乌鲁木齐机场一次强东南大风天气分析

Weather Analysis of a Strong Southeast Gale at Urumqi Airport

摘要: 本文通过对乌鲁木齐机场出现的一次高影响强东南大风天气的环流形势、冷暖平流、气压差及风切变特征进行分析，结果表明：此次东南大风天气为锋前减压加回流型，500 hPa受东北–西南向的暖脊控制，地面东高西低、南高北低的天气形势，有利于东南大风的形成；850 hPa乌鲁木齐北部暖平流，南部冷平流分别造成地面减压和加压，有利于东南大风的出现和维持；达坂城与乌鲁木齐机场的压差和极大风速相关系数达到0.68，压差对风速的预报具备一定指示意义；东南大风期间，跑道两端风速差异大是产生风切变的主要原因，东南风趋于结束时，跑道两端转风时间不一致也会导致风切变。

Abstract: In this paper, the circulation situation, warm and cold advection, pressure difference and wind shear characteristics of a strong southeast gale with high influence at Urumqi Airport are analyzed. The results show that: The southeast gale weather is frontal decompression plus reflux type, 500 hPa was controlled by the northeast-southwest warm ridge. The weather situation was high in the east and low in the west and high in the south and low in the north, which was conducive to the for-mation of the southeast gale. The 850 hPa warm advection in the north of Urumqi and the cold advection in the south caused ground decompression and pressure respectively, which was conducive to the occurrence and maintenance of southeast gale. The correlation coefficient of pressure difference and maximum wind speed between Dabancheng and Urumqi Airport reaches 0.68, which has certain indicative significance for wind speed forecast. During southeast gales, wind shear is mainly caused by the large difference in wind speed between the two ends of the runway. When southeast winds tend to end, wind rotation time at both ends of the runway is inconsistent, which also leads to wind shear.

1. 引言

乌鲁木齐北部地形开阔，三面环山，特殊的“喇叭口”地形叠加南高北低的气压场，使得春秋两季易出现东南大风。东南大风对飞机起降影响很大，张利平等 [1] [2] 研究发现，东南大风具有风力强劲、起始突然，阵性强等特点，带来的高温天气会影响飞机性能与配载；东南大风出现时，起始与结束阶段的近地面常出现较强低空风切变，除此之外，东南大风还会造成飞机中度以上的颠簸及较大的正侧风，影响飞行安全。

东南大风按照受否接地可以分为空中东南大风和接地东南大风，其中接地型东南大风多发于春秋季节，低空型东南大风多发于10月~次年三月，孙鸣婧等 [3] 通过对两种类型的东南大风进行对比后发现，接地型东南大风个例中，乌鲁木齐地面风速与达坂城、吐鲁番和乌鲁木齐之间的气压差相关性较好，低空型东南大风则不显著。

针对乌鲁木齐市东南大风的研究较多，发生东南大风的环流形势基本可以分为四种：回流型、锋前减压型、锋前减压加回流型及南冷北暖型，万瑜等 [4] 将锋前减压加回流型细分为锋前减压加回流I型和锋前减压加回流II型，乌鲁木齐附近中尺度高压的配置细分为4种类型，并总结出东南大风环流特征及预报指标。肉孜·阿基 [5] 对一次强东南大风的环流形势及风廓线特征分析发现，风廓线雷达1000~1500米高度风向风速变化对市区东南大风起止预报具有一定参考价值。刁平等 [6] 发现东南大风与水跃型地形波有直接联系，风廓线雷达观测证明了大气中下层具有大动量的空气被带到地面，导致出现强风。

对机场东南大风的研究包括，张利平等 [7] [8] 分析了东南大风时期乌鲁木齐机场的气象要素变化特征，通过风廓线资料发现机场起风前2000米以下高度出现东南风下传的现象。杨洪儒 [9] 等通过统计发现机场东南风四月发生次数最多，早晨–中午东南风多发且风速大，午后至夜间则反之，同时达坂城与机场的气压差与机场的温度垂直递减率有显著的线性关系。程海艳 [10] [11] 对机场风切变统计分析发现，东南风产生的风切变占比最高，对飞行影响较大。因此对机场的东南大风个例进行研究分析，总结预报经验，对航班保障有着重要意义。本文选取2022年4月30日~5月2日一次强东南大风天气，拟从环流背景、气压差对风速的影响、温度平流及大风期间风切变特征等方面进行分析，为今后的东南大风预报及风切变预报提供一些参考。

