近11年浦東機(jī)場(chǎng)霜天氣特征研究

李新峰 陳 博

（民航華東空管局氣象中心，上海 200335）

0 引言

在航空氣象服務(wù)中，霜是一種嚴(yán)重影響飛機(jī)正常起飛的天氣現(xiàn)象，是需要發(fā)布機(jī)場(chǎng)警報(bào)的天氣現(xiàn)象之一。它是由水汽凝華在地面或物體上的白色松脆的冰晶或由露水凍結(jié)而成的冰珠［1］，主要發(fā)生在深秋至次年的初春，一般在夜間至清晨的一段時(shí)間內(nèi)形成。機(jī)場(chǎng)跑道面結(jié)霜，會(huì)影響跑道粗糙度，進(jìn)而影響飛機(jī)的起飛和降落；停場(chǎng)未入庫(kù)飛機(jī)表面特別是機(jī)翼前緣結(jié)霜，會(huì)影響飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特征，導(dǎo)致起飛時(shí)升力減弱，阻力增加，處置不當(dāng)極易發(fā)生事故［2］。例如，2004年11月21日，由包頭飛往上海的航班在起飛后不久就發(fā)生墜落，機(jī)上人員全部遇難。調(diào)查證實(shí)，飛機(jī)起飛過(guò)程中，機(jī)翼污染破壞了氣動(dòng)性，導(dǎo)致飛機(jī)失速。事故調(diào)查組認(rèn)為，機(jī)翼污染物最大可能是霜，而飛機(jī)起飛前沒(méi)有進(jìn)行除霜［3］。據(jù)中國(guó)民用航空局相關(guān)規(guī)范［4］要求，在地面起飛前，飛機(jī)的一些關(guān)鍵表面不能帶冰、雪、霜（稱為“冰凍污染物”）起飛。

長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)術(shù)界對(duì)霜進(jìn)行了廣泛而深入的研究。王海燕等［5］分析了西北地區(qū)一次霜凍過(guò)程的天氣背景，康暑雨［6］、吳文華［7］針對(duì)不同區(qū)域，分析了霜的時(shí)空分布特征和氣候背景，許艷等［8］、馬樹慶等［9］、張旭暉等［10］利用長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)資料，分析霜的氣候變化特征。黃繼雄［2］應(yīng)用首都機(jī)場(chǎng)霜的高密度觀測(cè)資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)首都機(jī)場(chǎng)結(jié)霜時(shí)，氣溫低、相對(duì)濕度大，風(fēng)向多為偏北風(fēng)和偏東風(fēng)、風(fēng)速大都≤2 m/s等特點(diǎn)；徐海等［11］統(tǒng)計(jì)了雙流機(jī)場(chǎng)霜與相關(guān)氣象要素的基本特征，發(fā)現(xiàn)雙流機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)霜時(shí)最低溫度為0.5℃，相對(duì)濕度多在95%，天空狀況為少云到多云，平均風(fēng)速多在1 m/s以下。

浦東機(jī)場(chǎng)霜天氣出現(xiàn)日數(shù)雖然占整個(gè)冬季比例較少，但霜出現(xiàn)的時(shí)期與各機(jī)場(chǎng)的航班進(jìn)出港早高峰有一定程度的重合，對(duì)早出港航班正常率有較大的影響?；诖?，本研究擬利用近11年浦東機(jī)場(chǎng)地面觀測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)機(jī)場(chǎng)結(jié)霜的氣候背景，研究機(jī)場(chǎng)結(jié)霜時(shí)氣象要素的閾值，對(duì)于做好冬季霜的氣象服務(wù)工作、減少因除霜帶來(lái)的航班延誤、提高運(yùn)行效率具有重要意義。

1 資料與方法

本研究所用資料為2010—2020年浦東機(jī)場(chǎng)地面氣象觀測(cè)資料，具體為逐日天氣現(xiàn)象、逐日最低和最高氣溫、風(fēng)向風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣壓和總云量。除總云量為人工觀測(cè)外，其余資料均為自動(dòng)觀測(cè)。資料來(lái)源于浦東機(jī)場(chǎng)例行天氣報(bào)告和實(shí)況紀(jì)要欄，經(jīng)檢查資料未存在缺失現(xiàn)象，并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢查和質(zhì)量控制，資料可靠性較高。

