上海浦东机场风向日变化特征分析

2020-12-26赵京华秦婷张勇房云龙

科技与创新 2020年24期

赵京华，秦婷，张勇，房云龙

上海浦东机场风向日变化特征分析

赵京华1，秦婷2，张勇1，房云龙1

（1.民航青岛空管站，山东青岛 266100；2.民航华东空管局，上海 200335）

利用2010—2019年上海浦东机场地面风场逐时观测数据，统计了不同季节各风向段出现频率日变化特征，结果表明，浦东机场东风（80°～110°）、东南风（120°～150°）日变化规律显著。各季节东南风频率曲线呈准正弦波型，春夏季日较差、极大值均高于秋冬季，频率极大值、极小值出现时间四季基本相同。东风出现频率在各季节均呈“单峰”型日变化特点，夏季东风频率日较差最大，秋季和春季次之，冬季最小，夏季日变化规律最显著；频率极大值、极小值出现时间四季基本相同。南支海风环流和东支海风环流均可能影响浦东机场，最可能影响时间为15：00—19：00和10：00—13：00，各季节略有差异。

上海浦东机场；风向日变化；海风环流；成因

1 引言

风通常指空气运动的水平分量，包括方向和大小，即风向和风速，按高度又分为高空风和地面风，对于航空飞行来说，高空和地面风同样重要，既有可利用一面，也要防范它可能造成的危害。飞机起飞时，适宜的风向和风速，有助于飞机在较短的滑行距离内获得足够的升力；降落时，适宜的风速和风向也有助于缩短滑行的距离；高空飞行时，顺风飞行，可以大大节省燃料和缩短飞行时间[1-3]。徐照岳等[4]通过分析下降风对飞行的影响，发现下降风可以增加飞机能量损耗。侧风或者侧风分量很大时，飞机的起飞和着陆会变得很复杂，当飞机在侧风中起降时，飞机除向前运动以外，还顺着侧风方向移动，如不及时修正，就会偏离跑道方向[5-6]。此外，受地形的影响，风向和风速发生变化时，飞机的性能和航迹可能会发生变化[7-8]。

风向转换可能引发低空风切变，对飞行安全有很大的威胁[9-11]，若风速超过民航阈值，则跑道也需随风向转换。目前随民航航班量的飞速增长，各机场对风向转换预报准确率的要求越来越高，若风向转换预报时间提前量较小，则会大大增加空中交通管制的工作量[12-14]。

目前，很多前辈对风向的变化已有一些研究。江滢等[15-19]研究了全国或省市大范围的风向变化特征；闫凯丽等[20]和陈猛[21]分析了机场范围内风的变化特征，主要侧重于大风及对飞行的影响；孙丝雨[22]利用首都机场2000—2014年自动气象站的地面风观测资料，分析了首都机场地面风向风速的年变化、日变化和大风特征，指出风向的日变化明显，白天南风为主，夜间北风为主；毕波等[23]利用大理机场近5年自动观测系统资料，对平均风向、风速以及大风进行统计分析，发现大理机场全年盛行偏南风，夜间到上午风向为东南风，午后风向逐渐转为西南风，傍晚转为东南风；房云龙等[24]利用青岛机场2008—2016年逐时风场资料分析各季节风向日变化规律，发现有两支海风环流影响青岛机场，一支是西支海风，风向（210°～230°），一般上午影响机场，午后发展至最强，下午消失；另一支为南支海风，风向（150°～170°），午后影响机场，下午取代西支海风，傍晚发展至最强，夜间逐渐减弱消失。

目前，上海地区风向日变化的研究主要利用数值模拟或统计方法，实况资料主要来自气象局各站点，而利用机场的风场实况资料来研究风向日变化规律的工作较少，本文采用2010-01-01—2019-12-31浦东机场逐时风场资料，研究风向日变化特征，并对其成因做初步探讨。

2 风向日变化特征

2.1 风向段选取依据

对不同风向进行出现频率分析发现，按40°对风向进行分段最能体现不同风向段的日变化特征，因此本文将所有风向按40°分段，根据不同季节统计风向出现频率日较差，经计算发现，东风（80°～110°）、东南风（120°～150°）两个风向段对于四个季节均表现出比较显著的日变化特征，其他风向段日变化规律相对较弱。因此本文选取东南风和东风两个风向段分析浦东机场风向日变化特点。

2.2 浦东机场风向日变化特征

浦东机场东南风和东风出现频率日变化分布曲线如图1所示。如图1（a）示，东南风在春夏季和秋冬季呈现出明显的差异。春夏季东南风日变化规律显著，频率日较差分别为14.8%和17.1%，日变化曲线为呈准正弦波型，春夏季波峰分别为29.3%和35.2%，均出现于20：00；波谷分别为14.4%和18.0%，出现于13：00和12：00，春季比夏季偏晚1 h。秋冬季东南风频率日较差为7.2%和4.6%，频率极大值分别为13.2%和8.9%，日较差和频率极大值均显著低于春夏季。秋冬季东南风频率曲线依然呈现出一定的日变化特征，整体偏弱，但极值出现时间与春夏季基本一致。

