Plateau Meteorology

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2026 , Vol. 45 >Issue 3: 678 - 690

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00091

Analysis of the Impact of Coupled Gravity Waves on the Low-altitude Catastrophic Gust at Kunming Changshui International Airport

  • Wendong HU , 1, 2 ,
  • Yu PENG 1, 2 ,
  • Tiangui XIAO 1, 2 ,
  • Wenjie ZHOU 1 ,
  • Yixue DENG 3 ,
  • Jingyi TAO 4
Expand
  • 1. College of Atmospheric Sciences/ Sichuan Key Laboratory of Plateau Atmosphere and Environment/ Sichuan Engineering Laboratory for Meteorological Disaster Prediction and Warning，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，Sichuan，China
  • 2. Yunnan Research and Development Center for Natural Disaster Prevention Technology，Chengdu University of Information Technology，Kunming 650034，Yunnan，China
  • 3. Yunnan Provincial Meteorological Observatory，Kunming 650034，Yunnan，China
  • 4. College of Earth Sciences，Yunnan University，Kunming 650091，Yunnan，China

Received date: 2025-02-20

  Revised date: 2025-07-29

  Online published: 2026-05-22

Copyright

© Editorial Department of Plateau Meteorology （CC BY-NC-ND）
Fold

Abstract

On March 27， 2024， a disastrous gust damaged the terminal building at Kunming Changshui International Airport in Yunnan， China.The role of coupled atmospheric gravity waves in this event is examined using conventional surface meteorological observations， high-resolution mesoscale surface network， upper-air sounding data， ERA5 reanalysis data and FY-2G geostationary satellite imagery.The results show that： （1） After solar heating in the morning， an atmospheric gravity wave originating over the Hengduan Mountains propagated southeastward under the influence of westerly flow.Meanwhile， another gravity wave generated over the Ailao Mountains propagated northeastward.These two gravity waves met near 100.56°E， 25°N about 09:53（Beijing Time）， producing a significant coupling effect.（2） Based on the force analysis within a statically stable atmospheric layer and the initial perturbations induced by orographic lifting of the background flow， the analytical mathematics formula of the gravity wave was derived.Using satellite observations and infrared cloud imagery， the key parameters of each gravity waves including significant amplitude， wavelength， intrinsic frequency， and phase speed-were quantitatively obtained.（3） By harmonic analysis， the coupled wave with its zonal and meridional components were determined.The coupled wave induced substantial vertical motions above the airport： the zonal component generated a downward motion of 18 m·s-1， contributing positively to the surface winds， while the meridional component produced a weaker upward motion of 1 m·s-1， exerting a negative contribution.（4） The comprehensive effect of the coupled gravity waves and the DCAPE releasing generated a strong subsiding airflow， which enhanced the downward transport of upper-level jet momentum.This momentum transition was combined with the near-surface horizontal wind field， ultimately resulting in a catastrophic surface gust reaching 86.5 m·s-1， causing severe structural damage to the main terminal building of Kunming Airport.Quantitative assessment indicates that gravity waves contributed approximately 19.65% to the total wind speed.In contrast， the presence of either gravity wave A or B alone without coupling effect would account for a maximum wind speed contribution of only about 10 m·s-1.The role of gravity wave coupling is of critical in intensifying subsidence and promoting the extreme low-level wind hazards.

Key words： gravity wave; coupling; airport; low-altitude; catastrophic gust; aeronautical meteorology

Cite this article

Wendong HU , Yu PENG , Tiangui XIAO , Wenjie ZHOU , Yixue DENG , Jingyi TAO . Analysis of the Impact of Coupled Gravity Waves on the Low-altitude Catastrophic Gust at Kunming Changshui International Airport[J]. Plateau Meteorology, 2026 , 45(3) : 678 -690 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00091

