大理机场风特征分析及对飞行的影响*

2019-03-12赵建伟

中低纬山地气象 2019年1期

毕波，赵建伟，杨航

(云南机场集团有限责任公司大理机场，云南大理 671000)

1 引言

大理机场地处滇西北横断山脉最南端，金沙江与澜沧江过渡地带，洱海盆地南部，区域内地形总势西北高、东南低，全区山势陡峭挺拔、河谷纵横深切其间，海拔悬殊较大。主要受高原季风气候影响[1]，属低纬高原季风气候区，气候特点主要表现为四季不明显、冬无严寒、夏无酷暑，干凉同季、雨热同季，干雨季分明。机场周围四面环山，地形复杂，风场多变，有很多学者对大理的风场特征做了分析，并取得了一系列成果，杨澄等[2]对大理市大风天气特征进行了统计及分析，指出大理大风日数存在明显的年际变化和年代际变化，大理大风具有明显的日变化特征,杨澄等[3]还对青藏高原东南侧冬季大风进行诊断分析，分析了大风产生的天气背景和原因。董保举等[4]对大理边界层风垂直变化观测进行研究，表明大理上空100 m高度和1 000 m高度的主导风向相反，500 m高度风向由白天东南风转为夜间西南风。针对大理机场的大风天气，赵建伟等[5]对大理机场一次晴空大风天气诊断分析，指出动量下传是产生此次大风的主要原因。近年来随着大理机场航班量的不断增加，航班受风场的影响也在加剧，伴随着机场周边城市化进程的加快和环境条件的改变，风场变化也呈现出新的特点[6]，而机场目前缺乏专业的风场探测设备，拟通过统计分析历年资料，分析出机场地面风向风速以及大风天气的变化特征，以期为以后预报提供参考，更好地保障飞行安全、正常。

2 资料选取及说明

文中选用了大理机场2013年1月—2017年12月5 a自动观测系统中的10 m高度风向和风速整点数据做为地面风分析，以及近3 a因天气原因返航备降的航班数据，风向分辨率为10°，风速分辨率为1 m/s，平均风速为10 min内的风速平均值，瞬时风速为3 s内的平均值，大风是指瞬时风速≥17 m/s的风，文中所提到的时间均为世界协调时(UTC)，风向VRB指的是当风速≤2 m/s时风向变化大于60°且小于180°或当风速>2 m/s时，风向变化大于180°。

大理机场位于25°39′01″N，100°19′07″E，处于洱海东南岸，东靠群山，西邻洱海、苍山，机场周围四面环山，地形复杂，跑道方向为磁向168～348°，跑道长2 600 m，宽45 m，机场标高2 155.4 m，主降方向是由北向南的17号跑道。

3 地面风分析

3.1 地面风向分析

表1 大理机场2013—2017年各月各风向段(30°内)出现频率Tab.1 Frequency of wind sections (within 30 degrees) at Dali airport from 2013 to 2017

如表1所示，风向频率82%集中在140～250°风向夹角内，其中风向夹角140～160°最多，占全年风向频率41%，几乎占到了一半，其次是200～220°和170～190°风向段，均占16%，最少为350～10°风向段，风向频率0%。从风向频率各月变化情况看，风向随季节的交替变化不大，静风在8月份出现频率最大，7月次之，3月几乎不出现静风；风向VRB各月均会出现，且出现频率在3%～13%之间，8月份出现频率最大，7月次之，6月最少；140～160°风向段在各月出现频率均较大， 140～160°风向段风向频率3月最少，占24%，从3—6月逐渐增大，6月达到54%，而9月—次年3月又逐渐减小，200～220°风向段却出现了相反的变化情况，也就是说，每年3—6月，风向集中在110～190°夹角范围内，多为东南风，从8月—次年2月，风向逐渐增大，出现西南风的频率增大，但最大风向角>250°的情况较少出现，2—7月，风向变化情况正好相反，也就是说，大理机场全年盛行偏南风，风向角度会随着季节有所变化，但变化的幅度并不大，可以说常年风向稳定，只有受到天气过程或天气系统影响时，风向才变化较大，这样的风向对飞行有利。

图1 大理机场2013—2017年盛行风向的日变化Fig.1 Daily change of prevailing wind direction in Dali airport from 2013 to 2017

图1为各时次的盛行风向分布图，可以看出大理机场盛行风向随时间变化情况，夜间到上午为东南风，午间02—04UTC风向逐渐转为西南风，到傍晚11—13UTC再转为东南风，最大风向角出现在午后07—09UTC之间，一天之内盛行风向均在150～220°夹角范围内变化，盛行风向变化的变化范围只有70°，而大理机场的主降跑道为17号，说明盛行风向与机场跑道夹角较小，在20～50°之间，因此，正侧风分量小,顶风分量大，能使离地速度和着陆速度减小，缩短滑跑距离，增大载重量，对飞机的起降比较有利。

3.2 地面风速分析

图2 大理机场2013—2017年各月平均风速(单位：m/s)Fig.2 Average monthly wind speed of Dali airport from 2013 to 2017 (unit: m/s)

