引言

风是影响飞行安全最直接、最重要的气象因素，尤其是在飞机进场阶段。此时飞机已调整至降落构型，处于慢速不稳定状态，姿态易受大风干扰。且由于飞行高度低，飞机状态发生突发性变化后留给机组处置时间短，一旦处置不当，极易造成严重后果(黄仪方, 2011；何志强等，2014；郭智亮等，2019)。因此，监测预警低空风场异常一直是航空气象的焦点问题。随着国内低空经济的逐渐升温，低空空域飞行活动日益频繁(张彧, 2025)，其主流的低慢小航空器对风场异常更加敏感。因此，提升风场监测预警技术，对保障低空飞行安全有重要意义。

地面大风形成与各种尺度天气系统密切相关，可分为锋面大风(王艳兰等，2021)、动量下传大风(杨亦萍等，2022; 梁希豪等，2023)、雷暴大风(刘彬等，2022；吴海英等，2023；曹倩等，2024)、台风大风等(杨绚等，2020；刘婧茹等，2023)，同时峡谷及沙漠等特殊地形及下垫面也是地面大风形成的重要原因之一(汤浩等, 2020)。目前对于锋面大风的研究多关注与锋面伴随的雷暴大风，如深厚东北冷涡配合锋生在冷锋尾部激发形成飑线系统产生雷暴大风(王婷婷等，2023)，冷锋的强迫抬升作用及干冷空气侵入暖湿气团触发形成极端雷暴大风等(康岚等，2018), 及锋后冷空气产生的动量下传，锋面附近的强变压风、梯度风与中尺度对流系统产生的混合大风等(朱男男等，2023)。由于地形原因，四川盆地产生地面大风的频次较低，而一旦出现往往会造成较严重的影响(龙柯吉等，2020)。以往气象部门更加关注大范围锋面大风过程，多选取极端灾害性大风天气进行研究(吴芳芳等，2019；高帆等，2023；黎玥君等，2024)，但民航气象部门对大风的定义和监测预警的时空分辨率有相对特殊需求。国内外针对低空风监测也发展了多种技术手段(赵文凯等，2020；杨欣和王加平，2023；任菊章等，2025)，其中激光测风雷达具有探测精度高、时空分辨率高、能覆盖进离场低空区域、可对风切变进行预警等优势，成为机场低空风场监测的有力装备(蒋立辉等，2016；傅军等，2021)，已在国内多个复杂地形的机场得到了应用与验证(黄轩等，2022；王楠等，2023；陈阳权等，2024)。四川作为国内低空经济先行试点地区，低空飞行活动高居全国前列，但激光测风雷达在四川盆地非典型大风区的应用研究较少。本文利用激光测风雷达的多种扫描模式、机场自动观测数据及再分析资料，对广汉机场2021年12月26日一次锋面大风进行探讨与精细分析，旨在加强对成都平原锋面大风的结构及变化特点的认识，为低空飞行提供更好的航空气象服务保障。

1 资料介绍

广汉机场(以下简称机场)地处成都平原东北部，海拔高度为468 m，拥有一条西北—东南向跑道，机场单向运行，即仅由西北向东南方向起飞和降落。作为国内最大的仅用于训练飞行的机场，飞机起降频率高，且多为中小型飞机。为了确保飞行训练安全，不同等级的飞行训练均有严格的风速标准(表 1)。2021年12月26日04:30—10:30(北京时，下同)广汉机场经历了一场短时大风及二次起风过程，地面2 min平均风速达7.5 m·s^-1以上，严重扰乱了当日的飞行训练安排，以下基于激光测风雷达并结合其他气象资料对此次大风过程进行分析研究。

2021年7月起，机场于跑道旁的塔台附近布设了一部激光测风雷达，该雷达能够较好监测飞机起降方向(吴俊杰等，2023b), 除西南方向部分受塔台遮挡外。雷达交替采用平面位置扫描模式(PPI)和多普勒激光束摆动扫描(DBS)模式扫描(Dong et al，2021)。其中PPI模式采用4°和12°仰角进行平面扫描，用于监测机场下滑道周围及低空空域的水平风场情况，DBS模式可以获取机场上空的三维风廓线和垂直速度，约10 min可以完成一次所有模式扫描。

