昆明長水機場大霧天氣特征及航班運行控制分析*

張 序，葉 楠，李家南，王玉冰，蘭梓洲

(1.中國國際航空股份有限公司運行控制中心西南分控中心，四川 成都 610202；2.中國民航飛行學(xué)院航空運行專業(yè)技術(shù)及人才培養(yǎng)研究所，四川 廣漢 618307；3.中國國際航空股份有限公司西南分公司飛行部，四川 成都 610202；4.中國民航飛行學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院，四川 廣漢 618307)

1 引言

昆明長水機場位于云南昆明市密度區(qū)長水村，2008年12月5日開工建設(shè)，2012年6月28日投入使用，因地形的特點容易出現(xiàn)大霧天氣。2013年1月3日，投入使用僅半年的昆明長水機場受大霧天氣影響，導(dǎo)致440個航班取消，7 500余名旅客滯留，昆明長水機場大霧天氣成為眾多學(xué)者研究的對象[1-4]。因此，借助對氣象特征的研究，總結(jié)出昆明長水機場在大霧造成的低能見度天氣下，機場出現(xiàn)航班大面積不正常情況，航空承運人安全運行的應(yīng)對措施，有利于提升民航運輸?shù)男屎桶踩浴?/p>

2 氣象資料的選取與研究方法

通過對昆明市氣象元素中溫度和降水方面特點的分析研究，探討出在該天氣條件下昆明長水機場大霧天氣的成因分析，分析過程基于統(tǒng)計學(xué)的處理，結(jié)合Excel軟件的宏功能和函數(shù)功能解讀航空例行天氣報告報文，提取有用的氣象要素，采用回歸分析生成統(tǒng)計圖后進行數(shù)據(jù)分析，整個過程收集整理了1951—2010年近60 a昆明氣象數(shù)據(jù)中溫度、降水量、能見度和風(fēng)向風(fēng)速的數(shù)據(jù)，考慮到昆明市基本地面氣象觀測站的天氣代表性與昆明長水機場略有差異，本文對極端天氣事件判定閾值采用昆明市基本地面氣象觀測站數(shù)據(jù)確認，對民航航班運行的影響數(shù)據(jù)則來源于昆明長水機場和原巫家壩機場的航空例行天氣報告(Meteorological Terminal Aviation Routine Weather Report，簡稱METAR)及終端機場天氣預(yù)報(Terminal Aerodrome Forecasts，簡稱TAF)，以期達到研究數(shù)據(jù)的相對準(zhǔn)確性。

3 昆明市天氣事件特點分析

機場形成的霧以輻射霧為主，這種霧是因輻射冷卻空氣達到過飽和而形成的，隨著日出之后氣溫升高而逐漸消散，但昆明長水機場最主要出現(xiàn)的是鋒面霧，鋒面霧的主要特點是經(jīng)常發(fā)生在冷暖空氣交界的鋒面附近，鋒前霧是由于鋒面上面暖空氣云層中的雨滴落入地面冷空氣內(nèi)，經(jīng)蒸發(fā)使空氣達到過飽和而凝結(jié)形成，而鋒后霧則由暖濕空氣移至原來被暖鋒前冷空氣占據(jù)過的地區(qū)，經(jīng)冷卻達到過飽和而形成的，因此我們主要分析與大霧形成有關(guān)的降水和溫度兩個天氣特征。

3.1 昆明市降水事件特征分析

梳理昆明市1951—2010年日降水量中有效的23 092條數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得圖1，從中可以看出昆明市1951—2010年年總降水量呈波狀浮動，降水最多的年份可達到1 400 mm以上，最低時小于600 mm，年降水總量>1 200 mm的有13 a，平均每4～5 a會發(fā)生一次。從圖可得相關(guān)系數(shù)R2=0.002 3，遠低于1，說明降水量和年份相關(guān)性低。

圖1 昆明市1951—2010年年降水量統(tǒng)計Fig.1 Kunming city, 1951—2010 annual precipitation charts

圖2是昆明市1951—2010年每個月發(fā)生極端降水頻次的統(tǒng)計圖，從圖中可以看出昆明市極端降水大多數(shù)都發(fā)生在6—9月，8月達到了峰值，隨后逐漸降低，11月—次年 4月基本沒有極端降水發(fā)生，季節(jié)性明顯特點。

圖2 昆明市1951—2010年極端降水發(fā)生月總頻次統(tǒng)計Fig.2 Kunming city, 1951—2010 extreme precipitation occur month total frequency charts

圖3是昆明市1951—2010年每年發(fā)生極端降水的頻次統(tǒng)計圖，折線為趨勢線，呈直線，無明顯趨勢。相關(guān)系數(shù)R2=0.000 1，說明極端降水次數(shù)和年份相關(guān)性低，極端降水次數(shù)在相鄰幾年里是相近的，但是波動較大。

