岛礁跑道设计中的风候特征分析

郑崇伟，高成志，张仲，孔洁，万勇

岛礁跑道设计中的风候特征分析

郑崇伟1,2，高成志1，张仲3，孔洁3，万勇4

（1.海军大连舰艇学院，辽宁大连116018；2.解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京211101；
3.江苏省国际科技合作中心，江苏南京210041；4.中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东青岛266580）

以海上丝绸之路某岛礁作为假想研究对象，利用来自ECMWF的ERA-interim风场资料，系统性地统计分析了飞机起降过程中极为关注的（强）风向频率、6级以上大风频率、6级以上阵风频率、阵风系数（Gust Index，GI），为岛礁跑道建设的合理性论证提供科技支撑。

岛礁跑道；合理性；侧风；强风向频率；阵风系数

1 引言

战略支点通常以岛礁为依托，是人类迈向深蓝的重要支撑，可为远洋补给、海上搜救、人道主义救援、防灾减灾等提供支持。岛礁跑道是战略支点建设的重中之重，长久以来一直是世界性难题，需要展开充分论证，考虑到的因素包括：地理特征、气候特征、海洋环境特征等[1-4]。依地形而建可以节约材料、缩短工期、减小施工难度，具有一定的合理性。但是，在实际应用中，跑道主要是为了保障飞机的起降。有利于飞机起降应该作为跑道建设是否合理的最高衡量标准。较强的侧风、阵风很容易导致飞机滑出跑道，这种现象在岛礁跑道、航母上体现的尤为明显，这就要求对岛礁跑道建设需求下的风候（风的气候特征）展开精细化的统计分析，为跑道建设提供辅助决策。

前人对于全球海域的风候特征做过很多研究和很大贡献。李培等[5]曾利用46 a（1950—1995年）的气象船舶资料，按5°×5°网格统计单元，对北印度洋的平均风速、6级和8级大风进行过统计分析。郑崇伟等[6]曾利用来自欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的ERA-interim风场资料，统计分析了“21世纪海上丝路”涉及海域的风候特征，主要包括海表风场的季节特征、（强）风向频率、大风和阵风频率、阵风系数、海表风速的长期变化趋势等。郑友华等[7]曾分析了北印度洋海表风速的突变形势，发现年平均海表风速的突变形势与冬季相似，突变期都在20世纪80年代初。刘春霞等[8]利用QuikSCAT散射计风速统计了南海的6级以上大风频率，发现从10月—翌年3月在巴士海峡和台湾海峡存在东北大风频数中心，在12月频数最大达到20 d；夏季西南大风频数从6月6 d增加到8月12 d。郑崇伟[9]曾利用10 a（1999年8月—2009年7月）的QN（QuikSCAT/NCEP）混合风场，统计分析了全球海域6级以上大风频率的季节性、区域性差异。

但目前为止，极少有针对岛礁跑道建设需求下的风候统计分析。本文利用来自ECMWF的风场资料，以海上丝绸之路某重点岛礁为假想研究目标，统计分析岛礁跑道建设需求下的风候特征，期望该方案可以在岛礁跑道建设中得以推广应用，为海上丝绸之路战略展开、中国南海岛礁建设等提供科技支撑、辅助决策。

