李新峰 陳 博
(民航華東空管局氣象中心,上海 200335)
在航空氣象服務(wù)中,霜是一種嚴(yán)重影響飛機正常起飛的天氣現(xiàn)象,是需要發(fā)布機場警報的天氣現(xiàn)象之一。它是由水汽凝華在地面或物體上的白色松脆的冰晶或由露水凍結(jié)而成的冰珠[1],主要發(fā)生在深秋至次年的初春,一般在夜間至清晨的一段時間內(nèi)形成。機場跑道面結(jié)霜,會影響跑道粗糙度,進(jìn)而影響飛機的起飛和降落;停場未入庫飛機表面特別是機翼前緣結(jié)霜,會影響飛機的空氣動力學(xué)特征,導(dǎo)致起飛時升力減弱,阻力增加,處置不當(dāng)極易發(fā)生事故[2]。例如,2004年11月21日,由包頭飛往上海的航班在起飛后不久就發(fā)生墜落,機上人員全部遇難。調(diào)查證實,飛機起飛過程中,機翼污染破壞了氣動性,導(dǎo)致飛機失速。事故調(diào)查組認(rèn)為,機翼污染物最大可能是霜,而飛機起飛前沒有進(jìn)行除霜[3]。據(jù)中國民用航空局相關(guān)規(guī)范[4]要求,在地面起飛前,飛機的一些關(guān)鍵表面不能帶冰、雪、霜(稱為“冰凍污染物”)起飛。
長期以來,學(xué)術(shù)界對霜進(jìn)行了廣泛而深入的研究。王海燕等[5]分析了西北地區(qū)一次霜凍過程的天氣背景,康暑雨[6]、吳文華[7]針對不同區(qū)域,分析了霜的時空分布特征和氣候背景,許艷等[8]、馬樹慶等[9]、張旭暉等[10]利用長時間觀測資料,分析霜的氣候變化特征。黃繼雄[2]應(yīng)用首都機場霜的高密度觀測資料進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)首都機場結(jié)霜時,氣溫低、相對濕度大,風(fēng)向多為偏北風(fēng)和偏東風(fēng)、風(fēng)速大都≤2 m/s等特點;徐海等[11]統(tǒng)計了雙流機場霜與相關(guān)氣象要素的基本特征,發(fā)現(xiàn)雙流機場出現(xiàn)霜時最低溫度為0.5℃,相對濕度多在95%,天空狀況為少云到多云,平均風(fēng)速多在1 m/s以下。
浦東機場霜天氣出現(xiàn)日數(shù)雖然占整個冬季比例較少,但霜出現(xiàn)的時期與各機場的航班進(jìn)出港早高峰有一定程度的重合,對早出港航班正常率有較大的影響?;诖耍狙芯繑M利用近11年浦東機場地面觀測資料,統(tǒng)計機場結(jié)霜的氣候背景,研究機場結(jié)霜時氣象要素的閾值,對于做好冬季霜的氣象服務(wù)工作、減少因除霜帶來的航班延誤、提高運行效率具有重要意義。
本研究所用資料為2010—2020年浦東機場地面氣象觀測資料,具體為逐日天氣現(xiàn)象、逐日最低和最高氣溫、風(fēng)向風(fēng)速、相對濕度、氣壓和總云量。除總云量為人工觀測外,其余資料均為自動觀測。資料來源于浦東機場例行天氣報告和實況紀(jì)要欄,經(jīng)檢查資料未存在缺失現(xiàn)象,并經(jīng)過嚴(yán)格的檢查和質(zhì)量控制,資料可靠性較高。
借助前人研究[10,12-13],鑒于霜與日最低氣溫直接相關(guān),因此采用日最低溫度時觀測到的氣象要素表示霜出現(xiàn)時的氣象要素。采用數(shù)理統(tǒng)計方法,對浦東機場霜的年際和月變化特征進(jìn)行分析。
圖1為近11年浦東機場霜的年際變化圖,2010—2020年浦東機場共有145個霜日,平均每年13.2 d。年際變化特征明顯,其中2010年浦東機場霜日最多,為20 d,占全部霜日的13.8%,2018年最少,僅有6個霜日;2010—2020年浦東機場霜日數(shù)階段性變化特征明顯,2018—2020年霜日出現(xiàn)次數(shù)相較前期明顯降低,平均每年7.6個霜日,相比2015—2017年減少43%,相比2012—2014年減少55%。姚麗娜等[13]研究指出,全球氣候變化對冬季霜的形成有一定影響,霜日數(shù)呈現(xiàn)明顯減少趨勢。
圖1 2010—2020年浦東機場霜的年際變化
