飑的报告与监视
2019-09-10张人文
摘 要：飑严重影响航空安全，民航地面气象观测中飑与天气学中定义不同，是一种仅与瞬时风速有关的天气现象。本文结合三次雷暴大风、飑线过程数据分析总结了飑报告的3点要求。在对飑过程瞬时风速突然增大的突变检验中，发现运用滑动t检验法取n1=n2=1分钟序列长度时，对瞬时风速的突然增大变化都有很好的检验效果。由于飑的观测与监视容易出现“错忘漏”现象，本文分析总结了飑的自动监视和判断流程，并给出了流程图。
关键词：飑;瞬时风速;突变
中图分类号：TN102 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）17-0098-06
Abstract：Squall seriously affects aviation safety. The definition of squall in civil aviation ground meteorological observation is different from that in synoptic science. It is a weather phenomenon only related to instantaneous wind speed. In this paper，three requirements for squall reporting are summarized based on data analysis of three thunderstorms，gales and squall line processes. In the sudden increase of instantaneous wind speed in squall process，it is found that the sliding t test has a good effect on the sudden increase of instantaneous wind speed when the sequence length of n1=n2=1 minute is taken. Because squall observation and surveillance are prone to “errors and omissions”，this paper summarizes the process of automatic squall surveillance and judgment，and gives the flow chart.
Keywords：squall;instantaneous wind speed;sudden change
0 引 言
飑发生时破坏力大，严重影响航空安全，会造成严重的经济损失和人员伤亡。在气象学的定义中，飑线是指带状的雷暴群所构成的风向、风速突变的一种中至小尺度的强对流天气，通常伴随或先于冷锋出现。而在民航地面气象观测规范中，“飑”的定义与气象学中飑线的定义不同：当观测到的瞬时风速急剧增大了至少8m/s，且增大后瞬时风速达到11m/s或以上，并至少维持一分钟时，应当使用简语SQ编报飑。由此可见，民航地面气象观测中报告的“飑”实际上是一种只与风有关的天气现象，当风达到规范中“飑”定义的相关要求，即可报告飑。
在观测飑时，需要时刻留意瞬时风速的变化。由于飑是一种天气现象，因此对于机场自动观测系统内所有测风点的风速都要进行持续的监视，只要有一个点的风达到了飑的定义即要报告飑。尤其对于多跑道机场而言，飑观测的工作量是相当大的，且通常在飑发生时与之相伴的天气现象也相对惡劣，此时观测工作容易出现“错忘漏”，会对航空安全造成一定的影响。
目前国内外民航业对气象学中飑线的研究已经较为深入，但是对民航气象中飑的研究却仍较少[1-5]，因此，本文利用2014年5月广州白云机场3次雷暴大风、飑线过程分析研究飑的观测与报告，分解达到报告飑条件的风的相关要求，并为实现自动监控、提醒报告飑奠定基础。
1 数据来源
2014年5月17日、18日、25日，广州白云机场出现了雷暴大风、飑线天气。本文利用此三次雷暴大风、飑线过境过程风的数据进行飑的分析，所用瞬时风速均来源于自动观测系统存储的历史数据。图1为2014年5月17日16：27：47—16：37：44（北京时）、18日18：28：44—18：38：41（北京时）、25日19：03：43—19：13：40（北京时）此三次雷暴大风、飑线过境时10分钟内（每3秒1个数据，1分钟20个数据，共200个数据）的瞬时风速变化。
