1. 引言
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[1]。Fujita [2]等研究表明：在造成严重的飞行事故中，很大一部分是由于飞机在起飞或降落阶段遇到强烈的低空风切变，风切变常常与雷暴的局地强下沉气流或者下击暴流相联系。目前对下击暴流造成的低空风切变研究多集中在雷暴的“钩状回波”周围[3]、“弓状回波”前侧[1]及阵风锋[4]等，而对雷暴后侧下击暴流造成的低空风切变研究较少。近年来，随着我国航班量迅速增长，航班遭遇风切变的事件呈上升趋势，各地机场对风切变探测技术的研究也越发重视，王楠、李肖雅、吴丹、刘峰、郭智亮等分别从低空风切变个例、统计分析和天气形势等方面进行研究，为风切变的预报预警提供参考[5]-[9]。因国内机场安装风廓线雷达较少，利用风廓线雷达资料探索机场风切变预警指标等方面的研究较少[10]。
2024年7月19日19:06~19:30，杭州萧山机场在其周围30 km范围内无对流风暴的情况下，因30 km外下游嘉兴地区对流风暴后侧下击暴流的下沉辐散气流造成2架航班在落地过程中因顺风风切变复飞的情况，本文将以此过程为研究对象，利用自动观测资料、多普勒雷达及风廓线雷达资料分析此次低空风切变的成因以及探讨预报低空风切变的可能性。
2. 资料与分析方法
杭州萧山机场的两条跑道上各有一套自动观测系统(AWOS)，每套系统中含有3台测风仪等仪器，测风点分布见图1。本场目前有一套基于两条跑道自动观测系统数据的风切变告警系统，仅局限于两条跑道上，无法探测机场周边的风切变过程。本次风切变过程此系统没有提示有风切变，且预报人员对低空风切变的预报经验相对较少，因此，通过了解低空风切变成因，分析常规探测资料掌握低空风切变出现时的天气形势条件，利用多普勒天气雷达资料了解产生低空风切变天气系统的雷达回波特征，利用风廓线雷达资料了解近地面层风场的演变，并结合地面观测资料估算低空风切变出现的时间和位置是目前提高低空风切变预报水平较为有效的方法。
Figure 1. Distribution of automatic observation stations at Hangzhou Xiaoshan Airport
图1. 杭州萧山机场自动观测站分布
本文采用2024年7月19日地面和高空探测资料分析此次天气过程的天气尺度背景形势。利用萧山机场AWOS资料和浙江省自动气象站数据、多普勒天气雷达资料、风廓线雷达资料，分析低空风切变的生成和移动过程。
3. 天气背景概况
3.1. 背景天气形势
从2024年7月19日地面和高空的常规探测资料分析，500 hPa副热带高压588线位于苏皖中部，本场位于592线北侧的西南气流中，高原东侧有短波槽东移，副高受其影响略有东撤；700 hPa和850 hPa受副高西侧的西南气流控制；地面下午到傍晚在浙北有明显的辐合线；杭州08时T-logP图上，CAPE值为2261.2 J∙kg−1，K指数为36.3，SI指数为−2.67，抬升指数为−6，850 hPa与500 hPa温差为27℃，20时850 hPa与500 hPa温差增加到29℃；在这种天气形势配合下有利于浙北局部强对流天气产生。
3.2. 机场天气概况
杭州萧山机场7月19日，白天最高温度39℃，相对湿度50%左右。17:00之前本场周围30公里范围内，仅有较弱对流回波，对本场无影响，17:00之后本场东北30公里嘉兴地区有对流单体发展，此对流单体朝东偏北方向移动，逐渐远离本场，值班预报员未考虑其影响。19:06开始，本场各跑道风由偏西风1~4 m/s突变为东北偏东风4~6 m/s，风向几乎180˚逆转，风速加大，之后偏东风持续到20:30，在19:06~19:30之间有2架航班在落地过程中因顺风风切变复飞，管制部门特更换一条跑道头用于落地。20:30之后本场各跑道风向逐渐由偏东风2~6 m/s顺时针转向偏南风1~3 m/s。在19:06~20:30之间，本场能见度为10 km，仅观测到1~2个量浓积云或积雨云。
4. 自动站数据分析
4.1. 机场AWOS资料分析
