成都双流机场跑道视程与低能见度的关系

2018-06-20张恬月刘晓达

陕西气象 2018年3期

周璞，张恬月，刘晓达

(1.中国民用航空西南空中交通管理局，成都 610202；2.成都市环境保护科学研究院，成都 610072)

能见度是反映大气透明度的一个指标。在航空领域的实际运行保障工作中，除了使用主导能见度作为起降标准外，跑道视程(Runway Visual Range，以下简称RVR)也作为一项反应能见度的重要运行标准。因此，两者都是对航空器的起降起决定性作用的气象标准。机场主导能见度是指在观测点观测到的，达到或超过四周一半或机场地面一半范围内的最大能见度。这些区域可以是连续的，也可以是不连续的，能见度的获取由观测员人工观测获得，存在着一定的主观性。RVR是指在跑道中线，航空器上的飞行员能看到跑道面上的标志或跑道边界灯或中线灯的距离。由于人工观测的精度和连贯性低，在实际业务工作中不实行人工观测，使用仪器计算是目前观测RVR的主要手段，而计算RVR需要测量和获取的物理量主要包括大气消光系数或大气透射率、目标灯光的强度、背景亮度及相应的照度视觉阈，计算过程非常复杂。因此，RVR的预报一直是民用航空气象预报工作中的难点。

2011年，国际民航气象专家在基隆坡召开的气象研讨会上讨论了主导能见度与RVR之间的相关性问题，讨论结果认为主导能见度与RVR无直接关系，但在特定的地理条件下，就具体的机场而言，其主导能见度和RVR之间可能存在某种关联[1]。基于上述原因，选取2012—2016年成都双流国际机场(以下简称双流机场)主导能见度与RVR整点数据，进行特征统计分析，寻找主导能见度与RVR之间的关系，以此作为双流机场RVR预报的一种辅助方法。

1 机场概况

双流机场基准点坐标为30.35°N，103.57°E。两条水泥质跑道，呈东北—西南向，跑道磁向均为024°～204°。西跑道长3 600 m，宽45 m，南端(简称02L)跑道着陆入口处标高492.86 m；东跑道长3 600 m，宽60 m，南端(简称02R)跑道着陆入口处标高512.41 m。机场全天24 h开放，属4E类国际机场。

图1中心点为观测平台，主要讨论双流机场两个主用起降端02L和02R的跑道视程。两个主用端分别位于东西两条跑道的南端。02L位于观测平台的248.3°方向，距离1 748.5 m；02R位于观测平台199.5°方向，距离5 860.4 m。

图1 双流机场跑道位置示意图

2 RVR的测量及主导能见度的观测

采用仪表对RVR进行估算是目前最主要的RVR测算方法，通常使用大气透射仪或前向散射仪对大气消光系数进行测量，再利用测得的大气消光系数或大气透射率及目标灯光强度、背景亮度及相应的照度视觉阈等计算RVR。在计算RVR时，应分别模拟计算观测目标为暗色标志物和有灯光时观测到的最大距离，并取二者之中较大的一个。基于黑色或暗色标志物的RVR计算使用柯西米德定律，在灯光条件下的RVR计算使用阿拉德定律。实际计算中，无论是白天、夜晚还是黄昏，都应根据柯西米德定律和阿拉德定律分别计算RVR，并比较其大小[2]。RVR的测量与计算过程非常复杂，不仅与天气状况有关，还与机场跑道灯光强度，背景环境亮度等因素有关，利用计算机计算RVR的过程就是模拟观测人员在跑道中线上沿着跑道进行人工观测的过程。

主导能见度反映机场整体能见度状况，由人工观测获得，主要是由大气透明度和观测员的视觉感受决定。双流机场观测气象要素的仪器是芬兰Vaisala公司的自动气象观测系统，简称AWOS系统。测算RVR的大气消光系数等数据由位于02L和02R的大气透射仪测量得到。

