳机场风切变事件各类型统计
通过以上方法将贵阳机场低空风切变事件归类的结果如表1所示，七年间贵阳机场共计发生低空风切变63次，其中冷锋型出现次数最多，占比46%；其次为准静止锋型，占比21%；低空急流型和局地对流型出现次数相对较少。
3. 贵阳机场低空风切变特征分析
3.1. 气候特征
图1给出了2014~2020年贵阳机场风切变事件逐年的分布情况，可以看到，贵阳机场风切变出现的次数呈现出波动增加的趋势，平均每年出现9次。2014~2017年出现次数相对较少，平均每年出现5次，2018~2020年风切变出现次数增多，平均每年出现14次；最大值出现在2018年，为19次，占总数的30%，与其他年份发生的风切变事件相比异常偏高，若去除极大值，贵阳机场平均每年发生7次的风切变事件。
Figure 1. The annual distribution of windshear events in Guiyang Airport from 2014 to 2020
图1. 2014~2020年贵阳机场风切变事件逐年分布
从各个季节来看(图2)，春季(3月~5月)和冬季(12月~次年2月)是风切变发生的高频季节，并且四种类型的风切变均有出现，其中春季共计出现24次，平均每年春季出现3.4次，其中冷锋型和低空急流型出现次数相对较多，分别出现10次和8次，而局地对流型出现次数最少，仅有1次；七年间冬季出现风切变共22次，平均每年出现3.1次，主要以冷锋型(12次)和准静止锋型(8次)为主。夏季(6月~8月)和秋季(9月~11月)风切变出现的次数相对较少，尤其是秋季仅出现4次，且均为冷锋型；而夏季共计出现13次风切变事件，且主要以局地对流型为主，低空急流型在夏季出现的概率较低，而静止锋型在夏季几乎不可能出现。
Figure 2. Frequency distribution of seasonal windshear events at Guiyang Airport from 2014 to 2020
图2. 2014~2020年贵阳机场各季节风切变事件频次分布
从风切变事件逐月的频次分布来看(图3)，贵阳机场低空风切变在12个月中均可出现，并且在3月和8月出现明显的峰值，总体分布上呈现出先增加后减少，再增加后减少的趋势。2月、3月、8月是低空风切变发生的高频月份，分别平均每年出现1.6次、2.0次、1.3次，其中2月主要出现冷锋型风切变，占比73%；3月风切变的类型比较多样，除了局地对流型仅占比7%以外，其余三种类型的占比比较均匀，冷锋型和静止锋型均占比36%，静止锋型占比21%；8月出现的风切变类型比较单一，均为局地对流型。6月、9月、10月、11月出现风切变的概率较小，平均每年出现的次数在0.1~0.3次之间，七年间这4个月发生风切变的总数也仅有5次。
Figure 3. Monthly frequency changes of windshear events in Guiyang Airport from 2014 to 2020
图3. 2014~2020年贵阳机场风切变事件逐月频次变化
3.2. 各类型特征
对于不同的类型的低空风切变，在风切变发生高度、发生时间、发生的风场情况以及伴随的天气现象均有各自的特征。
航空器离地面越近，留给机组的可操作性时间越少，因此高度越低的风切变对航空器的影响越大。图4为各类型风切变在各高度上的频次分布，可以看到，对于冷锋型风切变，出现在150~300米高度上的几率较大，占总数的46.4%；准静止锋型主要发生在250~400米的高度以及600米以上的高度上，在50米以下的几乎不会出现；低空急流型在50米以下、150~250米以及600米以上高度上的频次分布差别不大，但低空急流型是四种类型中最有可能发生在50米以下的风切变类型；局地对流型主要发生150~400米的高度上，400米以上的情况很少发生。总的来看，贵阳机场的低空风切变主要出现在150~400米，冷锋型和局地对流型集中在主要高度上，各自占比64.3%和81.8%；而低空急流型出现的高度相对较低，出现在50米以下的几率占比20%；静止锋型出现的高度相对较高，83.3%的风切发生在250米以上的高度。
Figure 4. Frequency distribution of windshear events at Guiyang Airport from 2014 to 2020
