風切變

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風切變（Wind shear/Windshear），又稱風剪、風切變，是指大氣中在相對較短的距離內，風速和/或風向發生變化的現象。大氣風切變通常分為垂直風切變和水平風切變。

風切變本身屬於微尺度氣象現象，發生距離極短，但它常與颮線、冷鋒等中尺度或天氣尺度氣象學的天氣系統相伴隨。這種現象常見於雷暴引起的微爆氣流和下擊暴流附近，也常見於鋒面、低空急流（局部低空風速較大區域）、山脈附近、因晴空微風引發的輻射逆溫層、建築物、風力發電機以及帆船周圍。風切變對飛機的操控有重大影響，是導致許多飛行事故的唯一原因或誘因。

除此之外，聲音在大氣中的傳播也會受到風切變的影響。風切變會使聲波前發生彎曲，導致在通常聽不到聲音的地方也能聽到聲音。此外，對流層內強烈的垂直風切變會抑制熱帶氣旋的發展，但有助於將單一雷暴組織成生命周期更長的強對流天氣。熱風概念則闡明了不同高度的風速差異如何取決於水平溫度差異，並解釋了急流的存在。

## 定義

風切變是指風速和/或風向在水平或垂直距離上的變化。根據兩點高度之間的差異，風切變可分為水平和垂直兩大類。

### 垂直風切變

是指垂直於地表方向上風速或風向隨高度的劇烈變化。強烈的垂直風切變的存在會對橋梁、高層建築、航空飛行等造成強烈的破壞作用。這可造成橋梁樓房坍塌、飛機墜毀等惡性事故，會給人們的生活造成嚴重影響。

### 水平風切變

在水平方向上相近的兩點之間，風速或風向發生急速轉變的現象。

在飛行高度層，飛行員通常將對輕型飛機造成30kn，對大型客機造成近45kn的水平空速變化視為顯著風切變。此外，超過4.9kn的垂直風速變化同樣屬於影響飛機的顯著風切變。低空風切變會在起飛和著陸階段對飛機空速產生災難性影響，因此客機飛行員都接受過避開所有微下擊暴流風切變（頂風損失超過30kn）的訓練。

## 發生場景

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常見到風切變的氣象場景包括：

- 天氣鋒面：當鋒面兩側的溫差達到5°C或以上，且鋒面移動速度達到30kn或更快時，會出現顯著的風切變。由於鋒面是三維立體現象，鋒面切變可在對流層頂與地面之間的任何高度觀測到，因此兼具水平和垂直切變。相較於冷鋒附近及後方，暖鋒上方的垂直風切變由於持續時間更長，對航空安全的威脅更大。
- 逆溫層：在晴朗無風的夜晚，地面附近會形成輻射逆溫。此時，地表摩擦力無法影響逆溫層頂部的上空風力。風向的變化可達 90 度，風速變化可達40kn，有時甚至能觀測到夜間低空急流。這種切變往往在接近日出時達到最強。此外，空氣密度的差異也會給飛行安全帶來額外問題。
- 下擊暴流：當源頭雷暴產生的薄層降水冷卻空氣在地面附近擴散並形成外流邊界時，該三維邊界的前緣會產生風速和風向切變。流出邊界越強，隨之產生的垂直風切變就越劇烈。
- 高空急流：與高空急流緊密相關的是晴空亂流現象。這是由急流邊緣風梯度引發的垂直和水平風切變所致。晴空顛簸在急流的反氣旋切變側最為強烈，通常位於急流軸的旁邊或緊下方。
- 低空急流：當冷鋒前方的地面夜間形成夜間低空急流時，其下部會產生顯著的低空垂直風切變。由於該現象並非由附近的雷暴引發，因此也被稱為非對流性風切變。
- 山脈

## 水平分量

### 天氣鋒面

鋒面是兩種不同密度（或不同溫度、濕度特徵）氣團之間的交界面，通常是風場中的輻合帶，這也是引發劇烈天氣的主要原因。在地面天氣分析中，鋒面通過各種顏色的線條和符號來表示。不同氣團之間通常存在溫差，也可能存在濕度差異，而水平風切變就發生在這些邊界附近。

冷鋒常伴隨狹窄的雷暴帶和強對流天氣，其前方可能出現颮線和幹線。與暖鋒相比，冷鋒的地面邊界更為鋒利，伴隨的水平風切變也更為顯著。當鋒面轉為準靜止狀態時，它可能會演變成一條分隔不同風速區域的界線，即切變線，不過此時穿過該線的風向通常保持一致。

在熱帶地區，熱帶波動（東風波）自東向西橫穿大西洋和東太平洋海盆。在較強熱帶波動的軸線兩側會產生風向和風速切變：波動軸線前方為偏北風，後方則轉為東南風。此外，局地陸風和海風邊界處也會出現水平風切變。