2. 数据与方法

本文选用数据为乌鲁木齐地窝堡机场跑道自动观测系统观测资料(以下简称AWOS资料)、FNL 1˚ × 1˚再分析资料及乌鲁木齐机场进出港流量数据。东南大风期间，因25号跑道顺风超标，飞机起降主要使用07号跑道，因此文中AWOS资料主要为07号跑道观测数据。本文定义东南大风为：风向为110~170，平均风速 ≥ 12 m/s或阵风风速 ≥ 17 m/s。根据乌鲁木齐机场强东南大风天气过程的天气形势、冷暖平流及跑道两端风向风速变化情况，分析此次东南大风期间机场跑道的水平风切变特征、气压差对风速的影响及风速对航班的影响等问题，为今后东南大风期间的风速及风切变预报提供一定的参考。本文用到了相关系数及其显著性检验等统计方法。

风切变指数计算公式：

$\beta =\sqrt{u_1^2+u_2^2-2u_1{u}_2\cos \theta }$

其中， $u_1$ 、 $u_2$ 分别为跑道两端的风速， $\theta$ 指25号跑道及07号跑道的风向差，取7.7 m/s作为出现风切变的临界阈值。

3. 天气概况及对飞行的影响

图1为乌鲁木齐机场2022年4月30日~5月3日2分钟平均风速和极大风速随时间的变化。此次天气东南大风时段为4月30日09:00~5月2日15:00，持续时长约56小时。据AWOS资料记录，大风期间2分钟风速平均值为13.7 m/s，极大风速平均值为17.7 m/s。较强东南大风主要集中出现在5月1日凌晨至中午，该时段内出现最大2分钟平均风速19.85 m/s，最大极大风速27.6 m/s。东南大风期间，07号跑道与25号跑道风向基本一致，但07号跑道的2分钟平均风速及阵风风速略大于25号跑道。

Figure 1. Hourly variation of 2-minute mean wind speed and maximum wind speed (Grey shade: Southeast wind period)

图1. 2分钟平均风速及极大风速逐小时变化(灰色阴影：东南大风时段)

此次东南风天气具有持续时间长、风力大、结束缓慢等特点。4月30日~5月2日航班起降共359架次，因东南大风天气原因延误49架次(其中18架次延误超过两小时)，备降33架次，由表1可以看出，5月1日的航班数量最少，延误、备降航班最多，影响最大。

Table 1. Operation guarantee situation of Urumqi Airport during Southeast gale

表1. 东南大风期间乌鲁木齐机场运行保障情况

图2为东南大风期间跑道最大侧风和逆风风速及航班随时间的变化，07号跑道逆风风速平均值为5.5 m/s，最大逆风风速为10.7 m/s。一般情况下，当飞机侧风风速大于10 m/s时，会容易出现侧风超标，影响飞机的起飞与着陆。东南大风期间，跑道侧风风速平均值为12.4 m/s，侧风风速最大值为18.9 m/s，每小时平均航班起降4架次。由图2可以看出，当侧风风速达到15 m/s时，每小时航班起降架次明显减小；航班起降多集中于每日午后至傍晚15:00~21:00，这与东南大风午后强度减弱的日变化相关；夜间由于东南风叠加山风，大风强度较白天明显加强，且夜间计划航班数较小，因此夜间00:00~11:00是一天当中飞机航班最少的时段。

Figure 2. Hourly changes of maximum crosswind wind speed, maximum upwind wind speed and flights (Grey shade: Southeast wind period)

图2. 最大侧风风速、最大逆风风速与航班逐小时变化(灰色阴影：东南大风时段)