圖3 昆明市1951—2010年極端降水年極端降水頻次Fig.3 Kunming city, 1951—2010 extreme precipitation in extreme precipitation frequency figure

圖4為昆明市月平均降水量圖，從中可看出平均月降水有明顯的線性變化，先遞增后遞減，從每年5月開始，6、7、8月降水量明顯較多，這3個月集中了全年大部分的降水，從9月份開始下降，12月到次年1、2、3月降水量最小，呈現(xiàn)出夏秋季降水豐富，冬春季降水少的季節(jié)性特點。

圖4 昆明市月平均降水量Fig.4 Kunming city,month average precipitation charts

3.2 昆明市溫度天氣事件特征分析

統(tǒng)計分析昆明市1951—2010年間的年平均氣溫，從圖5中可以看出在這近60 a中，昆明市的年平均溫度呈現(xiàn)出一個上升的趨勢，從時間段來看：1950—1990年變化還比較緩慢，不明顯，在1990年以后明顯的上升趨勢，趨勢線斜率為正值0.029，相關(guān)系數(shù)R2=0.487 3，具有一定的相關(guān)性。

圖5 昆明市1951—2010年年平均氣溫統(tǒng)計Fig.5 Kunming city, 1951—2010 year average temperature charts

4 長水機場極端天氣背景下大霧天氣航班安全運行影響

4.1 昆明長水機場大霧的成因

昆明長水機場與原巫家壩機場有“相距十多里，冰火兩重天”的特點，昆明長水機場獨特的地理環(huán)境是大霧形成的主要因素之一，一是機場選址在半山腰，按照冷空氣爬升在半山腰會出現(xiàn)霧天的規(guī)律，長水機場選址半山腰，當(dāng)然機場附近是出現(xiàn)大霧天氣最合適不過的地方。其二，昆明長水機場比附近地勢相對又較低，被周邊起伏的山巒包圍著，機場西部、西北部的最高點約2 200 m，東部、東南部達到2 500 m。在冬季晴朗的夜間，輻射冷卻較強，加上新機場北側(cè)的海拔較低，在潮濕的盆地內(nèi)容易形成冷氣團。不斷積累的冷空氣團平流到新機場北側(cè)的山坡并爬升，進而導(dǎo)致機場跑道附近上空形成多云狀況。隨著此云層向南漂移，新機場逐漸被霧所覆蓋。這就像是給機場上空蓋上了一層“被子”，形成了一層保護膜，不利于空氣的流動，導(dǎo)致霧氣難以散去。當(dāng)冷空氣入侵且相對穩(wěn)定時，大霧短時間就不容易散去。長水機場位于云南冷空氣的入口，又是昆明準(zhǔn)靜止鋒常影響的區(qū)域，所以一旦有西南暖濕氣流配合，大霧天氣相對巫家壩機場多。

4.2 大霧天氣下航班運行研究的意義

大霧天氣是出現(xiàn)頻率較高的天氣現(xiàn)象，也是嚴(yán)重危害航空安全飛行的重要因素，大霧天氣不僅在視覺上妨礙飛行員的視野，也會在精神上給其造成很大的壓力，容易發(fā)生飛機起飛、降落時的操作失誤，引起復(fù)飛等安全事故，如：2010年4月10日波蘭總統(tǒng)卡欽斯基的專機失事[5]、2010年8月24日發(fā)生的河南航空有限公司8387班機在伊春的失事[6]、2014年7月23日復(fù)興航空222號班機失事[7]都與大霧造成的低能見度天氣有關(guān)。大霧天氣引起的航空飛行安全事故在所有天氣原因造成的飛行事故中占有很大的比例，所以加強霧的特征及和形成機理研究，完善監(jiān)測、預(yù)報和預(yù)警時航空氣象服務(wù)的重要內(nèi)容之一。

4.3 長水機場與原巫家壩機場大霧天氣情況對比分析

圖6是昆明機場近10 a出現(xiàn)大霧天氣的年頻次統(tǒng)計，可以看到2012年是發(fā)生突變的轉(zhuǎn)折點，但這個轉(zhuǎn)折點源于昆明機場轉(zhuǎn)場后地理環(huán)境變化隨之形成的變化。由圖5可知，近10 a里大霧發(fā)生頻次呈現(xiàn)特點鮮明的趨勢，在2011年之前都極少出現(xiàn)大霧天氣，從2012年機場轉(zhuǎn)場長水運行后大霧天氣發(fā)生頻率開始增大，在2013年達到一個頻率近百次的峰值，經(jīng)統(tǒng)計，在昆明長水機場投入使用的第一年里，昆明長水機場超過1 h以上的大霧天氣出現(xiàn)過116時次，原巫家壩機場所在的區(qū)域卻沒有出現(xiàn)過類似的天氣報告。之后昆明長水機場的大霧天氣頻次雖然有所下降，但是依舊是遠高于巫家壩機場的態(tài)勢。

