风切变

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风切变（Wind shear/Windshear），又称风剪、风切，是指大气中在相对较短的距离内，风速和/或风向发生变化的现象。大气风切变通常分为垂直风切变和水平风切变。

风切变本身属于微尺度气象现象，发生距离极短，但它常与飑线、冷锋等中尺度或天气尺度气象学的天气系统相伴随。这种现象常见于雷暴引起的微爆气流和下击暴流附近，也常见于锋面、低空急流（局部低空风速较大区域）、山脉附近、因晴空微风引发的辐射逆温层、建筑物、风力发电机以及帆船周围。风切变对飞机的操控有重大影响，是导致许多飞行事故的唯一原因或诱因。

除此之外，声音在大气中的传播也会受到风切变的影响。风切变会使声波前发生弯曲，导致在通常听不到声音的地方也能听到声音。此外，对流层内强烈的垂直风切变会抑制热带气旋的发展，但有助于将单一雷暴组织成生命周期更长的强对流天气。热风概念则阐明了不同高度的风速差异如何取决于水平温度差异，并解释了急流的存在。

## 定义

风切变是指风速和/或风向在水平或垂直距离上的变化。根据两点高度之间的差异，风切变可分为水平和垂直两大类。

### 垂直风切变

是指垂直于地表方向上风速或风向随高度的剧烈变化。强烈的垂直风切变的存在会对桥梁、高层建筑、航空飞行等造成强烈的破坏作用。这可造成桥梁楼房坍塌、飞机坠毁等恶性事故，会给人们的生活造成严重影响。

### 水平风切变

在水平方向上相近的两点之间，风速或风向发生急速转变的现象。

在飞行高度层，飞行员通常将对轻型飞机造成30kn，对大型客机造成近45kn的水平空速变化视为显著风切变。此外，超过4.9kn的垂直风速变化同样属于影响飞机的显著风切变。低空风切变会在起飞和着陆阶段对飞机空速产生灾难性影响，因此客机飞行员都接受过避开所有微下击暴流风切变（顶风损失超过30kn）的训练。

## 发生场景

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常见到风切变的气象场景包括：

- 天气锋面：当锋面两侧的温差达到5°C或以上，且锋面移动速度达到30kn或更快时，会出现显著的风切变。由于锋面是三维立体现象，锋面切变可在对流层顶与地面之间的任何高度观测到，因此兼具水平和垂直切变。相较于冷锋附近及后方，暖锋上方的垂直风切变由于持续时间更长，对航空安全的威胁更大。
- 逆温层：在晴朗无风的夜晚，地面附近会形成辐射逆温。此时，地表摩擦力无法影响逆温层顶部的上空风力。风向的变化可达 90 度，风速变化可达40kn，有时甚至能观测到夜间低空急流。这种切变往往在接近日出时达到最强。此外，空气密度的差异也会给飞行安全带来额外问题。
- 下击暴流：当源头雷暴产生的薄层降水冷却空气在地面附近扩散并形成外流边界时，该三维边界的前缘会产生风速和风向切变。流出边界越强，随之产生的垂直风切变就越剧烈。
- 高空急流：与高空急流紧密相关的是晴空乱流现象。这是由急流边缘风梯度引发的垂直和水平风切变所致。晴空颠簸在急流的反气旋切变侧最为强烈，通常位于急流轴的旁边或紧下方。
- 低空急流：当冷锋前方的地面夜间形成夜间低空急流时，其下部会产生显著的低空垂直风切变。由于该现象并非由附近的雷暴引发，因此也被称为非对流性风切变。
- 山脉

## 水平分量

### 天气锋面

锋面是两种不同密度（或不同温度、湿度特征）气团之间的交界面，通常是风场中的辐合带，这也是引发剧烈天气的主要原因。在地面天气分析中，锋面通过各种颜色的线条和符号来表示。不同气团之间通常存在温差，也可能存在湿度差异，而水平风切变就发生在这些边界附近。

冷锋常伴随狭窄的雷暴带和强对流天气，其前方可能出现飑线和干线。与暖锋相比，冷锋的地面边界更为锋利，伴随的水平风切变也更为显著。当锋面转为准静止状态时，它可能会演变成一条分隔不同风速区域的界线，即切变线，不过此时穿过该线的风向通常保持一致。

在热带地区，热带波动（东风波）自东向西横穿大西洋和东太平洋海盆。在较强热带波动的轴线两侧会产生风向和风速切变：波动轴线前方为偏北风，后方则转为东南风。此外，局地陆风和海风边界处也会出现水平风切变。