本研究还使用了机场自动观测系统记录的分钟级风向、风速、气压、温度和湿度要素。利用ERA5资料分析大风过程的天气背景，其空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h，包括位势高度、温度、海平面气压。

2 大风实况及天气背景分析

2021年12月25日06：00—07：30，机场地面风由偏东风迅速转为偏北风，风速显著增加，此后直至26日19：00前后，风向一直以东北风为主(图 1)。25日07：30—18：00，气温日变化不明显，稳定在8℃上下，气压则表现出单峰型日变化特征，风速波动上升，最高可达4 m·s^-1。25日18：00以后，气温持续下降，26日08：00左右降至第一次谷值，约为4℃，经历短暂升温后气温再度降低，于14：00左右达到第二次谷值，约为3℃。在此过程中，气压持续上升，两次温度谷值分别对应两次气压峰值，第二次气压峰值达到了过程最高值，随后气压开始迅速降低。随着气温和气压的迅速变化，风速波动上升且波动振幅和频率均显著增加，26日04:30左右出现7.6 m·s^-1的地面大风，随后风速继续增大并于06:00左右达到过程最高值(8 m·s^-1)；之后迅速减小，出现了风间歇，对应气温的回升；随后风速又迅速波动上升，并于10：00达到此次过程的第二次风速峰值(7.6 m·s^-1)，二次起风期间气温再次下降、气压上升率明显增大。10:30后风速逐渐波动下降，地面大风结束。需要注意的是，初次大风的风速和振幅均大于二次起风，对飞行的威胁也更大。本次大风过程虽然持续时间较短，但存在明显风间歇和短时二次起风的复杂情况，加之其出现在机场飞行训练高峰期，风速高频振荡对训练中的飞机会构成较大的安全威胁，而机场常规的自动观测设备无法对此类变化较快的大风垂直结构和演变进行监测，因此预报此类大风的起风和风间歇一直是业务工作面临的难点问题。

从天气背景来看，12月25—26日500 hPa中高纬呈“两槽一脊”形势，出现“Ω”型经向环流，26日位于内蒙古的横槽转竖，等高线与等温线交角明显，冷平流强烈，前期堆积成熟的冷空气迅速东移南下。广汉机场位于南支槽槽前，西南气流带来的充足水汽与南下冷空气交汇有利于大范围的锋面云系的形成(图略)。从850 hPa形势来看(图 2a~2c)，25日冷高压中心由贝加尔湖西南部向东南移动进入陕甘宁地区，高压前沿伴随的等温线密集带南移进入四川盆地。25日20:00机场位于冷高压前沿，高空锋区与0℃等温线南压至机场北面，冷锋开始影响机场，850 hPa受8 m·s^-1的东北风控制。26日00：00 0℃等温线南压至机场，其上空东北风加强至16 m· s^-1，机场受锋后东北低空急流影响。26日06:00东北低空急流进一步向机场东面移动。在此过程中，海平面气压场总体呈“东北高、西南低”的形势(图 2d~2f)，川渝地区等压线有两个向南的凸起，说明冷空气主体沿四川盆地东部南下，另一股冷空气则沿青藏高原东部翻越秦岭南下进入四川盆地，气压梯度明显增加。26日00:00后10 m风增大至6 m·s^-1，但与实况相比，ERA5资料的地面风速偏小。