由图1可见，在此3次雷暴大风、飑线过境时，风速都在10分钟内发生突变。
在民航地面气象观测中，例行观测时间为10分钟，在电码报文中所使用的风也为10分钟的平均风值;且飑线天气过境时地面风向突变、风速剧增，风的变化都发生在很短时间内，若观测飑的时间定得过长，风速在此时间段内较缓慢增大也可达到到飑的报告要求，在这种情况下报告的飑实则对民航安全影响并不大，夸大了天气恶劣程度，在一定程度上降低了机场和航空公司运行效率。若飑的观测时间过短，那么发生在此时间段内的飑天气则较少，缩小了恶劣天气的报告范围，且会导致观测员容易来不及做出反应而出现“错忘漏”的现象。因此将研究飑的时间长度定为10分钟是较为合适的，下文也以10分钟为时间长度进行研究。
2 飑的观测与判断
2.1 飑报告要求分析
观测规范中对飑的定义意味着报告飑时应达到以下几点要求：（1）瞬时风速增大至少8m/s。此处由于本文对于飑的观测时距定为10分钟，此要求即为10分钟内至少有一个瞬时风速比10分钟内的最小瞬时风速大至少8m/s。（2）增大后的瞬时风速达到11m/s或以上，并至少维持一分钟。即在10分钟内比最小瞬时风速大至少8m/s的瞬时风速要大于或等于11m/s，且从达到该瞬时风速开始算起的一分钟（或大于一分钟）内所有瞬时风速都大于等于11m/s。（3）瞬时风速的变化是急剧增大的。此处所指的“急剧”增大只是一个定性的定义，因此本文利用突变检验的研究方法寻找能定量判断瞬时风速“急剧”增大的方式。
2.2 利用3次雷雨大风、飑线过程分析飑的报告
2.2.1 瞬时风速特征分析
下面本文对2014年5月的三次雷暴大风、飑线过程逐步对以上三点进行分析。
如图1所示，17日16：27：47—16：37：44（北京时）中，瞬时风速最小值为2.9m/s，16：36：47（北京时）瞬时风速值为16.9m/s，增大的风速值大于8m/s，此后一分钟内瞬时风速均大于11m/s;18日18：28：44—18：38：41（北京时）中，瞬时风速最小值为0.7m/s，18：37：44（北京时）瞬时风速值为11.1m/s，增大的风速值大于8m/s，此后一分钟内瞬时风速均大于11m/s;25日19：03：43—19：13：40（北京时）中，瞬时风速最小值为2.1m/s，19：12：43（北京时）瞬时风速值为12.2m/s，增大风速值大于8m/s，此后一分钟内瞬时风速均大于11m/s。由此可见，此三次过程均满足飑报告中的第1、2点。
2.2.2 风速突变分析
对于一个时间序列值检验转折突变的常用方法为滑动t检验法（MTT）[6]，下面本文运用此方法对这3次过程的风速进行突变检验，寻求能够识别和判断风速突变的方法，为飑的自动监视提供基础。
在气象学中，常用滑動t检验法检验两随机样本平均值的显著性差异。这种方法是先设置某一时刻为基准点，然后人为选取基准点前后两个子序列x1和x2，其样本长度分别为n1和n2。若两段子序列的均值差异超过了一定的显著水平，则认为均值发生了质变，有突变发生。
由于子序列时段的选择带有人为性，为避免子序列长度造成的突变点的漂移，本文分别选取n1=n2=5（两个子序列各15s）、n1=n2=10（两个子序列各30s）、n1=n2=20（两个子序列各60s）、n1=n2=40（两个子序列各120s）分别进行比较。给定显著性水平α=0.01，查t分布的tα值，若|t|
2.2.2.1 5月17日飑线过程风速突变分析
如图2所示是5月17日瞬时风速序列n1=n2=5、n1=n2=10、n1=n2=20、n1=n2=40时计算的t滑动统计量序列图。按t分布的自由度υ=n1+n2-2，t0.01分别为±3.36、±2.88、±2.70、±2.65，在图2（a）—图2（d）中分别用虚线表示，若|t|>t0.01，则认为瞬时风速发生了突变。