杭州萧山机场7月19日，白天最高温度39℃，相对湿度50%左右。17:00之前本场周围30公里范围内，仅有较弱对流回波，对本场无影响，17:00之后本场东北30公里嘉兴地区有对流单体发展，此对流单体朝东偏北方向移动，逐渐远离本场，值班预报员未考虑其影响。19:06开始，本场各跑道风由偏西风1~4 m/s突变为东北偏东风4~6 m/s，风向几乎180˚逆转，风速加大，之后偏东风持续到20:30，在19:06~19:30之间有2架航班在落地过程中因顺风风切变复飞，管制部门特更换一条跑道头用于落地20:30之后本场各跑道风向逐渐由偏东风2~6 m/s顺时针转向偏南风1~3 m/s。在19:06~20:30之间，本场能见度为10 km，仅观测到1~2个量浓积云或积雨云。
从图2来看，在17:00~18:40之间，本场各跑道头的风速为2~6 m/s，风向为200˚~250˚，18:40~19:05风速均降到1~3 m/s，风向顺转到250˚~280˚，19:05~19:24各跑道风向风速发生突变，风速增大到4~6 m/s，风向转到50˚~70˚，风向几乎是突转180˚，各跑道风发生突变的前后顺序为：24号，25号，北跑道中，南跑道中，06号，07号。可以看出风的突变是从东北方向逐渐往西南方向推进。19:24~20:35各跑道头的风速为3~6 m/s，风向从50˚缓慢顺转到120˚，20:35之后各跑道头的风速降到0~3 m/s，风向从120˚缓慢顺转到180˚。
根据美国机场低空风切变警报系统的水平风切变强度标准，水平风切变计算公式如下：
(1)
公式(1)中，U1、U2分别为跑道两端的风速，θ为跑道两端的风向差，当水平风切变数值β ≥ 7.7 m/s，认为跑道水平风切变值超过安全阈值，可能会对飞行造成伤害；当β < 7.7 m/s，认为跑道水平风切变值在安全阈值之内。通过计算19:05~19:24两条跑道的水平风切变值β均小于7.7 m/s，这也是本场风切变告警系统没有报告出现风切变的原因。但是在此期间，风向突转180˚，风速最大值6.2 m/s，飞机从逆风起降，突变为顺风起降，其着陆或者起飞顺风分量风速已经大于3.5 m/s，远超《民用航空空中交通管理规则》第二百八十四条“在着陆跑道接地带或者在起飞跑道离地端安装有风速仪，其着陆或者起飞顺风分量风速可以大于2.5 m/s，但不得大于3.5 m/s”的要求，易发生顺风风切变，管制部门此时更换一条跑道头以适应风的变化。
杭州萧山机场7月19日最高温度39℃，17:00~17:50各跑道头温度仍维持在38℃~39℃(如图3所示)，17:50~19:05各跑道头温度逐渐下降到36℃左右，之后19:05~19:34各跑道头温度从36℃迅速下降到33℃左右，30分钟内温度下降3℃，19:34~20:50各跑道头温度维持在32℃~33℃，20:50之后各跑道头温度逐渐上升到34℃~35℃。
从机场AWOS温度演变图看，7月19日杭州萧山机场17:00~22:00期间温度呈非对称“V”型变化，温度快速下降，而回升缓慢且幅度较小，这种变化不同于常规温度缓慢下降的日变化特征。温度下降较快，表明这期间本场突然受冷性气团影响，而回升缓慢表明冷性气团影响时间相对较长。
从7月19日杭州萧山机场17:00~22:00的风向、风速及温度变化来看，在这期间本场受一股冷性偏东气流的影响，风向突转180˚，风速先减小再突然增大，温度半小时突降3℃，其受影响时间约两个小时，之后又恢复到环境风场和环境温度场。
Figure 2. Evolution chart of wind direction and speed at Hangzhou Xiaoshan Airport from 17:00 to 21:00 on July 19, 2024 (a) Wind speed evolution chart; (b) Wind direction evolution chart
图2. 2024年7月19日杭州萧山机场17:00~21:00机场AWOS风向风速演变图。(a) 风速演变图；(b) 风向演变图
