面向試飛任務的閻良機場夏季氣象保障條件及方法研究

張 瑩 ，倪洪波 ，倪 萍，張 蕾

(1.中國飛行試驗研究院場務部氣象臺，西安 710089；2.閻良區(qū)氣象局，西安 710089)

夏季是閻良機場試飛的黃金季節(jié)，具有較豐富的雨刷功能、濕跑道、高溫和機載氣象雷達探測性能試飛(以下簡稱探測試飛)天氣條件[1]。型號飛機的雨刷功能科目試飛，要求參試飛機在小雨(不包括零星小雨)、中雨和大雨天氣條件下飛行，驗證最新研制飛機的雨刷功能是否達到設計指標，滿足使用需求。型號飛機的濕跑道科目試飛，要求在小雨(不包括零星小雨)和中雨天氣背景下，跑道上形成不同程度的積水，驗證飛機在起飛和著陸構型的滑行速度。型號飛機的高溫科目試飛，要求環(huán)境溫度分別為>30 ℃、>35 ℃和>40 ℃條件下，驗證飛機相關系統(tǒng)功能是否達到設計要求及性能是否滿足使用需求。探測試飛是以空中真實的典型氣象目標(雷暴或強降水)為探測對象，利用新研機載氣象雷達進行探測，并與臨近的地基天氣雷達探測數據對比，驗證新研機載氣象雷達的探測性能。

強對流天氣會對試飛質量、效率、進度和安全產生影響。近年來，試飛任務 “急、難、險、重、散、新”的特點日益凸顯，對航空器在復雜嚴苛的氣象條件下開展性能和品質驗證的要求越來越高。試飛氣象保障也從傳統(tǒng)的“幕后”輔助性工作逐漸走到“前臺”，成為參與型號研制的主要力量之一。為協(xié)助型號飛機雨刷功能、濕跑道、高溫科目試驗選擇適宜的試飛“窗口”，統(tǒng)計分析2008—2017年閻良機場夏季降水和氣溫資料，得到夏季降水、高溫天氣分布特征，為多個型號飛機在2018—2020年開展上述科目試飛提供了依據。利用2008—2017年閻良機場地面氣象觀測和西安、寶雞、延安多普勒天氣雷達探測資料，統(tǒng)計分析閻良機場及空域雷暴天氣的特征，結合試飛保障實踐，提煉形成對流天氣背景試飛氣象保障對策，在2018—2020年夏季試飛氣象保障中推廣應用，未發(fā)生因雷暴天氣過程導致試飛事故或癥候的情況，最大限度保障了試飛安全。

1 資料及方法

分析使用2008—2017年閻良機場24 h地面氣象觀測資料和西安、寶雞、延安多普勒天氣雷達探測資料。季節(jié)劃分采用自然季節(jié)劃分法，6—8月為夏季[2]。降水量等級采用24 h降水量[3]，即<0.1 mm為微量降雨(零星小雨)，0.1～9.9 mm為小雨，10.0～24.9 mm為中雨，25.0～49.9 mm為大雨，50.0～99.9 mm為暴雨。閻良機場的日平均氣溫統(tǒng)計是將每日02、08、14、20時的氣溫相加取平均值。雷暴次數統(tǒng)計方法：雷暴持續(xù)時間跨過日界，但未停止的，記為一次雷暴；同一日發(fā)生多次雷暴，凡兩次雷暴間隔時間不大于2 h，或間隔期間陣性降水持續(xù)，或有積雨云存在，則記為一次雷暴，否則，記為2次雷暴。

