袁耀文

摘 要：目前，對(duì)飛機(jī)顛簸的研究集中在產(chǎn)生機(jī)制與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等方面。飛機(jī)顛簸動(dòng)力學(xué)機(jī)制的研究以大氣湍流理論為基礎(chǔ)，通過(guò)理論分析或數(shù)值模擬等方法，得到許多研究成果，涉及風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和重力波等氣象條件以及地形因素對(duì)飛機(jī)顛簸形成的作用。利用地形及氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究低空顛簸與環(huán)境因子的相關(guān)性。結(jié)果表明，飛機(jī)低空顛簸與地形起伏度、氣溫日較差以及風(fēng)速有顯著相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：低空顛簸;地理環(huán)境因子;相關(guān)性

飛機(jī)顛簸主要發(fā)生在起飛和降落階段（低空顛簸），低空顛簸與高空顛簸產(chǎn)生的機(jī)制不完全相同，高空顛簸主要由風(fēng)切變引起湍流而致，低空顛簸還受地面加熱作用和地形等因素的綜合影響。低空顛簸的多發(fā)性與復(fù)雜性使基于實(shí)際數(shù)據(jù)的定量分析顯得尤為重要。對(duì)于飛行品質(zhì)管理而言，更需要的是對(duì)顛簸事件區(qū)域分布特征和環(huán)境影響的定量描述，并且，在進(jìn)行區(qū)域環(huán)境影響描述時(shí)，選擇的影響因子最好是易觀測(cè)、易獲取的。

一、慨述

飛行品質(zhì)監(jiān)控通過(guò)收集和分析日常的飛行數(shù)據(jù)，提高飛行機(jī)組的操縱品質(zhì)，減少運(yùn)行和維護(hù)成本，為安全風(fēng)險(xiǎn)管理提供數(shù)據(jù)和信息支持，是目前國(guó)際上公認(rèn)的保障飛行安全的重要手段。飛行數(shù)據(jù)由數(shù)百種飛行參數(shù)構(gòu)成，這些參數(shù)包括飛行姿態(tài)位置、周?chē)h(huán)境參數(shù)以及航空電子設(shè)備參數(shù)等。當(dāng)飛行參數(shù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容的記錄值達(dá)到或超過(guò)預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，便探測(cè)到一個(gè)超限事件。航空公司和民航管理部門(mén)監(jiān)控著上百種超限事件，其中包括過(guò)載事件。飛機(jī)在空中飛行時(shí)，作用在飛機(jī)上除重力之外的合力與飛機(jī)重力之比，稱(chēng)為過(guò)載。過(guò)載一般指垂直方向上的過(guò)載，又稱(chēng)載荷因子。載荷因子超過(guò)一定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即被判定為出現(xiàn)過(guò)載事件，可以用飛機(jī)過(guò)載代表飛機(jī)顛簸。通過(guò)對(duì)飛機(jī)過(guò)載超限事件的統(tǒng)計(jì)，可以獲得飛機(jī)低空顛簸的發(fā)生頻率。該航空公司超限事件數(shù)據(jù)包含約160 萬(wàn)條超限事件記錄和超過(guò)80 萬(wàn)條的航段記錄，每條超限事件記錄包含事件編碼、事件發(fā)生時(shí)間、發(fā)生時(shí)所處的飛行階段以及航段標(biāo)識(shí)等字段。為獲取地理環(huán)境因子數(shù)據(jù)，需要數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。由地質(zhì)勘探局網(wǎng)站提供的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，空間分辨率約為30 m，高程誤差在10-25 m范圍內(nèi)。

二、環(huán)境因子的選取和計(jì)算方法

引起飛機(jī)低空顛簸的大氣湍流包括動(dòng)力湍流和熱力湍流等，動(dòng)力湍流多出現(xiàn)在對(duì)流層的底部，是空氣流經(jīng)粗糙不平的地表面或障礙物時(shí)出現(xiàn)的湍流，與地形有關(guān)，湍流強(qiáng)度和規(guī)模受風(fēng)速影響。熱力湍流由空氣非均勻加熱下的對(duì)流形成，亦多出現(xiàn)在對(duì)流層底部。氣溫日較差可以表征溫度場(chǎng)的非均勻程度，風(fēng)速和地形起伏度可以表征動(dòng)力湍流的強(qiáng)度。在計(jì)算環(huán)境因子前，需要設(shè)定其空間統(tǒng)計(jì)范圍，主要分析起飛和降落階段的顛簸事件，因?qū)⒁詸C(jī)場(chǎng)為中心的覆蓋起飛或降落階段飛行距離的區(qū)域作為環(huán)境因子的空間統(tǒng)計(jì)范圍。該覆蓋距離并沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，且不同機(jī)場(chǎng)、不同飛行架次也存在差異。通過(guò)800余條航段的機(jī)載快速存取記錄器QAR數(shù)據(jù)對(duì)該覆蓋距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)75%以上的航段起飛和降落階段的飛行距離小于150 km。因此，將150km 距離作為計(jì)算機(jī)場(chǎng)環(huán)境因子的空間范圍，并將此空間范圍稱(chēng)為機(jī)場(chǎng)區(qū)域。

