福州探空氣球的漂移軌跡特征及其對航空飛行的影響分析

陳曉夢， 李白良， 李 巖， 吳啟樹， 林輝陽

(1.福建省氣象服務(wù)中心，福州 350001； 2.中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局福建分局，福州 350200； 3.福建省氣象臺，福州，350001)

引 言

我國高空氣球探測主要是利用L 波段雷達(dá)跟蹤探空氣球攜帶的專用儀器,獲取高空溫度、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素[1]。探空氣球升空后的漂移軌跡完全是由高空的風(fēng)向風(fēng)速所決定,因而每次探測施放的探空氣球漂移軌跡各不相同[2]。

目前，有許多學(xué)者從不同角度對探空氣球資料進(jìn)行了分析研究。在漂移軌跡特征方面，有學(xué)者基于全國探空數(shù)據(jù)分析了中國探空氣球漂移的時空特征[3-5]，利用地方探空站點資料討論華東地區(qū)探空氣球的漂移特征[6]，更有結(jié)合NCEP再分析場評估探空漂移對高空氣候研究的影響[7]等。在探空資料應(yīng)用方面，有學(xué)者利用探空資料訂正山地風(fēng)場風(fēng)速[8]，分析鄂西高空風(fēng)向風(fēng)速特征[9]，對比分析風(fēng)廓線雷達(dá)資料的準(zhǔn)確性和可用性[10]，統(tǒng)計冰雹天氣的時空分布特征及低空逆溫層特征分析[11-12]，改進(jìn)北京地區(qū)對流天氣潛勢預(yù)報[13]等。隨著研究的不斷深入，也有學(xué)者將探空資料應(yīng)用于數(shù)值預(yù)報模式當(dāng)中，檢驗中尺度數(shù)值模式對強對流天氣的診斷分析能力[14]，考察探空資料隨高度的漂移對高分辨率數(shù)值預(yù)報模式的影響[15]，探討探空氣球漂移位置訂正在MM5模式中的應(yīng)用情況及其對一次大風(fēng)降溫過程模擬的影響[16-17]，評估再分析場資料在中國區(qū)域的可信度和適用性問題[18-19]等；更有學(xué)者將探空資料應(yīng)用于環(huán)境污染的研究領(lǐng)域中，用于分析大氣環(huán)境特征及影響污染物擴散的氣象條件[20]、春節(jié)污染天氣情況[21]、霾分布特征與天氣成因[22]、四川盆地大氣污染與通風(fēng)系數(shù)、近地面風(fēng)速和逆溫層厚度之間的關(guān)系[23]等。

以上這些研究工作對了解探空氣球漂移軌跡特征及探空數(shù)據(jù)在各方面的應(yīng)用有了較好的參考意義。然而在民航飛行安全方面的應(yīng)用研究還不足。楊小民[2]、張銀廷[24]等證實了為民航相關(guān)部門提供實時探空氣球空間位置信息服務(wù)的可行性，但就探空氣球是否會對民航飛行安全造成影響等問題未做進(jìn)一步的研究。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，飛行航線越來越密集，大大提高了航空飛行器與探空氣球在高空相遇的可能性，故對探空氣球漂移軌跡與飛行安全之間的影響進(jìn)行研究是十分必要的。

因此，本文以福州探空站為例，定量地評估該站探空氣球漂移軌跡對福州地區(qū)上空航路、起降區(qū)域及機場的影響高度、影響范圍、影響時段，為民航部門提供更加準(zhǔn)確、精細(xì)的服務(wù)產(chǎn)品，從而有效地規(guī)避探空氣球給航空安全帶來的危險，也能在時間和空間上最大限度地利用空域。

1 資料來源與應(yīng)用

本文是以2018年2月至2019年1月福州探空站(26.1°N、119.2°E)探空氣球離地面雷達(dá)站的仰角、方位角、斜距為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用大地坐標(biāo)系，通過公式換算獲取探空氣球相對應(yīng)的經(jīng)度、緯度及高度信息[25-28]。同時，本文還應(yīng)用了福州長樂國際機場、福州地區(qū)上空部分導(dǎo)航點和航路的位置信息。

目前，福州探空站每天進(jìn)行3次定時探空觀測，分別是北京時02時、08時和20時(實際釋放氣球時間為01：15、07：15和19：15)。經(jīng)過分析和比較02時、08時和20時結(jié)果，在探空氣球漂移軌跡特征分析中沒有明顯差異，所以以下相關(guān)分析中所用數(shù)據(jù)和圖均為08時探空資料的結(jié)果。