借助前人研究［10，12-13］，鑒于霜與日最低氣溫直接相關(guān)，因此采用日最低溫度時(shí)觀測(cè)到的氣象要素表示霜出現(xiàn)時(shí)的氣象要素。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)浦東機(jī)場(chǎng)霜的年際和月變化特征進(jìn)行分析。

2 浦東機(jī)場(chǎng)霜的氣候特征

2.1 年變化

圖1為近11年浦東機(jī)場(chǎng)霜的年際變化圖，2010—2020年浦東機(jī)場(chǎng)共有145個(gè)霜日，平均每年13.2 d。年際變化特征明顯，其中2010年浦東機(jī)場(chǎng)霜日最多，為20 d，占全部霜日的13.8%，2018年最少，僅有6個(gè)霜日；2010—2020年浦東機(jī)場(chǎng)霜日數(shù)階段性變化特征明顯，2018—2020年霜日出現(xiàn)次數(shù)相較前期明顯降低，平均每年7.6個(gè)霜日，相比2015—2017年減少43%，相比2012—2014年減少55%。姚麗娜等［13］研究指出，全球氣候變化對(duì)冬季霜的形成有一定影響，霜日數(shù)呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)。

圖1 2010—2020年浦東機(jī)場(chǎng)霜的年際變化

2.2 月變化

月變化方面，浦東機(jī)場(chǎng)霜僅發(fā)生在每年的11月至次年3月，其中11月霜日最少，僅占3.4%；11月開(kāi)始，霜發(fā)生的頻率逐漸增加，至次年1月霜日達(dá)到峰值，占37.2%；次年2月結(jié)霜開(kāi)始減少，次年2月和3月結(jié)霜次數(shù)占比分別為22.1%和7.6%（見(jiàn)圖2）。

圖2 2010—2020年浦東機(jī)場(chǎng)霜的月際變化

3 浦東機(jī)場(chǎng)霜的氣象要素特征

霜是由水汽凝華或由露水凍結(jié)而成的冰晶，與當(dāng)夜最低溫度、日溫差、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓等要素密切相關(guān)，是多種氣象要素共同作用的結(jié)果。

3.1 最低氣溫及日溫差

圖3為浦東機(jī)場(chǎng)霜天氣時(shí)最低溫度的頻率分布圖，呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布特征。浦東機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)霜天氣的最低溫度在-6.9～6.5℃之間波動(dòng)，平均值為-0.96℃，最低值出現(xiàn)在2016年1月26日，最高值出現(xiàn)在2021年1月4日。霜發(fā)生時(shí)最低溫度頻率最大的值域區(qū)間為-1～0℃，頻率為21%，同時(shí)，70%的霜天氣現(xiàn)象發(fā)生在最低溫度≤0℃，75%的霜發(fā)生在最低溫度-3～2℃。

圖3 2010—2020年浦東機(jī)場(chǎng)霜發(fā)生時(shí)的最低溫度頻率分布

由圖4可知，不同月份的最低溫度分布呈現(xiàn)不同的特征。11月為初霜期，最低溫度平均值為逐月中最高，為2.5℃，分布概率為50%的區(qū)間為1.9～3.4℃，最高溫度為4.1℃，表明11月浦東機(jī)場(chǎng)最低溫度只要低至4℃時(shí)即有可能形成霜，而最低溫度降至2℃時(shí)，有75%的概率會(huì)形成霜。12月至次年2月出現(xiàn)霜的最低溫度平均值均小于0℃，其中次年2月最低，為-1.8℃，分布概率為50%的區(qū)間為-3.3～-0.3℃，表明浦東機(jī)場(chǎng)在2月時(shí)，最低溫度需要降低至-3.3℃時(shí)，有75%的概率會(huì)形成霜。因此，浦東機(jī)場(chǎng)在不同月份，霜形成所需的最低溫度有所差異。

