2013, Vol. 36 
2. 民航华北空管局气象中心，北京 100621
2. Meteorological Center, Air Traffic Management Bureau of North China, CAAC, Beijing 100621
2009年3月23日清晨21：50 UTC(世界时，下同)，FedEx公司一架自中国广州出发的MD-11货机在东京成田机场跑道着陆失败后起火，飞机上有机长和副驾驶员共两人遇难。事故发生后对当时失事原因有多种说法。当时机场附近有强风，最大瞬间风速达20 m·s-1，日本航空地方气象台还发布了强风切变警告。
风切变是一种客观存在的天气现象，是由于风在空间不均匀分布引起的，特别是发生在低层(500 m)的风切变对航空器的起降影响更大。在美国，航空管理局(FAA)研发的低空风切变告警系统(LLWAS)可以判断机场周围是否存在低空风切变，但却无法预报低空风切变。NCEP已经使用集合预报的方式输出低空风切变产品。在我国香港机场建成了包括多种探测手段的集成式低空风切变业务警报系统，是全球为数不多的先进系统，预警低空风切变准确率达到了90%以上。我国对风切变的认识虽然起步比较晚，但是不断有学者提出自己对风切变的识别和分析方法。如王楠等[1]研究了利用多普勒雷达径向速度资料识别低空风切变和辐合线的方法。盛春岩等[2]根据青岛黄岛新一代天气雷达和浮标站等观测资料, 对国际帆船赛期间一次赛场风速突然减小的多普勒雷达特征进行了分析。结果发现, 新一代天气雷达VAD风廓线产品可以较好地反映出雷达站附近风切变层以及风速的垂直变化。张银昌等[3-6]就影响飞行的中小尺度天气进行分析，对飞行和航管人员都具有重要意义。还有一些学者应用数值模拟技术模拟风场环境。如唐灵等[7]运用MM5模式对2001年3月6—9日华东和华南地区一次冷锋天气系统进行了模拟。李佳英等[8]利用北京加密探空资料检验北京市气象局3 km分辨率的MM5模式。均取得一定的成果。
本文应用NCEP再分析资料对当日东京成田机场的天气形势进行分析，并应用非静力平衡中尺度数值预报模式(WRF V2.2)，对本次过程进行数值模拟并诊断分析，意在寻找本次事故的天气成因。
1 天气实况2009年3月22日后半夜，东京成田机场(35.7°N、140.3°E)有一地面锋面过境，风向转为西北，风速逐渐加大，2030 UTC风速达到9 m·s-1，2033 UTC开始出现13 m·s-1的瞬时风速，2041 UTC风向突然发生改变，风速减小为6 m·s-1。说明在锋后的西风气流中风的时间和空间分布很不均匀。21 UTC风向又转为西北，风速继续加大，2130 UTC平均风速达到13 m·s-1并伴有21 m·s-1的瞬时风速，当地气象部门发布了风切变警告，2150 UTC飞机降落过程中不幸坠毁，瞬时风速在2200 UTC后略有减小。
2 天气尺度形势分析2009年3月22日，日本海有一地面低压形成，东移过程中加强。06 UTC地面低压中心位于本州岛西侧135°E附近，低压中心强度为992 hPa，在低压内有一锋面形成，东京成田机场位于锋面前部。在锋面的前部和后部均有一明显大风区，风速12~18 m·s-1，锋面前部大风区为西南风，后部大风区为西北风。12 UTC地面低压中心向东北移动，中心气压变化不大，低压中心后部西北大风区风速有所加大，且前沿已经临近本州岛。之后低压中心和锋面继续向东偏北移动，中心气压进一步降低。18 UTC低压中心气压达到990 hPa(图 1)，此时地面锋面已过成田机场，成田机场风向300°、风速4 m·s-1。23日00 UTC低压中心东北移到北海道以北区域，锋后西北大风区位于140°~145°E之间区域，成田机场位于大风区中心。
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图 1 2009年3月22日18 UTC地面气压场和10 m高度风场 (图中粗实线为锋面，黑点位置为东京成田机场) Fig. 1 Surface pressure and 10-m-level wind fields at 1800 UTC March 22, 2009 (Frontal surface is shown as heavy solid line and the black circle is Tokyo Narita International Airport) |
图 2是2009年3月22日18 UTC 1000 hPa风场和温度图。图中有一气旋位于北海道上空，有高空槽与之配合，槽线正好划过成田机场，机场以东为槽前西南气流，机场以西为槽后西北气流，风向风速有明显气旋式切变。同时次的850 hPa和700 hPa风温图(图略)均与1000 hPa的形势相似，成田机场已经受西北气流控制，说明低层槽线已经划过机场。与低层的槽线位置不同，18 UTC 500 hPa风场和温度图上槽线分为南北两段(图略)，北段槽线位于中国东北的东部，南部的槽线在成田机场西部，成田机场位于槽前，为西南气流。槽线的后部为一急流，风速达42 m·s-1。从槽线结构的垂直配置来看，中低空槽线位置比较一致，600 hPa、500 hPa及其以上槽线相对滞后，从低层到高层槽线为后倾结构。在槽线后部，500 hPa以下各层均有一大风速核。23日00 UTC风温图上，500 hPa槽线已过成田机场，风向转为西北，且各层风速明显加大。
