飞机高空颠簸飞行中难以绕开的 弯
孙玮
[摘 要]本文利用CFSV2（Climate Forecast System Version 2）资料、FNL（Final Operational Global Analysis）再分析数据和WRF（Weather Research and Forecasting）模式对2012年5月10日华南地区的一次飞机颠簸事件进行数值试验和诊断分析。研究结果表明，本次飞机颠簸是由重力波不稳定破碎为湍流引发的。气流过南岭山脉地区复杂的山脉地形时产生背风波，但随着背风波的向上传播，波动破碎为湍流，对飞行于其中的飞机产生颠簸。使用小波分析对波动特征进行分析，发现在山脉背风波的组织、发展和成熟过程中，主要波长为与山脉宽度相一致的50km以下波段短波。在波动的垂直传输过程中，波长越长的波动越容易上传至平流层。
[关键词]飞机颠簸 重力波 小波分析
中图分类号：R927 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）21-0105-04
1.引言
飞机颠簸现象是飞机在飞行过程中，受气流扰动或者不均匀空气动力的冲击，突然出现局部抖动、上下抛掷、左右摇晃和前后颠顿现象[1]。飞机颠簸的发生不仅会引起飞机乘坐者的不适，还会对人身安全构成威胁[2]。同时，飞机颠簸也会对民航人员的工作造成影响，当飞行过程中遇到湍流时，飞行员会为了躲避湍流而偏离原定航线飞行，于是给空域管理带来麻烦，并且改变了机组人员和乘客的行程[3]。
重力波與飞机颠簸的关系是近年来对飞机颠簸产生机制研究的热点。Gultepe et al.[4]提出稳定的大气层结中，风速垂直切变和浮力的共同作用下产生的浮力振荡会激发重力波，当风速切变过大时，重力波由于发展不稳定会破碎成为湍流，引发飞机颠簸。Kim and Chun[5]对发生在朝鲜半岛的飞机颠簸进行研究时，利用WRF模式中对山地背风波进行精细化的数值模拟，并采用MYJ边界层参数化方案中计算的湍流动能，分析重力波的特征。
重力波结构复杂，因为它以波包而并非单色波的形式存在，并且波长和周期变化迅速，导致很难从一般的气象要素中将重力波分辨出来并提取其特征[6]。因此，采用数学方法分析重力波特征是一种有效的手段。Zhang[7]在对垂直速度场中发现波动特征后，对垂直速度进行小波变换，小波分析的结果呈现了重力波产生、传播、破碎过程。国内研究中，朱磊磊[8]利用小波分析法对一次飑线过程中的重力波进行分析，对连续小波变换后的结果进行分析得出了重力波波长、群速、相速等特征。
山脉地形重力波是造成飞机颠簸的重要原因之一，是分析及预报的一个难点。我国地形多样，在华南地区存在的南岭及武夷山使得该地区的地貌更加复杂。于是本文从2012年5月10日飞机颠簸个例入手使用产品资料对天气环流形势进行分析。利用数值模拟方法精确地反应真实大气情况，对分辨率更高的模拟结果进行分析确定产生飞机颠簸的主要原因是山脉地形背风波。进而，对山脉波的产生及变化原因进行更加深入的探究，利用小波分析法分析波动特征。
2.数据资料
本文所采用的数据为：CFSV2（Climate Forecast System Version 2）产品数据，空间分辨率为0.5°×0.5°，时间分辨率为6h；NCEP（National Centers for Environmental Prediction）所提供的FNL（Final Operational Global Analysis）再分析数据，空间分辨率为1.0°×1.0°，时间分辨率为6h。
本文使用小波分析方法（Wavelet analysis）对重力波的波动信号进行提取并分析。小波分析在处理信号方面具备独特的优势，常被用来分析气候和气象时间序列的时频结构特征。相比较于传统的波谱分析方法，连续小波变换即能够在时间域（空间域）反映信号的局部性，也能够在频率域（波长域）反映信号的局部性。因此它有效克服了传统波谱分析方法中无法分析局部频域（波长域）特征的不足之处。在Weng and Lau[9]的研究中，给出一种针对连续小波变换的应用计算方法，将莫来特函数作为小波变换的基函数。本文在Torrence and Compo[10]贡献的MATLAB连续小波变换程序包基础上稍作修改，并应用到实际的计算当中。