图4. 2014~2020年贵阳机场风切变事件发生高度的频次分布
贵阳机场24:00~次日07:00的航班较少甚至处于关闭机场的状态，七年来出现在此时间段的风切变仅有1次，因此本文主要统计07:00~24:00发生的风切变的时间特征。从风切变出现的时间上看(图5)，冷锋型风切变主要出现在16:00~20:00，占比64.5%，13:00以前和20:00以后出现的几率较小，这也说明贵阳机场冷锋过境的时间大多为傍晚至夜间；准静止锋型风切变出现在12:00~14:00和16:00~18:00的几率较大，分别占比30.8%和38.5%，19:00以后几乎不可能出现；低空急流型风切变主要发生在10:00~11:00、13:00~14:00、16:00~17:00；局地对流型风切变很可能出现11:00~12:00，但午后(14:00~19:00)发生的可能性更高，概率高达70%，而11:00以前和19:00以后出现的概率极小。因此，总的来说贵阳机场74.6%的风切变发生在午后到傍晚(13:00~20:00)，其中又更集中在16:00~19:00。
图6为贵阳机场63次风切变发生时的风向和风速分布，对于冷锋型，风切变发生时70%的风向为偏北风，21%为西南风，极少数为东南风，而一半以上的情况风速在6 m/s及以上，说明冷锋型风切变大多发生在冷锋过境，冷空气入侵，贵阳机场完全转为北风以后，并且近地面北风风速较大；对于准静止锋型，风切变发生时92%的风向为偏北风，并且东北风的情况最多，69%的风速在4 m/s及以下；低空急流型风切变发生时风向全部为南风，并且90%的风速在7 m/s及以上，甚至达到12 m/s；局地对流型风切变发生时风向和风速均没有明显规律，这与风切变发生时局地对流的位置、强度以及移动方向不一有关。
Figure 5. Diurnal variation distribution of windshear in Guiyang Airport from 2014 to 2020
图5. 2014~2020年贵阳机场各类型风切变的日变化分布
Figure 6. Distribution of wind direction and wind speed of different types of wind shear at Guiyang Airport from 2014 to 2020
图6. 2014~2020年贵阳机场各类型风切变发生时的风向、风速分布
表2能够更加直观地反映风切变发生前后贵阳机场地面盛行的风场情况及伴随的天气现象，冷锋型风切变最明显的特征是发生前后风向有一个由南向北的转换，而45%的情况下还伴随雷或中等强度及以上的降水天气；准静止锋型低空风切变发生前后绝大多数为偏北风，很少存在风向的转换(除地面锋线刚好在贵阳机场附近摆动的情况)，并且几乎不会伴随强烈的天气现象；低空急流型风切变发生前后均为一致的偏南风，并且12次风切变中有6次伴随8 m/s及以上的大风，3次11 m/s及以上的阵风；局地对流型风切变发生前后为南风、北风以及风向不定的情况均有出现，虽然并非每次都伴随强烈的天气现象，但5次未伴随强烈天气的风切变中有2次风向不定和2次风向变化超过150˚，说明当时近地面大气存在明显乱流。
Table 2. Overview of wind field and weather phenomena during low altitude wind shear events in Guiyang Airport from 2014 to 2020
表2. 2014~2020年贵阳机场低空风切变事件发生时风场及天气现象概况
3.3. 各类型典型个例
冷锋过境时往往伴随明显的风向转变，因此极易出现低空风切变。2021年3月19日18:49，某航班在贵阳机场跑道上空20~30米遭遇低空风切变。从贵阳机场风场的变化得知(图7(a))，18:29前贵阳机场以150˚~200˚的偏南风为主，并且风速较大(6~9 m/s)；18:29跑道北头转为偏北风，紧接着18:44跑道南头转为北风，整条跑道仅在15分钟内便全部由南风转为北风，并且北风的风速也在6~9 m/s。航空器报告风切变的时间在18:49，即整条跑道风向完全转为北风不久以后。