2 夏季天氣特征及氣象保障建議

2.1 降水

2.1.1 年際和月變化特征 閻良機場2008—2017年夏季降水量年際變化較大，10 a平均降水量為230.2 mm。2008年最多為463.2 mm，達到閻良機場年平均降水量550 mm的84.2%，為夏季平均降水量的2倍多；2011年最少僅有140.3 mm，為夏季平均降水量的60.9%。閻良機場10 a夏季月平均降水量為76.8 mm，逐月月平均降水量自6月至8月呈逐漸增加的趨勢，其中，6月月平均降水量較夏季月平均降水量少20 mm，7月和8月月平均降水量均較夏季月平均降水量多。統(tǒng)計結果與李紅梅等[4]對陜西關中地區(qū)夏季降水量變化特征的研究相符。10 a中閻良機場6月有4個月、7月有4個月、8月有5個月的降水量，分別大于10 a年當月月平均降水量(表1)。因此，從閻良機場夏季月平均降水量分布角度講，是具有適宜的雨刷功能和濕跑道科目試飛天氣條件的，且10 a夏季平均逐月可飛天氣日數是逐月增加的。

表1 閻良機場2008—2017年夏季月降水量統(tǒng)計 單位：mm

2.1.2 各等級降水日數 閻良機場10 a夏季降水日合計371 d，占夏季總日數的40.3%。降水量出現最多的是小雨，有176 d，其次是零星小雨，有119 d，分別占降水總日數的47.4%和32.1%。出現中雨49 d和大雨25 d，分別占降水總日數的13.2%和6.7%。10 a中夏季共發(fā)生暴雨2次，出現在2008年7月19日和2017年8月20日，降水量分別為75.6 mm和95.2 mm。

夏季各月各等級降水出現日數：零星小雨6月、7月較多，分別為43 d和42 d，8月較少為34 d；小雨7月最多，為71 d，6月和8月分別為52 d和53 d；中雨也是7月最多為19 d，8月次之為16 d，6月最少為14 d；大雨8月最多為13 d，6月和7月接近，分別為7 d和5 d(圖1)。分析表明，閻良機場在夏季開展雨刷功能和濕跑道科目試飛均有適宜的天氣條件，可試飛日數均為7月最多，其次是8月和6月。

圖1 閻良機場2008—2017年夏季各降水等級日數

2.1.3 月最大日降水量 閻良機場10 a夏季30個月中，各月的最大日降水量均達到中雨等級。月最大日降水量達到大雨等級以上的有21個月，占月總數的70.0%。其中， 有2個月的月最大日降水量達到暴雨等級，分別為2008年7月19日和2017年8月20日。逐月對比可以看出，6月和7月月最大日降水量的最大值與最小值之差分別為33.3 mm和42.0 mm。8月的月最大日降水量的最大值與最小值差異僅為24.6 mm，但是，10 a中8月的最大日降水量普遍較大(圖2)。因此，雨刷功能、濕跑道科目試飛在6月和7月實施，安全風險相對較低，但效率也相對較低；反之，在8月實施的安全風險相對較高，效率也相對較高。

圖2 閻良機場2008—2017年夏季各月最大日降水量

2.2 氣溫

2.2.1 日最高氣溫日數的年分布 2008—2017年閻良機場夏季日最高氣溫>30.0 ℃的年日數在59～81 d之間，其中6月在17～32 d之間，7月在22～29 d，8月在15～28 d，每月均有一半以上的可飛日數(表2)。10 a閻良機場夏季日最高氣溫>35.0 ℃的年日數在11～38 d之間，其中，6月在6～17 d之間，7月為3～21 d，8月為0～13 d，6月、7月的可飛日數較多，8月最少。10 a閻良機場夏季日最高氣溫>40.0 ℃的年日數在0～9 d之間，2017年最多為9 d，均出現在7月；2009年和2014年各有2 d，分別出現在6月和7月；2011年和2013年各有1 d，分別出現在7月和6月；其余5 a均未出現日最高氣溫>40.0 ℃的天氣(表略)。以上特征與程肖俠等[5-7]關于陜西地區(qū)高溫隨時間變化的研究結論相一致?？梢?，閻良機場夏季具有適宜開展氣溫>30.0 ℃和>35.0 ℃高溫科目試飛的天氣條件，開展氣溫>40.0 ℃高溫科目試飛的天氣條件規(guī)律性較差，宜在6月和7月實施，8月沒有可試飛天氣條件。