3.个例介绍
2012年5月10日，自广州飞往上海的CZ3525航班，型号为波音B777的客机，在起飞后半小时左右遭遇飞机颠簸，颠簸发生时刻约为当日0600时（文中所有时间均为世界时（UTC））。飞机颠簸发生时，先是经历了上下抖动和左右摇晃，随后整个机身迅速下降了数十秒。颠簸发生时，机内人员均受到严重惊吓，并造成了骨折、面部擦伤、腰部扭伤等11名人员的严重受伤。本次飞机颠簸产生了严重的社会影响，引起新闻媒体和社会的广泛关注。
图1为CZ3525航班的飞行航线和地形，根据此次事件发生时间判断飞机颠簸发生范围为方框中广东与福建省交界处所在区域内，高度为10000m左右，300hPa等压面上。
4.天气形势分析
在2012年5月10日天气图上（图2），0600UTC 300hPa高纬度地区环流形势为两槽一脊，在新疆北部和鄂霍茨克海地区分别有低压大槽。在低纬度地区，南亚高压的脊线位于20°N。在北部低压与南部高压系统的作用下，中纬度地区的压力梯度增大并有急流出现。300hPa为产生飞机颠簸的高度，飞机颠簸发生位置位于急流北部，易产生风速切变，温度脊落后于高压脊，系统移动缓慢且将加深。在500hPa上，高纬度环流形势与300hPa相似，均为两槽一脊型。低纬度副热带高压的588gpm高度线闭合西伸进入大陆地区。飞机航线位于脊前西北气流上，引导低层系统向东南移动。700hPa天气图上，有低压气旋位于我国东部，低压中心位于西北太平洋上，其槽线由低压中心向西南一致延伸至我国福建省，飞机穿越切变线区域，航线北部位于低槽系统内。航线南部有反气旋式环流。在航线南北部高低压系统的作用下，飞机颠簸位置的风场风速较大，可能产生风切变。
5.数值模拟
5.1 模拟方案及验证
本文个例采用WRF-ARW进行数值模拟实验。利用NCEP提供的FNL数据作为模拟的初始场和边界场，边界条件每六小时输入一次，空间分辨率1°×1°。数值模拟采用三层双向嵌套，各层网格水平分辨率分别为27km（d01），9km（d02），3km（d03），输出时间间隔为30min（d01），15min（d02），5min（d03）。d01包括了影响本次过程的大尺度天气系统，d02覆盖CZ3525航班的整个航线，d03区域覆盖了能够产生本次飞机颠簸的岭南地区山脉。地图投影采用麦卡托投影，垂直分为70层，模式顶层为50hPa，在模式层顶以下的5km以内使用瑞利阻尼以防止层顶对波动的反射。参数化方案选择：微物理过程采用WSM6[11]，长波和短波辐射分别采用RRTM[12]和Dudhia[13]方案，近地面过程方案采用Moni-Oubkhov[14]，路面过程方案为Noah[15]，边界层过程采用MYJ[16]方案，积云对流方案采用Grell3[17]。
5.2 飞机颠簸成因分析
5.2.1 散度场分析
许多研究中[18，19]将散度场上出现的辐合辐散交替链式分布作为判断大气重力波的依据。如图4为5月10日0200、0400和0600UTC，700hPa、500hPa和300hPa的散度图。在0200UTC，波动仅在对流层出现，700hPa和500hPa上越城嶺北部与大庾岭北部有明显的辐合辐散链式交替。500hPa上波动的相位与700hPa一致，但强度却比700hPa上的强。到了0400UTC，0200UTC的重力波上传至300hPa平流层，在对流层中下层依然有辐合辐散交替分布的特征。散度的交替分布不仅出现在越城岭北部与大庾岭北部，在越城岭南部与大庾岭南部也有散度的交替分布，形成两个波动带。在北部的湍流带向东南移动并形成了下凹的弯曲；南部的湍流带向东北移动并有向上凸起的弯曲。在0600UTC，越城岭南部和大庾岭南部与越城岭北部和大庾岭北部的散度交替分别连接到一起，构成了两条连接越城岭与大庾岭的波动带，并且两条波动带在越城岭与大庾岭之间连接。
由散度场的分析发现，本次飞机颠簸的产生是由重力波产生的。重力波出现在山脉附近，于是推断重力波的产生与山脉地形有关。
5.2.2 速度场分析
由障碍物引起空气垂直振荡而造成的波动为背风波，它是山脉地形重力波的一种类型。当空气被山脉强迫抬升后，在稳定层结中，重力作为恢复力使得空气恢复到初始位置，这样空气便产生垂直振荡，并且沿着水平气流向下游传播波形[20]。
