魏哲花，馮廣麟

（哈密市氣象局，新疆 哈密839000）

風(fēng)向和風(fēng)速的變化與大氣的能量和物質(zhì)循環(huán)緊密相關(guān)，是研究大氣動(dòng)力學(xué)和氣候變化的重要參量。王遵婭等[1]、任國(guó)玉等[2]、江瀅等[3]研究了我國(guó)的風(fēng)向、風(fēng)速的變化特征，陳德橋[4-5]、鄭玉萍[6]則研究了局地風(fēng)的氣候特征。風(fēng)的特征往往與風(fēng)能利用、能見(jiàn)度等密切相關(guān)，一些研究集中于它對(duì)氣象環(huán)境的影響及相關(guān)的應(yīng)用[7-11]。

風(fēng)是機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)中的重要參考依據(jù)之一。風(fēng)力負(fù)荷（即保障率，是指在風(fēng)的影響下，飛機(jī)能夠進(jìn)行起飛著陸的可能性，用百分比表示）是根據(jù)機(jī)場(chǎng)所在地或附近氣象臺(tái)站5 a 以上風(fēng)向風(fēng)速分布頻率及飛機(jī)允許的最大逆風(fēng)、順風(fēng)等資料統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出，是選擇跑道方位的重要依據(jù)。陳猛[12]認(rèn)為風(fēng)往往決定跑道方向，也決定著飛機(jī)起飛著陸的滑跑距離和飛行安全，在不同風(fēng)（側(cè)風(fēng)、逆風(fēng)、順風(fēng)）的作用下，飛機(jī)往往面臨著不同的威脅。種小雷[13]認(rèn)為，影響跑道方向的因素中，風(fēng)條件是最重要的，對(duì)于一個(gè)選定的機(jī)場(chǎng)，其跑道方向的確定主要考慮風(fēng)保障率的影響。因此機(jī)場(chǎng)場(chǎng)址的風(fēng)向風(fēng)速氣候特征分析成為了機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。

巴里坤機(jī)場(chǎng)為哈密市目前在建工程，是新疆維吾爾自治區(qū)“十三五”規(guī)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，機(jī)場(chǎng)性質(zhì)為國(guó)內(nèi)支線機(jī)場(chǎng)。機(jī)場(chǎng)建成后將具備出入疆旅客中轉(zhuǎn)及滿足巴里坤周邊地區(qū)旅游、公務(wù)、商務(wù)需求的功能，并兼顧通用航空使用。巴里坤機(jī)場(chǎng)的建設(shè)對(duì)于改善當(dāng)?shù)氐膶?duì)外交通條件、促進(jìn)資源開(kāi)發(fā)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、提升應(yīng)急救災(zāi)保障能力有著重要的意義。本文利用機(jī)場(chǎng)附近大河氣象站的地面風(fēng)觀測(cè)資料，對(duì)巴里坤機(jī)場(chǎng)區(qū)域風(fēng)向風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別得出機(jī)場(chǎng)區(qū)域風(fēng)速和主導(dǎo)風(fēng)向的特征，并分析了災(zāi)害性大風(fēng)產(chǎn)生的環(huán)流特征，為機(jī)場(chǎng)大風(fēng)的預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐。

1 巴里坤機(jī)場(chǎng)地形特征

巴里坤縣地處哈密市北部、東天山北麓，地形特征概括為“三山夾兩盆”。其中，緊鄰縣城南側(cè)為東天山（巴里坤山）主脈；縣境中部的莫?dú)J烏拉山由西北向東南延伸；縣境最北部、中蒙邊界處的東準(zhǔn)格爾斷塊山系成東西走向；三條主山脈將巴里坤縣分割為北部的三塘湖盆地和南部的巴里坤盆地。機(jī)場(chǎng)場(chǎng)址位于巴里坤縣城以北大河鎮(zhèn)，地處巴里坤盆地北緣、莫?dú)J烏拉山南麓山前沖洪積傾斜平原的中下部，場(chǎng)地地形開(kāi)闊，地勢(shì)較為平坦，地勢(shì)總體呈現(xiàn)東北高、西南低（圖1）。初定跑道真方位為130°～310°（磁差1°52′E），機(jī)場(chǎng)標(biāo)高為1734 m，飛行區(qū)指標(biāo)4C（跑道長(zhǎng)度1800 m 以上的機(jī)場(chǎng)）。