圖6 昆明機場大霧天氣發(fā)生頻次統(tǒng)計Fig.6 Kunming airport fog weather occur frequency charts

圖7是昆明長水機場和原巫家壩機場大霧天氣年變化對比圖，可以看出昆明長水機場出現(xiàn)霧的天氣主要從7月開始遞增，到10月達到峰值約180時次。11月、12月至次年1月也處于多發(fā)季節(jié)，從2—6月明顯處于低值，穩(wěn)定在40次上下。

圖7 昆明長水機場和巫家壩機場大霧天氣對比Fig.7 Kunming Changshui airport and Wujiaba airport fog weather contrast figure

由圖8可知，長水機場出現(xiàn)霧的時刻多在夜間20時—次日02時，但期間小時波動明顯，如21時和23時出現(xiàn)的頻次就比較少，22時達到了峰值，超過200次。從03時開始處于較低水平，一直到19時，但可以看出在12時出現(xiàn)霧的次數(shù)也是較多的，達到50多次。對比兩機場24 h出現(xiàn)霧次數(shù)，白天出現(xiàn)霧的次數(shù)低于夜間，從06時開始出現(xiàn)的次數(shù)遞增，到22時以后開始出現(xiàn)遞減，逐漸減少。原巫家壩機場出現(xiàn)的頻次很穩(wěn)定，06時開始增加，22時達到峰值，開始遞減。從總數(shù)來看，昆明長水機場出現(xiàn)霧的次數(shù)遠遠高于巫家壩機場。

圖8 巫家壩機場和長水機場24 h出現(xiàn)大霧次數(shù)天氣對比Fig.8 Wujiaba airport and Changshui airport the number of 24-hour appear fog weather contrast figure

4.4 昆明長水機場大霧天氣對航班運行影響研究

昆明長水機場運行的飛機以C類和D類飛機為主，機場采用的飛行模式包括了儀表著陸系統(tǒng)(Instrument Landing System，簡稱ILS)、距離測量設(shè)備(Distance Measuring Equipment，簡稱DME)、CAT-II ，在起飛過程中主要考慮機場的引導(dǎo)設(shè)施的工作狀態(tài)對運行標(biāo)準(zhǔn)的影響。從昆明長水機場起降過程主用的21/22號跑道對外公布并使用的標(biāo)準(zhǔn)儀表進近圖、CAT-II類運行進近圖和機場圖得到昆明長水機場的起降標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

對比2012年6月27日機場搬遷前后原巫家壩機場和長水機場能見度不滿足運行標(biāo)準(zhǔn)的情況，不滿足精密進近的次數(shù)，非精密進近次數(shù)，目視盤旋次數(shù)和各類飛機起飛次數(shù)長水機場遠遠高于巫家壩機場，特別是不滿足起飛的情況，長水機場1.39%高于巫家壩機場0.015%近百倍，直觀看出能見度滿足兩機場運行的天數(shù)占絕大多數(shù)，巫家壩滿足運行標(biāo)準(zhǔn)占98.5%，長水占統(tǒng)計量的88%，在能見度方面原昆明巫家壩機場的運行環(huán)境好于長水機場。

5 長水機場大霧條件下航班運行保障的措施和建議

針對大霧等低能見度天氣下的安全運行一直是民航從業(yè)者研究的課題，昆明機場轉(zhuǎn)場長水機場使用之后，秋冬季受大霧影響的頻率較高，因此做好該情況下航班運行保障成為本文研究的重點之一。眾所周知，民航航班的安全運行需要航空公司各部門的通力協(xié)作[8]，筆者所在的國航西南運行分控中心一直負責(zé)國航所有昆明在起飛航班的簽派放行和西南分公司在昆明機場進出港航班的運行控制，在長期航班保障的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對昆明長水機場大霧條件下航班運行保障的提出以下3點措施和建議：

表1 昆明長水機場常用跑道起降標(biāo)準(zhǔn)(單位：m)Tab.1 Kunming Changshui airport common runway takeoff and landing standard (Unit: m)

①做好昆明長水機場進港航班備份燃油和可靠備降場的選擇。在昆明長水機場附近可作為備降場使用的機場情況包括表2所示。

表2 昆明長水機場周邊可用備降場情況匯總Tab.2 Kunming Changshui airport surrounding available alternate field conditions summary