各統(tǒng)計(jì)單元（即各機(jī)場(chǎng)區(qū)域）內(nèi)的氣溫日較差和風(fēng)速可由地面氣象觀測(cè)資料計(jì)算獲得。氣象資料包含各觀測(cè)站點(diǎn)的日氣溫最大值、最小值以及風(fēng)速等觀測(cè)信息，氣溫日較差為日氣溫最大值與最小值之差。計(jì)算出統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)各站點(diǎn)的平均氣溫日較差和平均風(fēng)速，然后使用以海拔為協(xié)變量的協(xié)同克里格插值獲得全國(guó)范圍的氣溫日較差和風(fēng)速分布，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)出各機(jī)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的平均氣溫日較差及平均風(fēng)速。以平均氣溫日較差為例，插值得到的氣溫日較差為：

地理加權(quán)回歸分析空間數(shù)據(jù)間往往存在自相關(guān)性，以空間數(shù)據(jù)作為自變量時(shí)，無(wú)法滿(mǎn)足傳統(tǒng)的回歸模型殘差項(xiàng)獨(dú)立的假設(shè)，其參數(shù)估計(jì)將不適用。地理加權(quán)回歸GWR模型[2]將數(shù)據(jù)空間位置引入回歸系數(shù)中，使變量間的關(guān)系可以隨空間位置的改變而變化，能夠反映參數(shù)的空間非平穩(wěn)性，其結(jié)果更符合實(shí)際。因此，本文引入GWR 模型進(jìn)行分析，模型結(jié)構(gòu)如下：

三、基于因子的相關(guān)性分析

從航空公司A320 機(jī)型的航段記錄中選取68個(gè)機(jī)場(chǎng)，每個(gè)機(jī)場(chǎng)的航段記錄數(shù)均大于512-38891，航段記錄總計(jì)366911條，所有機(jī)場(chǎng)的顛簸頻率范圍為2.22%-17.79%。在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)風(fēng)速、地形起伏度、氣溫日較差與顛簸頻率的相關(guān)性進(jìn)行初步分析。

對(duì)不同機(jī)場(chǎng)進(jìn)行空間比較，以便分析不同區(qū)域環(huán)境因子與顛簸頻率的相關(guān)性。為此選擇地形起伏度、年平均氣溫日較差和年平均風(fēng)速3 項(xiàng)指標(biāo)，分別進(jìn)行分級(jí)，并將每個(gè)機(jī)場(chǎng)對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的指標(biāo)等級(jí)中。在此基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)每項(xiàng)指標(biāo)的每個(gè)等級(jí)，分別計(jì)算落入其中的機(jī)場(chǎng)顛簸頻率平均值，可以看出，顛簸頻率與年平均風(fēng)速、年平均氣溫日較差以及地形起伏度均呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系。風(fēng)速和氣溫日較差是隨時(shí)間變化的，因此可以從時(shí)間維度上進(jìn)一步分析風(fēng)速和氣溫日較差兩個(gè)環(huán)境因子的影響。以風(fēng)速為例，對(duì)風(fēng)速和顛簸頻率的季節(jié)變化進(jìn)行趨勢(shì)分析，機(jī)場(chǎng)風(fēng)速和顛簸頻率的季節(jié)變化趨勢(shì)，為方便對(duì)比，對(duì)數(shù)據(jù)做了歸一化處理?？梢钥闯?，二者呈現(xiàn)良好的一致性，還利用日平均風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合每日的航段記錄，分析顛簸頻率與日平均風(fēng)速以及氣溫日較差的相關(guān)性，機(jī)場(chǎng)顛簸頻率與日平均風(fēng)速的關(guān)系，可以看出，日平均風(fēng)速與低空顛簸之間表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。

參考文獻(xiàn)

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