2 探空氣球漂移軌跡的特征分析

2.1 全年探空氣球漂移時間與高度

通過統(tǒng)計福州探空站2018年2月-2019年1月探空氣球的漂移時間和最大上升高度可知，福州站探空氣球平均漂移時間達(dá)84 min，平均上升高度達(dá)30.2 km，平均升速360 m/min。

圖1為探空氣球上升高度隨時間的變化曲線圖。從圖1中可知，探空氣球上升高度與漂移時間呈線性正相關(guān)，上升高度隨著時間的增加而增高。當(dāng)漂移時間達(dá)到40 min時，探空氣球高度已升至13 km以上。由于民航飛行高度一般在12.5 km以下，故下文的有關(guān)分析均為漂移0-40 min的結(jié)果(即13 km以下的結(jié)果)。

圖1 福州探空站探空氣球上升高度隨時間的變化

2.2 全年探空氣球平均空間位置

表1顯示了福州站全年的平均探空氣球空間位置信息，包括緯度、經(jīng)度、南北向漂移、東西向漂移及高度。在緯度上，低層探空氣球向南漂移，高層探空氣球向北漂移，向南漂移的距離小于向北漂移的距離。在經(jīng)度上，低層到高層基本向東漂移，且漂移距離隨著高度的增大而增大。對比二者可知，東西向漂移距離遠(yuǎn)大于南北向漂移距離，即探空氣球是以緯向(向東)漂移為主。

表1 2018年2月-2019年1月福州探空氣球平均空間位置信息

2.3 不同季節(jié)探空氣球漂移軌跡

為了進(jìn)一步分析探空氣球漂移特征，下文將分四個季節(jié)進(jìn)行研究。根據(jù)福建天氣氣候特征[29]，將3-6月劃為春季，7-9月為夏季，10-11月為秋季。12月-次年2月為冬季。下文以1、4、7、10月分別代表冬、春、夏、秋四個季節(jié)。

春、冬季探空氣球主要是向北漂移，夏、秋季則相反(見圖2a)。在春季或夏季， 0-40 min的漂移時間內(nèi)探空氣球在26.1°N(福州探空站緯度)附近浮動；在秋季或冬季，探空氣球的漂移范圍隨著漂移時間的增大而增大，特別是在20 min后,漂移范圍迅速增大。從南北漂移的距離來看(圖2b)，各季節(jié)的南北漂移距離隨著漂移時間的增大而增大，以冬季的南北漂移距離最大，漂移距離超過8 km，春季的最小，約為1 km，秋天的次之，接近-6 km，夏季的約為-2 km。

圖2 福州探空站探空氣球南北漂移隨時間的變化曲線

在0-10 min的漂移時間內(nèi)，無論哪個季節(jié)，探空氣球基本都維持在119.2°E(福州探空站經(jīng)度)附近。在漂移10 min后，各季節(jié)探空氣球經(jīng)向漂移軌跡發(fā)生了較大的變化，其中春、秋、冬季主要向東漂移，夏季則向西漂移(圖3a)。從東西漂移距離來看(圖3b)，在漂移10 min后，各季節(jié)的漂移距離都隨著時間的增大而快速增大，以冬季漂移距離最大，達(dá)76 km，春季、秋季漂移最大距離分別約為50 km和42 km；夏季漂移距離遠(yuǎn)小于其他三個季節(jié)的，約為-9 km。

圖3 福州探空站探空氣球東西漂移隨時間的變化曲線

綜上可知，探空氣球是以緯向漂移為主，春秋冬三季向東漂移，其中冬季漂移范圍最廣，秋季的次之；夏季向西漂移，漂移范圍最小。這種漂移特征主要是受天氣系統(tǒng)影響。夏季，福建主要受副熱帶高壓控制，受其南側(cè)的偏東氣流影響較大，故氣球往西漂移；其他季節(jié)，隨著副熱帶高壓的北上或南落，福建主要受其偏西氣流的影響，故氣球往東漂移。

3 探空氣球漂移軌跡對航空飛行的影響分析

前文分析了探空氣球漂移軌跡的相關(guān)特征，下面分析其對航空飛行的影響。根據(jù)探空氣球漂移范圍，選取了可能受影響的航路(連江-RUPOX、連江-DAGMO、連江-福清、福清-青州)及長樂機場起降區(qū)域作為分析區(qū)域。以探空氣球進(jìn)入航路左右距離各10 km的范圍內(nèi)視為影響區(qū)域。