3 风场结构及热动力特征分析

由此次大风过程的变化可以看到，过程中700 hPa以上为西南风，主要受500 hPa南支槽影响，而700 hPa以下则主要由东北风控制，反映出冷空气从700 hPa以下的低空入侵(图 3a)。起风前的24日12:00至25日06:00，800 hPa以下为弱偏南风，与弱暖平流对应。25日06:00后，低空出现弱冷平流(图 3b)，有利于低空冷垫的形成。由于机场位于冷高压底部，受向西南移动的冷高压的影响，12：00 850 hPa以下转为一致的弱东北风，此后东北风不断增强且厚度增大，最高可达700 hPa附近。值得注意的是，13:00以后900 hPa风速首先增大至4 m·s^-1，18:00进一步增大至8 m·s^-1，至26日00：00，风速达到过程最高值(12 m·s^-1)，并持续至26日06：00，风速大值中心进一步抬升至850 hPa，低空急流及其上、下方的风向和风速切变都会对飞行安全构成严重威胁，26日18：00后风速开始逐渐减弱。结合温度平流来看(图 3b)，25日12：00左右地面附近的冷平流显著增强，18：00起冷平流中心明显抬升至900 hPa。与之对应，25日18:00至26日00:00机场上空假相当位温等值线明显加密且几乎与地面垂直，结合上文天气形势及风场情况可以判断锋面于25日20:00到达机场附近。26日00:00—09:00低空受暖平流控制且厚度迅速增加至800 hPa，假相当位温等值线密集程度减小，而原有冷平流进一步抬升至850 hPa附近，凌驾于低空暖平流之上，构成“上冷下暖”的不稳定形势，有利于上层的补充冷空气与近地面不断发生热、动量交换，加之上空8 m·s^-1风速区维持到26日12:00后才逐渐减弱消失，因此地面风速在锋面过境后得以继续增大，直至出现大风。再分析数据能够捕捉到本次大风过程基本情况，但无法反映风间歇和二次起风情况，也无法具体体现高空大风演变与低空风场的联系，下文利用激光测风雷达资料做进一步的精细化分析。

4 基于激光测风雷达的风场精细化分析 4.1 垂直风场探测

由激光测风雷达DBS模式探测到的全风速剖面(图 4a)可见，25日10:00前机场上空400~2000 m风速没有明显变化，10:00以后机场上空风速开始增大，12:00达到12 m·s^-1并继续增大，同时地面风速波动上升，25日18:00至26日00:00距地面800 m高度附近出现了一个最大风速为25 m·s^-1、平均风速在16 m·s^-1以上的大风速核，与天气形势中机场上空的低空急流特征基本一致，风速变化趋势相似，但与ERA5资料相比最大风速更大、出现时间更早，说明ERA5资料存在低估风速的情况。进一步对比可以看到，低空大风速核存在波动下传，其与地面风速的瞬时峰值相对应。26日00:00后大风速核开始逐渐减弱，而地面风速继续波动上升，结合上文可知地面大风的出现时间滞后于低空急流减弱时间约4~6 h。未来将继续对多个相似个例进行深入统计分析，总结机场受冷锋影响下地面大风滞后时间的特征以供业务参考。结合垂直速度随高度的变化(图 4b)可见，25日18:00大风速核出现同时机场上空伴有强下沉气流，且下沉气流区的厚度逐渐增厚，地面风速的增大与下沉气流的强度有一定关联，此过程机场先出现东北低空急流，冷空气从低空入侵，锋面过境后的强下沉运动有利于加强动量下传，导致机场风速持续增大。而在风间歇期，机场上空400~800 m高度出现了强上升气流，结合上文可知此时上空出现了暖平流。随后二次起风时，上空强的上升气流再度转为下沉气流，可知此时850 hPa再次出现冷平流，不稳定的气层结构与垂直运动加剧了上下层的动量交换，说明此次过程机场上空冷暖平流和垂直运动的变化与大风的生消和二次起风密切相关，也可以看出此次过程大风速区下传与垂直运动变化均具有明显的阵性，冷平流与下沉气流有利于大风速区下传，使得地面风速增大，反之则有利于风速减小。另外，通过图 4中缺省值变化，结合激光测风雷达在云中严重衰减的特性(吴俊杰等，2023a)，可以推断本次冷锋过境前和过境时机场上空出现较厚云层，雷达的探测高度受到较大影响，冷锋过境后云底高度逐渐抬高，雷达缺测数据也逐渐减少。

由湍流交换系数公式$K=l^2|\partial u / \partial z| $ (吕美仲等，2004)可知，湍流交换系数大小与混合长l和垂直风切变$|\partial u / \partial z| $相关，即风切变越强则湍流活动越强。根据大风速核的高度，选取800 m与400 m高度的风速计算垂直风切变并与地面风速对比(图 5)，可以看出25日16:00至26日04:00受锋面影响，机场上空垂直风切变明显增大，湍流活动的增强使得边界层与地面动量交换明显，加之低空急流的动量下传和强下沉运动作用，地面风速持续增大至机场出现大风，26日05:00—08:00垂直风切变明显减小，出现强上升运动，湍流活动与动量下传减弱，07:00—09:00地面风速不断减小至出现风间歇，但同时垂直风切变突然增大后又减小，受锋后残余冷空气影响，地面风速再次迅速增大，出现二次起风，10:00起地面风速逐渐减小。此次过程低空垂直风切变减弱约2 h后出现地面风间歇，垂直风切变再次增强后机场大风二次起风，激光测风雷达对低空湍流强度的监测能为预报大风的风间歇和二次起风提供一定参考。