3 能见度时间分布特征

3.1 主导能见度月分布

根据民用航空气象行业标准规定，当机场主导能见度小于1 000 m时，天气现象记为雾，一日中只要出现雾就计1个雾日[3]。因此，夏季强降水造成的主导能见度小于1 000 m时，也会被记为雾日。

对双流机场2012—2016年的整点主导能见度进行统计分析，得到双流机场雾日的月平均分布情况(图2)，其中包含了2014年1月20日、2016年11月25日的部分雾(指覆盖机场重要部分的雾，其余部分为晴空，多指影响机场部分区域的平流雾，雾中能见度<1 000 m，雾扩散的高度≥2 m)和2016年3月30日、2016年12月6日的破碎雾。由图2可以看出，4—8月主导能见度平均值都在7 000 m以上，5月能见度最好为7 956 m，其次是7月，再次是8月；9月能见度开始转差，1月和12月最差，平均值在5 000 m以下。主导能见度呈冬季差，夏季好的特征。

图2 2012—2016年平均主导能见度和平均雾日月分布

冬季大雾频发，其中12月和1月最多，共55 d，占全年的62%。春季相对湿度减小，大雾天气显著减少，只有8 d。5月和7月没有出现雾日，夏季雾日多由强降水造成，一共有6 d，分别出现在6月和8月。秋季对流减弱，扩散条件转差，雾日逐渐开始增多，一共出现了15 d。雾日的月分布特征与主导能见度的月分布特征是相反的，雾日出现的越多则主导能见度平均值越低。

主导能见度的低值与RVR的低值基本是相伴出现的，由于RVR的记录方式与主导能见度有较大的不同，不便于做相同的统计分析。在低能见度频发的冬季，主导能见度和RVR的预报对于机场运行来说尤为重要。找出两者的关系，为RVR的预报提供一种辅助方法。

3.2 小于1 500 m的RVR和主导能见度日变化

根据《中国民用航空气象地面观测规范》的规定，当RVR数值大于2 000 m时，RVR记录为P2000，当主导能见度或RVR值小于1 500 m时，才记录RVR数值，当主导能见度大于等于1 500 m，小于等于2 000 m时，不记录RVR值。因此，将1 500 m作为影响飞行的低能见度标准进行统计。2012—2016年主导能见度小于1 500 m的整点数据共有873个；RVR值小于1 500 m的整点数据，02L为1 521个，02R为1 700个。

图3和图4分别为近5 a双流机场两个主用起降端RVR和主导能见度日变化情况，可以看出，二者小于1 500 m的出现频次有相似的日分布特征。低能见度最频繁发生的时段出现在07—10时，09时达到顶峰。12时之后低能见度出现的频次降低，能见度逐渐转好。傍晚到24时以前几乎没有出现低能见度。2016年由于夏季暴雨多发生在午后，造成了主导能见度小于1 000 m，因此在午后出现了第2个峰值。

图3 2012—2016年成都双流机场两个起降端跑道视程(RVR)日变化

图4 2012—2016年成都双流机场主导能见度日变化

小于1 500 m的频次，主导能见度少于RVR，02L少于02R。从年度变化来看，主导能见度和RVR均有低能见度频次逐年下降的趋势。初步分析其原因：根据《成都市城市总体规划(2002—2020年)》，成都市城区面积将由起初的598 km2扩大到3 681 km2，因此城市化对气温的贡献有所提升，气温的上升引起局地对流不稳定能量增长，增加近地层的不稳定性，有利于局地低值系统活动增强[4]；而湍流将低层水汽带到上层，上干下湿的结构被破坏，使可能形成的逆温层变薄，降低有利于辐射雾形成的层结的稳定性。大气稳定度的降低，将导致低能见度发生频率降低和持续时间减少，从而提高大气透明度[5]。机场及跑道附近的城市化不断发展，水泥地面不断增多，下垫面逐渐变干，低能见度出现的时间也在减少。

