成都雙流機(jī)場(chǎng)極端天氣事件背景下飛行安全對(duì)策研究

張 序

(中國(guó)國(guó)際航空股份有限公司 a.運(yùn)行控制中心西南分控中心;b.培訓(xùn)部西南分部,成都 610202)

民航機(jī)場(chǎng)投入使用后都會(huì)在對(duì)外公布的機(jī)場(chǎng)圖和標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)近圖上準(zhǔn)確地標(biāo)注出機(jī)場(chǎng)各型別飛機(jī)在各類機(jī)場(chǎng)設(shè)施設(shè)備工作情況下的天氣標(biāo)準(zhǔn),這類標(biāo)準(zhǔn)主要包含能見(jiàn)度、云高和跑道視程三個(gè)方面,當(dāng)天氣實(shí)況不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)是禁止航空器起降的。因此,本文通過(guò)極端天氣事件對(duì)氣候演變規(guī)律開(kāi)展研究,分析成都雙流機(jī)場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱:雙流機(jī)場(chǎng))大霧形成的原因,并在此基礎(chǔ)上討論大霧造成的低能見(jiàn)度天氣安全飛行的應(yīng)對(duì)措施。

1 研究數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

本文選取中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)中成都市基本地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)1951-2003年間的逐日氣象要素?cái)?shù)據(jù)集,包括發(fā)布的航空例行天氣報(bào)告報(bào)(METAR:Meteorological Terminal Aviation Routine Weather Report)、終端機(jī)場(chǎng)天氣預(yù)報(bào)(TAF:Terminal Aerodrome Forecasts)和特殊天氣報(bào)(SPECI:Aviation Special Weather Report),研究過(guò)程從中提取平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫和日降水量。采用氣象分析中常用的百分位閾值分析法和Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法,其中百分位閾值分析法定義“相對(duì)氣候閾值”,當(dāng)氣象要素超過(guò)這個(gè)閾值時(shí)可以定義一個(gè)極端天氣事件;閾值確定方法為:將一序列數(shù)據(jù)去除數(shù)據(jù)為0的數(shù)據(jù)后降序排列,位于第5%位置的數(shù)值為極端天氣事件判定閾值[1],接著通過(guò)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)輔助觀察溫度、降水、大風(fēng)數(shù)據(jù)的總體變化趨勢(shì)。

Mann-Kendall檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦并廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法,該方法既可以檢測(cè)序列的變化趨勢(shì),也可以進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗(yàn),主要用于氣候要素在時(shí)間序列趨勢(shì)中的突變性檢測(cè)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要樣本遵從一定的分布、不受少數(shù)異常值的干擾、計(jì)算簡(jiǎn)便[2]。Mann-Kendall檢驗(yàn)中,原假設(shè)H0為原序列(x1,x2,…,xn)無(wú)變化趨勢(shì),備擇假設(shè)H1是原序列有增大或減小變化趨勢(shì),為雙邊檢驗(yàn),構(gòu)造秩序列Sk。

定義統(tǒng)計(jì)變量:

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,UF1=0,對(duì)于給定顯著性水平α,若|UFk|>μα,則標(biāo)明原序列存在明顯的趨勢(shì)變化,將上訴方法逆向使用,時(shí)間序列逆序排列為xn,xn-1,…,x1,重復(fù)相同的操作得到UBk,滿足UBk=-UFk,k=1,2,…,n,UBn=0。通過(guò)UFk和UBk的曲線走勢(shì)可進(jìn)一步分析序列x的變化趨勢(shì),同時(shí)也能夠明確突變的時(shí)間和顯著性變化的范圍[3-4]。

2 極端天氣事件的閾值確定

2.1 極端氣溫閾值的確定

選取成都1951年至2003年的逐日最高氣溫的統(tǒng)計(jì)表,將表中數(shù)據(jù)進(jìn)行降序排列,通過(guò)計(jì)算第5個(gè)百分位所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)得出閾值為32.1℃,根據(jù)相關(guān)規(guī)定30 ℃以上即可定義為高溫?zé)崂薣5],選擇閾值為32.1 ℃作為成都市極端高溫事件判定指標(biāo)。