圖1 巴里坤機(jī)場(chǎng)地理位置及地形示意圖

2 站點(diǎn)的選取及資料的處理

為了給巴里坤機(jī)場(chǎng)提供科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)，2017 年8 月在擬建機(jī)場(chǎng)區(qū)建設(shè)了7 要素自動(dòng)氣象站，并采集了1 a 的氣象觀測(cè)資料。同時(shí)利用距離機(jī)場(chǎng)直線距離2 km 處原有的大河氣象站進(jìn)行觀測(cè)資料的對(duì)比分析，該站為區(qū)域自動(dòng)氣象站，周邊環(huán)境穩(wěn)定，無(wú)大型工程項(xiàng)目影響。兩測(cè)站的觀測(cè)資料均經(jīng)過(guò)嚴(yán)格數(shù)據(jù)質(zhì)量審核，資料的完整性和合理性均符合標(biāo)準(zhǔn)。選取機(jī)場(chǎng)氣象站與大河氣象站2017 年10月—2018 年9 月期間同期風(fēng)的觀測(cè)資料做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)與大河氣象站日平均風(fēng)速相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.958 03，日最大風(fēng)速與大河氣象站日最大風(fēng)速高度一致，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.966 34，10 m 高度風(fēng)向一致率達(dá)到0.731 84，均通過(guò)了0.001 的顯著性水平檢驗(yàn)。兩站在風(fēng)的特征上具有顯著的一致性，故采用大河氣象站作為巴里坤機(jī)場(chǎng)風(fēng)向風(fēng)速氣候背景分析代表站。本文選取大河氣象站2014 年7 月—2018 年6 月風(fēng)向、風(fēng)速資料分析巴里坤機(jī)場(chǎng)風(fēng)的特征。

3 風(fēng)的特征分析

3.1 風(fēng)向

本文風(fēng)向使用《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定的16方位法，各方位對(duì)應(yīng)的角度見(jiàn)表1，以度（°）為單位。

表1 16 方位對(duì)應(yīng)角度

分析近4 a 巴里坤機(jī)場(chǎng)24 h 的風(fēng)向頻率，近4 a E 風(fēng)出現(xiàn)頻率最多（圖2a），達(dá)到13.8%；其次是ESE和ENE 風(fēng)，均為9.5%；靜風(fēng)較少，僅占0.5%。最多風(fēng)向出現(xiàn)頻率的排序（前三位）與各風(fēng)向平均風(fēng)速的大小排序并不一致（圖2b），NW 風(fēng)的風(fēng)速最大，平均為4.5 m/s；WNW 風(fēng)速次之，平均為4.4 m/s；NNW 風(fēng)速平均為4.3 m/s。

圖2 巴里坤機(jī)場(chǎng)風(fēng)向和風(fēng)速頻率玫瑰圖

由于巴里坤機(jī)場(chǎng)屬于高原機(jī)場(chǎng)，運(yùn)行時(shí)間一般限制在白天。分析機(jī)場(chǎng)白天（09—20 時(shí)）沿跑道方向（東南130°～西北310°方向）兩端風(fēng)向頻率的占比（圖3a），偏西北風(fēng)（風(fēng)向270°～360°，下同）占比為37.0%，略高于偏東南風(fēng)（風(fēng)向90°～180°，下同），占31.4%。

根據(jù)白天（08—20 時(shí)）（圖3a）和夜間（20—08時(shí)）（圖3b）的風(fēng)向頻率分析，白天西風(fēng)出現(xiàn)的頻率最高，為9.2%，其次是WSW 風(fēng)，為9.0%。夜間東風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，為17.5%，其次是ENE 和ESE。巴里坤機(jī)場(chǎng)由于受其北側(cè)山地的地形影響，當(dāng)沒(méi)有明顯的外來(lái)冷空氣時(shí)，在山坡和盆地之間形成山谷風(fēng)環(huán)流。白天，受太陽(yáng)輻射影響，山坡氣溫增溫較快，氣流受熱膨脹上升，在近地面形成低氣壓，高空形成高氣壓；谷地氣溫升溫較慢，氣溫較低，因此氣流下沉，在近地面形成高氣壓，高空形成低氣壓。在水平方向上氣流由高氣壓流向低氣壓，所以白天為谷風(fēng)，表現(xiàn)為偏西北風(fēng)多；夜間為山風(fēng)，氣流方向相反，表現(xiàn)偏東南風(fēng)多。通過(guò)對(duì)各時(shí)次風(fēng)向分析，巴里坤機(jī)場(chǎng)谷風(fēng)轉(zhuǎn)山風(fēng)的時(shí)間在20 時(shí)前后。

