胡凱文 郭秀鳳 羅忠紅 王健治

(民航廈門(mén)空管站氣象臺(tái)，福建 廈門(mén) 361006)

1 概述

航空氣象中，風(fēng)是十分重要的氣象要素，對(duì)飛行安全有著重要的影響，高空風(fēng)影響飛機(jī)的穩(wěn)定性和載荷力，地面風(fēng)和600m以下的低空風(fēng)影響飛機(jī)的起降。中國(guó)民用航空空中交通管理規(guī)則(CCAR-93TM-R2)第一百四十條規(guī)定，航空器通常應(yīng)當(dāng)逆風(fēng)起飛和著陸。當(dāng)飛機(jī)在順風(fēng)環(huán)境下起降時(shí)，需要更長(zhǎng)的滑跑距離，并使飛機(jī)的升力減小，容易發(fā)生飛行事故。國(guó)際事故調(diào)查分析表明，有近20%的飛行事故與氣象條件有關(guān)，其中有近50%是與風(fēng)相關(guān)[1]。同時(shí)，由于飛機(jī)的起降跑道方向是由管制員根據(jù)地面風(fēng)的風(fēng)向風(fēng)速來(lái)決定的，因此當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)向風(fēng)速發(fā)生突變，不適合原跑道方向使用時(shí)，管制員需要立即更換跑道方向，使所有等待降落或起飛的飛機(jī)重新排序，這一方面增加了管制員的工作負(fù)荷[2]和潛在安全隱患，另一方面增加飛機(jī)的等待時(shí)間，增加航空公司的運(yùn)營(yíng)成本。因此，地面風(fēng)突變的預(yù)報(bào)質(zhì)量對(duì)飛行安全有著重要意義。

由于地面風(fēng)在航空氣象和飛行中的重要性，此前已有許多學(xué)者針對(duì)不同機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)的特征進(jìn)行了研究，房云龍等[3]對(duì)上海虹橋機(jī)場(chǎng)的地面風(fēng)日變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究及分析，結(jié)果表明，虹橋機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)日變化顯著，各季節(jié)東南風(fēng)頻率呈正弦波形，造成風(fēng)向日變化的原因是上海地區(qū)存在南支海風(fēng)環(huán)流和東支海風(fēng)環(huán)流；肖志宇等[4]對(duì)廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)的年、日變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)向存在顯著日變化特征，東北風(fēng)頻率中午減小，傍晚達(dá)到極小值，夜間及次日清晨達(dá)到極大值，東南風(fēng)頻率中午開(kāi)始增大，傍晚達(dá)到極大值，夜間迅速減小；西北偏西風(fēng)清晨達(dá)到極大值，上午迅速降低。段新安[5]對(duì)新橋機(jī)場(chǎng)風(fēng)的趨勢(shì)影響因素進(jìn)行了分析。郭秀鳳等[2]對(duì)廈門(mén)機(jī)場(chǎng)風(fēng)的顯著變化特征對(duì)管制員的工作效能影響進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)地面風(fēng)的顯著變化會(huì)降低管制員的工作效能。上述研究多是針對(duì)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)變化的氣候特征分析，對(duì)風(fēng)的突變規(guī)律和影響因子分析較少。

廈門(mén)機(jī)場(chǎng)是中國(guó)東南沿海重要的區(qū)域性航空樞紐，日均航班起降架次已超過(guò)500架次，接近單跑道起降架次的極限容量，在全國(guó)單跑道運(yùn)行機(jī)場(chǎng)中排名首位。但因地處臺(tái)灣海峽西側(cè)，受特殊地形影響，海陸風(fēng)效應(yīng)明顯[6-7]，地面風(fēng)突變較為頻繁，對(duì)飛行影響大[2]。本文以2017—2020年廈門(mén)空管站氣象臺(tái)發(fā)布的例行天氣報(bào)告和特殊天氣報(bào)告為基礎(chǔ)，結(jié)合常規(guī)天氣圖資料對(duì)廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)突變的特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探究造成地面風(fēng)突變的主要?dú)庀笠蜃樱瑢?duì)于提高地面風(fēng)突變的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和更好地提供航空氣象服務(wù)有一定意義。

2 資料選取及處理

2.1 資料選取

廈門(mén)機(jī)場(chǎng)的地面風(fēng)觀測(cè)是由空管站氣象觀測(cè)員利用部署在機(jī)場(chǎng)跑道兩端的風(fēng)探測(cè)儀獲取。觀測(cè)結(jié)果主要通過(guò)發(fā)布機(jī)場(chǎng)天氣報(bào)告的方式傳送至用戶(hù)手中。一般情況下，固定每小時(shí)或半小時(shí)發(fā)布一次天氣報(bào)告，稱(chēng)為例行天氣報(bào)告(以下簡(jiǎn)稱(chēng)METAR報(bào))，兩份METAR之間，當(dāng)風(fēng)發(fā)生顯著變化達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要立即發(fā)布一份特殊天氣報(bào)告(以下簡(jiǎn)稱(chēng)SPECI報(bào))。因此，METAR和SPECI報(bào)可以很好地反映機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)的顯著變化過(guò)程。本文采用的資料為廈門(mén)空管站氣象臺(tái)2017—2020年發(fā)布的逐時(shí)METAR報(bào)和不定時(shí)的SPECI報(bào)。