### 海岸線附近

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近海風速的大小几乎是陸上觀測風速的兩倍，這主要是由陸地與近海水面之間的摩擦力差異所致。有時甚至會出現風向差異，尤其是在白天局地海風改變了陸上風向的情況下。

## 垂直分量

### 熱成風

熱成風是一個氣象學概念，它並不是指一種實際存在的風，而是指兩個不同氣壓面（p1 和 p0，且 p1 < p0）之間地轉風的差值，其實質就是一種風切變。

熱成風僅存在於溫度存在水平變化（或海洋中密度存在水平梯度）的大氣中，即斜壓大氣。在溫度均勻的正壓大氣中，地轉風不隨高度變化。之所以被稱為「熱成風」，是因為這種虛擬的風環流繞過低溫（和高溫）區域的方式，與地轉風環流繞過低壓（和高壓）區域的方式完全相同。

熱成風方程如下：

$$f \mathbf{v}_T = \mathbf{k} \times \nabla \left( \boldsymbol{\varphi}_1 - \boldsymbol{\varphi}_0 \right)$$

其中，φ 為位勢高度場（且 φ1 > φ0），f 為科里奧利參數（地轉偏向力參數），k 為垂直方向向上的單位向量。需要注意的是，熱成風方程並不適用於確定熱帶地區的風場。因為在赤道附近 f 值極小甚至為零，該方程此時僅能說明 ∇(φ1 − φ0) 趨近於零。

### 行星邊界層

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由於地表摩擦力的存在，高空風在向地面降低時會受到阻礙。與地球表面上方遠處的無摩擦自由大氣相比，地表摩擦力會促使近地面風速減慢，並在北半球逆時針偏轉（向低壓側回切），從而跨越等壓線吹向內側。

這個因摩擦力導致風速減慢且風向發生改變的大氣層被稱為大氣邊界層（有時也稱行星邊界層或埃克曼層）。該層厚度在白天最厚，夜間最薄：

- 白天：太陽輻射加熱地面，熱力對流使得近地面空氣與高空風的混合日益劇烈，導致邊界層變厚。
- 夜間：地面發生輻射冷卻，近地面風力趨於平靜，這加劇了地表風與邊界層上方高空風的「解耦」現象（即兩者互不影響），從而使風切變增大。

這種風場的轉變導致了邊界層與高空風之間的風切變，而這種切變在夜間最為顯著。

### 聲音傳播

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風切變對低層大氣中的聲音傳播有顯著影響，聲波會因折射現象而發生「彎曲」。能否聽到來自遠處聲源（如雷聲或槍聲）的聲音，很大程度上取決於風切變的大小。這種聲級差異的現象在噪聲污染防治中至關重要（例如公路噪聲和飛機噪聲），在設計隔音屏障時必須予以考慮。該現象於 20 世紀 60 年代首次被引入噪聲污染研究領域，為城市高速公路及隔音牆的設計做出了貢獻。

聲音的速度隨溫度的變化而變化。由於氣溫和聲速通常隨高度增加而降低，聲波會向上折射，遠離地面的聽眾，從而在距離聲源一定距離的地方形成聲影。在 1862 年美國內戰的艾猶卡之戰期間，由於東北風加劇了聲影區現象，導致駐紮在順風方向僅6miles處的聯邦軍兩個師因聽不到交火聲而未能參戰。

### 對熱帶氣旋的影響

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熱帶氣旋本質上是一種熱機，其能量源自溫暖的熱帶海洋表面與寒冷的高空大氣之間的溫度梯度。熱帶氣旋的發展需要相對較低的垂直風切變，這樣其暖心結構才能保持在地面環流中心之上，進而促進氣旋增強。當面對強烈的垂直風切變時，熱帶氣旋的高層環流會被吹離低層中心，導致氣旋整體結構被破壞而減弱。

### 對雷暴和強對流天氣的影響

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強雷暴（可引發龍捲風和冰雹）需要風切變的存在來優化其內部結構，從而使雷暴能夠維持更長時間。風切變的作用在於將雷暴的上升入流與受降水冷卻的下沉流出在空間上隔離開來。

夜間增強的低空急流會加大貫穿整個對流層的垂直風切變，從而提高強對流天氣的發生機率。相反，在幾乎沒有垂直風切變的大氣環境中，雷暴一旦向四周釋放出外流邊界，就會迅速切斷自身相對溫暖、濕潤的空氣入流，導致雷暴很快消散。