Figure 3. Temperature evolution chart at Hangzhou Xiaoshan Airport from 17:00 to 22:00 on July 19, 2024
图3. 2024年7月19日杭州萧山机场17:00~22:00机场AWOS温度演变图
4.2. 浙江省自动气象站数据分析
浙北地区浙江省自动气象站1小时极大风向风速演变显示(图4)，红色圆圈为杭州萧山机场位置，在15:00~16:00 (图4(a))嘉兴地区的风场呈现辐散型，辐散中心位于嘉兴秀洲区南部，辐散中心出现8~9级的极大风，这种地面呈辐散型、风速8~9级的大风符合下击暴流的特征，在辐射中心南侧的海宁、海盐北部有一条呈东西向的辐合线，辐合线表现为偏北风和偏南风的辐合。16:00~17:00 (图4(b))嘉兴秀洲区南部的辐散中心移动不明显，中心极大风速下降到为8级，6级风的范围相对缩小，而辐合线南移到海宁、海盐中南部，这期间在海宁、海盐南部靠近钱塘江处新出现一个8级大风的站，辐散中心不明显，说明造成此大风的雷暴云比较弱，但在其南侧的钱塘江上和西侧的杭州钱塘区有一条新的辐合线。17:00~18:00 (图4(c))嘉兴秀洲区南部的辐散中心位置及中心风速与上一次时次相同，但6级风的范围扩大很多，表明此下击暴流处于雷暴后期阶段，海宁、海盐南部靠近钱塘江处的8极大风已消散，而在上个时次海宁、海盐中南部的辐合线西段已经消散，在其处出现两个6级风的站点，而辐合线东段与钱塘江上的辐合线东段融合，钱塘江上辐合线的南段和西段继续向南和向西移动，其西段移至距本场9 km处。18:00~19:00 (图4(d))嘉兴秀洲区南部的辐散中心几乎消散，在海盐中部有新的辐散中心形成，其中心风速最大为8级，也符合下击暴流的特征，且6级风的范围大于上两个时次嘉兴秀洲区南部辐散中心的6级风的范围，在杭州钱塘区有2个站点也探测6级风速，可见造成此下击暴流的雷暴云的体积大、高度高，整个嘉兴大部地区、杭州东部及绍兴北部地区都受到此下击暴流辐散气流的影响，原钱塘江上的辐合线已经西移至本场跑道东头附近，且辐合线东侧杭州钱塘区大部分测站的极大风速为6~8 m/s，大于上个时次辐合线东侧测站的4~6 m/s，辐合线强度增强，根据本场AWOS风向风速的数据，再过5 min本场将受到辐合线的影响，发生风向风速突变19:00~20:00 (图4(e))。
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Figure 4. Evolution chart of hourly maximum wind direction and speed at automatic weather stations in northern Zhejiang from 15:00 to 20:00 on July 19, 2024. (a) 15:00~16:00; (b) 16:00~17:00; (c) 17:00~18:00; (d) 18:00~19:00; (e) 19:00~20:00
图4. 2024年7月19日15:00~20:00浙北地区浙江省自动气象站1小时极大风向风速演变图。(a) 15:00~16:00；(b) 16:00~17:00；(c) 17:00~18:00；(d) 18:00~19:00；(e) 19:00~20:00
从上述分析来看，造成本场风向风速突变、温度突降的冷性偏东气流是来自于嘉兴地区雷暴云下击暴流的下沉辐散气流，此辐散气流是先后由两个位置相近的雷暴云下沉气流辐散叠加融合而成，第一个雷暴云形成较弱的下沉辐散气流，使得环境风场与第二个在位置相近的雷暴云形成较强下击暴流的下沉辐散气流方向一致，减少了环境风场的阻力，形成两股辐散气流的叠加增强效应，才使得距离下击暴流中心53 km左右的杭州萧山机场仍能受到下击暴流出流的影响。
5. 雷达资料分析
5.1. 多普勒雷达资料分析