3.2 風(fēng)速

圖3 巴里坤機(jī)場(chǎng)風(fēng)向玫瑰圖

3.2.1 平均風(fēng)速的月際特征

對(duì)巴里坤機(jī)場(chǎng)近4 a 的風(fēng)向風(fēng)速資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，年平均風(fēng)速為3.4 m/s。4 個(gè)季節(jié)平均風(fēng)速分別為：春季最大，為4.0 m/s，夏季為3.6 m/s，秋季為3.3 m/s，冬季最小，為3.0 m/s。全年各月風(fēng)速在2.9～4.2 m/s，其中，以5 月份的平均風(fēng)速最大，為4.2 m/s，4 月次之，平均風(fēng)速為4.1 m/s，1 月份平均風(fēng)速最小，為2.9 m/s（表2）。

表2 巴里坤機(jī)場(chǎng)近4 a 各月平均風(fēng)速 m/s

3.2.2 平均風(fēng)速日變化

巴里坤機(jī)場(chǎng)的風(fēng)速有明顯的日變化（圖4），白天風(fēng)速大于夜間，上午隨著氣溫升高和亂流增強(qiáng)風(fēng)速逐漸增大，到19 時(shí)左右達(dá)到最大，進(jìn)入夜間之后風(fēng)速逐漸減小。逐時(shí)平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在19 時(shí)，為4.6 m/s，最小值出現(xiàn)在09 時(shí)，為2.7 m/s。

3.2.3 平均風(fēng)速頻率分布

由巴里坤機(jī)場(chǎng)24 h 不同風(fēng)速段各風(fēng)向平均風(fēng)速頻率（表3）可知，偏東南風(fēng)的平均風(fēng)速明顯小于偏西北風(fēng)的平均風(fēng)速，平均風(fēng)速≤5 m/s 以下風(fēng)速頻率為80.0%，其中偏東南風(fēng)為36.7%，偏西北風(fēng)為26.4%；風(fēng)速在5～6.5 m/s 的風(fēng)速頻率為11.4%，其中偏東南風(fēng)為35.6%，偏西北風(fēng)為39.8%；風(fēng)速在6.5～10 m/s 風(fēng)速頻率為7.8%，其中偏東南風(fēng)為30.0%，偏西北風(fēng)為56.6%；風(fēng)速＞10 m/s 以上大風(fēng)風(fēng)速頻率為0.86%，共出現(xiàn)296 次，其中偏西北風(fēng)86.5%，偏東南風(fēng)9.1%。

圖4 巴里坤機(jī)場(chǎng)平均風(fēng)速日變化

表3 巴里坤機(jī)場(chǎng)各風(fēng)向平均風(fēng)速頻率 %

3.2.4 最大風(fēng)速的變化特征

《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》中定義最大風(fēng)速為某時(shí)段最大10 min 平均風(fēng)速，本節(jié)中對(duì)巴里坤機(jī)場(chǎng)近4 a的最大風(fēng)速進(jìn)行了分析（圖5）。巴里坤機(jī)場(chǎng)近4 a最大風(fēng)速為18.9 m/s，風(fēng)向?yàn)镹 風(fēng)；平均最大風(fēng)速為8.0 m/s，各月平均最大風(fēng)速在6.9～9.6 m/s。由圖5 可以看出，月平均最大風(fēng)速呈單峰型變化，最大風(fēng)速?gòu)? 月起逐漸增大，5 月達(dá)到全年最大，為9.6 m/s，之后逐漸減小，12 月為全年最小，為6.9 m/s。

圖5 巴里坤機(jī)場(chǎng)月平均最大風(fēng)速

3.2.5 大風(fēng)的分布特征

《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》中規(guī)定瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)17.0 m/s 的風(fēng)稱為大風(fēng)。巴里坤機(jī)場(chǎng)近4 a 中大風(fēng)日數(shù)共54 d，多出現(xiàn)在北京時(shí)12—20 時(shí)，0—08時(shí)極少出現(xiàn)大風(fēng)。大風(fēng)日數(shù)具有明顯的月際變化，4—6 月為大風(fēng)多發(fā)期，大風(fēng)日數(shù)明顯比其他各月偏多，1—2 月沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大風(fēng)（圖6）。大風(fēng)風(fēng)向頻率居前三位的依次是NW（42.6%）、WNW（14.8%）和NNW（13.0%），其中偏西北風(fēng)占81.5%，偏東南風(fēng)占5.6%。極大風(fēng)速最大為26.6 m/s，風(fēng)向NW。