1 引言

低空经济是以航空载运与作业装备技术为主要工具、 以低空空域为主要活动场域、 以低空飞行活动为最终产出形式的系列经济活动领域， 正展现出巨大的发展潜力和广阔的市场前景（覃睿， 2023）。
尽管低空经济前景光明， 但却面临着诸多挑战， 其中航空气象保障的欠缺尤为突出。在大气科学发展的历史进程中， 人类一直关注地表的气象条件， 如1.5 m气温、 10 m风向风速等等， 同时积累了高空如500 hPa、 700 hPa、 850 hPa的相关预报分析经验。但对低空， 特别是地面之上300 m左右的低空开放区域， 却并无成熟可靠的预报能力， 低空气象保障存在很大不足。因此， 加强航空气象保障研究， 提升低空飞行的安全性和效率， 是当前亟待解决的重要课题（胡壮等， 2022）。近年来对大风的研究不断深入， 如杨显玉等（2023）、 张珊等（2023）、 李叶晴等（2023）、 李晨轩和韦志刚（2024）、 付文卓等（2024）、 马文倩等（2025）、 徐景峰等（2025）、 杨坤琳等（2025）和董泽新等（2025）分别对大风的时空特征、 气候变化、 复杂情况的风场模拟进行了分析研究。特别是在航空气象方面， 鲍艳松等（2024）、 杨坤琳等（2025）以及董泽新等（2025）在大风相关保障领域取得了新进展。
在众多影响低空飞行的气象因素中， 重力波作为一种广泛存在的大气现象往往重视不够， 但其对飞行安全的影响却不容忽视。重力波是层结稳定大气在受到垂直方向扰动后产生的一种周期性振荡运动， 这种运动不仅在大气中传播， 还通过动量的垂直输送促进不同大气层之间物质和能量的交换， 对大气中的动量和能量平衡起着重要影响（魏栋等， 2016）。重力波可以传播很长的距离， 将大量的动量和能量在很大的范围内转移， 从而影响广大区域（Houghton， 1978； Lindzen， 1981； Holton et al， 1995； Richter et al， 2010； Limpasuvan et al， 2012； Butchart， 2014）。
重力波可由多种机制产生（Fritts and Alexander， 2003）， 对流、 地形、 与锋面和急流相关的流场不平衡、 切变不稳定以及日间的海陆温差等， 均可产生不同特性和机制的重力波（孙淑清， 1983； Durran， 1990； 陆汉城等， 1992； Lane and Clark， 2002； 林永辉等， 2003； Plougonven and Zhang， 2014； Du and Rotunno， 2015； Lane， 2015； Wang et al， 2018； Fang and Du， 2022； Yang et al， 2023， 2024）。尤其在复杂地形下， 如气流经过山脉而激发出重力波的情况十分常见（Malkus and Stern， 1953； Tjernstrom and Mauritsen， 2009； 张云等， 2011； 谢家旭和李国平， 2021）。
重力波在对流等灾害性天气中发挥着重要作用。在特定条件下， 重力波能触发积云对流， 进而引发强对流天气， 产生暴雨、 冰雹以及大风等极端天气现象（李麦村， 1978； Clark et al， 1986； Adams-Selin and Johnson， 2013； 覃卫坚等， 2013； 崔新艳等， 2021）。目前， 关于重力波对极端天气的影响分析主要集中在暴雨和冰雹方面， 如郭虎等（2006）发现重力波会影响暴雨的发生和时空分布。孙继松等（2009）研究表明， 地形重力波能够造成冰雹直径增加， 从而增强冰雹的破坏力。王文等（2011）研究表明， 重力波与对流相互作用加强暴雨的强度， 影响暴雨的空间分布。吴迪等（2016）发现重力波是中尺度强降水的发生机制之一。Liu et al（2018）的研究表明， 重力波与降水之间存在正反馈机制。汪科均等（2024）提出包含重力波在内的中尺度波动在夜间山地暴雨过程中， 各物理量场表现出特定特征。
近年来关于重力波对大风天气的影响研究取得了一些成果， 如孙艳辉等（2012， 2015）对暴雪、 大风过程的分析， 汤浩等（2019）对新疆大风过程的分析，但总体来看成果相对较少。
昆明长水国际机场位于中国西南高原地区， 周边山地众多， 地形对大气动力过程的作用显著。已有研究表明， 复杂地形条件下， 重力波是影响低空大风的重要因素（Smith， 1979； 卢冰等， 2014）。目前重力波如何影响低空大风的研究相对较为薄弱， 特别是重力波耦合效应在高原机场环境下， 这一领域存在诸多未知之处， 值得进一步探索。因此， 深入分析重力波对大风灾害的影响机制， 有助于提升航空气象保障能力， 为低空经济的安全发展提供有力支撑。

