颮的報告與監(jiān)視

摘 ?要：颮嚴重影響航空安全，民航地面氣象觀測中颮與天氣學中定義不同，是一種僅與瞬時風速有關的天氣現(xiàn)象。本文結合三次雷暴大風、颮線過程數(shù)據分析總結了颮報告的3點要求。在對颮過程瞬時風速突然增大的突變檢驗中，發(fā)現(xiàn)運用滑動t檢驗法取n1=n2=1分鐘序列長度時，對瞬時風速的突然增大變化都有很好的檢驗效果。由于颮的觀測與監(jiān)視容易出現(xiàn)“錯忘漏”現(xiàn)象，本文分析總結了颮的自動監(jiān)視和判斷流程，并給出了流程圖。

關鍵詞：颮;瞬時風速;突變

中圖分類號：TN102 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）17-0098-06

Abstract：Squall seriously affects aviation safety. The definition of squall in civil aviation ground meteorological observation is different from that in synoptic science. It is a weather phenomenon only related to instantaneous wind speed. In this paper，three requirements for squall reporting are summarized based on data analysis of three thunderstorms，gales and squall line processes. In the sudden increase of instantaneous wind speed in squall process，it is found that the sliding t test has a good effect on the sudden increase of instantaneous wind speed when the sequence length of n1=n2=1 minute is taken. Because squall observation and surveillance are prone to “errors and omissions”，this paper summarizes the process of automatic squall surveillance and judgment，and gives the flow chart.

Keywords：squall;instantaneous wind speed;sudden change

0 ?引 ?言

颮發(fā)生時破壞力大，嚴重影響航空安全，會造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。在氣象學的定義中，颮線是指帶狀的雷暴群所構成的風向、風速突變的一種中至小尺度的強對流天氣，通常伴隨或先于冷鋒出現(xiàn)。而在民航地面氣象觀測規(guī)范中，“颮”的定義與氣象學中颮線的定義不同：當觀測到的瞬時風速急劇增大了至少8m/s，且增大后瞬時風速達到11m/s或以上，并至少維持一分鐘時，應當使用簡語SQ編報颮。由此可見，民航地面氣象觀測中報告的“颮”實際上是一種只與風有關的天氣現(xiàn)象，當風達到規(guī)范中“颮”定義的相關要求，即可報告颮。

在觀測颮時，需要時刻留意瞬時風速的變化。由于颮是一種天氣現(xiàn)象，因此對于機場自動觀測系統(tǒng)內所有測風點的風速都要進行持續(xù)的監(jiān)視，只要有一個點的風達到了颮的定義即要報告颮。尤其對于多跑道機場而言，颮觀測的工作量是相當大的，且通常在颮發(fā)生時與之相伴的天氣現(xiàn)象也相對惡劣，此時觀測工作容易出現(xiàn)“錯忘漏”，會對航空安全造成一定的影響。

目前國內外民航業(yè)對氣象學中颮線的研究已經較為深入，但是對民航氣象中颮的研究卻仍較少[1-5]，因此，本文利用2014年5月廣州白云機場3次雷暴大風、颮線過程分析研究颮的觀測與報告，分解達到報告颮條件的風的相關要求，并為實現(xiàn)自動監(jiān)控、提醒報告颮奠定基礎。

1 ?數(shù)據來源

2014年5月17日、18日、25日，廣州白云機場出現(xiàn)了雷暴大風、颮線天氣。本文利用此三次雷暴大風、颮線過境過程風的數(shù)據進行颮的分析，所用瞬時風速均來源于自動觀測系統(tǒng)存儲的歷史數(shù)據。圖1為2014年5月17日16：27：47—16：37：44（北京時）、18日18：28：44—18：38：41（北京時）、25日19：03：43—19：13：40（北京時）此三次雷暴大風、颮線過境時10分鐘內（每3秒1個數(shù)據，1分鐘20個數(shù)據，共200個數(shù)據）的瞬時風速變化。

由圖1可見，在此3次雷暴大風、颮線過境時，風速都在10分鐘內發(fā)生突變。

在民航地面氣象觀測中，例行觀測時間為10分鐘，在電碼報文中所使用的風也為10分鐘的平均風值;且颮線天氣過境時地面風向突變、風速劇增，風的變化都發(fā)生在很短時間內，若觀測颮的時間定得過長，風速在此時間段內較緩慢增大也可達到到颮的報告要求，在這種情況下報告的颮實則對民航安全影響并不大，夸大了天氣惡劣程度，在一定程度上降低了機場和航空公司運行效率。若颮的觀測時間過短，那么發(fā)生在此時間段內的颮天氣則較少，縮小了惡劣天氣的報告范圍，且會導致觀測員容易來不及做出反應而出現(xiàn)“錯忘漏”的現(xiàn)象。因此將研究颮的時間長度定為10分鐘是較為合適的，下文也以10分鐘為時間長度進行研究。