2.2 極端降水閾值的確定

選取成都市1951年至2003年共19 358條降水?dāng)?shù)據(jù),先去除無(wú)記錄和降水量為0的數(shù)據(jù),將剩下的8 075條數(shù)據(jù)進(jìn)行降序排列,位于第5個(gè)百分位的降水量是27.7 mm,屬于大雨級(jí)別[6],對(duì)于成都市可用27.7 mm作為極端降水事件的判定閾值。

3 成都?xì)夂虮尘胺治?/h2>

3.1 極端溫度天氣事件

本部分中確定的極端高溫事件的判定閾值為32.1 ℃,接下來(lái)統(tǒng)計(jì)1951年至2003年的逐年極端高溫事件發(fā)生的頻次,將每年極端高溫事件發(fā)生次數(shù)借助回歸數(shù)據(jù)分析來(lái)總結(jié)極端高溫事件逐年的變化特征。圖1(a)和(b)為成都1951年至2003年極端高溫事件發(fā)生的頻次圖。

通過(guò)圖1(a)中可以發(fā)現(xiàn)成都市在1951年至2003年期間,極端高溫事件發(fā)生的頻率沒(méi)有出現(xiàn)大幅度的增加或減少,圖中趨勢(shì)線的斜率為正,僅為0.012,整體增加平緩,未通過(guò)顯著性檢驗(yàn),P=0.88。如果把這53年劃分為5個(gè)集和,第1個(gè)集合為1951年—1955年,平均發(fā)生25次,第2個(gè)集合為1956年—1965年,平均發(fā)生頻次為14次;第3個(gè)集合為1966年至1979年,平均發(fā)生頻次為20次;第4個(gè)集合為1980年至1993年,平均發(fā)生頻次為11次;第5個(gè)集合為1994年至2003年,平均發(fā)生頻次為28次,如圖1(b)所示,過(guò)去50多年每隔幾年極端高溫發(fā)生頻次就出現(xiàn)大的波動(dòng)。通過(guò)對(duì)1951年至2003年極端高溫事件發(fā)生頻次進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn),得出圖2,從圖中可知在1953年至1954年表現(xiàn)出上升趨勢(shì),但沒(méi)達(dá)到顯著水平,其余51年幾乎都呈下降趨勢(shì),達(dá)到極顯著下降趨勢(shì)。從圖中UFk和UBk的交點(diǎn)來(lái)看,僅在1953年和2001年發(fā)生突變,表現(xiàn)穩(wěn)定。

圖1 成都1951 年至2003 年極端高溫事件發(fā)生圖

圖2 成都市 1951 年至 2003 年極端高溫天氣頻次按年分布圖

對(duì)極端溫度事件的變化研究可以看到1951年至2003年的極端高溫處于小幅下降趨勢(shì),極端低溫處于顯著的上升趨勢(shì),導(dǎo)致平均溫度處于顯著上升趨勢(shì)。根據(jù)查找的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),從2000年至2010年成都市極端高溫事件發(fā)生頻次和強(qiáng)度為正距平,說(shuō)明極端高溫事件在21世紀(jì)為上升趨勢(shì);極端低溫事件發(fā)生頻次和強(qiáng)度為負(fù)距平,說(shuō)明極端低溫發(fā)生頻次減少,強(qiáng)度減弱。綜合來(lái)看,由于極端高溫和低溫的變化造成平均溫度在21世紀(jì)前半段處于上升的趨勢(shì),但不會(huì)出現(xiàn)明顯的突變。

3.2 極端降水天氣事件

以極端降水事件閾值為27.7 mm作為分析的基礎(chǔ),把成都市1951年至2003年逐日降水量經(jīng)過(guò)篩選,得出逐年極端降水事件發(fā)生的頻次,用回歸分析法進(jìn)行極端降水事件的變化特征分析,圖3為成都市1951年至2003年發(fā)生極端降水事件的頻次圖。

圖3 成都市1951 年至2003 年極端降水事件頻次圖

從圖3可知,成都市1951年至2003年的極端降水事件發(fā)生的頻次呈下降趨勢(shì),在顯著性檢驗(yàn)中,得出P=0.048小于0.05,且F≥Fα,說(shuō)明極端降水事件逐年發(fā)生的頻次間存在顯著的差異,且通過(guò)顯著性檢驗(yàn),達(dá)到顯著水平。從圖中不難發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)60年代以后,極端降水事件一直處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)中,在1996年之后極高和極低之間的差值逐漸變小,除去較高/低頻次的數(shù)據(jù),其它數(shù)據(jù)都漸漸向趨勢(shì)線靠攏,表現(xiàn)為總體呈下降趨勢(shì)。