2 资料与方法

2.1　数据资料

分析采用的资料包括常规地面气象观测资料、 加密中尺度地面气象观测资料、 高空气象探测资料、 ERA5（欧洲中期天气预报中心第五代）0.25°× 0.25°逐时大气再分析资料， FY-2G静止气象卫星可见光（波长0.55~1.05 µm）和红外波段（波长10.3~11.5 µm）云图资料。

2.2　研究方法

运用天气学分析、 天气诊断分析等方法， 对环流形势和影响天气系统进行分析。运用卫星气象学方法， 对可见光与红外云图进行分析。
通过空气质点的受力分析， 结合初始条件推导出重力波运动方程。利用可见光云图的条带状重力波云系空间分布， 测量重力波的波长； 利用重力波云系的整体传播速度， 计算出重力波的频率、 周期； 通过红外云图的云顶亮温， 结合大气垂直结构与ERA5再分析资料， 分别计算重力波云系的云顶与云底高度， 得到重力波的显著振幅及全部参数。利用谐波分析方法， 研究两个重力波耦合后的波动及其在东西和南北两个方向的分量， 从而计算出重力波做功对大风造成的影响。

2.3　研究区域

研究区域为昆明长水机场及其上游横断山脉和哀牢山脉［图1， 此图及文中涉及的研究区域地图是基于国家地理信息公共服务平台网站审图号为GS（2025）1508号的标准地图制作， 底图无修改］。横断山脉位于云南西北地区， 平均海拔超4000 m， 为南北走向。哀牢山脉位于云南中部地区， 平均海拔2000 m以上， 主峰海拔3166 m， 为西北至东南走向。昆明长水国际机场位于102.93°E， 25.1°N， 海拔2102 m。机场处于两个山岭之间的狭长平原，即“坝子”区域， 航站楼在跑道西南端靠近昆明市区一侧， 是本次过程的机场前端迎风处。
图1 昆明长水国际机场与云南山脉地形

A： 横断山系， B： 哀牢山系， C： 昆明机场

Fig.1 Kunming Changshui International Airport and the terrain of Yunnan mountainsA： Hengduan Mountain， B： Ailao Mountain， C： Kunming Airport

3 灾害实况、 环流形势和影响系统

3.1　灾害实况

2024年3月27日11:50（北京时， 下同）左右， 昆明长水国际机场受罕见瞬时大风袭击。气象观测到地面10 m高度处阵风速度27 m·s-1， 风向为230°。大风导致昆明长水机场T1航站楼的金属屋顶局部被大风掀起， 部分区域受损（图2）。
图2 长水机场受损实况图

黑色方框表示受损区域

Fig.2 Damage to Changshui International Airport.The black rectangle represents the damaged area

3.2　环流形势和影响系统

2024年3月27日08:00， 500 hPa［图3（a）］亚欧大陆的环流为两脊一槽， 我国大范围地区受到一个显著的高空大槽影响。昆明位于槽前， 槽前有西南急流， 最大风速为28 m·s-1， 槽后为较强冷平流。08:00 -12:00， 500 hPa高空槽不断东移并持续发展。至12:00［图3（b）］， 高空槽移至长水机场上空， 为此处天气系统发展提供了有利的条件。
图3 2024年3月27日500 hPa环流形势

（a）08:00， （b）12:00， 黑色三角表示长水机场

Fig.3 500 hPa circulation at 08:00 （a） and 12:00 （b） on 27 March 2024.The black triangles represent Kunming Changshui International Airport