4.2 水平风场探测

从PPI模式12°仰角探测的水平风场来看，12月26日00:07在雷达东北方向约5 km处有径向速度负值中心(图 6a)，由于塔台遮蔽，在西南方向同样距离能看到一个不完整的径向速度正值中心，两个中心构成“牛眼”结构(图 6a中红圈)，表明机场高层存在东北风急流。根据速度等值线向雷达中心收敛这一特征，表明风向不随高度变化。同时段PPI模式4°仰角探测到的低层风速增加不明显(图略)。直至01:38，PPI模式的4°仰角图上才出现大片分布不均匀的10 m·s^-1风速大值区(图 7a)，尽管径向风等值线大致向雷达中心收敛，但等值线较为凌乱，尤其是在东北方向可以清晰看到径向风空间上的不均匀性。04:57径向风正负值闭合中心靠近至雷达中心约3 km处，反映出东北风急流减弱且高度降低。靠近图像边缘的径向风等值线表现出反S型特征，表明高空伴有冷平流(图 6b)，此时机场低层风速也有所减弱(图 7b)，6 m·s^-1径向风速线前沿位于雷达东北方向约2 km处并向机场靠近，06:00地面出现过程最大风速，说明此过程高层风速比近地面风速提前增大，监测到大风速区向雷达中心不断移动时需要加以关注，水平风场的风速增加具有不均匀性，与DBS模式探测到的垂直风场变化特征一致。由地面风间歇前约1 h的07:51可以看到(图 6c)，高低空风速和风向趋于一致，高层急流已消失，没有明显的温度平流(图 6c)，低层风速也随之明显减小(图 7c)。地面大风二次起风的10:00前后，机场高层风速略有增加，风场呈现明显的反S型(图 6d)，反映出高层有冷平流补充，与前文温度平流垂直变化特征一致，同时低层径向风场再次出现6 m· s^-1，负值中心位于雷达东北方向约4 km处，径向风等值线较第一次起风更平滑，反映出风场的空间分布较为均匀(图 7d)。综合来看，激光测风雷达PPI扫描模式可以实时监测低空风场变化情况并提前1.0~1.5 h对可能出现的地面大风预警，也可以对机场上空的冷暖平流进行实时监测，在实际业务保障中可以将DBS与PPI扫描模式结合使用，有益于了解大风的三维结构及演变。

5 结论

(1) 2021年12月26日一次锋面过境前机场900 hPa高度风速最先增加，而后850 hPa风速才逐渐增大，锋面影响使机场上空湍流活动增强、动量交换频繁，加之低空急流动量下传与强下沉气流的影响，出现地面大风，影响了当日飞行训练。

(2) 通过激光测风雷达探测的垂直风场发现，此过程机场自动观测系统记录的地面大风出现时间滞后于低空急流减弱时间约4~6 h，动量下传与垂直运动变化情况均具有明显的不均匀性，受冷空气影响时上空的冷平流与下沉气流有利于低空急流动量下传从而使地面风速增大出现大风，暖平流与上升气流会阻碍低空急流动量下传从而使风速减小出现风间歇，低空垂直风切变减弱后约2 h机场出现地面风间歇。

(3) 激光测风雷达12°仰角PPI扫描可以提前1.0~1.5 h对机场下滑道及地面可能出现的大风进行预警，将DBS与PPI扫描模式结合使用对了解大风的三维结构及演变有很大帮助，锋后残余冷空气仍可能会导致近地面的二次起风，在未来业务保障中需注意。

(4) 与传统测风方式相比，激光测风雷达能同时监测机场低空垂直风场和水平风场的精细化演变情况，不仅满足航空气象业务需求，还能实时监测低空急流、垂直运动、湍流强度及冷暖平流的情况，为预报大风及其风间歇和二次起风提供了新的思路和方法。