表2 閻良機場2008—2017年夏季日最高氣溫>30.0 ℃和>35.0 ℃日數的年變化 單位：d

2.2.2 日最高氣溫日數的區(qū)間分布 閻良機場10 a夏季日最高氣溫>30.0 ℃的日數共有693 d，占夏季日歷總日數的75.3%。其中，30.1～35.0 ℃的區(qū)間出現日數最多，為410 d；其次是35.1～40.0 ℃的區(qū)間，有268 d；>40.0 ℃的區(qū)間僅有15 d，分別占夏季日歷總日數的44.6%、29.1%和1.6%。

閻良機場的日最高氣溫的月分布日數，在30.1～35.0 ℃的區(qū)間，8月最多，達到150 d；7月次之，有135 d；6月最少，為125 d。在35.1～40.0 ℃的區(qū)間，6月和7月均有109 d；8月較少，為50 d。在>40.0 ℃的區(qū)間，7月最多，為12 d，6月有3 d，8月沒有(表3)。因此，在高溫科目試飛中，較高溫度條件的試飛任務，應優(yōu)先抓取7月和6月的試飛“窗口”，較低溫度條件的試飛任務，夏季各月均有充裕的試飛天氣條件。

表3 閻良機場2008—2017年夏季月高溫日數 單位：d

2.2.3 日平均氣溫日數分布 閻良機場10 a夏季日平均氣溫>30.0 ℃的日數共有141 d，占夏季日歷總日數的15.3%，且均出現在30.1～35.0 ℃的區(qū)間。其中，7月最多，達到了66 d；8月次之，為41 d；6月最少，有34 d。日平均氣溫≥35.1 ℃的日數為0(表3)。

綜上，閻良機場具有>30.0 ℃、>35.0 ℃和>40.0 ℃高溫科目試飛的天氣條件，但是開展>35.0 ℃和>40.0 ℃高溫科目試飛天氣條件相對稀缺，實施過程中需要準確抓取可試飛時段。

2.3 雷暴

2.3.1 雷暴與不穩(wěn)定天氣的關系 閻良機場2008—2017年夏季發(fā)生雷暴97次，觀測到積雨云、陣雨169次，即僅有57.4%的不穩(wěn)定天氣過程出現雷暴，有42.6%的不穩(wěn)定天氣過程未出現雷暴，如2014年這一比例高達56.3%(圖3)。因此，在試飛過程中，試飛氣象保障不僅要捕捉以雷暴為代表的強對流天氣，以保障完成探測試飛任務，還需謹防未出現雷暴的不穩(wěn)定天氣過程對試飛質量、效率、進度和安全的影響[8-10]，即當有不穩(wěn)定天氣潛勢時，氣象保障預警的時間和對策，不能僅以是否出現雷暴為依據。

圖3 閻良機場2008—2017年不穩(wěn)定天氣發(fā)生雷暴占比

2.3.2 雷暴次數的年和月分布 閻良機場10 a夏季發(fā)生雷暴的年總次數在7～12次之間，年際變化不大。夏季年雷暴次數各月分布不均，總體呈現出某個月偏多，另外兩個月偏少的特點。例如，2010年6月發(fā)生雷暴2次，7月未發(fā)生，8月共發(fā)生9次；2015年6月未發(fā)生雷暴，7月發(fā)生3次，8月發(fā)生5次。夏季各月雷暴次數分布的另一個特點是，夏季3個月雷暴發(fā)生次數均較少，且比較接近，例如2013年6、7、8月分別發(fā)生雷暴2、4、4次，2017年夏季各月發(fā)生雷暴3、3、2次。