700 hPa［图4（a）］有槽逼近长水机场， 槽前为暖干西南急流， 最大风速为24 m·s-1。槽后则伴随着强烈的冷平流。这种冷暖平流的交汇， 加剧了大气的不稳定性。根据槽的位置可知， 12:00长水机场上空500 hPa高度槽超前于700 hPa［图4（b）］高度槽， 是前倾槽空间配置， 即高空的冷空气已经移到长水机场附近， 而低空仍处于低空槽前暖空气之中， 这种上冷下暖前倾槽的热力配置非常有利于对流的发展。昆明上空500 hPa大气非常干燥， 700 hPa露点温度差为7 ℃， 大气为中等湿度状态。受到水汽条件限制， 该区域不会有深厚湿对流发展， 不会产生强烈的降水。
图4 2024年3月27日700 hPa环流形势

（a）08:00， （b）12:00， 黑色三角表示长水机场

Fig.4 700 hPa circulation at 08:00 （a） and 12:00 （b） on 27 March 2024.The black triangles represent Kunming Changshui International Airport

地面天气图显示， 08:00［图5（a）］冷空气聚集在青藏高原一带， 冷高压前缘形成一条狭长的冷锋， 在云南与贵州的交界地带存在一个低压中心， 昆明长水机场正处于这个低压系统的控制之下。到13:00［图5（b）］， 冷高压中心有所加强， 冷锋向昆明靠近， 由此判断大风天气发生时刻， 有冷锋逼近长水机场， 5 h内冷锋移动了约200 km， 移速约为40 km·h-1， 移动相对较快。
图5 2024年3月27日海平面气压场

（a）08:00， （b）13:00， 黑色三角表示长水机场

Fig.5 Sea level pressure at 08:00 （a） and 13:00 （b） on 27 March 2024.The black triangles represent Kunming Changshui International Airport

4 卫星云图上的重力波云系

4.1　两个重力波云系向机场移动

从3月27日09:00和10:00可见光卫星云图上［图6（a）， （b）］ 可以清晰地观察到， 滇西北横断山脉地区， 即昆明以西存在重力波云系A， 且云系呈现出向东南延伸的态势， 表明重力波正向东南方向传播。11:00和12:00［图6（c）， （d）］在昆明西南方向， 即哀牢山脉地区出现另一片重力波云系B， 并向东北方向移动。两组重力波均向昆明传播， 并相互逼近。09:53两者在哀牢山区附近100.56°E， 25°N处相遇， 耦合为一个新的重力波C， 继续向昆明移动发展， 并对长水机场大风造成影响。
图6 2024年3月27日可见光云图

（a）09:00， （b）10:00， （c）11:00， （d）12:00， 三角形表示长水机场， 五角星表示两个重力波相遇的点， 箭头表示重力波及其传播方向

Fig.6 Visible image at 09:00（a）， 10:00 （b）， 11:00（c）， 12:00 （d） on 27 March 2024.Triangle is Changshui International Airport， arrow is gravity wave propagation direction， pentagram is the point where two waves met

4.2　云系的云顶和云底高度

10:00云图上可见昆明上空晴朗无云， 亮温为21 ℃， 此为卫星所测得的昆明市区地面温度。根据加密中尺度地面气象观测资料， 昆明此时的实际地面温度为21.1 ℃， 与云图测量结果存在0.1 ℃误差。红外云图表明重力波A云系云顶亮温约为266 K， 对误差进行订正后， 由云顶实际亮温结合探空资料， 计算得出云顶高度为5100 m。根据ERA5资料得出重力波造成的云底高度为2600 m。同样可得出重力波B云系的云顶高度和云底高度， 发现两片云系的云顶和云底大致处于同一高度。
A区云系是西风遇横断山脉时强迫产生， 由于上午阳光照射， 造成山脉阳坡有更强的上升气流， 重力波也更强， 11:00较09:00重力波波长更短， 频率更高能量更强， 更加有利于昆明机场大风天气。