图5为2024年7月19日15:58~16:21杭州萧山机场多普勒雷达0.5˚反射率因子图、反射率因子沿风暴移动方向(图5(a1)、图5(b1)、图5(c1)中白线箭头方向)垂直剖面图及对应的径向速度垂直剖面图。15:58在本场东北偏东方向30公里处有一较小块弱对流回波生成并朝东北方向移动，其垂直剖面(图5(a2))显示在对流层中层4 km高度有反射率因子核，强度为60~65 DBZ，顶高超过12 km，回波没有触地，此时对流风暴仍处于发展阶段，径向速度垂直剖面(图5(a3))显示近地面皆为远离雷达正速度区，没有出现靠近雷达的负速度区。16:07对流回波继续朝东北方向移动，反射率因子核下降到2 km高度，强度为60 DBZ，强度为50 DBZ的回波已经触地，在回波后侧3 km高度左右(图5(b2)红圈位置)出现反射率因子回波缺口，表明中层干冷空入流显著，同时径向速度垂直剖面(图5(b3))显示近地面对流风暴后侧有一小块靠近雷达的1.7~3.3 m/s的负速度，远离雷达的正速度值也为1.7~3.3 m/s，地面风场辐散特征明显，表明此时出现下击暴流并触地。16:21对流回波朝东北方向移动并减弱，反射率因子核强度为50 DBZ并继续下降触地，径向速度垂直剖面(图5(c3))显示在4~5 km高度有径向速度辐合，近地面对流风暴后侧靠近雷达的负速度值为10.0~11.6 m/s，远离雷达的正速度值为1.7~3.3 m/s，地面辐散加强，并在16:33地面观测到18.3 m/s的大风。
图6为2024年7月19日17:45~18:35杭州萧山机场多普勒雷达0.5˚反射率因子图、反射率因子沿风暴移动方向(图6(a1)、图6(b1)、图6(c1)、图6(d1)中白线箭头方向)垂直剖面图及对应的径向速度垂直剖面图。17:45在距离本场东北方向40 km处有一对流风暴生成并朝东北方向移动，反射率因子垂直剖面(图6(a2))上在1~2 km高度出现有界弱回波区BWER (黑圈处)，反射率因子核位于7~8 km高度，强度为60 DBZ，回波顶高接近16 km，径向速度垂直剖面(图6(a3))显示近地面对流风暴前侧有靠近雷达的负速
Figure 5. 0.5˚ reflectivity factor map, reflectivity factor vertical profile along storm movement direction, and corresponding radial velocity vertical profile at Hangzhou Xiaoshan Airport from 15:58 to 16:21 on July 19, 2024. (a1) 15:58 0.5˚ reflectivity factor map; (a2) 15:58 reflectivity factor vertical profile; (a3) 15:58 radial velocity vertical profile; (b1) 16:07 0.5˚ reflectivity factor map; (b2) 16:07 reflectivity factor vertical profile; (b3) 16:07 radial velocity vertical profile; (c1) 16:21 0.5˚ reflectivity factor map; (c2) 16:21 reflectivity factor vertical profile; (c3) 16:21 radial velocity vertical profile
图5. 2024年7月19日15:58~16:21杭州萧山机场多普勒雷达0.5˚反射率因子图、反射率因子沿风暴移动方向垂直剖面图及对应的径向速度垂直剖面图。(a1) 15:58 0.5˚反射率因子图；(a2) 15:58反射率因子垂直剖面图；(a3) 15:58径向速度垂直剖面图；(b1) 16:07 0.5˚反射率因子图；(b2) 16:07反射率因子垂直剖面图；(b3) 16:07径向速度垂直剖面图；(c1) 16:21 0.5˚反射率因子图；(c2) 16:21反射率因子垂直剖面图；(c3) 16:21径向速度垂直剖面图
