廈門高崎機(jī)場2017—2020年地面風(fēng)突變特征分析

胡凱文 郭秀鳳 羅忠紅 王健治

(民航廈門空管站氣象臺，福建 廈門 361006)

1 概述

航空氣象中，風(fēng)是十分重要的氣象要素，對飛行安全有著重要的影響，高空風(fēng)影響飛機(jī)的穩(wěn)定性和載荷力，地面風(fēng)和600m以下的低空風(fēng)影響飛機(jī)的起降。中國民用航空空中交通管理規(guī)則(CCAR-93TM-R2)第一百四十條規(guī)定，航空器通常應(yīng)當(dāng)逆風(fēng)起飛和著陸。當(dāng)飛機(jī)在順風(fēng)環(huán)境下起降時，需要更長的滑跑距離，并使飛機(jī)的升力減小，容易發(fā)生飛行事故。國際事故調(diào)查分析表明，有近20%的飛行事故與氣象條件有關(guān)，其中有近50%是與風(fēng)相關(guān)[1]。同時，由于飛機(jī)的起降跑道方向是由管制員根據(jù)地面風(fēng)的風(fēng)向風(fēng)速來決定的，因此當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)向風(fēng)速發(fā)生突變，不適合原跑道方向使用時，管制員需要立即更換跑道方向，使所有等待降落或起飛的飛機(jī)重新排序，這一方面增加了管制員的工作負(fù)荷[2]和潛在安全隱患，另一方面增加飛機(jī)的等待時間，增加航空公司的運(yùn)營成本。因此，地面風(fēng)突變的預(yù)報質(zhì)量對飛行安全有著重要意義。

由于地面風(fēng)在航空氣象和飛行中的重要性，此前已有許多學(xué)者針對不同機(jī)場地面風(fēng)的特征進(jìn)行了研究，房云龍等[3]對上海虹橋機(jī)場的地面風(fēng)日變化特征進(jìn)行統(tǒng)計研究及分析，結(jié)果表明，虹橋機(jī)場地面風(fēng)日變化顯著，各季節(jié)東南風(fēng)頻率呈正弦波形，造成風(fēng)向日變化的原因是上海地區(qū)存在南支海風(fēng)環(huán)流和東支海風(fēng)環(huán)流；肖志宇等[4]對廈門機(jī)場地面風(fēng)的年、日變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)廈門機(jī)場地面風(fēng)向存在顯著日變化特征，東北風(fēng)頻率中午減小，傍晚達(dá)到極小值，夜間及次日清晨達(dá)到極大值，東南風(fēng)頻率中午開始增大，傍晚達(dá)到極大值，夜間迅速減??；西北偏西風(fēng)清晨達(dá)到極大值，上午迅速降低。段新安[5]對新橋機(jī)場風(fēng)的趨勢影響因素進(jìn)行了分析。郭秀鳳等[2]對廈門機(jī)場風(fēng)的顯著變化特征對管制員的工作效能影響進(jìn)行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)地面風(fēng)的顯著變化會降低管制員的工作效能。上述研究多是針對機(jī)場地面風(fēng)變化的氣候特征分析，對風(fēng)的突變規(guī)律和影響因子分析較少。

廈門機(jī)場是中國東南沿海重要的區(qū)域性航空樞紐，日均航班起降架次已超過500架次，接近單跑道起降架次的極限容量，在全國單跑道運(yùn)行機(jī)場中排名首位。但因地處臺灣海峽西側(cè)，受特殊地形影響，海陸風(fēng)效應(yīng)明顯[6-7]，地面風(fēng)突變較為頻繁，對飛行影響大[2]。本文以2017—2020年廈門空管站氣象臺發(fā)布的例行天氣報告和特殊天氣報告為基礎(chǔ)，結(jié)合常規(guī)天氣圖資料對廈門機(jī)場地面風(fēng)突變的特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，探究造成地面風(fēng)突變的主要?dú)庀笠蜃樱瑢τ谔岣叩孛骘L(fēng)突變的預(yù)報準(zhǔn)確率和更好地提供航空氣象服務(wù)有一定意義。