從夏季各月雷暴發(fā)生次數的年際變化(圖4)可以看出，年分布差異較大。其中，8月雷暴發(fā)生次數最多年(2010年)與最少年(2014年)相差8次，變化最大。7月雷暴發(fā)生次數最多年(2011年)與最少年(2010年)相差7次，變化次之。6月雷暴發(fā)生次數最多年(2008年、2016年)與最少年(2015年)相差6次。

圖4 閻良機場2008—2017年夏季雷暴次數月分布

因此，夏季閻良機場有開展探測試飛的天氣條件，但實施探測試飛的天氣條件在不同月份的優(yōu)勢并不明顯。

2.3.3 雷暴次數日分布 閻良機場10 a夏季雷暴發(fā)生時間相對比較集中。以2 h為區(qū)間統(tǒng)計夏季各時段雷暴發(fā)生次數可以看出，16—22時為雷暴的高發(fā)時段，該時段10 a夏季共發(fā)生雷暴57次，其中，在夜航試飛主要時段的18—22時，10 a共發(fā)生雷暴42次。另外，00—02時為夏季雷暴的又一個高發(fā)時段。06—16時為雷暴少發(fā)時段，10 a夏季僅發(fā)生雷暴14次，其中，10—14時發(fā)生雷暴2次(圖5)，與李萍云等[11]學者對陜西地區(qū)短時強降水發(fā)生時間的統(tǒng)計結果相一致。從保證探測試飛效率、質量和進度的角度來講，探測試飛宜選擇在午后時段實施，但同時，試飛安全保障的難度亦會顯著增加。

圖5 閻良機場2008—2017年夏季各時段發(fā)生雷暴次數

2.3.4 雷暴始發(fā)方位 閻良機場2008—2017年夏季雷暴始發(fā)方位有明顯的規(guī)律。10 a中夏季自西南順時針方向至東北的5個方位雷暴出現78次，占夏季全部雷暴總次數的80.4%。其中，自西南和西部始發(fā)34次，占10 a夏季雷暴總次數的35.1%；自北部和東北部始發(fā)的雷暴29次，占29.9%。東部、東南和南部雷暴起始發(fā)生次數均少于10次(圖6)。

圖6 閻良機場2008—2017年夏季各方位雷暴始發(fā)次數

因此，探測試飛航線和空域規(guī)劃及申報，應以西南-西和北-東北方向為主。當然，試飛氣象安全保障的重點，也應該放在與之相應的方位。

2.3.5 雷暴持續(xù)時間 閻良機場10 a夏季雷暴持續(xù)時間差別比較大，時間最短的僅聞雷一聲，例如2013年8月7日；最長的可達341 min，出現在2012年6月19日。統(tǒng)計雷暴持續(xù)時間在不同區(qū)間出現次數發(fā)現，閻良機場10 a夏季雷暴持續(xù)時間≤60 min的有44次，占總次數的45.3%；在61～120 min的30次，占總次數的30.9%；超過120 min的23次，占總次數的23.7%(表4)。考慮探測試飛的飛行程序、數據采集時長和參試飛機留空有效時間等因素，雷暴持續(xù)時間介于31～120 min的對流天氣，較適宜作為探測試飛的天氣目標。也就是說，閻良機場夏季有52.5%的雷暴天氣可以滿足探測試飛的天氣條件。

表4 閻良機場2008—2017年夏季雷暴持續(xù)時間分段統(tǒng)計

2.3.6 雷暴大風 閻良機場10 a夏季共發(fā)生平均風速≥8 m/s的雷暴大風15次，占夏季雷暴總次數的15.5%，其中，有2次為45°側風，有8次為90°側風。雷暴大風平均最大風速≥12 m/s的有9次，其中，有2次平均最大風速≥15 m/s；瞬時最大風速≥17 m/s有6次，其中，有4次瞬時最大風速≥20 m/s。雷暴大風持續(xù)時間規(guī)律性較差，最長的持續(xù)時間長達209 min，出現在2016年8月25日；最短的為瞬時大風，出現在2016年6月4日、6月5日和6月13日(表5—表7)。因此，在探測試飛過程中，氣象保障同時需防范雷暴大風及側風對試飛質量、效率、進度和安全的影響。