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Figure 6. Doppler radar 0.5˚ reflectivity factor map, reflectivity factor vertical profile along storm movement direction, and corresponding radial velocity vertical profile at Hangzhou Xiaoshan Airport from 17:45 to 18:35 on July 19, 2024. (a1) 17:45 0.5˚ reflectivity factor map; (a2) 17:45 reflectivity factor vertical profile; (a3) 17:45 radial velocity vertical profile; (b1) 18:07 0.5˚ reflectivity factor map; (b2) 18:07 reflectivity factor vertical profile; (b3) 18:07 radial velocity vertical profile; (c1) 18:21 0.5˚ reflectivity factor map; (c2) 18:21 reflectivity factor vertical profile; (c3) 18:21 radial velocity vertical profile; (d1) 18:35 0.5˚ reflectivity factor map; (d2) 18:35 reflectivity factor vertical profile; (d3) 18:35 radial velocity vertical profile
图6. 2024年7月19日17:45~18:35杭州萧山机场多普勒雷达0.5˚反射率因子图、反射率因子沿风暴移动方向垂直剖面图及对应的径向速度垂直剖面图。(a1) 17:45 0.5˚反射率因子图；(a2) 17:45反射率因子垂直剖面图；(a3) 17:45径向速度垂直剖面图；(b1) 18:07 0.5˚反射率因子图；(b2) 18:07反射率因子垂直剖面图；(b3) 18:07径向速度垂直剖面图；(c1) 18:21 0.5˚反射率因子图；(c2) 18:21反射率因子垂直剖面图；(c3) 18:21径向速度垂直剖面图；(d1) 18:35 0.5˚反射率因子图；(d2) 18:35反射率因子垂直剖面图；(d3) 18:35径向速度垂直剖面图
度区，这是对流风暴前方有强烈的上升气流所致，表明此时对流风暴处于发展阶段。18:07对流风暴继续朝东北方向移动，风暴面积增大，反射率因子垂直剖面(图6(b2))上反射率因子核上升到9~10 km高度，强度为60 DBZ，回波顶高接近20 km，强度为50 DBZ的回波下降并接地，有界弱回波区BWER被填塞，径向速度垂直剖面(图6(b3))在4 km高度出现径向速度辐合，在其下方近地面出现靠近雷达的3.3~5.0 m/s的负速度，正速度值为1.6~3.3 m/s，地面出现风向辐散，以上表明此时为对流风暴发展最旺盛的阶段，即将出现下击暴流。18:21对流风暴继续朝东北方向移动，反射率因子垂直剖面(图6(c2))上反射率因子核强度增大为65 DBZ，高度下降到6~7 km，强度为60 DBZ的回波面积增大并明显下降，从8 km向下延伸到2 km左右，回波顶高接近20 km，强度为55 DBZ的回波下降并触地，回波顶高降到16 km，在对流风暴的后侧3 km高度左右(图6(c2)红圈位置)出现反射率因子回波缺口，有干冷空气入侵，径向速度垂直剖面(图6(c3))在4 km高度出现径向速度辐合有所减弱，近地面出现靠近雷达最大为13.3 m/s负速度即将触地，正速度值为3.3 m/s，地面辐散明显增强，下击暴流最强部分触地，地面观测站在18:18、18:23测到18.0 m/s、18.3 m/s的大风。18:35反射率因子垂直剖面上反射率因子核下降到2~4 km，强度55 DBZ，径向速度垂直剖面(图6(d3))径向速度辐合消失，地面出现靠近雷达最大为13.3 m/s负速度触地，正速度值为3.3 m/s，地面辐散仍较强，下击暴流进入尾声，地面观测站在18:34测到17.2 m/s的大风。