4. 成因分析

4.1. 环流形势

4月29日08时500 hPa (图3(a))欧亚范围内环流经向度较大，形势稳定少动，巴尔喀什湖–新疆偏西地区受到强盛的暖脊控制，脊的伸展高度达到200 hPa，横跨约10个经度，顶部伸至70˚N附近，脊顶东倾，脊线呈东北–西南向分布。贝加尔湖以东、蒙古至新疆南疆区域为狭长的低压槽区，槽线基本呈东西向分布，配合有明显的温度槽，低槽中心位置位于蒙古高原东部(50˚N，120˚E附近)，中心强度540 dagpm，配合冷中心−36℃，低槽引导冷空气在东疆及南疆东部堆积。4月29日08时~5月1日08时，强盛的西北气流推动位于蒙古西部及甘肃段的冷槽缓慢东移南下，位于甘肃至新疆南疆的横槽向南移动速度缓慢，冷空气回流进入东疆及南疆盆地，形成南高北低、东高西低的气压场形势，非常利于回流型东南大风的形成。5月1日08时~5月2日20时(图3(b))，极锋锋区不断加强南压，冷空气南下，新疆区域处于冷锋前部减压区，锋前减压有利于已经形成的东南大风维持和加强。后续随着温度脊逐渐被削弱，位于新疆的高压脊顶部出现垮塌并缓慢南撤，脊线由东北–西南向转为南北向分布，北疆地区转为偏西气流控制，地面东南风强度逐渐减弱。综上，此次东南大风天气前期是回流型，后期在回流型基础上叠加了锋前减压，使得此次东南大风持续时间长且强度强。

大风前期，4月29日08时的海平面气压场(图3(c))，高压中心位于北疆北部–蒙古西部，中心强度达到1032.5 hPa，高压带呈现东北–西南向分布，并逐渐向东南方向移动。受到东移南下的强冷空气回流影响，东疆、南疆不断加压，致使乌鲁木齐附近出现东高西低、南高北低的气压场，有利于东南大风的形成。大风期间，4月30日20时，高压南掉至甘肃–青海一带，稳定少动，冷空气进一步侵入南疆，南疆继续加压，北疆位于地面冷高压后部，为负变压区，因此乌鲁木齐附近东高西低、南高北低的气压场形势得以长时间维持。5月2日08时(图3(d))，巴尔喀什湖附近的冷锋逐渐发展加强，移动缓慢，北疆地区位于冷锋前部，有利于北疆锋前减压，配合东部冷空气回流，有利于东南大风的加强和维持。5月3日14时，随着锋区上冷空气进入北疆，东部冷高压逐渐减弱并移出青海，南北疆气压梯度明显减小，东南风基本停止。

可见此次东南大风天气为回流加锋前减压型，前期具有典型回流特征，后期存在锋前减压，符合东南大风形成的典型特征，同时这种类型的东南大风往往具有维持时间长、风力大的特点。

(a) (b) (c) (d)

Figure 3. (a) 500 hPa altitude situation at 08:00 on April 29, 2022 and (b) at 08:00 on May 1, 2022; Sea level pressure field at 08:00 (c) on April 29 and 08:00 (d) on May 1, 2022

图3. 2022年4月29日08时(a)与5月1日08时(b) 500 hPa高空形势；2022年4月29日08时(c)与5月1日08时(d)海平面气压场

4.2. 温度平流

不同区域的冷暖平流不同，会导致气压发生改变，从而影响气压梯度的改变，温度平流越强，越有利于大风的形成 [5]。由4月30日14时的850 hPa的温度平流场(图4(a))可以看出，北疆盆地出现暖平流，中心强度大于4 × 10⁻⁵ K∙S⁻¹，有利于等压面升高及低层减压；南疆及东疆大部地区出现冷平流，有利于等压面降低及地面增压，乌鲁木齐南部出现强冷平流中心，强度达到−4 × 10⁻⁵ K∙S⁻¹以上，乌鲁木齐南部加压明显。因此，北疆减压，南疆增压，使得乌鲁木齐东南部到西北部的气压梯度进一步加强，对东南大风的维持与加强较有利，对应乌鲁木齐机场东南大风迅速增强并达到最大值。5月2日20时(图4(b))，北疆大部转为冷平流控制，南疆部分区域开始转为暖平流控制，北疆减压，南疆加压的形势趋于结束，南北疆的气压梯度减小，有利于东南大风的形势逐渐结束，此时，乌鲁木齐机场东南风点强度明显减小。

(a)(b)

Figure 4. Temperature advection at 850 hPa at 14:00 on April 30, 2022 (a) and 20:00 on May 2, 2022 (b)