在散度图中的分析我们发现，在0200UTC有重力波产生于越城岭北部与大庾岭北部，于是在图5中我们沿26°N越城岭与大庾岭之间作一个剖面AB，分析重力波的产生原因及变化。图6为剖面上的垂直速度和风矢量，0150UTC（a）、0200UTC（b）、0210UTC（c）分别代表重力波的组织、发展和成熟的三个阶段，水平坐标为距离A点的距离，垂直坐标为气压层，黑色填色部分为山脉地形。可以发现，重力波由产生到破碎仅经历了20分钟左右的时间。重力波在发展到破碎的过程中，波动首先在山脉附近出现并不断向远离山脉的地方传播；它的垂直上升速度由弱不断增强，而下降速度却变化不大；重力波起初出现在500hPa以下的位置上，随着垂直上升速度的增强，重力波的位置也不断向上移动直至破碎。而在重力波的组织、发展和成熟阶段，始终有过山气流经过山脉，重力波出现于山脉的背风坡。在山脉迎风坡，气流受山脉地形的影响上升爬坡，气流在经过山脉后，先是有一个下沉气流，随后被抬升，在其下游是下沉上升的交替运动。由此可以得出，出现在0200UTC左右越城岭北部与大庾岭北部的大气重力波为一次典型的山脉背风波。
5.2.3小波分析
取图5中AB点的连线，对山脉背风波波的组织、发展、成熟过程的波动变化进行垂直速度小波分析。如图7，在0150UTC波动组织时期，整体波动较弱。700hPa上，波动集中在靠近山脉的位置，主要波动的波长在50km以下的波段上，与越城岭20km左右的山脉宽度一致。500hPa和300hPa上并无明显波动。在0200UTC重力波发展时期，整体波动能量较上一阶段有所增强。在700hPa上，波动主要集中在50km以下及200-250km的波段，但是50km以下波段的短波波动能量更强。500hPa波动能量较700hPa上更弱，波动集中在50km以下波段的短波。并且，在700hPa和500hPa上，靠近山脉地区的波动能量强于远离山脉的波动。在300hPa上并无明显波动存在。波动信号表现出了重力波自山脉背风处生成并由低层向高层、由背风处向下游传播的过程。在0210UTC成熟阶段，波动能量较上一个阶段进一步加强。在700hPa和500hPa的长波有所发展，但主要波动依然集中在50km波段以下，并且短波能量在背风波下游有所增强。300hPa上依旧没有明显的波动存在。
在山脉背风波的组织、发展和成熟过程中，波动并未上传至平流层，波动在对流层由下向上传播，主要波长为与山脉宽度相一致的50km以下波段短波，并且在700hPa上山脉下坡风所在高度的波动能量最强。
取图5中0400UTC的CD点和0600UTC的EF点连线，对波动进行追踪并分析重力波垂直传播的波动特性。如图8，在0400UTC，在700hPa上由背风波产生的50km波长以下的波动消失，主要波长在100-250km波段和70km左右波段，并且能量较弱。在500hPa上，波动主要为70km以下的短波和120-200km的长波。在300hPa平流层上出现了明显的波动，并且波动均为120km以上的长波。在0600UTC，700hPa波动能量较弱，波动的主要波长为80-120km和150-200km。500hPa上出现新的波动，且波动能量较强，主要的波动能量集中在50-100km波段及150-200km波段上。此时，300hPa的波动为整层最强，且均为波长为150km以上的长波波动，短波未能上传至平流层。
6.结论
1）使用WRF中尺度模式对飞机颠簸个例进行数值模拟，并得到了较好的模拟效果。对模拟结果进行分析，得出：散度场能够分辨出重力波的存在，重力波出现在山脉附近的对流层中高层，而后向上传播。重力波由产生到破碎仅经历了20分钟左右的时间，它出现在山脉背风处，由过山气流下沉后被抬升引发的垂直震荡产生，是一次典型的山脉背风波。
2）运用小波分析法分析了重力波波动特征，分析结果表明：在山脉背风波的组织、发展和成熟过程中，波动在对流层由下向上传播，主要波长为与山脉宽度相一致的50km以下波段短波，并且在700hPa上山脉下坡风所在高度的波动能量最强。在波动的垂直传输过程中，波长越长的波动越容易上传至平流层。
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