大風(fēng)是對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行影響較大的災(zāi)害性天氣之一，不僅對(duì)飛機(jī)正常起降和飛行安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響，而且對(duì)機(jī)場(chǎng)設(shè)施有破壞作用，因此有必要對(duì)其形成的環(huán)流特征進(jìn)行分析，探討大風(fēng)的成因，為大風(fēng)的預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐。

4 巴里坤機(jī)場(chǎng)大風(fēng)的環(huán)流特征分析

圖6 巴里坤機(jī)場(chǎng)大風(fēng)日數(shù)

為了分析巴里坤機(jī)場(chǎng)大風(fēng)天氣的環(huán)流背景，對(duì)遴選出的2014—2018 年4 a 中巴里坤機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)的54 個(gè)大風(fēng)個(gè)例的500、850 hPa 和海平面環(huán)流特征進(jìn)行分析。

4.1 典型大風(fēng)過(guò)程500 hPa 環(huán)流

巴里坤機(jī)場(chǎng)80%以上的大風(fēng)為偏西北風(fēng)。形成巴里坤西北大風(fēng)的500 hPa 環(huán)流形勢(shì)主要有兩種，表現(xiàn)較多的為經(jīng)向型環(huán)流（圖7a）。巴爾喀什湖至北疆西部為脊區(qū)，北疆東部為低槽區(qū)，低槽在影響北疆的天氣后東移，巴里坤位于槽后脊前西北氣流帶上。出現(xiàn)較少的環(huán)流型為緯向型環(huán)流（圖7b），即環(huán)流經(jīng)向度較小，副高位置偏南，主體位于40°N 以南，北部的西伯利亞地區(qū)為低渦，鋒區(qū)南壓至45°N 附近，影響北疆和東疆地區(qū)。

偏東大風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù)較少，分別有東北大風(fēng)和東南大風(fēng)，均為“Ω”型，區(qū)別在于東北大風(fēng)時(shí)（圖7c），“Ω”槽脊系統(tǒng)的位置偏西，脊區(qū)位于巴爾喀什湖，脊頂向東北方向伸展。脊前低渦中心位于蒙古高原東部，槽線呈東北—西南向，巴里坤位于脊前槽線北部偏北氣流帶中，而出現(xiàn)東南大風(fēng)時(shí)（圖7d），“Ω”槽脊系統(tǒng)的位置偏東，脊區(qū)位于95°E 附近，脊頂略向西北伸展，脊后部為低渦，巴里坤位于脊區(qū)后部東南氣流區(qū)。

4.2 典型大風(fēng)過(guò)程850 hPa 環(huán)流

出現(xiàn)西北大風(fēng)時(shí)，對(duì)應(yīng)于500 hPa 經(jīng)向型環(huán)流，850 hPa 上新疆北部至巴爾喀什湖北部地區(qū)為高壓區(qū)（圖8a），蒙古高原南部為低壓區(qū)，存在明顯的西北—東南向氣壓梯度，冷舌自西伯利亞向巴爾喀什湖方向西南伸，暖舌則由西北地區(qū)東部向蒙古高原東部東北伸，在新疆東部出現(xiàn)密集的東西向等溫線，巴里坤位于這個(gè)強(qiáng)的西北—東南向溫度梯度區(qū)中，受冷平流控制；對(duì)應(yīng)于500 hPa 緯向型環(huán)流，中亞地區(qū)為高壓區(qū)蒙古高原到中國(guó)東北地區(qū)為低壓區(qū)（圖8b），相對(duì)較弱的氣壓梯度呈西—東向，西伯利亞至中亞為冷區(qū)，新疆南部至蒙古高原南部為暖區(qū)，密集的等溫線由西南向東北伸展，巴里坤位于溫度梯度區(qū)中，受冷平流控制。

東北大風(fēng)時(shí)（圖8c），冷中心位于蒙古北部，等溫線呈西北—東南向分布，巴里坤位于西南—東北向溫度梯度區(qū)，處于冷、暖平流交匯區(qū)域；出現(xiàn)東南大風(fēng)時(shí)（圖8d），東疆和南疆東部為暖區(qū)，冷中心位于巴爾喀什湖以北的西伯利亞，溫度梯度為東南—西北向，巴里坤位于暖脊區(qū)，為暖平流區(qū)。

4.3 典型大風(fēng)過(guò)程海平面氣壓場(chǎng)