5 重力波动力学方程和相关参数分析

5.1　受力分析与重力波表达式分析

在平衡高度EL附近的一小段垂直距离上， 通过受力分析研究气块垂直方向的运动方程（图7）。因气块垂直方向所受浮力与气块和环境大气之间的温差成正比。由图7可知， 该温差与气块到EL的距离成正比， 该气块所受的力f可用以下公式表示：
f = m a = m ∂ h 2 ∂ t 2 = - k h
式中： k为常数； h为重力波中空气块偏离平衡位置的垂直位移。由于位移和受力方向相反， 所以式（1）中有负号。T ve表示环境空气虚温； T vp表示气块虚温。
图7 气块垂直受力分析示意

Fig.7 Schematic diagram of vertical force analysis on an air parcel

求解该二阶偏微分方程可知， 此方程为简谐振动即大气重力波， 该方程的解是正弦或余弦函数。
因空气的水平运动， 即风吹向山脉区域时受地形影响产生强迫上升（图8）。由初始条件可知重力波的波动为正弦波， 初相位为0， 且波动沿着风向下游传播， 其波动表达式为：
图8 重力波传播示意图

箭头为风向， 黑色三角为山脉， 竖长划线为长水机场位置

Fig.8 Schematic diagram of gravity wave propagation.The arrows represent wind direction， the black triangle represents the mountain range， the long dash line represents the location of Changshui International Airport

h = A s i n 2 π λ ( x - c t )
式中： A为振幅； λ为重力波波长； c为波速。

5.2　重力波相关参数分析

从卫星云图和探空资料上， 读取上述重力波云系的云顶和云底高度作为重力波的波峰和波谷高度， 即重力波波峰高度为5100 m， 波谷高度为2600 m， 可计算出两个重力波的振幅（5100-2600）/2=1250 m。而重力波实际振幅应该比云层展现的该数值更大， 因为在云顶之上一般仍会存在重力波的上升气流， 但若大气十分干燥， 其中的水汽已经全部凝结， 则更高处的重力波不会有成云的水汽， 所以无法通过云体反映重力波的上限。同样， 其下限存在水汽受热蒸发、 云体消散的情况， 此时尽管存在重力波的下沉运动， 但更低处其真实位置无法通过云体表现。因此本文讨论的重力波振幅， 是由云图表现的较小值， 即直接可测振幅， 真实的振动相对更强， 振幅更大。
根据10:00 -11:00云图得出重力波A向东南传播， 在1 h内向东传播了约64 km， 向南传播了约11 km。在笛卡尔坐标系中分别取向东和向北为正， 由此可计算出重力波速度Vax =18 m·s-1， Vay =-3 m·s-1。测量云图上波状云之间的距离， 得出波长λa=12165 m， 得x方向上的重力波波长λax 约为12000 m， y方向上的重力波波长λay 约为2000 m。则x方向上重力波A的波动方程为：
h a x = 1250 s i n 2 π 12000 ( x - 18 t )
同理可得， y方向上的重力波A的波动方程为：
h a y = 1250 s i n 2 π 2000 ( - y - 3 t )
根据波动方程可计算出重力波周期：
T a x = λ a x V a x = 12   k m 18   m · s - 1 ≈ 667 ( s ) ≈ 11.1 m i n
即在这一周期内， 会有一次重力波的强迫上升和下沉的振动过程。此外， 还可计算出重力波A的角速度ω和重力波频率F：
ω a x = 2 π T = 2 π 667 s ≈ 0.009 r a d ⋅ s - 1
F a x = 1 T = 1 667 s ≈ 1.5 × 10 - 3 H z
重力波B向东北偏东方向传播， Vbx =15 m·s-1， Vby =5 m·s-1， 测量得出波长λb =15000 m， 将其分解为沿x方向（即向东方向）与y方向（即向北方向）的波动， 则x方向波长为14230 m， y方向波动为4743 m。得到其波动方程：
h b x = 1250 s i n 2 π 14230 ( x - 15 t )
h b y = 1250 s i n 2 π 4743 ( y - 5 t )
该重力波波动周期Tb =949 s≈15.8 min， 角速度为0.0067 rad·s-1， 频率为0.001 Hz。