月變化方面,浦東機場霜僅發(fā)生在每年的11月至次年3月,其中11月霜日最少,僅占3.4%;11月開始,霜發(fā)生的頻率逐漸增加,至次年1月霜日達(dá)到峰值,占37.2%;次年2月結(jié)霜開始減少,次年2月和3月結(jié)霜次數(shù)占比分別為22.1%和7.6%(見圖2)。
圖2 2010—2020年浦東機場霜的月際變化
霜是由水汽凝華或由露水凍結(jié)而成的冰晶,與當(dāng)夜最低溫度、日溫差、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓等要素密切相關(guān),是多種氣象要素共同作用的結(jié)果。
圖3為浦東機場霜天氣時最低溫度的頻率分布圖,呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布特征。浦東機場出現(xiàn)霜天氣的最低溫度在-6.9~6.5℃之間波動,平均值為-0.96℃,最低值出現(xiàn)在2016年1月26日,最高值出現(xiàn)在2021年1月4日。霜發(fā)生時最低溫度頻率最大的值域區(qū)間為-1~0℃,頻率為21%,同時,70%的霜天氣現(xiàn)象發(fā)生在最低溫度≤0℃,75%的霜發(fā)生在最低溫度-3~2℃。
圖3 2010—2020年浦東機場霜發(fā)生時的最低溫度頻率分布
由圖4可知,不同月份的最低溫度分布呈現(xiàn)不同的特征。11月為初霜期,最低溫度平均值為逐月中最高,為2.5℃,分布概率為50%的區(qū)間為1.9~3.4℃,最高溫度為4.1℃,表明11月浦東機場最低溫度只要低至4℃時即有可能形成霜,而最低溫度降至2℃時,有75%的概率會形成霜。12月至次年2月出現(xiàn)霜的最低溫度平均值均小于0℃,其中次年2月最低,為-1.8℃,分布概率為50%的區(qū)間為-3.3~-0.3℃,表明浦東機場在2月時,最低溫度需要降低至-3.3℃時,有75%的概率會形成霜。因此,浦東機場在不同月份,霜形成所需的最低溫度有所差異。
圖4 2010—2020年浦東機場霜時最低溫度的月際統(tǒng)計箱型圖
圖5為浦東機場霜日的日溫差頻率分布,分析可知,出現(xiàn)霜天氣的前日最高溫度與夜間最低溫度的差值最高達(dá)18.6℃,最低差4.1℃,差值主要集中在8~14℃,占所有情況的77%。隨著年份的推移,最高溫度與最低溫度的差值無明顯趨勢性變化。
圖5 2010—2020年浦東機場霜日的日溫差頻率分布
如圖6所示,當(dāng)霜出現(xiàn)時,風(fēng)速的分布呈正態(tài)分布特征,平均風(fēng)速為1.8 m/s,頻率最高的風(fēng)速區(qū)間為0~4 m/s的靜風(fēng)或微風(fēng),頻率為94%。同時,圖7顯示,風(fēng)向分布呈現(xiàn)雙峰型,其中頻率最高的兩個風(fēng)向區(qū)間分布為210°~240°和300°~330°,為西南風(fēng)和西北風(fēng),頻率分別為20%和19%,總的風(fēng)向平均值為233°。因此,霜出現(xiàn)靜風(fēng)或微風(fēng)的時候,空氣緩慢地流過冷物體表面,不斷地供應(yīng)著水汽,有利于霜的形成。因此,霜一般形成在寒冷季節(jié)里0~4 m/s的微風(fēng)或無風(fēng)的夜晚,風(fēng)向以西南風(fēng)或西北風(fēng)為主。
圖7 2010—2020年浦東機場霜發(fā)生時的風(fēng)向頻率分布
霜的形成需要合適的濕度條件,從霜出現(xiàn)時的濕度分布(見圖8)可以發(fā)現(xiàn),霜形成時相對濕度≥70%占比達(dá)到91%,隨著濕度的增加,形成霜的可能性逐漸增大,當(dāng)夜間濕度達(dá)到80%時,出現(xiàn)霜的概率相對較高。
圖8 2010—2020年浦東機場霜發(fā)生時的相對濕度頻率分布
圖9為浦東機場霜日的海平面氣壓的頻率分布圖,浦東機場出現(xiàn)霜天氣的海平面氣壓在1 018~1 038 hPa之間波動,平均值為1 028 hPa,霜發(fā)生時最低溫度頻率最大的值域區(qū)間為1 025~1 030 hPa,頻率為42%,同時,95%的霜天氣現(xiàn)象發(fā)生在1 020~1 035 hPa之間。因此,霜天氣發(fā)生時一般地面為高壓環(huán)流控制。