2.2 機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)突變的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合《民用航空氣象預(yù)報(bào)規(guī)范》趨勢(shì)預(yù)報(bào)地面風(fēng)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)以及《民用航空氣象地面觀測(cè)規(guī)范》地面風(fēng)SPECI發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)，本文將廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)突變的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)定義為2小時(shí)內(nèi)機(jī)場(chǎng)天氣報(bào)告中的風(fēng)滿(mǎn)足以下條件之一：①風(fēng)向變化大于等于60度且變化前或/和變化后風(fēng)速大于等于5m/s；②風(fēng)速變化大于等于5m/s；③陣風(fēng)變化大于等于5m/s且變化前或/和變化后風(fēng)速大于等于8m/s。

3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

3.1 地面風(fēng)突變的月分布特征

廈門(mén)機(jī)場(chǎng)在2017—2020年期間共有641天發(fā)生了地面風(fēng)的突變，平均每年有160.25天，即一年中有接近一半(43.9%)的天數(shù)會(huì)出現(xiàn)地面風(fēng)的突變。各月出現(xiàn)地面風(fēng)突變的天數(shù)分布如表1所示，1～8月逐月增加，9～11月逐月減少，12月又有小幅增加。8月達(dá)到最高峰值，平均有22.75天，1月為最低值，平均有5.75天?？傮w而言，春季緩慢增加，夏季逐月顯著增加，秋季逐月顯著減少，冬季先增后減。月平均地面風(fēng)突變天數(shù)達(dá)到15天以上有5個(gè)月，分別是5～9月，說(shuō)明廈門(mén)機(jī)場(chǎng)在夏季及春夏、夏秋換季時(shí)節(jié)容易出現(xiàn)地面風(fēng)的突變。

表1 2017—2020年廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)突變的平均月分布

3.2 地面風(fēng)突變的日變化特征

圖1為2017—2020年廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)突變的平均日分布情況，由圖1可知，各時(shí)次均有發(fā)生地面風(fēng)突變。其中05時(shí)(UTC，下同)風(fēng)發(fā)生突變的次數(shù)最多，平均有45.25次；其次是04時(shí)和06時(shí)，分別有44.25次和35.5次；19時(shí)發(fā)生突變的時(shí)次最少，只有2.75次。白天(23～10時(shí))發(fā)生的次數(shù)(245.5次)遠(yuǎn)多于夜間(11～22時(shí))發(fā)生的次數(shù)(55次)。白天時(shí)段中絕大多數(shù)集中在中午至下午時(shí)段，共有169.75次，占白天總數(shù)的69.1%。以上分析表明，廈門(mén)機(jī)場(chǎng)風(fēng)的突變雖然在一天中任何時(shí)段均有可能發(fā)生，但絕大多數(shù)發(fā)生在白天，且主要集中在中午到下午時(shí)段，午時(shí)達(dá)最高峰，凌晨為最低值。

圖1 2017—2020年廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)突變的平均日分布

3.3 地面風(fēng)突變逐月日變化特征

從上文分析可知，平均而言廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)的突變具有明顯的季節(jié)變化和日變化特征，但對(duì)于不同月份，地面風(fēng)突變的日變化特征也遵循一定規(guī)律，我們對(duì)2017—2020年廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)的突變進(jìn)行了逐月逐時(shí)統(tǒng)計(jì)分析(圖2)。由圖2可知，各月的日變化特征非常相似，地面風(fēng)突變的次數(shù)上午快速增加，午時(shí)至下午達(dá)到峰值后快速減少，入夜后則維持在很少的頻次，低谷出現(xiàn)在凌晨。但各月日突變峰值出現(xiàn)的時(shí)間有所不同，在較為炎熱的春夏之交(4～5月)和夏季(6～8月)為04時(shí)，較為寒冷的秋冬之交(11月)和冬季(12月～1月)為06時(shí)，而在兩者之間的2～3月及9～10月則為05時(shí)，說(shuō)明地面風(fēng)突變的日峰值出現(xiàn)時(shí)間隨季節(jié)變遷有自夏至冬逐步變晚，自冬至夏隨著溫度的回升逐步變?cè)绲淖兓?guī)律。除此之外，從圖2還發(fā)現(xiàn)，4～7月呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)，風(fēng)的突變集中在03～06時(shí)，8月開(kāi)始，傍晚后發(fā)生地面風(fēng)突變的時(shí)次增加，逐步表現(xiàn)出雙峰的態(tài)勢(shì)，8～10月及2～3月的次峰值通常在傍晚到夜間，而11月～1月的次峰值進(jìn)一步推遲到次日早晨，其中在12月00時(shí)～01時(shí)突變次數(shù)超過(guò)了06時(shí)的突變次數(shù)。