5.3　谐波分析

重力波A和重力波B相遇耦合为一个新的波动， 在x方向上其表达式如下：
h x = 1250 s i n 2 π 12000 x - 18 t + s i n 2 π 14230 x - 15 t
写为波动形式， 则上式为：
h x = 2500 c o s 2 π 223 34152000 x - 7614 34152000 t · s i n 2 π 2623 34152000 x - 43614 34152000 t
该波动如图9所示， 其振幅本身是一个余弦波动， 振幅表达式为：
A ' = 2500 c o s 2 π 223 34152000 x - 7614 34152000 t
图9 重力波耦合后x方向波列图

x轴上零点为两个重力波相遇的点， y轴上零点为3850 m的高空， 竖线为机场位置， 239000 m为重力波耦合点到机场的东西方向距离， 自A点（三角， 波峰， 振幅2403 m）到B点（圆点， 机场， 振幅645 m）为影响机场大风的重力波做功区域

Fig.9 The wave train diagram in the x-direction of the coupled gravity waves.The zero point on the x-axis indicates the intersection of the two gravity waves， the zero point on the y-axis represents an altitude of 3850 m， the vertical line denotes the airport location， 239000 m is the east-west distance from the gravity wave coupling point to the airport， The zone from point A （triangle， wave crest， amplitude 2403 m） to point B （circle， airport， amplitude 645 m） is the work region of the gravity wave affecting the strong winds at the airport

该耦合波动的最大振幅为2500 m， 波动平均波长为11074 m， 波群速 C g = λ b V a - λ a V b λ b - λ a = 34 m ⋅ s - 1。
在y方向上耦合后的波动方程为：
h y = 1250 s i n 2 π 2000 ( - y - 3 t ) + s i n 2 π 4743 ( y - 5 t )
写成波动形式上式为：
h y = 2500 c o s 2 π - 6743 18972000 y - 4299 18972000 t · s i n 2 π - 2743 18972000 y - 24229 18972000 t
此波动的波列如图10所示， 该耦合波动的最大振幅为2500 m， 平均波长为2001 m， 波群速Cg =1.5 m·s-1， 向北传播。
图10 耦合重力波y方向波列图

x轴上零点为两个重力波相遇的点， y轴上零点为3850 m的高空， 竖线为机场位置， 10500 m为重力波耦合点到机场南北方向的距离， 自A点（三角， 波谷， 振幅-39 m）到B点（圆点， 机场， 振幅-32 m）为影响机场大风的重力波做功区域

Fig.10 The wave train diagram in the y-direction of the coupled gravity waves.The zero point on the x-axis indicates the intersection of the two gravity waves， the zero point on the y-axis represents an altitude of 3850 meters， the vertical line denotes the airport location， 10500 m is the north-south distance from the gravity wave coupling point to the airport， the zone from point A （triangle， wave trough， amplitude -39 m） to point B （circle， airport， amplitude -32 m） is the work region of the gravity wave affecting the strong winds at the airport