圖7 典型大風(fēng)過(guò)程500 hPa 環(huán)流形勢(shì)

圖8 典型大風(fēng)過(guò)程850 hPa 環(huán)流形勢(shì)

對(duì)應(yīng)于500 hPa 經(jīng)向型環(huán)流的西北大風(fēng)時(shí)，海平面氣壓場(chǎng)上（圖9a），冷高壓強(qiáng)盛，中心位于新疆以北的西西伯利亞，等壓線密集，有明顯的冷鋒西北路徑進(jìn)入新疆北部并向東移動(dòng)，巴里坤位于冷鋒前部，強(qiáng)的氣壓差和變壓的梯度都有利于西北大風(fēng)的形成；對(duì)應(yīng)于500 hPa 經(jīng)向型環(huán)流的西北大風(fēng)時(shí)海平面氣壓場(chǎng)上（圖9b），冷高壓略弱，中心位于巴爾喀什湖及其以西的中亞地區(qū)，強(qiáng)冷鋒以西方路徑進(jìn)入新疆北部，等壓線密集，氣壓梯度強(qiáng)，巴里坤位于冷鋒前部，劇烈的正變壓導(dǎo)致大風(fēng)天氣。

東北大風(fēng)時(shí)（圖9c），蒙古高原為弱高壓區(qū)，西西伯利亞為較強(qiáng)的低壓區(qū)，低壓前部向東南方向伸到東疆并形成弱低壓中心，鋒區(qū)不明顯，巴里坤位于東北—西南向的氣壓梯度區(qū)，有利于形成東北風(fēng)，出現(xiàn)東南大風(fēng)時(shí)（圖9d），蒙古高原為低壓區(qū)，西西伯利亞為高壓區(qū)，東疆為蒙古高壓底部分裂的弱高壓區(qū)，氣壓梯度指向?yàn)闁|南—西北向。

5 結(jié)論

本文通過(guò)選取2014 年7 月—2018 年6 月大河氣象站風(fēng)向風(fēng)速資料對(duì)巴里坤機(jī)場(chǎng)風(fēng)的特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并分析了遴選出的54 個(gè)大風(fēng)個(gè)例的500 hPa、850 hPa 和海平面環(huán)流特征，主要有以下結(jié)論：

（1）巴里坤機(jī)場(chǎng)風(fēng)向受地形和冷空氣活動(dòng)的共同影響，近4 a 來(lái)大河站E 風(fēng)出現(xiàn)頻率最多，在NW風(fēng)方向上的風(fēng)速最大。白天W 風(fēng)出現(xiàn)的頻率最高，夜間E 風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，谷風(fēng)轉(zhuǎn)山風(fēng)的時(shí)間多在20時(shí)前后。

（2）巴里坤機(jī)場(chǎng)年平均風(fēng)速為3.4 m/s，春季平均風(fēng)速大，冬季平均風(fēng)速??；偏東南風(fēng)的平均風(fēng)速明顯小于偏西北風(fēng)的平均風(fēng)速，平均風(fēng)速≤5 m/s 以下占80.0%；有明顯的日變化，白天風(fēng)速大于夜間；月平均最大風(fēng)速5 月最大，12 月最小。

（3）4—6 月為巴里坤機(jī)場(chǎng)大風(fēng)多發(fā)期，多出現(xiàn)在午后，大風(fēng)的風(fēng)向頻率多為偏西北風(fēng)，這主要受中高緯度冷空氣活動(dòng)影響，當(dāng)冷空氣入侵時(shí)，機(jī)場(chǎng)以西北風(fēng)為主，風(fēng)速的大小與冷空氣強(qiáng)度和移速有關(guān)。

（4）造成巴里坤機(jī)場(chǎng)西北大風(fēng)的環(huán)流形勢(shì)分為經(jīng)向型和緯向型，冷空氣分別為西北路徑和西方路徑，低層溫度梯度大，冷平流強(qiáng)，鋒區(qū)非常明顯，氣壓差和變壓梯度強(qiáng)烈，利于大風(fēng)天氣出現(xiàn)。偏東大風(fēng)出現(xiàn)較少，500 hPa 均為“Ω”型，東北大風(fēng)時(shí)位于脊前，東南大風(fēng)時(shí)位于脊后，低層鋒區(qū)不明顯，東北大風(fēng)時(shí)無(wú)明顯冷暖平流，東南大風(fēng)時(shí)，暖平流較強(qiáng)。

圖9 典型大風(fēng)過(guò)程海平面氣壓場(chǎng)