2 ?颮的觀測與判斷

2.1 ?颮報告要求分析

觀測規(guī)范中對颮的定義意味著報告颮時應達到以下幾點要求：（1）瞬時風速增大至少8m/s。此處由于本文對于颮的觀測時距定為10分鐘，此要求即為10分鐘內至少有一個瞬時風速比10分鐘內的最小瞬時風速大至少8m/s。（2）增大后的瞬時風速達到11m/s或以上，并至少維持一分鐘。即在10分鐘內比最小瞬時風速大至少8m/s的瞬時風速要大于或等于11m/s，且從達到該瞬時風速開始算起的一分鐘（或大于一分鐘）內所有瞬時風速都大于等于11m/s。（3）瞬時風速的變化是急劇增大的。此處所指的“急劇”增大只是一個定性的定義，因此本文利用突變檢驗的研究方法尋找能定量判斷瞬時風速“急劇”增大的方式。

2.2 ?利用3次雷雨大風、颮線過程分析颮的報告

2.2.1 ?瞬時風速特征分析

下面本文對2014年5月的三次雷暴大風、颮線過程逐步對以上三點進行分析。

如圖1所示，17日16：27：47—16：37：44（北京時）中，瞬時風速最小值為2.9m/s，16：36：47（北京時）瞬時風速值為16.9m/s，增大的風速值大于8m/s，此后一分鐘內瞬時風速均大于11m/s;18日18：28：44—18：38：41（北京時）中，瞬時風速最小值為0.7m/s，18：37：44（北京時）瞬時風速值為11.1m/s，增大的風速值大于8m/s，此后一分鐘內瞬時風速均大于11m/s;25日19：03：43—19：13：40（北京時）中，瞬時風速最小值為2.1m/s，19：12：43（北京時）瞬時風速值為12.2m/s，增大風速值大于8m/s，此后一分鐘內瞬時風速均大于11m/s。由此可見，此三次過程均滿足颮報告中的第1、2點。

2.2.2 ?風速突變分析

對于一個時間序列值檢驗轉折突變的常用方法為滑動t檢驗法（MTT）[6]，下面本文運用此方法對這3次過程的風速進行突變檢驗，尋求能夠識別和判斷風速突變的方法，為颮的自動監(jiān)視提供基礎。

在氣象學中，常用滑動t檢驗法檢驗兩隨機樣本平均值的顯著性差異。這種方法是先設置某一時刻為基準點，然后人為選取基準點前后兩個子序列x1和x2，其樣本長度分別為n1和n2。若兩段子序列的均值差異超過了一定的顯著水平，則認為均值發(fā)生了質變，有突變發(fā)生。

由于子序列時段的選擇帶有人為性，為避免子序列長度造成的突變點的漂移，本文分別選取n1=n2=5（兩個子序列各15s）、n1=n2=10（兩個子序列各30s）、n1=n2=20（兩個子序列各60s）、n1=n2=40（兩個子序列各120s）分別進行比較。給定顯著性水平α=0.01，查t分布的tα值，若|t|0則有相反的結論。

2.2.2.1 ?5月17日颮線過程風速突變分析

如圖2所示是5月17日瞬時風速序列n1=n2=5、n1=n2=10、n1=n2=20、n1=n2=40時計算的t滑動統(tǒng)計量序列圖。按t分布的自由度υ=n1+n2-2，t0.01分別為±3.36、±2.88、±2.70、±2.65，在圖2（a）—圖2（d）中分別用虛線表示，若|t|>t0.01，則認為瞬時風速發(fā)生了突變。

由圖2所示，對于17日颮線過程瞬時風速10分鐘的滑動t檢驗，當取n1=n2=5時，由于僅對比基準點前后15秒的瞬時風速，瞬時風速變化中微小的波動也會被檢驗出較為明顯的變化，尤其當瞬時風速較小時，瞬時風速中的微小變化會被較大地放大;當取n1=n2=10時，對于瞬時風速中的微小波動可以過濾掉一些，但仍沒有較好的效果;當取n1=n2=20時，基本可過濾瞬時風速中的微小波動，數(shù)據顯示從時間序列為120時刻開始有風速的明顯突變;由于t<0，證明其后的瞬時風速是一個明顯增大的過程，當取n1=n2=40時，由于所取子序列長度較大，此10分鐘數(shù)列前后兩分鐘沒有t檢驗結果，且圖2（d）中顯示的突變時間有較大的提前，檢驗結果不理想。