圖4 2010—2020年浦東機(jī)場(chǎng)霜時(shí)最低溫度的月際統(tǒng)計(jì)箱型圖

圖5為浦東機(jī)場(chǎng)霜日的日溫差頻率分布，分析可知，出現(xiàn)霜天氣的前日最高溫度與夜間最低溫度的差值最高達(dá)18.6℃，最低差4.1℃，差值主要集中在8～14℃，占所有情況的77%。隨著年份的推移，最高溫度與最低溫度的差值無(wú)明顯趨勢(shì)性變化。

圖5 2010—2020年浦東機(jī)場(chǎng)霜日的日溫差頻率分布

3.2 風(fēng)向風(fēng)速

如圖6所示，當(dāng)霜出現(xiàn)時(shí)，風(fēng)速的分布呈正態(tài)分布特征，平均風(fēng)速為1.8 m/s，頻率最高的風(fēng)速區(qū)間為0～4 m/s的靜風(fēng)或微風(fēng)，頻率為94%。同時(shí)，圖7顯示，風(fēng)向分布呈現(xiàn)雙峰型，其中頻率最高的兩個(gè)風(fēng)向區(qū)間分布為210°～240°和300°～330°，為西南風(fēng)和西北風(fēng)，頻率分別為20%和19%，總的風(fēng)向平均值為233°。因此，霜出現(xiàn)靜風(fēng)或微風(fēng)的時(shí)候，空氣緩慢地流過(guò)冷物體表面，不斷地供應(yīng)著水汽，有利于霜的形成。因此，霜一般形成在寒冷季節(jié)里0～4 m/s的微風(fēng)或無(wú)風(fēng)的夜晚，風(fēng)向以西南風(fēng)或西北風(fēng)為主。

圖7 2010—2020年浦東機(jī)場(chǎng)霜發(fā)生時(shí)的風(fēng)向頻率分布

3.3 相對(duì)濕度

霜的形成需要合適的濕度條件，從霜出現(xiàn)時(shí)的濕度分布（見(jiàn)圖8）可以發(fā)現(xiàn)，霜形成時(shí)相對(duì)濕度≥70%占比達(dá)到91%，隨著濕度的增加，形成霜的可能性逐漸增大，當(dāng)夜間濕度達(dá)到80%時(shí)，出現(xiàn)霜的概率相對(duì)較高。

圖8 2010—2020年浦東機(jī)場(chǎng)霜發(fā)生時(shí)的相對(duì)濕度頻率分布

3.4 海平面氣壓

圖9為浦東機(jī)場(chǎng)霜日的海平面氣壓的頻率分布圖，浦東機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)霜天氣的海平面氣壓在1 018～1 038 hPa之間波動(dòng)，平均值為1 028 hPa，霜發(fā)生時(shí)最低溫度頻率最大的值域區(qū)間為1 025～1 030 hPa，頻率為42%，同時(shí)，95%的霜天氣現(xiàn)象發(fā)生在1 020～1 035 hPa之間。因此，霜天氣發(fā)生時(shí)一般地面為高壓環(huán)流控制。

圖9 2010—2020年浦東機(jī)場(chǎng)霜發(fā)生時(shí)的海平面氣壓頻率分布

3.5 總云量

霜的形成需要合適的溫度，而云量的多少與夜間地面溫度密切相關(guān)。夜間云量越少，地面強(qiáng)烈的輻射散失熱量越多，最低溫度越低越有利于霜的形成?！睹裼煤娇諝庀蟮孛嬗^測(cè)規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)總云量為0時(shí)，為無(wú)云，當(dāng)總云量為8時(shí)，為滿天云。從霜發(fā)生時(shí)的總云量的分布（見(jiàn)圖10）可以看出，晴夜最有利于霜的發(fā)生，占88%，因此，夜間無(wú)云導(dǎo)致強(qiáng)烈的輻射冷卻，晴朗少云的夜晚有利于霜的形成。