### 海岸线附近

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近海风速的大小几乎是陆上观测风速的两倍，这主要是由陆地与近海水面之间的摩擦力差异所致。有时甚至会出现风向差异，尤其是在白天局地海风改变了陆上风向的情况下。

## 垂直分量

### 热成风

热成风是一个气象学概念，它并不是指一种实际存在的风，而是指两个不同气压面（p1 和 p0，且 p1 < p0）之间地转风的差值，其实质就是一种风切变。

热成风仅存在于温度存在水平变化（或海洋中密度存在水平梯度）的大气中，即斜压大气。在温度均匀的正压大气中，地转风不随高度变化。之所以被称为“热成风”，是因为这种虚拟的风环流绕过低温（和高温）区域的方式，与地转风环流绕过低压（和高压）区域的方式完全相同。

热成风方程如下：

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

其中，φ 为位势高度场（且 φ1 > φ0），f 为科里奥利参数（地转偏向力参数），k 为垂直方向向上的单位向量。需要注意的是，热成风方程并不适用于确定热带地区的风场。因为在赤道附近 f 值极小甚至为零，该方程此时仅能说明 ∇(φ1 − φ0) 趋近于零。

### 行星边界层

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由于地表摩擦力的存在，高空风在向地面降低时会受到阻碍。与地球表面上方远处的无摩擦自由大气相比，地表摩擦力会促使近地面风速减慢，并在北半球逆时针偏转（向低压侧回切），从而跨越等压线吹向内侧。

这个因摩擦力导致风速减慢且风向发生改变的大气层被称为大气边界层（有时也称行星边界层或埃克曼层）。该层厚度在白天最厚，夜间最薄：

- 白天：太阳辐射加热地面，热力对流使得近地面空气与高空风的混合日益剧烈，导致边界层变厚。
- 夜间：地面发生辐射冷却，近地面风力趋于平静，这加剧了地表风与边界层上方高空风的“解耦”现象（即两者互不影响），从而使风切变增大。

这种风场的转变导致了边界层与高空风之间的风切变，而这种切变在夜间最为显著。

### 声音传播

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风切变对低层大气中的声音传播有显著影响，声波会因折射现象而发生“弯曲”。能否听到来自远处声源（如雷声或枪声）的声音，很大程度上取决于风切变的大小。这种声级差异的现象在噪声污染防治中至关重要（例如公路噪声和飞机噪声），在设计隔音屏障时必须予以考虑。该现象于 20 世纪 60 年代首次被引入噪声污染研究领域，为城市高速公路及隔音墙的设计做出了贡献。

声音的速度随温度的变化而变化。由于气温和声速通常随高度增加而降低，声波会向上折射，远离地面的听众，从而在距离声源一定距离的地方形成声影。在 1862 年美国内战的艾犹卡之战期间，由于东北风加剧了声影区现象，导致驻扎在顺风方向仅6miles处的联邦军两个师因听不到交火声而未能参战。

### 对热带气旋的影响

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热带气旋本质上是一种热机，其能量源自温暖的热带海洋表面与寒冷的高空大气之间的温度梯度。热带气旋的发展需要相对较低的垂直风切变，这样其暖心结构才能保持在地面环流中心之上，进而促进气旋增强。当面对强烈的垂直风切变时，热带气旋的高层环流会被吹离低层中心，导致气旋整体结构被破坏而减弱。

### 对雷暴和强对流天气的影响

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强雷暴（可引发龙卷风和冰雹）需要风切变的存在来优化其内部结构，从而使雷暴能够维持更长时间。风切变的作用在于将雷暴的上升入流与受降水冷却的下沉流出在空间上隔离开来。

夜间增强的低空急流会加大贯穿整个对流层的垂直风切变，从而提高强对流天气的发生概率。相反，在几乎没有垂直风切变的大气环境中，雷暴一旦向四周释放出外流边界，就会迅速切断自身相对温暖、湿润的空气入流，导致雷暴很快消散。