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图 2 2009年3月22日18 UTC 1000 hPa风场和温度场 (图中粗实线为槽线，黑点位置为东京成田机场) Fig. 2 The 100 hPa wind and temperature fields at 1800 UTC March 22, 2009 (The trough line is shown as heavy solid line and the black circle is Tokyo Narita International Airport) |
锋面过境时，其后风速的大小还决定于与之配合的高空各层的温度平流的大小，冷平流的强度愈强、厚度愈大，地面风速愈大。从NCEP再分析资料分析结果表明：12 UTC低层冷平流区位于日本岛中部和西部，从低层到高层呈后倾结构，中低层的冷空气较为接近东京地区，高层冷平流偏后，东京地区为锋前暖气团控制。其后随着锋面过境，冷空气到达东京上空，图 3给出了18 UTC 850 hPa的温度平流。由图可见，东京成田机场上空冷平流强度达到5.0×10-5 ℃·s-1，所在区域的中心强度为8.0×10-5 ℃·s-1。18 UTC 700 hPa东京成田机场上空冷平流强度达到2.5×10-5 ℃·s-1(图略)，而此时500 hPa及其以上层次的温度平流为正值，说明高层冷空气还没有到达。00 UTC 500 hPa温度平流转为负值，冷空气接近。
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图 3 2009年3月22日18 UTC 850 hPa温度平流 (黑点位置为东京成田机场) Fig. 3 Temperature for 850 hPa level at 1800 UTC March 22, 2009 (The black circle is Tokyo Narita International Airport) |
在强冷空气来临时，冷空气愈强，其下沉的垂直速度愈大，空气到达近地层的水平风速也愈大。同时冷空气的下沉也有利于高空的动量下传，当高空风速加大，由于动量下传，地面风速也会加大。图 4是22日18 UTC沿35.7°N、120°~150°E垂直速度的垂直剖面图。由图可见，1000 hPa成田国际机场(140.3°E)处在下沉速度区，下沉速度为4.0 Pa·s-1，900 hPa的下沉速率明显比低层大，为5.6 Pa·s-1，850 hPa以下下沉速度都较大，700 hPa ~500 hPa机场处于下沉速度中心的前沿。
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图 4 2009年3月22日18 UTC沿35.7°N的120°~150°E垂直速度的垂直剖面图 (黑线位置为成田机场) Fig. 4 The vertical profile of vertical velocity between 120°E and 150°E along latitude 35.7°N at 1800 UTC March 22, 2009 (The black line represents Tokyo Narita) |
以上是应用NCEP再分析资料，对22日06 UTC至23日00 UTC的大尺度天气条件分析，飞机2150 UTC在东京成田国际机场降落时失事，但NCEP资料为每6小时一次的整点资料，不能满足此时间尺度的要求，为探求事故发生时以及前后天气条件的详细情况，将此次过程进行了模拟分析。
4 数值模拟分析应用非静力平衡中尺度数值预报模式(WRF V2.2)对该过程模拟，模拟区域为30°~47°N、125°~150°E，分辨率为1 km。模拟时间为2009年3月22日12—24 UTC。
为了检验数值模拟的效果，首先对模拟的形势场、温压场特征与实况进行对比分析。考虑到积分初期产生的计算不稳定，18 UTC前的形势场没有参加比对。18 UTC、00 UTC各层风场及温度场与实况基本吻合，槽线的后倾结构和槽线的位置大致相同。可以说模式对此天气过程的大尺度环流背景及影响系统的模拟是比较成功的。
图 5是当日18—22 UTC 850 hPa的位温平流模拟图。从图中东京成田国际机场(黑点位置)位温平流的值可以看出：18—20 UTC，850 hPa位温平流的负值逐渐增大，能量降低，表明有干冷空气侵入；20 UTC位温平流达到-6.0×10-5 ℃·s-1(图 5c)；21 UTC(图 5d)东京成田机场位温平流的值变化不大，但梯度加大，西部平流中心的负值也在增加；2150 UTC和22 UTC东京成田机场维持在强位温平流梯度区。配合当时天气实况发现，21 UTC位温平流梯度增加时，地面风力加大，瞬时风速达到18 m·s-1，表明位温平流梯度的增大比位温平流本身增大对瞬时风速的作用更大，强风发生在位温平流梯度区。