3.1 航路的影響狀況

圖4為春季福州探空氣球逐日實時的漂移軌跡及其對應(yīng)的高度與航路之間的關(guān)系圖。圖中的虛線區(qū)域為航路影響區(qū)域，顏色表示的是探空氣球?qū)?yīng)的高度。從圖4可知，在春季探空氣球向東漂移的過程中，主要影響連江-福清偏連江導(dǎo)航點的航路，對連江-青州、連江-DAGMO、連江-RUPOX航路的影響較少；當(dāng)進(jìn)入到航路影響區(qū)域時，探空氣球的高度主要分布在7-11 km，即對航空飛行的影響高度主要集中在7-11 km。在穿越連江-福清航路后，雖然探空氣球會繼續(xù)向長樂機場至連江導(dǎo)航點的起降區(qū)域漂移，但飛機在起降區(qū)域內(nèi)，飛行高度通常在3 km以下，而此時探空氣球的高度已在10 km以上，故不會對起降區(qū)域的飛行造成影響。

在夏季(圖5)，探空氣球主要向西漂移且漂移范圍較小，離航路影響區(qū)域及機場起降區(qū)域較遠(yuǎn)，對航班飛行的影響幾乎為零。

與春季的類似，秋季、冬季探空氣球漂移軌跡主要還是影響連江-福清偏連江導(dǎo)航點的航路區(qū)域，但秋冬季氣球漂移軌跡影響航路的天數(shù)明顯高于春季的，冬季影響高度較低，主要集中為8-10 km(圖6-7)。

圖6 秋季福州站探空氣球逐日漂移軌跡及其對應(yīng)的高度與航路之間的關(guān)系

圖7 冬季福州站探空氣球逐日漂移軌跡及其對應(yīng)的高度與航路之間的關(guān)系

3.2 航路的影響特征

從3.1節(jié)分析可知，福州探空氣球漂移軌跡主要影響連江-福清航路。為了分析其影響特征，針對不同高度層進(jìn)行影響頻率統(tǒng)計。

圖8為探空氣球漂移軌跡對連江-福清航路影響頻率的分布圖。從全年的影響頻率上看，氣球漂移軌跡對連江-福清航路影響頻率大致呈“V”形分布：12月-次年2月的影響頻率最高，其中對第二高度層的影響頻率達(dá)100%；4-11月影響頻率是先降低再升高，在7-9月影響頻率最低，幾乎接近0。從影響高度上看，1-2月探空氣球漂移軌跡對連江-福清航路影響主要集中在第一、二高度層(6-10 km)，影響頻率在90%以上；3-6月及10-12月的影響主要是分布在第二、三高度層(8.0-12.5 km)，第三高度層的影響頻率整體上略高于第二高度層的。

圖8 探空氣球漂移軌跡對連江-福清航路影響頻率的分布

從全年的影響時間上看(表2)，不同施放時刻的探空氣球?qū)B江-福清航路的影響時間分布規(guī)律基本一致，都是最先影響第一高度層，其次是第二高度層，最后是第三高度層，且影響時間長度也是隨著高度層的增大而增大。

表2 探空氣球漂移軌跡影響連江-福清航路的時刻表

綜上分析可知，福州探空站探空氣球漂移軌跡主要是影響連江-福清航路，影響高發(fā)期在春、冬季節(jié)，影響高度主要集中在8-10 km，每天的影響時段大約是在01:31-01:57,07:32-08:02,19:32-20:00。

4 結(jié) 論

利用2018年2月-2019年1月福州探空站資料及航空相關(guān)信息，研究了福州探空氣球漂移軌跡特征及其對航空飛行的影響，得出以下結(jié)論。

(1)福州站探空氣球從底層到高層漂移量呈增大趨勢，以緯向(向東)漂移為主，春、秋、冬三季向東漂移，其中冬季漂移范圍最廣，秋季的次之；夏季向西漂移，漂移范圍最小。

(2)探空氣球漂移軌跡在春、秋、冬季主要影響連江-福清航路，少數(shù)情況會影響連江-青州、連江-DAGMO、連江-RUPOX航路，對福州長樂機場-連江導(dǎo)航點之間的起降區(qū)域無影響；夏季，探空氣球遠(yuǎn)離福州上空航路和機場起降區(qū)域，對航班飛行無影響。

(3)對連江-福清航路影響高發(fā)期在冬季，春、秋季次之，夏季幾乎無影響；影響高度主要集中在8-10 km，每天的影響時段大約是在01:31-01:57,07:32-08:02,19:32-20:00。

本文的相關(guān)結(jié)論只是建立在一年的福州探空站資料基礎(chǔ)之上，下一步將對更長時間、更多探空站點的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以期獲得更加全面、普適的結(jié)論。