圖4 成都市極端降水頻次Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)曲線

圖5 成都市總降水量Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)曲線

通過(guò)圖4和圖5可以看到1954年和1958年出現(xiàn)突變,表現(xiàn)為1953年至1961年呈下降的趨勢(shì)且達(dá)到極顯著的下降趨勢(shì),到1961年后才呈現(xiàn)上升的趨勢(shì);1968年出現(xiàn)第三次突變,表現(xiàn)為從1968年至21世紀(jì)初持續(xù)處于下降趨勢(shì),到2003年下降的趨勢(shì)達(dá)到極顯著的水平?？傮w來(lái)看過(guò)去55年有40年是處于下降的狀態(tài)并達(dá)到極顯著的特征,其余15年為上升狀態(tài)但沒(méi)達(dá)到顯著水平。

對(duì)于成都市在2003年之后極端降水事件的變化研究,主要參考兩個(gè)方面,首先極端降水事件在1951 年至2003 年的發(fā)生頻次和強(qiáng)度都處于下降的趨勢(shì),尤其從極端降水總量和總降水量的Mann-Kendall曲線來(lái)看,在1968 年之后都處于下降狀態(tài),在21世紀(jì)之后都達(dá)到顯著水平,可以預(yù)估未來(lái)不會(huì)出現(xiàn)大的突變;另一方面,參考劉勁龍[7]對(duì)于成都降水研究的發(fā)現(xiàn),21世紀(jì)成都市極端降水發(fā)生頻次處于低距平狀態(tài),也就是說(shuō)發(fā)生頻次沒(méi)有出現(xiàn)正增長(zhǎng),而極端降水的強(qiáng)度在1970年之后便一直呈現(xiàn)負(fù)距平,沒(méi)有出現(xiàn)突變。從上面分析可以看出在21世紀(jì)的2003年至2016年極端降水事件發(fā)生頻次持續(xù)下降,發(fā)生強(qiáng)度也持續(xù)下降。

4 雙流機(jī)場(chǎng)大霧天氣的成因及演變規(guī)律

4.1 機(jī)場(chǎng)氣候背景

結(jié)合前面的分析可以知道,成都市極端天氣在21世紀(jì)有了不同的變化,極端降水事件處于下降的趨勢(shì),平均溫度持續(xù)增長(zhǎng),在這個(gè)大的氣象背景下,對(duì)于那些影響航班運(yùn)行的氣象要素會(huì)產(chǎn)生一定的促進(jìn)或削弱作用[8],溫度的上升有助于水汽蒸發(fā),水汽飽和度的提高對(duì)區(qū)域內(nèi)大霧的形成有促進(jìn)作用[9-11],因此,本節(jié)重點(diǎn)研究雙流機(jī)場(chǎng)2007年至2016年大霧造成的能見(jiàn)度變化情況。

4.2 雙流機(jī)場(chǎng)的大霧成因

冬季是一年中平均風(fēng)速(大約0.9 m/s)最小、平均溫度最低(大約6 ℃)、平均降雨量最少(大約0.3 mm)的季節(jié),同樣是低能見(jiàn)度發(fā)生頻次最多和強(qiáng)度最大的季節(jié),這就說(shuō)明冬季低溫、少降雨、低風(fēng)速為雙流機(jī)場(chǎng)輻射霧的形成創(chuàng)造了條件,導(dǎo)致冬季整體能見(jiàn)度不佳,影響民航運(yùn)輸。雙流機(jī)場(chǎng)冬季大霧多發(fā)生在一天中的23 點(diǎn)到次日的14 點(diǎn),時(shí)間跨度較大,對(duì)航班的安全和正常運(yùn)行影響明顯,需要提醒有關(guān)部門與公司在冬季要狠抓天氣變化的特點(diǎn),以保障每個(gè)航班的安全與正點(diǎn)。由此在冬季應(yīng)該著重制定相應(yīng)的方案防止大面積的延誤,保障航班高效運(yùn)行[12]。

4.3 低能見(jiàn)度演變規(guī)律分析

對(duì)雙流機(jī)場(chǎng)2007年至2016年全年的METAR報(bào)進(jìn)行分析,共整理出478 476條有效能見(jiàn)度數(shù)據(jù),當(dāng)能見(jiàn)度低于800 m時(shí)不能滿足C類和D類飛機(jī)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可以看到低于C類和D類飛機(jī)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的能見(jiàn)度數(shù)據(jù)占1%,由此可知雙流機(jī)場(chǎng)低能見(jiàn)度在一年中所占比例不高。