6 重力波对大风的影响

6.1　重力波对大风的直接和间接影响

由卫星云图可知， 09:53两个重力波在100.56°E， 25°N相遇， 耦合为一个新的重力波向前传播， 重力波相遇的点在x方向上距离机场约239 km， y方向上距离机场10.5 km， 其能量以波动群速度传播。根据波动的群速度， 此耦合的重力波在11:50到达机场上空。
当x方向上的重力波到达机场时， 波动振幅为645 m（图9中B点）， 在到达机场前约74 s， 即11:48:46， 波动在机场西侧2510 m， 位于波峰处， 振幅为2403 m（图9中A点）， 从A点到B点过程中， 有向下的负浮力做功， 产生向下的垂直运动。做功的表达式为：
W x * = ∫ 0 h f d h = - ∫ 0 h k h d h = - 1 2 k h 2
计算出系数k［式（16）］和波峰到机场时下沉强迫做功Wx * ［式（17）］的数值：
k = - f h = - g T v e 2 - T v p 2 h T v e 2 = 6.2 × 10 - 5   ( N · m - 1 )
W x * = 1 2 × 6.2 × 10 - 5 × 2403 2 - 1 2 × 6.2 × 10 - 5 × 645 2 = 166.1   ( J · k g - 1 )
理想状态下， 如果这些能量全部转化为垂直运动， 可造成的最大下沉运动速度为W max：
W m a x = 2 × W x * = 2 × 166.1 ≈ 18   ( m · s - 1 )
即x方向上耦合的重力波可贡献约18 m·s-1的下沉速度， 对大风形成起促进作用。
当y方向上的重力波到达机场时， 波动振幅为-32 m（图10中B点）， 在到达机场前23 s， 即11:49:37， 波动位于波谷附近， 振幅为-39 m（图10中A点）， 从A点到B点有向上的正浮力做功产生上升运动， 计算表明可造成约1 m·s-1的垂直上升运动， 对大风形成有一定抑制作用。综合x方向和y方向， 耦合重力波的总体作用可产生约17 m·s-1的垂直下沉运动， 不考虑其他因素， 在地表刚性下垫面上转化为水平大风。
从11:00与12:00云图［图6（c）， （d）］上可见在昆明上空一带存在槽前西南急流云系， 由雷达观测（图略）发现， 其径向速度为27.5 m·s-1。重力波可将中低空环境西南急流向地面传输， 造成高效的动量下传。

6.2　低空区域航站楼受损点的风力分析

受损建筑区域距地表71 m， 与地面风的10 m观测高度相比， 位置高出60 m以上。在近地层大气中， 由于地表复杂地形的影响， 摩擦作用显著， 且在风速较大时摩擦阻力作用更为强烈。所以在建筑受损区域的70 m以上位置， 实际风速应远大于地面10 m风杆测得的气象记录风速。长水国际机场的航站楼作为国家大型公共建筑， 其设计标准和施工水平均有极高的国家规范要求。在防风抗风方面， 该航站楼的设计构造应足以抵御超强台风的侵袭。但这次大风造成该机场屋顶受损， 表明当时在该航站楼顶部的风速应该超过了强台风（中心附近风速41.5~50.9 m·s-1）标准。
在理想状态下， 重力波直接贡献（风速17 m·s-1）与高空急流（风速27.5 m·s-1）的动量下传相结合， 不再考虑其他因素， 即可产生44.5 m·s-1的强大水平风速。受损区域处于机场主体建筑群正面的迎风点， 在如此强烈大风的冲击下必然受到极大的考验。
本次过程中， 机场记录到的最大风速仅为27 m·s-1， 远远小于本文计算所得风速。如果航站楼受损区域仅为上述实测风速， 则不可能造成破坏。由此表明低空对风速的分析预报应慎重参考地面风速记录， 更应综合考虑各种影响因素对大风的贡献。

6.3　重力波对低空大风贡献占比分析

6.3.1　 DCAPE对大风的影响

下沉对流有效位能（Downward Convective Available Potential Energy， DCAPE）是空气块从自由下沉起始高度经干绝热过程下降至地面时， 气块因较环境大气温度更低、 密度更高而产生负浮力做功所获得的最大动能， 是一个衡量雷暴大风潜势的重要参数。
大风发生时刻， 机场DCAPE值为610 J·kg-1。不考虑其他因素， 假设下沉空气块起始高度处垂直速度为零， 其接触下垫面时冷性出流速度可通过以下公式计算：
E = D C A P E = 1 2 m W 2
式中： 能量E为DCAPE； m为下沉空气质量， 取单位质量则为1； W为垂直下沉运动速度。当下沉空气接地时， DCAPE被完全释放， 下沉运动速度达到最大：
W = 2 × D C A P E = 2 × 610 ≈ 35 m · s - 1
即理想状态下， 若DCAPE完全释放可产生35 m·s-1下沉气流， 并在地表转化为水平风速。

6.3.2　重力波对大风贡献占比

耦合重力波和DCAPE协同作用， 可产生强烈的下沉气流， 理想状态在地表全部转化为水平风， 同时将27.5 m·s-1的高空急流引导至地面。与地面原有的7 m·s-1风速叠加时， 地表风速可激增至7+17+35+27.5=86.5 m·s-1。大风最高等级是17级， 对应风速为56.1~61.2 m·s-1。而这里计算出的数值是最高等级风速上限的142%， 这一速度极高， 必然会造成灾害。在此情况下分析各项占比可知， DCAPE对最终风速的贡献约为40.46%， 中低空急流贡献了31.79%， 而地面原有的水平风速占8.09%。耦合重力波则贡献了约19.65%的风速。