图4. 2022年4月30日14时(a)及5月2日20时(b) 850 hPa温度平流

4.3. 气压差与风速的相关性分析

对达坂城与乌鲁木齐机场的逐小时气压差和风速进行相关性分析，如图5所示，东南大风期间，达坂城的气压始终高于乌鲁木齐，压差平均值达到4.1 hPa，压差最大值6 hPa。大风期间，当压差达到或大于3 hPa时，东南风基本稳定在10 m/s以上；当达坂城和乌鲁木齐机场的气压差达到3 hPa以上时，机场10分钟平均风速基本处于10~16 m/s的区间内，极大风速达到17~27 m/s。但当气压差达到最大时，10分钟平均风速及极大风速并没有继续增大，而是略有减小；2日午后，当压差逐渐小于3 hPa时，东南大风趋于结束。按照以往的预报经验，当达坂城与乌鲁木齐机场的压差在3~6 hPa时，地面东南大风平均风速可达到6~14 m/s，与此次过程基本相符。综上，达坂城与乌鲁木齐机场的压差对预报本场大风起止时间具有一定的指示意义，但压差越大，本场风速不一定越大。

此次东南大风期间，对达坂城与乌鲁木齐机场的压差及乌鲁木齐机场的极大风速进行相关性分析，相关系数达到0.68，说明两者之间有较好的相关关系，并通过了0.05的显著性检验。

Figure 5. Hourly changes of wind speed and pressure difference (Grey shade: Southeast wind period)

图5. 风速及气压差逐小时变化(灰色阴影：东南大风时段)

5. 东南大风期间风切变特征

东南大风天气对飞机的起飞与降落影响很大。大风期间，除了侧风超标，由于东南大风具有阵性强的特点，往往还会造成跑道两端及中间段风速差异大，形成跑道水平风切变。5月1日11~13时，在东南大风较强时段内，乌鲁木齐机场共收到两份航空器报告，报告内容与本场的低空风向风速变化大及风切变有关。因此对此次东南大风期间的风切变特征进行分析，以风切变数值7.7 m/s作为安全阈值，分析此次东南大风期间跑道两端风切变指数随时间分布的变化及产生原因。

东南大风期间，风切变指数平均值为3.12 m/s，最大水平风切变为9.1 m/s，出现时间为5月1日13:47；跑道两端风向差较小，平均风向差7˚，最大风向差34˚；风速差异较大，最大风速差8.9 m/s。由图6可以看出，4月30日11:45，跑道两端风向差2˚，但风速差达到8.4 m/s，短暂突破水平风切变安全阈值，持续时间约2分钟。1日05:30~15:00跑道水平风切变出现频率较高，持续时间长，该时段与航空器报告

Figure 6. Wind shear index, wind direction difference and wind speed difference characteristics at both ends of the runway of Urumqi Airport (Grey shade: Southeast wind period)

图6. 乌鲁木齐机场跑道两端风切变指数及风向差、风速差特征(灰色阴影：东南大风时段)

时段基本一致；对超过安全阈值的风切变进行分析发现，风向差小于30˚，但风速差高达7~9 m/s。综上，东南大风期间，跑道两端风向差异不大，但风速差异较大是产生风切变的主要原因。

东南大风结束后，5月3日10:29~10:54跑道两端出现明显风切变，对超过安全阈值的风切变进行分析发现，风切变平均值9.3 m/s，风向差平均值107˚，风速差平均值4.6 m/s，其中最大风切变指数达到10.4 m/s。25号跑道的风在5月3日10:27率先由东南风转为东北风，风速减至2~4 m/s，而07号跑道仍维持5~10 m/s的东南风，跑道两端风向、风速差异较大，是此次风切变形成的主要原因。后续07号跑道逐渐与25号跑道风向趋于一致，风切变指数明显减小。因此，东南大风结束后仍需密切关注跑道两端转风情况，当跑道两端风向差异大时，也容易产生水平风切变。

6. 结论与讨论

通过对2022年4月30日~5月2日乌鲁木齐机场一次高影响东南大风天气进行分析，得到以下结论：

此次东南大风为锋前减压加回流型，500 hPa上新疆大部受东北–西南向的暖脊控制，移动缓慢，后受到扰动影响，逐渐垮塌；地面上，蒙古高压不断南掉，造成冷空气回流进入南疆，南疆升压，北疆减压，有利于东南大风的形成。

东南大风期间，北疆850 hPa有明显暖平流，南疆大部及乌鲁木齐南部为冷平流，有利于东南大风的维持。

东南大风期间，达坂城与乌鲁木齐机场的压差与极大风速的相关系数达到0.68，相关性较好；压差对预报大风起止时间具有一定的指示意义，但压差越大，本场风速不一定越大。

跑道两端风速差异大是此次东南大风期间风切变产生的主要原因。25号跑道比07号跑道优先转风是5月3日风切变的主要原因。