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图 5 2009年3月22日18—22 UTC 850 hPa温度平流模拟图 (a) 18 UTC；(b) 19 UTC；(c) 20 UTC；(d) 21 UTC；(e) 2150 UTC；(f) 22 UTC Fig. 5 Temperature fields for 850 hPa level during 1800-2200 UTC March 22, 2009 (The black dot is Tokyo Narita international airport) at different times:(a) 18 UTC, (b) 19 UTC, (c) 20 UTC, (d) 21 UTC, (e) 2150 UTC and (f) 22 UTC |
由模拟输出的东京成田国际机场18—22 UTC垂直方向水平风的时间序列图(图略)可见，18 UTC 700 hPa以下层次为槽后西北气流，700 hPa以上为槽前西南气流，19 UTC后700 hPa以上各层转为西北气流，比地面西北风加大的时间提前1个小时。图 6是东京成田国际机场上空垂直速度18—23 UTC时间序列图。由图 6可见，18—20 UTC 850 hPa以下均为下沉速度但速度较小，20 UTC后下沉速度的值和垂直厚度都在增加，22 UTC前后低层垂直速度达到最大值。其中975 hPa(接近地面高度)垂直速度2030—2130 UTC下沉速度处于增大阶段(图 7)，2130—2200 UTC最大下沉速度达到10.5 Pa·s-1左右，随后有所减小。可见在飞机发生事故时的2150 UTC，强且不稳定的下沉气流，是飞机失事的原因之一。
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图 6 2009年3月22日18—23 UTC东京成田国际机场950~500 hPa垂直速度时间序列图 Fig. 6 Vertical velocity distribution between 950 and 500 hPa during 1800-2300 UTC March 22, 2009 at Tokyo Narita International Airport |
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图 7 2009年3月22日975 hPa东京成田国际机场20—23 UTC垂直速度图 Fig. 7 The 975 hPa vertical velocity variation during 2000-2300UTC March 22, 2009 at Tokyo Narita International Airport |
在强冷空气侵袭下，东京成田机场2108 UTC风速明显增大(图 8)，西北风平均风速达到13 m·s-1，阵风18 m·s-1，2130 UTC阵风达21 m·s-1，在飞机发生事故时的2150 UTC, 阵风维持在20 m·s-1之上, 说明强冷空气影响下的强风是飞机失事的又一原因。
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图 8 2009年3月22日1700—2330 UTC东京成田机场平均风速时间序列图 Fig. 8 Average wind speed during 1700-2330 UTC March 22, 2009 at Tokyo Narita International Airport |
图 9是2009年3月22日2150 UTC东京成田国际机场模拟风廓线图。从水平风的垂直分布可见, 低层存在风速的不连续, 尤其在900 hPa高度, 是一风速从低到高先增大后减小的尖点，有较大的风速切变，而且切变发生在如此低的高度上，可能是当时飞机失事的主要原因。
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图 9 2009年3月22日2150 UTC东京成田国际机场模拟风廓线图 Fig. 9 Simulated wind profile at 2150 UTC March 22, 2009 at Tokyo Narita International Airport |
由上述分析我们可以得出以下结论：
(1) 2009年3月22日东京成田机场的冷锋过境天气过程，从低层到高层系统呈后倾结构，冷锋后西北风速大，冷平流强。
(2) 位温平流代表了干冷空气的能量平流，地面强风发生在低层位温平流梯度区。
(3) 强冷空气影响下形成的低空水平风的垂直切变、低层强下沉速度引起的侧风切变和地面强风是造成此次事故的主要气象原因。
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