### 对飞行的影响

#### 滑翔

在滑翔飞行中，紧贴地面上方的风梯度会严重影响滑翔机的起飞和着陆阶段。

- 地面弹射起飞（又称绞盘或钢索牵引起飞）：风梯度对其有明显影响。如果风梯度显著或突然变化，而飞行员保持原有的俯仰姿态不变，指示空速就会上升，甚至可能超过地面牵引的最大允许速度。飞行员必须及时调整空速以化解风梯度的影响。
- 五边进近着陆：当风力强劲时，风切变是一大危及安全的隐患。随着滑翔机在最终进近阶段顺着风梯度下降，其空速会降低而下降率会增大，此时在接触地面之前根本没有足够的时间来重新加速。飞行员必须预判风梯度的存在，并采用更高的进近速度来进行补偿。
- 低空大坡度盘旋：风切变对在地面附近进行大坡度转弯的航空器同样构成威胁。由于滑翔机的翼展相对较长，在特定的坡度角下，两侧翼尖所承受的风速差更大，这一问题尤为突出。每个翼尖经历的不同空速可能导致其中一侧机翼发生气动失速，从而引发失控坠机事故。

#### 翱翔

信天翁等翱翔鸟类利用风切变进行翱翔，即动力翱翔，这样它们无需振翅即可维持飞行。如果风切变足够强，鸟类就可以迎风爬升进入风梯度中，在保持空速的同时将地速转化为高度。随后，它们通过转向顺风并顺着风梯度俯冲，可以再次获取能量。滑翔机飞行员在极少数情况下也会利用这种技术。

风切变还能产生大气波动。当大气逆温层将两个风向有显著差异的气层隔开时，就会发生这种现象。如果高空风遇到由下方上升的热气流所引起的逆温层变形，就会产生强烈的切变波，滑翔机可利用这种波动进行翱翔。

#### 对客机的影响

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风切变对飞机极其危险，尤其是在起飞和着陆阶段。风速的突然变化会导致空速迅速下降，致使飞机无法维持飞行高度。

风切变可以通过多普勒雷达进行探测。机场可以配备低空风切警告系统或机场多普勒天气雷达，飞机自身也可以安装空中风切变检测和警告系统。继 1985 年达美航空 191 号班机坠毁后，美国联邦航空管理局于 1988 年做出强制规定，要求所有商业客机必须在 1993 年前安装机载风切变探测与预警系统。此外，在许多常受风切变影响的美国机场安装高分辨率终端多普勒天气雷达站，进一步提升了飞行员和地面管制员避开风切变环境的能力。

风切变曾导致多起致命空难，包括美国东方航空 66 号班机事故、泛美航空 759 号班机事故、以及全美航空 1016 号班机事故等。

##### 实例

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1985年，美国达美航空191号班机于达拉斯-沃斯堡国际机场坠毁，造成137人死亡。从此，风切变被当作一项国际课题开始研究。据美国博尔德全国大气研究中心的负责人科尔曼说，1985年以后，美国所有的飞机都安装了风切变检测仪。加拿大1990年代开始安装。

2009年3月23日，联邦快递80号班机在日本成田国际机场降落时，受风切变影响而坠毁，2名驾驶员遇难。

### 帆船航行

风切变对行驶中的帆船也有影响，它会导致沿桅杆不同高度处的风速和风向存在差异。在帆船设计中，可以将低空风切变的影响纳为设计参数，通过调整帆扭角帆扭角来应对，但由于风切变在不同天气条件下的变化极大，准确预测仍具挑战。因此，水手在航行时通常会临时调整风帆的配平，例如利用帆桁下拉索来抵消低空风切变的影响。

### 对建筑工程的影响

#### 风工程学

风工程学是致力于分析风对自然与人造环境影响的工程学领域。其研究对象既包括会引发人体不适的强风，也包括龙卷风、飓风和暴风雨等可能造成大范围破坏的极端风暴。风工程学融合了气象学、空气动力学以及多个专业工程学科，常用工具包括气候模型、大气边界层风洞和数值模型。其中，如何在外墙及结构工程中精确计算风对建筑物的冲击力，是该学科的核心课题之一。

#### 风力发电机

风力发电机受垂直风切变的影响显著。由于垂直方向上的风速梯度，风机叶片旋转至最接近地面时的风速，与旋转至最高点时存在明显差异，这直接影响到风机的运行效率和机械寿命。这种低空风切变会导致风机叶片在旋转过程中承受不均匀的载荷，尤其是当双叶片风机的叶片旋转至垂直位置时，会在转轴上产生巨大的弯矩等机械应力。相比之下，海面上的风切变相对较弱（因为水面摩擦力小），因此在浅海地区可以使用更短、成本更低的塔筒。

## 另请参阅

- 微下击暴流 - 以顺风方向吹流经飞行器的局部性下沉气流，使飞行器升力大减
- 热带气旋
- 温带气旋
- 蒲福氏风级
- 航空安全
- 中华航空642号班机事故