表5 閻良機場2008—2017年夏季雷暴大風各等級風速出現次數

表6 閻良機場2008—2017年夏季雷暴大風各風向出現次數

表7 閻良機場2008—2017年夏季雷暴大風持續(xù)時間的出現次數

2.3.7 雷暴天氣監(jiān)測預警 雷暴天氣一方面會對試飛安全、質量、效率和進度產生威脅和影響，另一方面，又是難得的試飛天氣條件[1]。通過對10 a閻良機場地面氣象觀測和西安、寶雞、延安多普勒天氣雷達探測資料分析總結[12]，形成了閻良機場試飛準備和試飛實施階段雷暴天氣實時監(jiān)測預警對策(表8)，在2018—2020年夏季試飛氣象保障中，發(fā)揮了重要作用。

表8 閻良機場試飛準備及實施階段雷暴天氣多普勒天氣雷達實時監(jiān)測預警對策

3 結論與討論

(1)閻良機場2008—2017年夏季月平均降水量為76.8 mm，6月月平均降水量較夏季月平均降水量少20 mm， 7月和8月月平均降水量均較夏季月平均降水量多，即逐月月平均降水量呈增加的趨勢。從閻良機場夏季月平均降雨量分布角度講，具有適宜的雨刷功能和濕跑道科目試飛天氣條件，平均可飛天氣條件逐月增加。

(2)閻良機場2008—2017年夏季降水日共計371 d，占夏季總日數的40.3%。其中：小雨占降水總日數的47.4%，7月最多， 6月和8月相近；中雨占降水總日數的13.2%，7月最多，8月次之，6月最少；大雨占降水總日數的6.7%，8月最多，6月和7月接近。因此，閻良機場在夏季開展雨刷功能和濕跑道科目試飛均有適宜的天氣條件，可試飛日數均為7月最多，6月和8月次之。

(3)閻良機場夏季具有一定的開展氣溫>30 ℃、>35.0 ℃和>40.0 ℃高溫科目試飛的天氣條件，可以作為高溫科目試飛的場址，其中，7月的可試飛日數最多，6月次之，8月相對較少。開展氣溫>35.0 ℃和>40.0 ℃的高溫科目試飛天氣條件相對稀缺，應優(yōu)先抓取7月和6月的試飛“窗口”，實施過程中需要準確抓取可試飛時段。

(4)閻良機場2008—2017年夏季有57.4%的不穩(wěn)定天氣過程出現雷暴。因此，在試飛過程中，試飛氣象保障不僅要捕捉以雷暴為代表的強對流天氣，以保障完成探測試飛任務；同時，還需防范未出現雷暴的不穩(wěn)定天氣過程對試飛質量、效率、進度和安全的影響。

(5)閻良機場夏季雷暴天氣的始發(fā)高峰時段在16—22時，探測試飛宜安排在午后至傍晚時段實施；探測試飛航線和空域規(guī)劃及申報，應以雷暴始發(fā)次數相對較多的西南-西和北-東北方向為主；試飛氣象安全保障的重點，也應該放在與之相應的時段和方位，同時要防范雷暴大風及側風對試飛質量、效率、進度和安全的影響。

(6)通過分析總結閻良機場夏季地面氣象觀測和西安、寶雞、延安多普勒天氣雷達探測資料，形成了試飛準備和實施階段雷暴天氣多普勒天氣雷達實時監(jiān)測預警對策，在2018—2020年夏季試飛氣象保障中，發(fā)揮了重要作用。面向夏季試飛任務對氣象條件的需求，以及試飛氣象保障面臨的挑戰(zhàn)，氣象保障部門按照規(guī)范的流程作業(yè)，是確保試飛安全、保證試飛質量、提升試飛效率、保障試飛進度的基礎。