通过以上讨论，可以看出主导能见度与RVR有着相似的特征，双流机场的主导能见度与RVR之间有着一定相关性。

4 主导能见度与RVR的关系

4.1 主导能见度与RVR偏差的期望与方差

从主导能见度和RVR的定义以及上文所讨论的特征来看，两者之间存在着一定的关系。根据双流机场RVR二类运行起飞标准，分别将小于1 500 m的RVR数据分为三组： [0，200) m，[200，550) m，[550，1 500) m，计算得到两个跑道起降端三组数据对应的主导能见度与RVR偏差的正态分布期望及方差(表1)。

表1 双流机场主导能见度与RVR

根据以上计算可得偏差序列的期望及方差，绘制出RVR分别为[0，200)m，[200，550) m,[550，1 500) m时主导能见度与RVR偏差的正态分布图(图5)。

图5 2012—2016年成都双流机场主导能见度与RVR偏差的正太分布拟合图

由图5可知，02L的主导能见度与RVR偏差的期望在[0，200)m和[200，550)m范围内较小,在[550，1 500)m范围内较大，说明随着RVR的增大，主导能见度与RVR的偏差呈增大趋势。另外，方差越小，说明观测值较集中，二者的相关性较好，RVR在[0，200)m范围内时，方差与期望都最小，说明在[0，200)m范围内02L的主导能见度与RVR一致性较好。

02R的主导能见度与RVR偏差的期望在[0，200)m范围内较小，在[200，550)m范围内属于中等水平，在[550，1 500)m范围内最大，说明随着RVR的增大，主导能见度与RVR的偏差呈增大趋势。02R的主导能见度与RVR方差的绝对值在[0，200)m范围内也较小，说明观测值较集中，二者相关性较好；在[550，1 500) m范围内的方差值最大，观测值较分散，相关性较差。说明随RVR的增加，02R的主导能见度与RVR的方差呈增大趋势，并且比02L的方差大很多，偏差的起伏非常大。RVR在[0，200)m范围内时，方差与期望值都较小，说明02R的RVR在[0，200)m范围内(即机场关闭时)与主导能见度很接近。

在RVR的三组数据范围内，RVR与主导能见度的一致性02L比02R好。在[0，200)m和[200，550) m范围内，02L和02R的RVR与主导能见度的一致性较好。02R在[550，1 500) m范围内一致性较差，通常是RVR小于主导能见度，且差值较大。由图1可知，观测点距离02L较近，且距离城区较近，环境相似，气象条件也相似，RVR和主导能见度的相关性较好；而观测点距离02R大于5 km，且02R接近牧马山，周围多树木，水汽条件好，因此02R的RVR更容易出现低值。

综上讨论，当预报主导能见度小于550 m时，可将跑道视程视为与主导能见度相同；当预报主导能见度在550～1 500 m时，02L的RVR可考虑略小于主导能见度，02R的RVR则应远小于主导能见度。

4.2 业务应用实例

2017年11月1日和2017年12月4日两次低能见度天气过程，双流机场主导能见度与RVR的演变情况见表2。

从11月1日的低能见度过程可以看出：能见度在07时以后开始下降，02R的RVR下降很快，幅度也很大；08时为200 m，远小于主导能见度，而02L的RVR与主导能见度维持一致；09时的RVR与主导能见度都小于200 m，02R则提前上升到250 m；之后02L和02R的RVR与主导能见度都逐渐上升。

表2 2017-11-01和2017-12-04低能见度天气时主导能见度与RVR的演变

12月4日的低能见度过程：01时02R的RVR就开始出现波动，在04时以前均远小于02L的RVR和主导能见度。而02L的RVR与主导能见度几乎保持一致；05—09时，主导能见度小于200 m，而02L与02R的RVR则在200～550 m，可以施行二类运行。

从这两次过程来看，02L的RVR与主导能见度大致相同，02R的RVR会提前下降，低能见度频次多于02L和主导能见度，满足上文分析得出的结论。02R的RVR提前下降，也预示着主导能见度和02L的RVR也会下降，对临近预报有指示性的作用。但是由于观测地点不同，且影响RVR的各种因素很多，也有不满足结论的情况出现，还需要在预报工作中找出更多的方法对此进行更加深入的思考和研究。