從表2中可以看到這些可用備降機場中除了距離的遠近之外，還涉及到停機位數(shù)量和機場等級對航班運行的影響，依據(jù)《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規(guī)則》[9](簡稱：CCAR-121-R4)、《中國國際航空公司運行手冊》(簡稱《運行手冊》)[10]和《中國國際航空公司運行規(guī)范》[11](簡稱《運行規(guī)范》)等手冊的規(guī)定，航班起飛的機載燃油中有一部分為“按照規(guī)定需要備降機場的，飛往目的地機場的最遠的備降機場并著陸”所需的油量，因此，航空公司簽派員在簽派放行飛往昆明長水機場航班的過程中應(yīng)該合理的選擇備降場，既要充分考慮備降場的的保證能力，又要結(jié)合航班飛往昆明長水機場的方向來選擇備降場，避免備降場選擇集中選擇某一個的情況出現(xiàn)。特別是綿陽、蘭州和貴陽機場停機位相對較少，一旦昆明機場天氣出現(xiàn)惡化，有可能出現(xiàn)停機位飽和，導(dǎo)致機場不接收非緊急情況下備降的安全事件發(fā)生。與此同時，在機場天氣轉(zhuǎn)差的同時，機場管制部門的流量控制情況也將伴隨而來，放行簽派員需考慮航班的空中等待時間的增加，注意適當(dāng)增加航班空中飛行的備份燃油，避免低油量落地情況的發(fā)生。

②推進低能見度情況下起飛和著陸過程先進技術(shù)的使用。大霧天氣下低能見度起飛程序的投入使用，使得昆明長水機場在保證安全的情況下可以采用更低的能見度標(biāo)準(zhǔn)起飛、落地，針對于大霧天氣下低能見度起飛程序，民航局引入了平視顯示器(Head-up Display，簡稱HUD)[12]，HUD對航班運行的順暢作用顯著，飛行員在使用HUD的時候會感覺到精確度大大提高，提升在大霧天氣條件下低能見度起飛的能力。

③增強備降航班天氣好轉(zhuǎn)后的恢復(fù)能力。在昆明長水機場出現(xiàn)旅客群體事件的事后調(diào)查中我們發(fā)現(xiàn)，旅客群體事件產(chǎn)生的主要原因之一就是航班延誤、取消信息發(fā)布的滯后，造成旅客在候機樓不能及時了解航班的動態(tài)，甚至部分航班已經(jīng)起飛，還有旅客在候機樓等待登機的通知。因此對于航空公司要避免旅客群體事件的發(fā)生，一定要將航班的延誤、取消信息通過盡可能多的平臺告知到乘機旅客，及時、果斷取消航班，做好旅客的安撫工作，快速發(fā)布后續(xù)補班信息，這些都有利于航空公司服務(wù)質(zhì)量的提升。

6 結(jié)論

本文對昆明市氣象報文的解讀分析，首先從1951—2010年間的逐日的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了昆明市極端降水和極端天氣事件的發(fā)生頻率和演變規(guī)律。加上昆明市原巫家壩機場民航METAR報文，2008年6月搬遷到長水機場的民航METAR報文，從中提取有用的信息數(shù)據(jù)，結(jié)合機場的實際運行標(biāo)準(zhǔn)，對比兩個機場的大霧統(tǒng)計，進行綜合分析，提出了長水機場大霧條件下的航班運行保障的措施和建議。得出了以下結(jié)論。

①昆明市1951—2010年間發(fā)生的降水以微量降雨和小雨為主，占92%，暴雨以及大暴雨發(fā)生量極少，小雨總數(shù)的1%。雨季集中在6月、7月、8月、12月—次年3月降水極少，顯示出冬夏季降水明顯的季節(jié)性特征。年降水總量在1 000 mm左右波動，年變化不顯著，相關(guān)性<0.1。極端降水年均9.5次，都發(fā)生在夏季雨季，在1973年和2001年發(fā)生了多次極端災(zāi)害性降水，超過了15次。

②1951—2010年間，昆明市平均氣溫15.06 ℃，年平均最高溫21.02 ℃，年平均最低溫10 ℃。年平均氣溫呈上升趨勢，從1990年以后氣溫回升波動明顯增大。從1951年開始平均氣溫先遞減后遞增，達到顯著水平，1996年，是突變年份。昆明市氣溫適宜，發(fā)生極端氣溫天氣少，但要關(guān)注氣溫持續(xù)上升帶來的影響。

③昆明機場在2008年6月27日搬遷，原巫家壩機場停航，所有航班運行調(diào)整到長水機場，對比兩機場的大霧天氣，從發(fā)生大霧的總數(shù)來看，長水機場遠遠超過了原巫家壩機場，因此原巫家壩機場運行環(huán)境優(yōu)于長水機場，在所統(tǒng)計量中長水滿足運行的次數(shù)占統(tǒng)計量的88%，而巫家壩占98.5%，這原因中受到長水機場獨特地形的影響最大。出現(xiàn)大霧天氣影響運行成了昆明長水機場的一個“特色”，每年11月—次年1月的早晨到中午經(jīng)常出現(xiàn)大霧天氣，同時大霧天氣是影響能見度的主要原因。