2 資料選取及處理

2.1 資料選取

廈門機(jī)場的地面風(fēng)觀測是由空管站氣象觀測員利用部署在機(jī)場跑道兩端的風(fēng)探測儀獲取。觀測結(jié)果主要通過發(fā)布機(jī)場天氣報告的方式傳送至用戶手中。一般情況下，固定每小時或半小時發(fā)布一次天氣報告，稱為例行天氣報告(以下簡稱METAR報)，兩份METAR之間，當(dāng)風(fēng)發(fā)生顯著變化達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時，需要立即發(fā)布一份特殊天氣報告(以下簡稱SPECI報)。因此，METAR和SPECI報可以很好地反映機(jī)場地面風(fēng)的顯著變化過程。本文采用的資料為廈門空管站氣象臺2017—2020年發(fā)布的逐時METAR報和不定時的SPECI報。

2.2 機(jī)場地面風(fēng)突變的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合《民用航空氣象預(yù)報規(guī)范》趨勢預(yù)報地面風(fēng)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)以及《民用航空氣象地面觀測規(guī)范》地面風(fēng)SPECI發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)，本文將廈門機(jī)場地面風(fēng)突變的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)定義為2小時內(nèi)機(jī)場天氣報告中的風(fēng)滿足以下條件之一：①風(fēng)向變化大于等于60度且變化前或/和變化后風(fēng)速大于等于5m/s；②風(fēng)速變化大于等于5m/s；③陣風(fēng)變化大于等于5m/s且變化前或/和變化后風(fēng)速大于等于8m/s。

3 統(tǒng)計結(jié)果分析

3.1 地面風(fēng)突變的月分布特征

廈門機(jī)場在2017—2020年期間共有641天發(fā)生了地面風(fēng)的突變，平均每年有160.25天，即一年中有接近一半(43.9%)的天數(shù)會出現(xiàn)地面風(fēng)的突變。各月出現(xiàn)地面風(fēng)突變的天數(shù)分布如表1所示，1～8月逐月增加，9～11月逐月減少，12月又有小幅增加。8月達(dá)到最高峰值，平均有22.75天，1月為最低值，平均有5.75天?？傮w而言，春季緩慢增加，夏季逐月顯著增加，秋季逐月顯著減少，冬季先增后減。月平均地面風(fēng)突變天數(shù)達(dá)到15天以上有5個月，分別是5～9月，說明廈門機(jī)場在夏季及春夏、夏秋換季時節(jié)容易出現(xiàn)地面風(fēng)的突變。

表1 2017—2020年廈門機(jī)場地面風(fēng)突變的平均月分布

3.2 地面風(fēng)突變的日變化特征

圖1為2017—2020年廈門機(jī)場地面風(fēng)突變的平均日分布情況，由圖1可知，各時次均有發(fā)生地面風(fēng)突變。其中05時(UTC，下同)風(fēng)發(fā)生突變的次數(shù)最多，平均有45.25次；其次是04時和06時，分別有44.25次和35.5次；19時發(fā)生突變的時次最少，只有2.75次。白天(23～10時)發(fā)生的次數(shù)(245.5次)遠(yuǎn)多于夜間(11～22時)發(fā)生的次數(shù)(55次)。白天時段中絕大多數(shù)集中在中午至下午時段，共有169.75次，占白天總數(shù)的69.1%。以上分析表明，廈門機(jī)場風(fēng)的突變雖然在一天中任何時段均有可能發(fā)生，但絕大多數(shù)發(fā)生在白天，且主要集中在中午到下午時段，午時達(dá)最高峰，凌晨為最低值。

圖1 2017—2020年廈門機(jī)場地面風(fēng)突變的平均日分布

3.3 地面風(fēng)突變逐月日變化特征

從上文分析可知，平均而言廈門機(jī)場地面風(fēng)的突變具有明顯的季節(jié)變化和日變化特征，但對于不同月份，地面風(fēng)突變的日變化特征也遵循一定規(guī)律，我們對2017—2020年廈門機(jī)場地面風(fēng)的突變進(jìn)行了逐月逐時統(tǒng)計分析(圖2)。由圖2可知，各月的日變化特征非常相似，地面風(fēng)突變的次數(shù)上午快速增加，午時至下午達(dá)到峰值后快速減少，入夜后則維持在很少的頻次，低谷出現(xiàn)在凌晨。但各月日突變峰值出現(xiàn)的時間有所不同，在較為炎熱的春夏之交(4～5月)和夏季(6～8月)為04時，較為寒冷的秋冬之交(11月)和冬季(12月～1月)為06時，而在兩者之間的2～3月及9～10月則為05時，說明地面風(fēng)突變的日峰值出現(xiàn)時間隨季節(jié)變遷有自夏至冬逐步變晚，自冬至夏隨著溫度的回升逐步變早的變化規(guī)律。除此之外，從圖2還發(fā)現(xiàn)，4～7月呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)，風(fēng)的突變集中在03～06時，8月開始，傍晚后發(fā)生地面風(fēng)突變的時次增加，逐步表現(xiàn)出雙峰的態(tài)勢，8～10月及2～3月的次峰值通常在傍晚到夜間，而11月～1月的次峰值進(jìn)一步推遲到次日早晨，其中在12月00時～01時突變次數(shù)超過了06時的突變次數(shù)。