2.2.2.2 ?5月18日颮線過程風速突變分析

圖3給出5月18日瞬時風速序列計算的t滑動統(tǒng)計量序列圖，圖中n的取值與圖2中一致。

由圖3所示，對于18日瞬時風速的滑動t檢驗結果與17日類似：當n1=n2=5、n1=n2=10時，滑動t檢驗對瞬時風速中微小波動的變化表現(xiàn)得較為明顯，尤其在瞬時風速較小時則會把微小變化放大;當n1=n2=20時，檢驗結果較理想;當n1=n2=40時，雖然可基本過濾瞬時風速中的微小變化，但是檢驗出的開始突變的時間會有大致2分鐘的提前。

2.2.2.3 ?5月25日颮線過程風速突變分析

圖4給出5月25日瞬時風速序列計算的t滑動統(tǒng)計量序列圖，圖中n的取值與圖2、圖3中一致。

由圖4可見，對于5月25日雷暴大風過程瞬時風速的滑動t檢驗結果與圖2、圖3一致，仍為當n1=n2=20時對于瞬時風速的突變檢驗有較好的效果。

由圖2—圖4綜合分析可得：用滑動t檢驗的方法來檢驗瞬時風速的突變能檢驗出瞬時風速序列中明顯的變化，當取n1=n2=20時，即取基準點前后一分鐘的瞬時風速子序列進行滑動檢驗不僅能過濾瞬時風速的微小變化，還能對風速明顯的突然變化有很好的檢驗效果，當t<0且|t|>tα（顯著性水平α可取為0.01）時，視為瞬時風速有明顯的突然增大。另外，此3次雷暴大風、颮線過程中瞬時風速在10分鐘內都有明顯的先突然減小后突然增大的變化。

綜上所述，通過對5月17日、18日、25日3次雷暴大風、颮線過程的瞬時風速運用滑動t檢驗法進行突變檢驗，可得：用滑動t檢驗取n1=n2=20時（即取基準點前后一分鐘），對瞬時風速子序列進行滑動檢驗，對瞬時風速明顯的突然變化有很好的檢驗效果，當t<0且|t|>tα時，視為瞬時風速突變式增大，可作為判斷颮特征第（3）點“突然增大”的依據;此3次雷暴大風、颮線過程中瞬時風速在10分鐘內都有明顯的先突然減小后突然增大的變化。

3 ?颮的監(jiān)控

對報告颮的要求可分解為本文第2節(jié)中所述3點。颮是一種天氣現(xiàn)象，因此機場內任何一個自觀測風點的風達到了以上3點就應該發(fā)布和報告颮。如果僅由人工進行颮的觀測與監(jiān)視需要很大的精力，通常在颮發(fā)生時也會伴隨其他惡劣天氣，此時便很容易發(fā)生“錯忘漏”現(xiàn)象。為了減少“錯忘漏”，保證全面監(jiān)視颮的出現(xiàn)，我們可以利用技術手段，編寫程序對颮進行全時間、全測點的監(jiān)視。

結合上文中的研究結果，下面給出利用自動監(jiān)視颮的判斷方法：（1）首先判斷1分鐘內瞬時風速的最小值是否大于等于11m/s，若是則進入第2點進行判斷，若否則判斷不是颮;（2）判斷此1分鐘的第一個瞬時風速值是否比其前9分鐘內的最小瞬時風速值大至少8m/s，若是則進入第3點進行判斷，若否則判斷不是颮;（3）對此10分鐘時間序列利用滑動t檢驗法（基準點前后的子序列長度取1分鐘）判斷瞬時風速是否發(fā)生明顯的突然增大現(xiàn)象：當t<0且|t|>tα則提示天氣現(xiàn)象為颮，其余結果不進行提示。

圖5用流程圖說明自動監(jiān)視颮的判斷方法。運用圖5可實現(xiàn)報告颮的監(jiān)視與自動提醒，減少“錯忘漏”。

4 ?結 ?論

本文利用2014年5月17日、18日、25日3次雷暴大風、颮線過境白云機場的瞬時風速數(shù)據進行分析，研究表明用滑動t檢驗的方法能對風速突然變化有很好的檢驗效果，并在本文最后給出了颮的報告與自動監(jiān)視的方法：（1）首先判斷1分鐘內瞬時風速的最小值是否大于等于11m/s，若是則進入第2點進行判斷，若否則判斷不是颮;（2）判斷此1分鐘的第一個瞬時風速值是否比其前9分鐘內的最小瞬時風速值大至少8m/s，若是則進入第3點進行判斷，若否則判斷不是颮;（3）對此10分鐘時間序列利用滑動t檢驗法（基準點前后的子序列長度取1分鐘）來判斷瞬時風速是否發(fā)生明顯的突然增大現(xiàn)象：當t<0且|t|>tα則提示天氣現(xiàn)象為颮。

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作者簡介：張人文（1988-），女，漢族，陜西韓城人，工程師，理學碩士，研究方向：應用氣象。