圖2 2017—2020年逐月廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)的突變平均日分布

3.4 影響地面風(fēng)突變的因子分析

以上分析說(shuō)明，廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)的突變具有明顯的季節(jié)和日變化特征，為研究其演變特征發(fā)生的機(jī)理，我們從影響廈門(mén)地面風(fēng)的氣象因子入手，統(tǒng)計(jì)篩選出造成地面風(fēng)突變的主要?dú)庀笠蜃?。?duì)2017—2020年以來(lái)發(fā)生地面風(fēng)突變時(shí)的天氣形勢(shì)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)與機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)突變有緊密聯(lián)系的氣象因子主要有以下4類(lèi)：①海陸效應(yīng)；②冷空氣；③對(duì)流天氣；④臺(tái)風(fēng)。圖3為廈門(mén)機(jī)場(chǎng)2017—2020年在不同影響因子主導(dǎo)下風(fēng)的突變的年平均、月際平均及日平均次數(shù)分布，由圖3(a)可知，海陸效應(yīng)是引起廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)發(fā)生突變的最主要因子，占比達(dá)61.4%；其次是對(duì)流天氣和冷空氣影響，占比分別為18.4%和18.1%；臺(tái)風(fēng)因整體樣本較少，僅占造成地面風(fēng)突變的主導(dǎo)因子次數(shù)的2%。

為深入了解上述三類(lèi)主要影響因子對(duì)地面風(fēng)突變影響的具體分布特征，對(duì)廈門(mén)機(jī)場(chǎng)2017—2020年平均海陸效應(yīng)、對(duì)流天氣以及冷空氣造成地面風(fēng)突變的月際分布圖3(b)和日變化分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖3(c)所示。

(a)廈門(mén)機(jī)場(chǎng)2017—2020年在不同影響因子主導(dǎo)下風(fēng)的突變年平均次數(shù)分布

(b)廈門(mén)機(jī)場(chǎng)2017—2020年在不同影響因子主導(dǎo)下風(fēng)的突變?cè)缕骄螖?shù)分布

(c)廈門(mén)機(jī)場(chǎng)2017—2020年在不同影響因子主導(dǎo)下風(fēng)的突變?nèi)掌骄螖?shù)分布

全年各月均有因海陸風(fēng)效應(yīng)導(dǎo)致的地面風(fēng)突變，其中4～10月為高發(fā)期，平均達(dá)146.5時(shí)次，占總數(shù)(178.25時(shí)次)的82.2%，多出現(xiàn)在中午前后(03～07時(shí))，達(dá)130.25時(shí)次，占總數(shù)(178.25時(shí)次)的73.1%。在金文琪[8]和荀愛(ài)萍等[7]的研究中，海風(fēng)通常開(kāi)始于02～04時(shí)，在午后06～09時(shí)達(dá)到高峰，與本文中峰值出現(xiàn)的時(shí)次較為匹配，陸風(fēng)的頻次較少且海風(fēng)的速度遠(yuǎn)大于陸風(fēng)，由于觸發(fā)風(fēng)的突變前后風(fēng)速至少達(dá)到5m/s，所以相較海風(fēng)較為強(qiáng)盛的午后，在陸風(fēng)較為活躍的夜間較午后難以達(dá)到觸發(fā)地面風(fēng)突變的標(biāo)準(zhǔn)。

全年各月也均有因冷空氣影響導(dǎo)致的地面風(fēng)突變，其高發(fā)期為11月～次年4月，平均達(dá)33.75時(shí)次，占總數(shù)(52.5時(shí)次)的64.3%，多出現(xiàn)在早晨和傍晚后，達(dá)22.5時(shí)次，占總數(shù)(52.5時(shí)次)的42.85%。

因?qū)α魈鞖庠斐傻孛骘L(fēng)的突變只發(fā)生在3～9月，其中6～9月為其高發(fā)期，平均達(dá)42.75時(shí)次，占總數(shù)(53.5時(shí)次)的79.9%，多出現(xiàn)在中午到傍晚(04～10時(shí))，達(dá)24時(shí)次，占總數(shù)(53.5時(shí)次)的44.9%，17～19時(shí)為其突變的谷值，其余時(shí)刻分布較為平均。