对于低空急流型切变，2018年3月3日18:03，一架航空器在起飞阶段260米处遭遇风切变。17:00~19:00贵阳机场跑道南头和北头均为一致的南风(图7(b))，且大部分时次风速在8 m/s及以上，当风切变出现时，跑道两端的风速差达6 m/s，此时尽管风向一致，飞机也易遭遇顺风切变。
对于局地对流型风切变，贵阳机场七年间发生的10次局地对流型风切变中，有9次出现在8月份。2018年8月21日11:45一架航空器在使用跑道南头起飞时的60米高度处遭遇风切变。受机场附近的局地对流云团影响，11:40~11:55跑道两头的风速急剧增加(图7(c))，最大瞬时风速增加到12 m/s，且跑道南北头的风向刚好相反，风向上出现明显切变。
(a) 2021年3月19日17:00~20:00 
(b) 2018年3月3日17:00~19:00 
(c) 2018年8月21日11:00~13:00
(d) 2018年12月9日12:00~14:00
Figure 7. Guiyang Airport wind direction (broken line), wind speed (columnar) change
图7. 贵阳机场逐分风向(折线)、风速(柱状)变化
贵阳在冬春季常受云贵静止锋影响，2018年12月9日12:53，一架航空器在起飞阶段861米处遭遇风切变。从近地面的风场来看(图7(d))，风切变出现前后贵阳机场整条跑道为一致的偏北风，尽管存在东北风和西北风的晃动，但在风切变出现的前后各10分钟内，跑道南头和北头的风向差多数在1˚~20˚，最大的风向差也只有37˚，不存在明显的风向转变。从风速上看，风切变出现期间两小时内，风速在1~4米/秒，并且跑道南北头的风速差95%在1米/秒及以下，因此也不存在明显的风速切变。考虑此次风切变发生的高度在800米左右，因此可分析近地面至中层的天气系统及风场情况，以探求其发生原因。
从图8中可以看到，850hPa相当位温θe密集区位于云贵交界处(图8(a))，呈准南北向，冷暖气团相互对峙，贵州省大部区域位于锋区右侧，贵阳距离锋区主体约2～3个经度，受锋区后东北回流冷空气控制；700 hPa θe等值线梯度明显减弱且转为准东西向(图8(b))，说明静止锋锋生区向上发展较弱，此时西南地区大部及东南地区受西南气流影响，在贵州湖南一带存在一条准东西向的西南低空急流，急流核位于贵州中南部及东南部，急流强度达17 m∙s−1，贵阳位于低空急流入口处的极大风速区内。由下至上来看，贵阳在近地面受静止锋锋后风速较的小偏北风影响，在高度差约为2000 m处转为受强西南风控制，说明在约2000 m的高度差内风速与风向均发生了急剧的变化。
(a) 850 hPa 
(b) 700 hPa
Figure 8. 8 o’clock, December 9, 2018 equivalent temperature (isoline, unit: K), horizontal wind field (wind vector, unit: m∙s−1) and low-level jet (shadow, unit: m∙s−1)
图8. 2018年12月9日08时相当位温(等值线，单位：K)、水平风场(风矢量，单位：m∙s−1)以及低空急流(阴影，单位：m∙s−1)
4. 结论
通过对2014~2020年贵阳机场出现的低空风切变进行分型、统计分析可得出以下结论：
1) 贵阳机场风切变类型可以分为冷锋型、静止锋型、低空急流型和局地对流型四大类型；
2) 出现的次数呈现出波动增加的趋势，冬春季节是贵阳机场低空风切变出现的高频季节，秋季出现风切变的概率较低；
3) 冷锋型和静止锋型主要出现在冬春季，低空急流型在春季易出现，局地对流型易发生在夏季；
4) 冷锋型和局地对流型主要出现在150~400米，低空急流型常出现在250米以下，静止锋型集中在250~400米以及600米以上的高度上；
5) 贵阳机场绝大多数风切变发生在午后到傍晚，16:00~19:00出现的概率较大；
6) 冷锋型风切变大多发生在近地面完全转为北风以后，且北风风速较大；低空急流型风切变发生时近地面为大南风，风速的阵性特征明显；局地对流型风切变是由于局地对流的影响导致地面风向出现较大变化产生；准静止锋型风切变出现时地面为弱的东北风，由于中低层风场的急剧变化导致。