东风（80°～110°）的日变化规律如图1（b）所示，东风出现频率在各季节均呈“单峰”型日变化特点。夏季东风日变化规律显著，频率日较差为12.3%，秋季和春季次之，分别为10.0%和9.7%，冬季全年最小，只有6.6%。极值呈相似规律，均为夏季最高，春季和秋季次之，冬季最小，出现时间也较为接近，极大值出现在午后14：00—16：00时段内，极小值出现在后半夜01：00—05：00时段内。

两个风向段相比，春夏季东风出现频率日较差小于东南风，而秋冬季大于东南风，这说明春夏季东风日变化特征比东南风弱，而秋冬季反之。东风出现频率各季差异显著低于东南风。四个季节东风频率极大值出现时间比东南风提前2～4 h，极小值出现时间差别显著，东风出现于后半夜，而东南风出现于中午前后。

浦东机场各季节东南风风向段频率日较差、极值及出现时间如表1所示。浦东机场各季节东风风向段频率日较差、极值及出现时间如表2所示。

图1 浦东机场东南风（120°～150°）和东风（80°～110°）出现频率日变化

表1 浦东机场各季节东南风风向段频率日较差、极值及出现时间

日较差/（%）极大值/（%）出现时间极小值/（%）出现时间春季14.829.320：0014.413：00 夏季17.135.220：0018.012：00 秋季7.213.220：006.010：00 冬季4.68.920：004.313：00

表2 浦东机场各季节东风风向段频率日较差、极值及出现时间

日较差/（%）极大值/（%）出现时间极小值/（%）出现时间春季9.719.814：0010.203：00 夏季12.324.216：0011.801：00 秋季10.017.815：007.802：00 冬季6.611.516：005.005：00

3 风向日变化成因分析

理论研究和实际观测已经证实，对于非均一下垫面（例如山地或沿海），地面风向日变化受地形热力状况影响显著[25]，在沿海地区，海陆风是造成地面风向日变化的主要原因[24，26-27]。上海地区东临东海，西临太湖，南北分别为长江口和杭州湾，海陆温差明显。同时超大城市的城市热岛效应十分显著，进一步加剧了上海沿岸海陆温度梯度。有研究指出，上海沿岸在白天存在着两支海风环流，一支为从长江口登陆的东支海风环流，另一支为从杭州湾登陆的南支海风环流[28-31]。由于长江入海口面积较小，使得东支海风方向主要为东风，一般上午开始影响上海浦东沿岸，午后至傍晚达到最强，之后减弱消失；南支海风方向为东南风，一般于中午开始影响上海南汇、奉贤一带，并逐渐向西北深入上海其他地区，如图2所示。根据前文分析，浦东机场东南风和东风在四个季节均呈现不同程度的日变化规律，因此两支海风环流均可以在一定条件下影响浦东机场。

图2 上海地区南支和东支海风示意图

为研究东支环流和南支环流是最可能影响浦东机场的时间，分析了风向频率变率的日变化特征，如图3所示。

图3 浦东机场东南风、东风频率变率日变化

如图3（a）所示，15：00—19：00，东南风频率变率均明显高于其他时间，表明这段时间是东南风频率增加最集中时段，即南支环流最可能影响浦东机场的时间，各季节南支环流影响时间略有不同。春夏季频率变率高于秋冬季，表明春夏季南支环流比秋冬季更可能影响浦东机场。同理，东支环流于10：00—13：00最可能影响浦东机场，与南支环流相比，东支环流影响机场时间的季节性变化特征不如南支环流明显。

4 结论

本文利用2010—2019年上海浦东机场地面风场逐时观测数据，统计了不同季节各风向段出现频率日变化特征，得出如下结论：浦东机场东风（80°～110°）、东南风（120°～150°）日变化规律显著；各季节东南风频率曲线呈准正弦波型，春夏季日较差、极大值均高于秋冬季，频率极大值、极小值出现时间四季基本相同；东风出现频率在各季节均呈“单峰”型日变化特点，夏季东风频率日较差最大，秋季和春季次之，冬季最小，夏季日变化规律最显著，频率极大值、极小值出现时间四季基本相同；南支海风环流和东支海风环流均可能影响浦东机场，最可能影响时间为15：00— 19：00和10：00—13：00，各季节略有差异，这说明，浦东机场中午至傍晚可能由东风顺转为东南风。

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