圖2 2017—2020年逐月廈門機(jī)場地面風(fēng)的突變平均日分布

3.4 影響地面風(fēng)突變的因子分析

以上分析說明，廈門機(jī)場地面風(fēng)的突變具有明顯的季節(jié)和日變化特征，為研究其演變特征發(fā)生的機(jī)理，我們從影響廈門地面風(fēng)的氣象因子入手，統(tǒng)計篩選出造成地面風(fēng)突變的主要?dú)庀笠蜃?。?017—2020年以來發(fā)生地面風(fēng)突變時的天氣形勢的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)與機(jī)場地面風(fēng)突變有緊密聯(lián)系的氣象因子主要有以下4類：①海陸效應(yīng)；②冷空氣；③對流天氣；④臺風(fēng)。圖3為廈門機(jī)場2017—2020年在不同影響因子主導(dǎo)下風(fēng)的突變的年平均、月際平均及日平均次數(shù)分布，由圖3(a)可知，海陸效應(yīng)是引起廈門機(jī)場地面風(fēng)發(fā)生突變的最主要因子，占比達(dá)61.4%；其次是對流天氣和冷空氣影響，占比分別為18.4%和18.1%；臺風(fēng)因整體樣本較少，僅占造成地面風(fēng)突變的主導(dǎo)因子次數(shù)的2%。

為深入了解上述三類主要影響因子對地面風(fēng)突變影響的具體分布特征，對廈門機(jī)場2017—2020年平均海陸效應(yīng)、對流天氣以及冷空氣造成地面風(fēng)突變的月際分布圖3(b)和日變化分布特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，如圖3(c)所示。

(a)廈門機(jī)場2017—2020年在不同影響因子主導(dǎo)下風(fēng)的突變年平均次數(shù)分布

(b)廈門機(jī)場2017—2020年在不同影響因子主導(dǎo)下風(fēng)的突變月平均次數(shù)分布

(c)廈門機(jī)場2017—2020年在不同影響因子主導(dǎo)下風(fēng)的突變?nèi)掌骄螖?shù)分布

全年各月均有因海陸風(fēng)效應(yīng)導(dǎo)致的地面風(fēng)突變，其中4～10月為高發(fā)期，平均達(dá)146.5時次，占總數(shù)(178.25時次)的82.2%，多出現(xiàn)在中午前后(03～07時)，達(dá)130.25時次，占總數(shù)(178.25時次)的73.1%。在金文琪[8]和荀愛萍等[7]的研究中，海風(fēng)通常開始于02～04時，在午后06～09時達(dá)到高峰，與本文中峰值出現(xiàn)的時次較為匹配，陸風(fēng)的頻次較少且海風(fēng)的速度遠(yuǎn)大于陸風(fēng)，由于觸發(fā)風(fēng)的突變前后風(fēng)速至少達(dá)到5m/s，所以相較海風(fēng)較為強(qiáng)盛的午后，在陸風(fēng)較為活躍的夜間較午后難以達(dá)到觸發(fā)地面風(fēng)突變的標(biāo)準(zhǔn)。

全年各月也均有因冷空氣影響導(dǎo)致的地面風(fēng)突變，其高發(fā)期為11月～次年4月，平均達(dá)33.75時次，占總數(shù)(52.5時次)的64.3%，多出現(xiàn)在早晨和傍晚后，達(dá)22.5時次，占總數(shù)(52.5時次)的42.85%。

因?qū)α魈鞖庠斐傻孛骘L(fēng)的突變只發(fā)生在3～9月，其中6～9月為其高發(fā)期，平均達(dá)42.75時次，占總數(shù)(53.5時次)的79.9%，多出現(xiàn)在中午到傍晚(04～10時)，達(dá)24時次，占總數(shù)(53.5時次)的44.9%，17～19時為其突變的谷值，其余時刻分布較為平均。