2 资料与方法

本文采用的海面风资料是ERA-interim海表10 m风场资料（含U、V分量）和阵风风速资料，对岛礁跑道建设需求下的风候特征展开统计分析，为岛礁跑道建设的合理性论证提供科技支撑。ERA-Interim再分析资料来自ECMWF，是继其早期产品ERA-40之后的新产品，该数据使用了分辨率更高的气象模式，在观测资料的应用及同化方法方面也有很大改进[10-11]。使用最新的12 h窗口的四维变分同化技术，同化的资料包括卫星资料、常规观测资料，以及模式数据，作用在于提供ECMWF早期产品和新一代产品之间的衔接，目的是对ERA-40和更早的数据进行完善。ERA-Interim海表10 m风场资料和阵风风速资料的空间范围都为：90°S～90°N，180°W～180°E；空间分辨率有0.125°× 0.125°、0.25°×0.25°、0.5°×0.5°、0.75°×0.75°、1.0°×1.0°..........2.5°×2.5°，本文选择其中0.125°× 0.125°的空间分辨率；时间序列为1979年1月1日00：00至今，不断更新中[12]。ERA-interim海表10 m风场时间分辨率为逐6 h（每6 h一个数据），ERA-interim阵风资料的时间分辨率为逐3 h。Dee等[10]、Song等[11]、Bao等[13]、马永锋等[14]曾将NCEPCFSR，NCEP-NCAR，ERA-Interim，and ERA-40 Reanalysis几种数据与观测资料进行比较，发现ERA-Interim在均方根误差和偏差方面更优。

本文以海上丝绸之路某岛礁作为假定研究对象，该岛礁的地形为近南北走向，有工程人员曾将该岛礁的跑道规划为南北向（图略），其主要依据是依地形而建。显然，其方案最大限度地利用了岛礁地形。依地形而建可以节约材料、缩短工期、减小施工难度，有一定的合理性。而在实际应用中，跑道主要是为了保障飞机的起降。跑道建设过程中，对风的要求很高，尤其是较强的侧风、阵风很容易导致飞机滑出跑道，这种现象在岛礁跑道、航母上体现的尤为明显，这就要求对岛礁的风候特征展开精细化的统计分析，为跑道建设提供辅助决策。本文利用ERA-interim海表10 m风场资料和阵风风速资料，统计分析了该岛礁跑道建设需求下的风候特征，分析内容主要包括（强）风向频率、6级以上大风频率、6级以上阵风频率、阵风系数（Gust Index，GI）等。

3 跑道建设的合理性

利用来自ECMWF近36 a（1979—2014年）的ERA-interim海表风场资料、阵风资料，计算了飞机起降过程中极为关注的风候特征，主要包括：（强）风向频率、6级以上大风频率、6级以上阵风频率、阵风系数等，为岛礁跑道设计、飞机起降提供科技支撑。

3.1 （强）风向频率

侧风过大极易导致飞机滑出跑道，也就是说，岛礁跑道规划首要考虑的要素之一就是侧风。利用近36 a、逐6 h的ERA-interim风场资料，绘制了该海域的风玫瑰图。图1给出了风向频率、风速频率、强风等特征，风向划分为16方位，首先可以从整体上看出不同风向出现的频率（图中的数字代表频率）；此外，图中的颜色代表风速，可以看出不同方位下，不同的风速出现的频率；最后，还可以看出强风主要来自什么方向，及其出现的频率。

2月，在频繁的冷空气影响下，NE向、ENE向的风出现频率最高，分别为36%、34%，其中出现频率最高的风速是6～8 m/s，其次是8～10 m/s。10 m/s以上的强风主要源自NNE向（7%）、NE向（4%）。

5月，处于冬季风向夏季风过度期，风向频率稍显凌乱，出现频率相对偏高的是SW、E、ENE、WSW向。该季节的风速整体偏低，8 m/s以上的风速主要源自SW、WSW向。

8月，西南季风已经盛行，SW风向、WSW风向占据绝对主导地位，频率分别为40%、33%。该季节出现频率最高的是8 m/s以上的风速，其次是6～8 m/s。10 m/s以上的强风出现频率明显高于其余季节，其中WSW向、SW向的10 m/s以上强风出现频率分别为12%、6%。

11月，该海域已经实现由夏季风向冬季风的转变。出现频率最高的是NE向（27%）、ENE向（26.5%）。出现频率最高的风速是：6～8 m/s的NE风（11%）、6～8 m/s的ENE风（11%）、4～6 m/s的ENE风（8%）、6～8 m/s的NE风（7%）。8 m/s以上的风速频率相对偏低，主要源自NE、NNE、ENE向。