3.5 地面風(fēng)的突變對(duì)飛行有重要影響特征分析

由于地面風(fēng)的突變可能會(huì)造成機(jī)場(chǎng)跑道風(fēng)由逆風(fēng)轉(zhuǎn)為順風(fēng)或產(chǎn)生跑道正側(cè)風(fēng)，對(duì)飛行影響甚大。根據(jù)中國(guó)民用航空空中交通管理規(guī)則(CCAR-93TM-R2)第一百四十條規(guī)定，航空器通常應(yīng)當(dāng)逆風(fēng)起飛和著陸，但是當(dāng)跑道長(zhǎng)度、坡度和凈空條件允許，航空器也可以在風(fēng)速不大于3m/s時(shí)順風(fēng)起飛和著陸。即當(dāng)跑道順風(fēng)大于3m/s時(shí)，必須更換跑道起降方向。在2017—2020年地面風(fēng)突變的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)平均每年有40.5次風(fēng)的突變會(huì)造成跑道順風(fēng)大于3m/s，對(duì)飛行造成重要影響，占全年的14.5%。表2是2017—2020年平均每月地面風(fēng)突變后風(fēng)速達(dá)到更換跑道閾值的次數(shù)。由表2可知，對(duì)飛行有重要影響的地面風(fēng)突變主要發(fā)生在7～8月，其次是4～5月，分別占全年的31.5%和24.1%。

表2 2017—2020年廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)突變后達(dá)到更換跑道閾值次數(shù)的月際分布

圖4是2017—2020年廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)突變后達(dá)到更換跑道閾值次數(shù)日分布。從圖4可知，地面風(fēng)突變后達(dá)到變更跑道閾值的時(shí)次主要集中在05～09時(shí)，06時(shí)為峰值，03時(shí)有一次峰值，恰逢廈門(mén)機(jī)場(chǎng)航班的密集區(qū)，對(duì)航空運(yùn)行影響大。夜間地面風(fēng)突變后達(dá)到變更跑道閾值的時(shí)次驟減，其中15、18、20時(shí)未曾發(fā)生地面風(fēng)突變達(dá)到變更跑道閾值。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)發(fā)生地面風(fēng)突變觸發(fā)更換跑道閾值的頻率(圖5)，發(fā)現(xiàn)在傍晚(8～10時(shí))發(fā)生地面風(fēng)突變時(shí)最容易觸發(fā)更換跑道的閾值，夜間至次日白天(11～22時(shí))由于總體樣本較少，可能存在一定偏差值。由此可見(jiàn)在傍晚時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)的地面風(fēng)突變更有可能對(duì)飛行有重要影響。

圖4 2017—2020年廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)突變達(dá)到更換跑道閾值次數(shù)日變化分布

圖5 2017—2020年廈門(mén)機(jī)場(chǎng)發(fā)生地面風(fēng)突變觸發(fā)更換跑道閾值頻率的日變化分布

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析，發(fā)現(xiàn)廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)的突變特征有以下幾點(diǎn)：

①一年之中，夏季及春夏、夏秋換季時(shí)(5～9月)為風(fēng)的突變的高發(fā)期，以7月、9月為甚，而一日之中，中午到下午是地面風(fēng)發(fā)生突變的高發(fā)時(shí)期。

②地面風(fēng)突變?nèi)辗植挤逯党霈F(xiàn)的時(shí)間與季節(jié)相關(guān)，自夏季至冬季峰值出現(xiàn)的時(shí)間逐步由04時(shí)推遲至06時(shí)，自冬季至夏季其峰值出現(xiàn)的時(shí)間又逐步由06時(shí)提早至04時(shí)。

③地面風(fēng)突變的日變化特征在4～7月呈單峰結(jié)構(gòu)，8月開(kāi)始逐步表現(xiàn)出雙峰的特點(diǎn)，在秋冬之交至冬季(11月～1月)雙峰特征最為明顯。

④海陸效應(yīng)是引起廈門(mén)機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)發(fā)生突變的主導(dǎo)因素，其次是冷空氣和對(duì)流天氣影響，臺(tái)風(fēng)天氣影響最少。其中夏季為海陸效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，冬季影響地面風(fēng)突變的主導(dǎo)因素則是冷空氣。

⑤6～9月為對(duì)流天氣造成地面風(fēng)突變的高發(fā)期，對(duì)流引起的風(fēng)的突變存在明顯的峰區(qū)(04～10時(shí))和谷區(qū)(17～19時(shí))，其余時(shí)次分布較為平均。

⑥有近15%的地面風(fēng)突變對(duì)航空運(yùn)行造成重要影響，主要發(fā)生在夏季和春季，并且集中發(fā)生在航班的密集時(shí)段(05～09時(shí))。

⑦傍晚(8～10時(shí))發(fā)生地面風(fēng)突變時(shí)最容易觸發(fā)更換跑道的閾值。