圖10 2010—2020年浦東機(jī)場(chǎng)霜發(fā)生時(shí)的總云量頻率分布

百分位數(shù)在研究氣象災(zāi)害嚴(yán)重性方面有著廣泛的應(yīng)用，25%～75%分位數(shù)的值域區(qū)間在統(tǒng)計(jì)學(xué)中被認(rèn)為是出現(xiàn)頻率較高的數(shù)值范圍［14］。本研究將通過(guò)百分位數(shù)對(duì)以上7種相關(guān)氣象要素在結(jié)霜時(shí)最大概率出現(xiàn)的值區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，基于百分位數(shù)確定浦東機(jī)場(chǎng)霜天氣的物理量預(yù)報(bào)指標(biāo)。

表1為浦東機(jī)場(chǎng)結(jié)霜時(shí)7種氣象要素的25%與75%分位數(shù)值和統(tǒng)計(jì)平均值，分析可知，當(dāng)夜間最低氣溫降低至-2.5～0.6℃時(shí)，有50%的概率會(huì)形成霜，當(dāng)為-1℃時(shí)，形成霜的概率更高；同樣，當(dāng)日溫差在10.1～13.6℃，風(fēng)向190°～305°，風(fēng)速1～2 m/s，相對(duì)濕度77.5%～96%，海平面氣壓1 024.9～1 030.7 hPa，夜間晴空，浦東機(jī)場(chǎng)形成霜的概率較大，如果預(yù)報(bào)或觀測(cè)的各氣象要素接近或等于平均值時(shí)，浦東機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)霜的概率最大。

表1 浦東機(jī)場(chǎng)結(jié)霜時(shí)相關(guān)氣象要素百分位數(shù)值及平均值分布表

4 結(jié)論

本研究利用2010—2020年浦東機(jī)場(chǎng)地面氣象觀測(cè)資料，分析了該機(jī)場(chǎng)霜天氣的氣候變化特點(diǎn)和天氣要素特征，并定量估算了結(jié)霜時(shí)相關(guān)氣象要素的閾值。得到的主要結(jié)論如下。

①近11年浦東機(jī)場(chǎng)年均霜日為13.2 d，多發(fā)生于11月至次年3月，具有顯著的年、月變化特征。

②浦東機(jī)場(chǎng)結(jié)霜時(shí)，地面為高壓控制的晴夜，當(dāng)最低氣溫偏低，相對(duì)濕度較大，且出現(xiàn)西南風(fēng)（風(fēng)速為0～4 m/s的靜風(fēng)或微風(fēng)）時(shí)，易出現(xiàn)霜天氣。結(jié)霜時(shí)的天氣要素閾值存在月度差異，11月最低氣溫低于4℃時(shí)就有可能出現(xiàn)霜，較12月至次年3月閾值偏高。

③溫度和濕度條件是浦東機(jī)場(chǎng)形成霜的關(guān)鍵因素，預(yù)計(jì)夜間地面降溫幅度達(dá)10.1～13.6℃，低溫度降至-2.5～0.6℃，且相對(duì)濕度達(dá)到77.5%～96%時(shí)，易出現(xiàn)霜天氣，晴夜的地面持續(xù)出現(xiàn)1～2 m/s的西南至偏西風(fēng)會(huì)增大浦東機(jī)場(chǎng)結(jié)霜的概率。

上述研究結(jié)論和前人研究結(jié)論基本一致：隨著氣候變化，霜日數(shù)呈下降趨勢(shì)［6，13］。雖然霜天氣發(fā)生時(shí)的氣象背景相似［5，9，13］，但有關(guān)氣象閾值存在細(xì)微的差異。本研究的結(jié)論對(duì)進(jìn)一步開(kāi)展預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作及基礎(chǔ)研究均具有指導(dǎo)意義。另外，本研究?jī)H統(tǒng)計(jì)分析霜天氣特征，有關(guān)結(jié)霜的物理過(guò)程和機(jī)制沒(méi)有涉及。采用數(shù)值模擬的方法，在高時(shí)空分辨率的模擬數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行更加細(xì)致與完整的討論，將是下一步工作的重點(diǎn)。