这两次下击暴流后侧所产生的下沉辐散气流是本场此次低空风切变形成的直接原因。对两次下击暴流观测事实对比发现，不同点是第二次比第一次强度大，持续时间长；相同点是两次下击暴流过程中，都出现了反射率因子核的持续下降，且伴随着反射率因子核的持续下降，对流层中层出现径向速度辐合，同时对流回波的后侧出现了入流缺口，下击暴流出现在对流发展旺盛阶段之后，这为下击暴流预警提供了非常重要的线索。因此，反射率因子核持续下降、中层出现径向速度辐合特征及对流回波的后侧出现入流缺口可用于下击暴流的临近预报。
5.2. 风廓线雷达资料分析
图7为2024年07月19日17:00~21:00杭州萧山机场风廓线雷达水平风时间–高度剖面图，图中时
Figure 7. Time-height cross-section of horizontal wind from wind profiler radar at Hangzhou Xiaoshan Airport from 17:00 to 21:00 on July 19, 2024 (time sequence from right to left)
图7. 2024年07月19日17:00~21:00杭州萧山机场风廓线雷达水平风时间–高度剖面图(时序从右到左)
间序列从右向左排列(本文其他时序图为从左到右排列)。从图7可以看出，从18:30~19:00本场近地面层100~1000 m高度之间风向为东南风到偏南风，风速2~4 m/s，19:06~19:30本场100~400 m高度之间风向逐渐转为偏北风至东北偏北风，风速2~4 m/s，风向出现180˚转变，这期间本场有两架次航班落地时因顺风切变复飞，在400 m高度以上风向维持偏南风。19:30~20:30本场100~400 m高度之间风向转为偏东风，风速2~4 m/s，400 m高度以上风向为西南风。20:30之后本场上空的风向逐渐恢复到19:00之前的状态。
从风廓线雷达数据分析可以得出，本场近地层的风切变发生时段在19:00~19:30之间，高度400 m以下，风速变化小，表现为风向切变。与本场AWOS数据结果对比分析，两者结果显示风切变发生时段一致，风向变化也较为一致，但是风速变化有较大不同，AWOS风速变化明显大于风廓线雷达风速变化，表明此次风切变强度大的区域主要在近地层100 m以下或者贴地层，这是本场受远距离下击暴流影响的主要区域，总体看这次本场的低空风切变过程是一次非典型低空风切变过程。
6. 结论
本文通过对2024年7月19日杭州萧山机场低空风切变过程进行分析，得出以下结论：
1) 杭州萧山机场此次低空风切变天气过程是由下游对流风暴后侧下击暴流的下沉辐散气流造成的。此过程在对流风暴移动后方的远距离区域中，而不是对流风暴移动方向的前沿。这股冷性偏东气流自东向西逐渐影响机场，期间风向突转180˚，风速突然增大，温度呈非对称“V”型变化。本次低空风切变强度在水平风切变安全阈值之内，但其着陆顺风分量风速大于标准。
2) 自动气象站和多普勒雷达数据分析表明此股冷性偏东气流是来自于嘉兴地区雷暴云下击暴流的下沉辐散气流，此辐散气流是先后由两个位置相近的雷暴云下沉气流叠加融合而成，有叠加增强效应。第二次下击暴流比第一次下击暴流强度大且持续时间长，相同点是都出现了反射率因子核的持续下降，对流层中层出现径向速度辐合，对流回波的后侧出现入流缺口，下击暴流出现在对流发展旺盛阶段之后，这为下击暴流预警提供了非常重要的线索。
3) 风廓线雷达数据能够较好探测出低空风切变出现的高度和强度，但有必要适当增加机场周边地面自动观测站的数目，以更好地提前探测机场周边风向风速变化，提高低空风切变预报和预警时间。