6.4　重力波耦合效应对低空大风的贡献

如果仅有重力波A或B并未形成两者耦合， 其振幅为1250 m， 则最大可造成10 m·s-1的下沉气流， 约可贡献12.58%的风速。这说明耦合重力波通过相互作用， 加强了下沉气流， 进一步增强了大风风速， 导致风速增加了7 m·s-1， 为大风额外贡献了8.8%的风速。

7 讨论

本次过程中耦合重力波的影响体现在， 其下沉波动一方面与DCAPE造成的下沉气流共同作用， 将中低空环境大气中的西南急流向地面传输， 造成高效的动量下传； 另一方面耦合重力波产生的下沉运动能量在低空转化为水平运动， 两个效应均有助于形成大风， 且耦合重力波可显著增强下沉气流促成灾害。
本文在计算中， 仅以卫星云图可视的云顶和大气垂直剖面资料为依据， 对重力波的振幅进行了相对保守的估计， 所以推算出重力波的贡献偏低， 实际情况重力波更强且对大风的影响更大。本文对DCAPE能量转化为地面水平风这一过程进行了理想化假设， 但因近地面摩擦力增大、 夹卷以及湍流等作用， 其转化率不可能达到100%（Cohen et al， 2007； 王秀明等， 2023）， 实际上DCAPE的贡献应该更小， 则重力波的作用相对更大。耦合重力波也会因近地面的摩擦力而减小， 而摩擦力的特点是速度越大受到的摩擦阻力越大， 效果越明显， 速度为0 m·s-1时摩擦力消失。在DCAPE造成的下沉运动强于耦合重力波形成的下沉运动时， DCAPE产生的下沉运动受摩擦阻力作用急剧衰减， 而耦合重力波的下沉运动受摩擦阻力影响相对较小衰减有限， 实际上DCAPE贡献的风速更小， 则耦合重力波作用应较上文分析更大。
机场只有地面10 m的风速记录而航站楼受损处无实测资料， 所以这里真实风速仍然无法精准确定。若有垂直梯度观测资料， 特别是破损处的实际资料， 则可以进行更加细致的低空推算， 从而为深入认识耦合重力波， 加强低空气象保障提供更为可靠的支撑。

8 结论

本文通过对2024年3月27日昆明长水国际机场遭受的罕见瞬时大风事件进行分析， 揭示了两支重力波耦合后在此次大风灾害中的重要作用。
（1） 源于横断山区的大气重力波A和哀牢山区的重力波B向昆明传播。两者在长水机场上游100.56°E， 25°N附近相遇产生耦合效应， 促成机场低空灾害性大风。
（2） 根据稳定气层空气受力情况， 分析出重力波的数学表达式。通过红外云图的云顶亮温结合大气垂直结构， 分别得到重力波云系的云顶与云底高度及显著振幅2500 m。利用卫星云图确定波长分别为12165 m和15000 m。通过重力波云系的整体传播速度， 得到其周期分别为11.1 min和15.8 min。从而获得了重力波的全部参数。利用谐波分析方法得到了耦合重力波数学表达式。
（3） 11:48:46东西方向的耦合重力波在机场西侧2510 m开始下沉， 引发机场18 m·s-1的下沉运动促进大风形成。11:49:37南北方向的耦合重力波在机场南侧开始上升， 产生1 m·s-1的上升运动。耦合重力波净效果是产生17 m·s-1的下沉气流。
（4） 耦合重力波与DCAPE能量释放共同作用产生动量下传， 将27.5 m·s-1的西南急流带至低空， 并与地面7 m·s-1的水平风速结合， 形成低空灾害性大风， 破坏了航站楼主体建筑。重力波对总体风速产生了大约19.65%贡献。

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