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1、飞机颠簸及预报方法研究刘健文Ξ王洪芳金维明王炳仁李耀东(空军第七研究所,北京100085)摘要文章对引起飞机颠簸的晴空湍流及预报方法进行了研究。以中尺度分析和数值模式预报的产品为基础,研制开发出了可供业务使用的飞机颠簸预报方法。试验表明,颠簸强度预报的效果较好,历史拟合率达72%以上。关键词飞机颠簸晴空湍流数值预报断和预报颠簸成为可能。目前已开发使用的颠簸指数有:理查逊数、地转理查逊数、重力波理查逊数、DonMcCann指数、严重晴空颠簸风险指数及耗散率等。Ellrod等(1989)提出了湍流指数1。本文以中尺度分析和数值模式预报产品为基础,对引起飞
2、机颠簸的晴空湍流及预报方法进行了研究。1引言飞机颠簸是影响航空活动的重要因素之一。较强的颠簸会危及飞行安全,特别是对高空飞行的运输机来说,已成为威胁最大的气象危害之一。造成颠簸的影响在美国占第三位,仅次于雷暴和风切变(见表1)。在我国,统计资料表明,北京地区有记录可查的中度以上飞机颠簸平均每年3—4次;西南和西北地区中度以上飞机颠簸平均每年可达8—9次。表1造成美国飞行事故的天气现象(1962—1984年)2晴空湍流的形成机制及有关的气象条件2.1形成机制晴空湍流是指出现在6千米以上高空,且与对流云无关的湍流。它不包括与对流性不稳定边界层及深厚对流有
3、关的湍流,但不排除非对流性云(多指卷云)中存在的湍流。理论研究和探测的事实都表明,在气流垂直天气现象风切下冲雷暴湍流积冰气流冰雹雷击合计变次数17126432145切变大的稳定气层的内界面上,经常发生Kelvin2从空军部队的飞行情况看,飞机颠簸亦是影响航线飞行的重要因素之一。随着高层飞行活动的不断增加,提高对飞机颠簸的预报能力成为航空气象预报中亟待解决的重要课题。早在50年代,就已对颠簸的成因进行了大量的研究。此后,诊断和预报颠簸的方法不Helmholtz波(开尔文2赫姆霍兹波,简称K2H波),且当切变强度超过临界值时,波动变得不稳定,并自发地增长
4、,“破碎”而形成湍流(图1)2。晴空湍流发生的主要机制应属K2H波不稳定性,是天气尺度系统的动能通过K2H波不稳定产生F=dIvHΗI(1)dt式中IvHΗI为垂直于锋线方向的位温水平梯度,把个别微商展开并引入线性流场,(1)式可写成:F=1IvHΗI(Ecos2Β-D)(2)2(5u+5v)为伸长形变项;E=(5u-式中D=5x5y5x5v)为辐合项;Β为等位温线与伸长轴之间的5y夹角。将热成风关系引入(2)式,并取cos2Β项的最大值,即cos2Β=1。这样(2)式可写成:图1晴空湍流形成机制强烈输送及混合效应改变了大气的中尺度结构。2.2与晴空
5、湍流有关的大尺度和中尺度气象条件1fT∃V2(g)(∃Z)[E-D](3)F=式中f为科氏参数,g为重力加速度,T为温度。为实际使用方便,取(3)式的简单形式,称之为湍流指数(TI)。湍流指数有下列两种形式:造成飞机颠簸的晴空湍流属于小尺度的运动,但国内外的飞行实践表明,颠簸发生的范围往往是区域性的,其水平范围可以从几公里到几百公里。对大量的飞机颠簸报告进行天气分析发现,在高空槽、脊、切变线、锋区的气流弯曲部分及急流区两侧易于发生颠簸。通过大量的飞机探测和进一步的研究,人们发现比较强的晴空湍流往往发生在以下特性区域:①风的垂直切变区;②风的水平切变区
6、;③流场的辐散或辐合地带;④流场的水平变形区;⑤流场变化的不连续区;⑥强的水平温度梯度区。所有这些特性往往在锋区出现。这就提示人们将锋生作用的概念引入晴空湍流的研究之中。∃v2)1/2(∃u2+TI1=]∃z[(5u-5v)2+(5v+5u)2]1/2(4)5x(∃u2+5y5x5y∃v2)1/25u5v2(5x5y)TI2={-∃z(5v+5u)2]1/2-(5v+5u)}(5)+5x5y5y5x在(4)式中,前面方括号内是垂直切变项。后面方括号内为水平方向的伸长形变和切变形变项。(5)式中考虑了流场的辐合、辐散的作用。TI的高值区对应为强湍流区。
7、当风速以米/秒为单位,垂直方向的厚度∃z及水平距离以米为单位时,TI的单位为10-7秒-2。3.2预报方法研究应用水平格距80km、垂直10层的中尺度数值预报模式系统的分析和预报产品,计算湍流指数TI的量值。对所收集到的1982—1995年130个飞机报告进行了个例研究试验。通过试验研究,分析了湍流指数的各项贡献大小,确定了预报颠簸的湍流指数的具体形式——3颠簸预报方法3.1物理基础1989年,美国的Ellrod提出了用佩特森的锋生强度公式导出晴空湍流指数,佩特森认为锋生过程的强度可以用位温梯度大小的个别微商来描述。为便于研究,把它称为锋生函数F。如
8、果在近地面有绝热过程,不存在倾斜和翻转作用,锋生函数F的二维形式可以写成:方程(4)及湍流指数的阈值与颠簸强