大理机场近5 a年平均风速为5.4 m/s。从年际变化看，大理机场2013—2017年的年平均风速呈先增大后减小的变化趋势(图略)，2013年平均风速最小为5.0 m/s，2015年平均风速最大为5.6 m/s，年平均风速最大和最小相差0.6 m/s，整体上各年年平均风速差异不大。从年变化看，各月平均风速变化情况如图2所示，平均风速2月份最大，为6.8 m/s，3月次之，为6.4 m/s，8月份最小，为3.3 m/s，从2—8月呈现逐月递减趋势，而从8月—次年2月为递增，无论是递增还是递减其间均无波动变化。12月—次年4月，平均风速较大，均大于全年平均风速5.4 m/s，这与11月以后中纬度西风带南移，青藏高原南部南支西风气流建立并逐渐加强有很大关系[3]，而7—10月平均风速则相对较小。

图3 大理机场2013—2017年平均风速的日变化(单位：m/s)Fig.3 Diurnal variation of average wind speed in Dali airport from 2013 to 2017 (unit:m/s)

分析大理机场风速日变化特征，从图3大理机场2013—2017年各时次平均风速可以看出，大理机场地面风速随时间变化具有较强的规律性，00UTC风速最小，为4.5 m/s，午后风速逐渐增大，特别是从05—07UTC风速呈直线递增，到08UTC最大，达到6.4 m/s，之后风速再逐渐减小，夜间13—02UTC风速平稳，变化不大，平均风速变差小于2 m/s，可见，大理机场地面风速白天大于夜间，且白天变化大，夜间风速稳定。

图4 大理机场2013—2017年各风速段年平均出现频率(单位：%)Fig.4 Annual average occurrence frequency of each wind speed section in Dali airport from 2013 to 2017 (unit: %)

图4为大理机场2013—2017年各风速段年平均出现频率，静风出现频率为2%，没有包含在图中，大理机场平均风速多出现在9 m/s及以下，出现频率为94%，其中4～6 m/s占50%，为最多，其次是7～9 m/s和1～3 m/s，分别占24%和18%，平均风速≥10 m/s的占总出现频率的6%，其中对航班起降影响较大的13～16 m/s最少，占1%。

分析大理机场风向和风速的关系发现，风向变化范围与风速呈现反比关系，当风速较大时风向稳定，风速较小时，风向变化相对较大，风速<3 m/s时，常会出现风向变化范围>180°的情况。

风速对大理机场的飞行有重要影响，根据《民用航空空中交通管理规则》规定，航空器通常应当逆风起降，当跑道长度、坡度和净空条件允许，航空器也可以在顺风分量风速不大于2.5 m/s时起降，当使用干跑道时，侧风分量风速不得大于10 m/s；当使用湿跑道时，侧风分量风速不得大于7.5 m/s；管制员不得安排航空器在湿跑道上顺风起降。因此，地面风是管制员选择跑道方向的一个重要指标，如果风速超过机场运行风速限制，机场将临时关闭，飞机无法起降。

4 大风特征分析

近3 a来，共有51个航班因本场大风或由大风引起的颠簸、低空风切变而返航备降，极端最大瞬时风速达到30 m/s，风向为西南风，出现在2016年4月15日。

图5 大理机场2013—2017年各月大风年变化(单位：d)Fig.5 Annual change of monthly wind in Dali airport from 2013 to 2017 (unit: day)

将一天内出现一次或一次以上大风定为一个大风日，在年际变化方面，大理机场大风日数的年际差异较大，大理机场大风日数年平均为78.6 d，大风日数2014年最多，为103 d，2013年最少为67 d，相差了36 d，其他年份2015年为79 d，2016年为68 d，2017年为76 d。图5为大理机场2013—2017年各月累计大风日数，由图5可知，大理机场全年各月都有可能出现大风天气，但大风日数各月出现情况差别较大，大风主要出现在11、12月以及次年1—4月，其中2月份出现大风日数最多，累计大风日数为81 d，随着季节变化，此时青藏高压南移，副高东退，青藏高原南部南支西风气流建立并控制影响大理上空，在强劲的高空西风气流引导下地面风速也随之增大，加之大理特殊的地形影响，使气流通过盆地入口时流速进一步加大，大风日数随之增多[2]；每年7—10月份出现大风日数较少，为1～2 d，而且出现时多为雷暴大风，也就是当积雨云过境时产生的地面短时大风。图中还可以发现，从10—12月大风日数是一个快速增长过程，呈现直线上升，10月份累计大风日数仅为1 d，而12月累计大风日数达到67 d，从2—6月，大风日数则是逐月减少，因此常常将每年的11月—次年4月称为干季，这一时期多为晴好少云天气，降水稀少，大风日数多，在保障飞行安全方面，重点考虑地面大风、颠簸、乱流和低空风切变对飞行的影响。

图6 大理机场2013—2017年大风日变化(单位：次)Fig.6 Daily variation of strong wind in Dali airport from 2013 to 2017 (unit: time)