### 對飛行的影響

#### 滑翔

在滑翔飛行中，緊貼地面上方的風梯度會嚴重影響滑翔機的起飛和著陸階段。

- 地面彈射起飛（又稱絞盤或鋼索牽引起飛）：風梯度對其有明顯影響。如果風梯度顯著或突然變化，而飛行員保持原有的俯仰姿態不變，指示空速就會上升，甚至可能超過地面牽引的最大允許速度。飛行員必須及時調整空速以化解風梯度的影響。
- 五邊進近著陸：當風力強勁時，風切變是一大危及安全的隱患。隨著滑翔機在最終進近階段順著風梯度下降，其空速會降低而下降率會增大，此時在接觸地面之前根本沒有足夠的時間來重新加速。飛行員必須預判風梯度的存在，並採用更高的進近速度來進行補償。
- 低空大坡度盤旋：風切變對在地面附近進行大坡度轉彎的航空器同樣構成威脅。由於滑翔機的翼展相對較長，在特定的坡度角下，兩側翼尖所承受的風速差更大，這一問題尤為突出。每個翼尖經歷的不同空速可能導致其中一側機翼發生氣動失速，從而引發失控墜機事故。

#### 翱翔

信天翁等翱翔鳥類利用風切變進行翱翔，即動力翱翔，這樣它們無需振翅即可維持飛行。如果風切變足夠強，鳥類就可以迎風爬升進入風梯度中，在保持空速的同時將地速轉化為高度。隨後，它們通過轉向順風並順著風梯度俯衝，可以再次獲取能量。滑翔機飛行員在極少數情況下也會利用這種技術。

風切變還能產生大氣波動。當大氣逆溫層將兩個風向有顯著差異的氣層隔開時，就會發生這種現象。如果高空風遇到由下方上升的熱氣流所引起的逆溫層變形，就會產生強烈的切變波，滑翔機可利用這種波動進行翱翔。

#### 對客機的影響

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風切變對飛機極其危險，尤其是在起飛和著陸階段。風速的突然變化會導致空速迅速下降，致使飛機無法維持飛行高度。

風切變可以通過都卜勒雷達進行探測。機場可以配備低空風切警告系統或機場都卜勒天氣雷達，飛機自身也可以安裝空中風切變檢測和警告系統。繼 1985 年達美航空 191 號班機墜毀後，美國聯邦航空管理局於 1988 年做出強制規定，要求所有商業客機必須在 1993 年前安裝機載風切變探測與預警系統。此外，在許多常受風切變影響的美國機場安裝高解析度終端都卜勒天氣雷達站，進一步提升了飛行員和地面管制員避開風切變環境的能力。

風切變曾導致多起致命空難，包括美國東方航空 66 號班機事故、泛美航空 759 號班機事故、以及全美航空 1016 號班機事故等。

##### 實例

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1985年，美國達美航空191號班機於達拉斯-沃斯堡國際機場墜毀，造成137人死亡。從此，風切變被當作一項國際課題開始研究。據美國博爾德全國大氣研究中心的負責人科爾曼說，1985年以後，美國所有的飛機都安裝了風切變檢測儀。加拿大1990年代開始安裝。

2009年3月23日，聯邦快遞80號班機在日本成田國際機場降落時，受風切變影響而墜毀，2名駕駛員遇難。

### 帆船航行

風切變對行駛中的帆船也有影響，它會導致沿桅杆不同高度處的風速和風向存在差異。在帆船設計中，可以將低空風切變的影響納為設計參數，通過調整帆扭角帆扭角來應對，但由於風切變在不同天氣條件下的變化極大，準確預測仍具挑戰。因此，水手在航行時通常會臨時調整風帆的配平，例如利用帆桁下拉索來抵消低空風切變的影響。

### 對建築工程的影響

#### 風工程學

風工程學是致力於分析風對自然與人造環境影響的工程學領域。其研究對象既包括會引發人體不適的強風，也包括龍捲風、颶風和暴風雨等可能造成大範圍破壞的極端風暴。風工程學融合了氣象學、空氣動力學以及多個專業工程學科，常用工具包括氣候模型、大氣邊界層風洞和數值模型。其中，如何在外牆及結構工程中精確計算風對建築物的衝擊力，是該學科的核心課題之一。

#### 風力發電機

風力發電機受垂直風切變的影響顯著。由於垂直方向上的風速梯度，風機葉片旋轉至最接近地面時的風速，與旋轉至最高點時存在明顯差異，這直接影響到風機的運行效率和機械壽命。這種低空風切變會導致風機葉片在旋轉過程中承受不均勻的載荷，尤其是當雙葉片風機的葉片旋轉至垂直位置時，會在轉軸上產生巨大的彎矩等機械應力。相比之下，海面上的風切變相對較弱（因為水面摩擦力小），因此在淺海地區可以使用更短、成本更低的塔筒。

## 另請參閱

- 微下擊暴流 - 以順風方向吹流經飛行器的局部性下沉氣流，使飛行器升力大減
- 熱帶氣旋
- 溫帶氣旋
- 蒲福氏風級
- 航空安全
- 中華航空642號班機事故