大霧造成的低能見(jiàn)度的日變化受到很多因素的干擾,比如:空氣飽和度、濕度、溫度、風(fēng)速等。一般在午夜形成,在凌晨到達(dá)最低值,當(dāng)太陽(yáng)出現(xiàn),溫度逐漸升高,風(fēng)速增大而開(kāi)始增加[13],中午時(shí)刻能見(jiàn)度達(dá)到較佳時(shí)刻。通過(guò)對(duì)24個(gè)時(shí)刻的能見(jiàn)度統(tǒng)計(jì),分析低于800 m的次數(shù),按春夏秋天進(jìn)行分類繪制成都雙流機(jī)場(chǎng)低能見(jiàn)度次數(shù)的分布圖,如圖6和圖7所示。

圖6 成都市2007年至2016年低能見(jiàn)度逐時(shí)發(fā)生頻次圖

圖7 成都市2007年至2016年低能見(jiàn)度發(fā)生頻次圖

春季:低能見(jiàn)度次數(shù)發(fā)生較少,能見(jiàn)度低于800 m的情況常在一天的4點(diǎn)至11點(diǎn)出現(xiàn),其中6點(diǎn)至8點(diǎn)發(fā)生的頻率最高。夏季:低能見(jiàn)度發(fā)生次數(shù)最少的季節(jié),能見(jiàn)度低于800 m只有在早晨6點(diǎn)出現(xiàn)過(guò),其它各個(gè)時(shí)間內(nèi)都未發(fā)生低能見(jiàn)度天氣。秋季:過(guò)去10年共出現(xiàn)了157次,略高于春季,能見(jiàn)度低于800 m集中分布在午夜0點(diǎn)至中午14點(diǎn),低能見(jiàn)度的發(fā)生相對(duì)頻繁,8點(diǎn)至10點(diǎn)發(fā)生頻率最高,較春夏兩季明顯增多。冬季:低能見(jiàn)度天氣高發(fā)季節(jié),與春夏秋形成強(qiáng)烈的反差,發(fā)生時(shí)刻跨度較大,從夜晚23點(diǎn)至次日15點(diǎn)都有出現(xiàn),其中凌晨5點(diǎn)至11點(diǎn)為高發(fā)期。

綜上所述,春、秋、冬低能見(jiàn)度都在夜間開(kāi)始形成并逐漸下降,到午夜達(dá)到最差,于凌晨開(kāi)始好轉(zhuǎn),中午逐漸消散。此外,通過(guò)季節(jié)的分析可以看出,夏季為一年中能見(jiàn)度最好的時(shí)期,秋季能見(jiàn)度開(kāi)始趨于變差,并在冬季到達(dá)一年中最差的季節(jié),又從春季開(kāi)始逐漸變好,分析可知每個(gè)季節(jié)的低能見(jiàn)的出現(xiàn)呈現(xiàn)巨大的反差,同樣各個(gè)季節(jié)的低能見(jiàn)度持續(xù)時(shí)間又多不一樣。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

本文研究范圍包括極端天氣事件發(fā)生頻次、發(fā)生強(qiáng)度變化和數(shù)據(jù)的突變等,通過(guò)所有的氣象處理分析后,得出了以下的結(jié)論:

(1)從發(fā)生頻次來(lái)看,針對(duì)雙流機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行本文分析了低能見(jiàn)度的發(fā)生頻次,能見(jiàn)度小于等于800米主要出現(xiàn)在冬季,占比為68%,秋季占21%,春季占10%,夏季占1%。而雙流機(jī)場(chǎng)低能見(jiàn)度出現(xiàn)的時(shí)刻比較統(tǒng)一,在23點(diǎn)以后15點(diǎn)以前,以冬季為例凌晨5點(diǎn)到11點(diǎn)為高發(fā)期,9點(diǎn)達(dá)到峰值。