图1某岛礁不同月份的风玫瑰图

图1 中可以清楚地看到各个季节的强风来向，为了论证工程人员设计的南北向跑道是否容易遭受侧风的影响，将跑道示意叠加到风玫瑰图上（见图2）。显然，2月的强风主要源自NNE向和NE向，与跑道走向存在较大夹角，意味着飞机在这个季节起降极易遭到侧风的影响。同理，8月的强风主要源自SW、WSW向，与跑道走向也是存在明显的大夹角，极易威胁飞机的起降。

这就表明：如果按照南北向的方案建造该跑道（如图2的橘红色长条），飞机在冬季和夏季起降都极易受到侧风的严重威胁。如果以图1作为科学依据，设计时本着最大限度减小侧风威胁的原则，将跑道走向适当旋转，保持与强风向大体一致（如图2的浅绿色长条），虽会增加一些施工难度，但在建成之后能有效提升飞机起降效率和安全性。

3.2 6级以上大风、6级以上阵风频率

大风尤其是较强的阵风对飞机起降有严重影响，利用近36 a逐6 h的ERA-interim风场资料、逐3 h的ERA-interim阵风资料，统计了该岛礁的6级以上大风频率（6级以上风速出现的时次在所有时次中所占的比例，这里的风速为平均风速）、6级以上阵风频率（6级以上阵风出现的时次在所有时次中所占的比例）。将1979年1月的6级以上大风出现的时次除以该月的总时次（124个时次），得到该月的6级以上大风频率，采用同样的方法，得到多年平均状态下的1—12月的6级以上大风频率；同理，得到多年平均状态下的1—12月的6级以上阵风频率（见图3）。

图2 某岛礁的跑道设计走向、强风的风向

从图3可以明显看出，6级以上大风频率常年偏低，基本都在5%以内，仅1月、7—8月、12月出现频率相对偏高，但也只有5%～10%。较低的6级以上大风频率表面上对飞机起降是乐观的。但是，通过统计6级以上阵风频率发现，该海域的6级以上阵风频率远大于6级以上大风频率，全年有超过一半的时间（12月—翌年2月、6—9月）6级以上阵风频率大于20%，在有的季节甚至达到50%以上。显然，虽然该海域6级以上大风频率偏低，但较高的6级以上阵风频率依然会对飞机起降造成较大影响，这就更要求在跑道设计时注意规避侧风的影响。

3.3 阵风系数

图3 某岛礁各月的6级以上大风、6级以上阵风出现的频率

而在实际的气象预报中，通常预报风速指的是平均风速。统计阵风系数（GI），有利于根据预报的平均风来防范阵风。GI定义为：在某一时刻，观测到的最大阵风风速与相应10 min平均风速之比。利用1979年1月1日00：00时的最大阵风风速除以平均风速，得到该时刻的GI，采用同样的方法，利用近36 a（1979—2014年）逐6 h的ERA-interim风场资料、逐3 h的ERA-interim阵风资料，计算得到该岛礁近36 a逐6 h的GI（本文主要计算了当阵风风速大于6级时的GI，简称6级以上GI）。基于近36 a逐6 h的6级以上GI，计算了各个月份的平均6级以上GI、最大6级以上GI、最小6级以上GI（见图4）。

平均6级以上GI（见图4a）：表现出一主峰、一次峰的月际变化特征。主峰出现在11月（1.42），次峰出现在7月（1.40）。1—6月，曲线走势平缓，基本在1.38上下轻微波动。

图4 某岛礁各月6级以上阵风系数值

最大6级以上GI（见图4b）：在1—11月曲线变化趋于平缓，在1.6～2.6之间波动，12月为波峰，且明显高于其余月份，能够达到5.1。

最小6级以上GI（见图4c）：上半年（1—6月）的波动相对剧烈，在1.08～1.23之间，下半年则表现出递减的走势。波峰出现在4月（1.22），波谷出现在11月（1.00）。