3.5 地面風(fēng)的突變對飛行有重要影響特征分析

由于地面風(fēng)的突變可能會造成機(jī)場跑道風(fēng)由逆風(fēng)轉(zhuǎn)為順風(fēng)或產(chǎn)生跑道正側(cè)風(fēng)，對飛行影響甚大。根據(jù)中國民用航空空中交通管理規(guī)則(CCAR-93TM-R2)第一百四十條規(guī)定，航空器通常應(yīng)當(dāng)逆風(fēng)起飛和著陸，但是當(dāng)跑道長度、坡度和凈空條件允許，航空器也可以在風(fēng)速不大于3m/s時順風(fēng)起飛和著陸。即當(dāng)跑道順風(fēng)大于3m/s時，必須更換跑道起降方向。在2017—2020年地面風(fēng)突變的數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，發(fā)現(xiàn)平均每年有40.5次風(fēng)的突變會造成跑道順風(fēng)大于3m/s，對飛行造成重要影響，占全年的14.5%。表2是2017—2020年平均每月地面風(fēng)突變后風(fēng)速達(dá)到更換跑道閾值的次數(shù)。由表2可知，對飛行有重要影響的地面風(fēng)突變主要發(fā)生在7～8月，其次是4～5月，分別占全年的31.5%和24.1%。

表2 2017—2020年廈門機(jī)場地面風(fēng)突變后達(dá)到更換跑道閾值次數(shù)的月際分布

圖4是2017—2020年廈門機(jī)場地面風(fēng)突變后達(dá)到更換跑道閾值次數(shù)日分布。從圖4可知，地面風(fēng)突變后達(dá)到變更跑道閾值的時次主要集中在05～09時，06時為峰值，03時有一次峰值，恰逢廈門機(jī)場航班的密集區(qū)，對航空運(yùn)行影響大。夜間地面風(fēng)突變后達(dá)到變更跑道閾值的時次驟減，其中15、18、20時未曾發(fā)生地面風(fēng)突變達(dá)到變更跑道閾值。進(jìn)一步統(tǒng)計發(fā)生地面風(fēng)突變觸發(fā)更換跑道閾值的頻率(圖5)，發(fā)現(xiàn)在傍晚(8～10時)發(fā)生地面風(fēng)突變時最容易觸發(fā)更換跑道的閾值，夜間至次日白天(11～22時)由于總體樣本較少，可能存在一定偏差值。由此可見在傍晚時段內(nèi)出現(xiàn)的地面風(fēng)突變更有可能對飛行有重要影響。

圖4 2017—2020年廈門機(jī)場地面風(fēng)突變達(dá)到更換跑道閾值次數(shù)日變化分布

圖5 2017—2020年廈門機(jī)場發(fā)生地面風(fēng)突變觸發(fā)更換跑道閾值頻率的日變化分布

4 結(jié)論

通過以上分析，發(fā)現(xiàn)廈門機(jī)場地面風(fēng)的突變特征有以下幾點(diǎn)：

①一年之中，夏季及春夏、夏秋換季時(5～9月)為風(fēng)的突變的高發(fā)期，以7月、9月為甚，而一日之中，中午到下午是地面風(fēng)發(fā)生突變的高發(fā)時期。

②地面風(fēng)突變?nèi)辗植挤逯党霈F(xiàn)的時間與季節(jié)相關(guān)，自夏季至冬季峰值出現(xiàn)的時間逐步由04時推遲至06時，自冬季至夏季其峰值出現(xiàn)的時間又逐步由06時提早至04時。

③地面風(fēng)突變的日變化特征在4～7月呈單峰結(jié)構(gòu)，8月開始逐步表現(xiàn)出雙峰的特點(diǎn)，在秋冬之交至冬季(11月～1月)雙峰特征最為明顯。

④海陸效應(yīng)是引起廈門機(jī)場地面風(fēng)發(fā)生突變的主導(dǎo)因素，其次是冷空氣和對流天氣影響，臺風(fēng)天氣影響最少。其中夏季為海陸效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，冬季影響地面風(fēng)突變的主導(dǎo)因素則是冷空氣。

⑤6～9月為對流天氣造成地面風(fēng)突變的高發(fā)期，對流引起的風(fēng)的突變存在明顯的峰區(qū)(04～10時)和谷區(qū)(17～19時)，其余時次分布較為平均。

⑥有近15%的地面風(fēng)突變對航空運(yùn)行造成重要影響，主要發(fā)生在夏季和春季，并且集中發(fā)生在航班的密集時段(05～09時)。

⑦傍晚(8～10時)發(fā)生地面風(fēng)突變時最容易觸發(fā)更換跑道的閾值。