(2)從變化強(qiáng)度來(lái)看,每年極端降水強(qiáng)度和年總降水在過(guò)去53年都呈下降的趨勢(shì),通過(guò)Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)曲線來(lái)看每年的變化情況都相似,尤其表現(xiàn)在1971年至2003年都呈下降的趨勢(shì)。雖然在1979年、1982年、1984年、1988年和1991年這幾年發(fā)生了突變,但可以看出年總降水量的變化很大程度上是取決于極端降水量的變化;對(duì)于溫度主要從年平均日最高、最低溫度和年平均日氣溫來(lái)研究,發(fā)現(xiàn)年平均日最低氣溫的變化與年平均溫度的變化相似,都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),達(dá)到顯著變化的水平。從Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)曲線得出了平均氣溫的變化趨勢(shì),從1951年至1965年增速為正,達(dá)到極顯著上升水平,1965年至2001年增速為負(fù),達(dá)到極顯著下降水平,2001年過(guò)后又呈上升狀態(tài)。

5.2 討論

伴隨著行業(yè)的快速發(fā)展,由于氣象原因造成的不正常航班也越來(lái)越多,給民航體系造成了許多負(fù)面形象[14-15]。2016年12月16日四川大霧天氣致雙流機(jī)場(chǎng)航班大面積延誤,部分地區(qū)能見(jiàn)度不足200米,自凌晨4點(diǎn)后機(jī)場(chǎng)陸續(xù)發(fā)布延誤預(yù)警,上百航班延誤或取消,上萬(wàn)名旅客滯留機(jī)場(chǎng);2016年7月12日雙流機(jī)場(chǎng)遭遇暴雨天氣,導(dǎo)致數(shù)十架次航班延誤,9 000多名旅客滯留,面對(duì)航班延誤時(shí),機(jī)場(chǎng)、航空公司、空管部門應(yīng)該還有更多需要做的。

(1)機(jī)場(chǎng)部門:準(zhǔn)確了解機(jī)場(chǎng)氣候變化特征,建立機(jī)場(chǎng)延誤預(yù)警指揮中心,及時(shí)通知本場(chǎng)旅客延誤信息;掌握機(jī)場(chǎng)廊橋、停機(jī)位使用情況和旅客登機(jī)信息,及時(shí)和管制部門,航空公司做好信息共享。

(2)航空公司:盡快通知本公司旅客,可以通過(guò)新媒體對(duì)外發(fā)布延誤信息,提前準(zhǔn)備好餐食、住宿、工作人員預(yù)防航班延誤取消,處理好旅客的后續(xù)安置和退票改簽工作;簽派部門提高天氣分析能力,掌握低能見(jiàn)度的形成因素以及未來(lái)可能出現(xiàn)的天氣對(duì)于能見(jiàn)度的影響,當(dāng)能見(jiàn)度有好轉(zhuǎn)的可能時(shí)擇機(jī)對(duì)航空器放行,還可以結(jié)合低能見(jiàn)度出現(xiàn)時(shí)間和持續(xù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)對(duì)航班延誤時(shí)間做出合理的預(yù)判,并及時(shí)通知本司旅客,為旅客安排計(jì)劃提供可靠的依據(jù)。與此同時(shí),航空公司應(yīng)該引入II類飛行、平視顯示器(HUD:Head Up Display)、低能見(jiàn)起飛程序等新技術(shù),并盡量安排具備此類資質(zhì)的執(zhí)勤機(jī)組執(zhí)行航班,提高航班的安全性和正常性。

(3)空管部門:由于成都雙流機(jī)場(chǎng)進(jìn)出港航班量大,如果突發(fā)對(duì)航班安全飛行有影響的低能見(jiàn)度天氣將造成大量進(jìn)港航班備降周邊機(jī)場(chǎng),如果沒(méi)有一家單位對(duì)航班備降過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)籌安排,勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)備降場(chǎng)資源使用不均衡情況,甚至可能會(huì)因?yàn)楹娇掌骺罩惺Ｓ嘤土烤o張、備降場(chǎng)停機(jī)位不足等原因?qū)桨嗟陌踩w行造成影響。此時(shí),空管部門是承擔(dān)該項(xiàng)工作的不二人選,他們可以綜合飛機(jī)機(jī)型大小、剩余油量多少以及簽派放行時(shí)優(yōu)選的備降場(chǎng)信息,再結(jié)合雙流機(jī)場(chǎng)周邊備降場(chǎng)停機(jī)位數(shù)量、距離遠(yuǎn)近、天氣狀況等資源,科學(xué)合理地將航班指揮到合適備降場(chǎng)降落,確保航班飛行的安全。