4 结论与展望

本文利用来自ECMWF的ERA-interim风场资料，统计分析了岛礁跑道建设需求下的风候特征，论证岛礁跑道设计的合理性，得到结论：（1）2月和11月，该海域以NE、ENE风占主导，其中又以6～8 m/s的风速出现频率最高；8 m/s以上的风速也主要源自这两个方向。8月，SW、WSW风占主导；8 m/s以上和10 m/s以上的风速出现频率明显高于其余季节。5月的风速整体偏低；（2）该海域6级以上大风频率常年偏低，但6级以上阵风频率却较高。全年有一半以上的时间6级以上阵风频率大于20%，在有的季节甚至达到50%以上；（3）平均GI的主峰出现在11月（1.42），次峰出现在7月（1.40）。1—6月，曲线走势平缓，基本在1.38上下轻微波动。最大GI在1—11月曲线变化趋于平缓，在1.6～2.6之间波动，12月高达5.1。最小GI在上半年波动剧烈，在1.08～1.23之间，下半年则表现出递减的走势。

综上，该海域的强风主要源自NE-SW走向、ENE-WSW走向，加上较高的6级以上阵风频率，如果依据地形将跑道设计为南北走向，在冬夏两季将遭受严重的侧风威胁。根据本文的统计结果，跑道设计为ENE-WSW走向将更有利于减小风对飞机起降的影响。

由于观测资料极度稀缺，本文所用的ERA-interim资料的分辨率已是目前覆盖大范围海域的最高空间分辨率，但距离实际应用仍有较大差距。因此，在未来的“海上丝路”建设过程中，海洋气象观测资料的采集与整理就显得尤为重要，积极在一系列重要的岛礁附近布设观测站，为海洋工程、“海上丝路”科学研究奠定数据基础。在风场资料方面，需要获取不同高度的风速、风向数据，对湍流、强风向频率、阵风频率、阵风指数等展开更为精细的研究，为战略支撑点建设提供更为精准的科技支撑、辅助决策。

跑道设计是一项复杂的系统性工作，本文仅分析了海表10 m的风场对跑道建设规划的影响，除了近地面的风场分析，未来还需要系统性、精细化地分析不同高度的风速风向特征、岛屿地貌或未来建筑对平均风场的影响、跑道与港口的协调建设等，为跑道规划提供更为贴近实际需求、更科学合理的方案。

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Wind climate analysis under the demand of reef runway construction

ZHENG Chong-wei1,2，GAO Cheng-zhi1，ZHANG Zhong3，KONG Jie3，WAN Yong4
（1.Dalian Naval Academy,Dalian 116018 China;2.College of Meteorology and Oceanography,People's Liberation Army University of Science and Technology,Nanjing 211101 China;3.Jiangsu International Sci Tech Cooperation Center,Nanjing 210041 China; 4.College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580 China）

In order to evaluate the rationality of reef runway construction,taking one reef of the Maritime Silk Road in the 21st century as the research object,based on the ERA-interim wind data from the ECMWF,the (strong)wind direction occurrence,occurrences of average wind speed greater than class 6 and gale wind speed greater than class 6,Gust Index(GI)are systematically analyzed,which provides an assistant Decision-Making and scientific reference for the island and reef construction of the South China Sea and strategic points construction of the 21st Century Maritime Silk Road.

reef runway;rationality;crosswind;strong wind direction occurrence;Gust Index

P732.1

A

1003-0239（2017）04-0052-06

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.04.006

2016-10-29；

2016-12-28。

高端科技创新智库青年项目（DXB-ZKQN-2016-019）；山东省自然科学基金（ZR2016DL09）。

郑崇伟（1983-），男，工程师，博士在读，主要从事海战场环境建设、物理海洋学及海洋能资源评估。E-mail：chinaoceanzcw@sina.cn