圖9 2010—2020年浦東機場霜發(fā)生時的海平面氣壓頻率分布
霜的形成需要合適的溫度,而云量的多少與夜間地面溫度密切相關(guān)。夜間云量越少,地面強烈的輻射散失熱量越多,最低溫度越低越有利于霜的形成?!睹裼煤娇諝庀蟮孛嬗^測規(guī)范》規(guī)定:當(dāng)總云量為0時,為無云,當(dāng)總云量為8時,為滿天云。從霜發(fā)生時的總云量的分布(見圖10)可以看出,晴夜最有利于霜的發(fā)生,占88%,因此,夜間無云導(dǎo)致強烈的輻射冷卻,晴朗少云的夜晚有利于霜的形成。
圖10 2010—2020年浦東機場霜發(fā)生時的總云量頻率分布
百分位數(shù)在研究氣象災(zāi)害嚴(yán)重性方面有著廣泛的應(yīng)用,25%~75%分位數(shù)的值域區(qū)間在統(tǒng)計學(xué)中被認(rèn)為是出現(xiàn)頻率較高的數(shù)值范圍[14]。本研究將通過百分位數(shù)對以上7種相關(guān)氣象要素在結(jié)霜時最大概率出現(xiàn)的值區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計,基于百分位數(shù)確定浦東機場霜天氣的物理量預(yù)報指標(biāo)。
表1為浦東機場結(jié)霜時7種氣象要素的25%與75%分位數(shù)值和統(tǒng)計平均值,分析可知,當(dāng)夜間最低氣溫降低至-2.5~0.6℃時,有50%的概率會形成霜,當(dāng)為-1℃時,形成霜的概率更高;同樣,當(dāng)日溫差在10.1~13.6℃,風(fēng)向190°~305°,風(fēng)速1~2 m/s,相對濕度77.5%~96%,海平面氣壓1 024.9~1 030.7 hPa,夜間晴空,浦東機場形成霜的概率較大,如果預(yù)報或觀測的各氣象要素接近或等于平均值時,浦東機場出現(xiàn)霜的概率最大。
表1 浦東機場結(jié)霜時相關(guān)氣象要素百分位數(shù)值及平均值分布表
本研究利用2010—2020年浦東機場地面氣象觀測資料,分析了該機場霜天氣的氣候變化特點和天氣要素特征,并定量估算了結(jié)霜時相關(guān)氣象要素的閾值。得到的主要結(jié)論如下。
①近11年浦東機場年均霜日為13.2 d,多發(fā)生于11月至次年3月,具有顯著的年、月變化特征。
②浦東機場結(jié)霜時,地面為高壓控制的晴夜,當(dāng)最低氣溫偏低,相對濕度較大,且出現(xiàn)西南風(fēng)(風(fēng)速為0~4 m/s的靜風(fēng)或微風(fēng))時,易出現(xiàn)霜天氣。結(jié)霜時的天氣要素閾值存在月度差異,11月最低氣溫低于4℃時就有可能出現(xiàn)霜,較12月至次年3月閾值偏高。
③溫度和濕度條件是浦東機場形成霜的關(guān)鍵因素,預(yù)計夜間地面降溫幅度達(dá)10.1~13.6℃,低溫度降至-2.5~0.6℃,且相對濕度達(dá)到77.5%~96%時,易出現(xiàn)霜天氣,晴夜的地面持續(xù)出現(xiàn)1~2 m/s的西南至偏西風(fēng)會增大浦東機場結(jié)霜的概率。
上述研究結(jié)論和前人研究結(jié)論基本一致:隨著氣候變化,霜日數(shù)呈下降趨勢[6,13]。雖然霜天氣發(fā)生時的氣象背景相似[5,9,13],但有關(guān)氣象閾值存在細(xì)微的差異。本研究的結(jié)論對進(jìn)一步開展預(yù)報業(yè)務(wù)工作及基礎(chǔ)研究均具有指導(dǎo)意義。另外,本研究僅統(tǒng)計分析霜天氣特征,有關(guān)結(jié)霜的物理過程和機制沒有涉及。采用數(shù)值模擬的方法,在高時空分辨率的模擬數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對其進(jìn)行更加細(xì)致與完整的討論,將是下一步工作的重點。