图6为大风出现次数日变化情况，可见一整天各时段都会出现大风天气，但各时段内出现的次数是不一样的，从早上20UTC至中午02UTC出现次数相对较少，其中最少出现在00—02UTC，03—07UTC大风出现次数急剧增多，最多出现在08UTC，累计出现大风次数达到89次，大风主要出现在下午06—11UTC之间，11UTC后大风开始减少，日落后大风出现次数明显减少。可见大理机场大风出现时间具有明显的日变化特征，白天多于夜间，且起风时间一般为中午03UTC以后。

图7 大理机场2013—2017年大风各风向段出现频率(单位：%)Fig.7 Occurrence frequency of wind sections in Dali airport from 2013 to 2017 (unit: %)

对大风出现时各个时次的大风风向进行了统计分析，并将5 a各个风向的风向频率绘以图7，大风风向集中出现在180～250°，最多风向为220 °，风向频率达到32.8%，其次分别是230 °和210 °，风向频率分别占22.4%和14.7%，250°风向出现频率最少，占1.3%。可见大理机场大风风向为西南风，这与700 hPa(约3 000 m)风向是一致的，在大风日数较多的干季，大理上空常受稳定的西南风气流控制，这一时期700 hPa风速较大，常常有低空急流存在，机场大风的产生与西南低空急流有很大关系。

大风是影响大理机场航班飞行保障的重要天气之一，当机场出现大风时，机组往往申请改变飞行程序，从机场东面进场，以便避开常规飞行程序上洱海上空“三转弯点”附近的颠簸区域。另外，大风还会产生很大的偏流，使操纵飞机发生困难，对下滑角的保持有较大影响，难以保持稳定的飞行姿态。

5 风对飞行的影响

风与飞行的关系极为密切，飞机的起飞着陆、选择飞行高度、领航以及计算飞机活动半径和油料消耗等都必须考虑风的影响，飞机起降时所能承受的最大风速，取决于机型和风与跑道的夹角，逆风起降时所能承受的风速最大，正侧风起降时所能承受的风速最小，这是因为近地面风由于受地表的影响，风场变化复杂，具有明显的阵性，风速越大，阵性越强，使飞机受到无规律的影响[7]。大气的垂直运动和乱流运动会引起飞行高度变化和飞机颠簸，低空风切变可严重危害飞行安全，还有飞机顺风起降，将增长滑跑距离，减少上升率和下滑率，当风速超过规定时，飞机有可能冲出跑道；飞机逆风起降，将缩短滑跑距离，加大着陆下滑率和下滑角，风速过大也可能使飞机提前接地；侧风对飞行也有影响，飞机会顺着侧风方向移动，如不及时修正就会偏离跑道，侧风还会使地面飞机打地转等[8]。风对飞行安全的影响主要来自气流造成飞机飞行状态的改变，在飞机起降阶段，飞机飞行速度较小，风场的影响显著[9]。

分析大理机场2015—2017年间由于天气原因造成的航班返航备降情况可知，近3 a共有153架次因天气原因返航备降，造成航班返航备降的天气有强降水、雷暴、低云低能见度、大风、颠簸、低空风切变和顺风。从各种天气的出现频率来看，低云低能见度最多，占46.4%，大风次之，占25.5%，其次是雷暴占12.4%，低空风切变占5.9%，强降水占4.6%，顺风占3.3%，颠簸最少，占2.0%。从各种天气造成航班返航备降的架次来看，低云低能见度71架次，大风39架次，雷暴19架次，低空风切变9架次，强降水7架次，顺风5架次和颠簸3架次。值得注意的是2017年雨季期间大理机场仪表着陆系统升级改造停用，飞机着陆所需的能见度和云底高度标准大幅提高，低云低能见度影响突出，2017年因低云低能见度返航备降的航班达44架次；从各种天气出现时间来看，大风、颠簸和低空风切变均出现在每年的11月—次年的4月，也就是常说的干季，强降水、雷暴、低云低能见度和顺风主要出现在5—10月，这是因为干季中纬度西风带南移，青藏高原南部南支西风气流建立并控制大理地区，多为晴好少云天气，大风日数多，在特殊地理地形影响下，大理地区存在着复杂的大气湍流活动，地形性风明显，机场区域内风场复杂；而5—10月，西风带北移，受来自孟加拉湾的西南气流和南海的东南气流影响，水汽充沛，多雷暴、降水天气，大理上空风速减小，低云低能见度天气伴随降水过程出现[10]。因此，大理机场航班运行受天气影响的特征分明，干季受大风、颠簸和低空风切变影响，雨季受低云低能见度、雷暴、强降水和顺风影响，大理机场极少出现降雪、冰雹等极端天气，受降雪、冰雹影响不明显。

随着大理机场航班量增加，风对航班运行的影响日益凸显，2014年以前由于航班少，航空公司在做冬春季航班计划时常把航班安排在上午，以避开下午的大风时段，近年来，越来越多的航班被安排在下午，大风、颠簸和低空风切变对飞行的影响也越来越大。