由图2所示，对于17日飑线过程瞬时风速10分钟的滑动t检验，当取n1=n2=5时，由于仅对比基准点前后15秒的瞬时风速，瞬时风速变化中微小的波动也会被检验出较为明显的变化，尤其当瞬时风速较小时，瞬时风速中的微小变化会被较大地放大;当取n1=n2=10时，对于瞬时风速中的微小波动可以过滤掉一些，但仍没有较好的效果;当取n1=n2=20时，基本可过滤瞬时风速中的微小波动，数据显示从时间序列为120时刻开始有风速的明显突变;由于t<0，证明其后的瞬时风速是一个明显增大的过程，当取n1=n2=40时，由于所取子序列长度较大，此10分钟数列前后两分钟没有t检验结果，且图2（d）中显示的突变时间有较大的提前，检验结果不理想。
2.2.2.2 5月18日飑线过程风速突变分析
图3给出5月18日瞬时风速序列计算的t滑动统计量序列图，图中n的取值与图2中一致。
由图3所示，对于18日瞬时风速的滑动t检验结果与17日类似：当n1=n2=5、n1=n2=10时，滑动t检验对瞬时风速中微小波动的变化表现得较为明显，尤其在瞬时风速较小时则会把微小变化放大;当n1=n2=20时，检验结果较理想;当n1=n2=40时，虽然可基本过滤瞬时风速中的微小变化，但是检验出的开始突变的时间会有大致2分钟的提前。
2.2.2.3 5月25日飑线过程风速突变分析
图4给出5月25日瞬时风速序列计算的t滑动统计量序列图，图中n的取值与图2、图3中一致。
由图4可见，对于5月25日雷暴大风过程瞬时风速的滑动t检验结果与图2、图3一致，仍为当n1=n2=20时对于瞬时风速的突变检验有较好的效果。
由图2—图4综合分析可得：用滑动t检验的方法来检验瞬时风速的突变能检验出瞬时风速序列中明显的变化，当取n1=n2=20时，即取基准点前后一分钟的瞬时风速子序列进行滑动检验不仅能过滤瞬时风速的微小变化，还能对风速明显的突然变化有很好的检验效果，当t<0且|t|>tα（显著性水平α可取为0.01）时，视为瞬时风速有明显的突然增大。另外，此3次雷暴大风、飑线过程中瞬时风速在10分钟内都有明显的先突然减小后突然增大的变化。
综上所述，通过对5月17日、18日、25日3次雷暴大风、飑线过程的瞬时风速运用滑动t检验法进行突变检验，可得：用滑动t检验取n1=n2=20时（即取基准点前后一分钟），对瞬时风速子序列进行滑动检验，对瞬时风速明显的突然变化有很好的检验效果，当t<0且|t|>tα时，视为瞬时风速突变式增大，可作为判断飑特征第（3）点“突然增大”的依据;此3次雷暴大风、飑线过程中瞬时风速在10分钟内都有明显的先突然减小后突然增大的变化。
3 飑的监控
对报告飑的要求可分解为本文第2节中所述3点。飑是一种天气现象，因此机场内任何一个自观测风点的风达到了以上3点就应该发布和报告飑。如果仅由人工进行飑的观测与监视需要很大的精力，通常在飑发生时也会伴随其他恶劣天气，此时便很容易发生“错忘漏”现象。为了减少“错忘漏”，保证全面监视飑的出现，我们可以利用技术手段，编写程序对飑进行全时间、全测点的监视。
结合上文中的研究结果，下面给出利用自动监视飑的判断方法：（1）首先判断1分钟内瞬时风速的最小值是否大于等于11m/s，若是则进入第2点进行判断，若否则判断不是飑;（2）判断此1分钟的第一个瞬时风速值是否比其前9分钟内的最小瞬时风速值大至少8m/s，若是则进入第3点进行判断，若否则判断不是飑;（3）对此10分钟时间序列利用滑动t检验法（基准点前后的子序列长度取1分钟）判断瞬时风速是否发生明显的突然增大现象：当t<0且|t|>tα则提示天气现象为飑，其余结果不进行提示。
图5用流程圖说明自动监视飑的判断方法。运用图5可实现报告飑的监视与自动提醒，减少“错忘漏”。
4 结 论
本文利用2014年5月17日、18日、25日3次雷暴大风、飑线过境白云机场的瞬时风速数据进行分析，研究表明用滑动t检验的方法能对风速突然变化有很好的检验效果，并在本文最后给出了飑的报告与自动监视的方法：（1）首先判断1分钟内瞬时风速的最小值是否大于等于11m/s，若是则进入第2点进行判断，若否则判断不是飑;（2）判断此1分钟的第一个瞬时风速值是否比其前9分钟内的最小瞬时风速值大至少8m/s，若是则进入第3点进行判断，若否则判断不是飑;（3）对此10分钟时间序列利用滑动t检验法（基准点前后的子序列长度取1分钟）来判断瞬时风速是否发生明显的突然增大现象：当t<0且|t|>tα则提示天气现象为飑。
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作者简介：张人文（1988-），女，汉族，陕西韩城人，工程师，理学硕士，研究方向：应用气象。
