上海虹桥机场风向日变化特征分析

2021-01-12房云龙赵京华

科技创新与应用 2021年1期

房云龙，赵京华，秦婷，张勇

（1.民航青岛空管站，山东青岛 266108；2.华东地区空管局，上海 200010）

1 概述

风是影响飞行的重要气象要素之一，风与飞行的关系极为密切。飞机起飞、着陆，确定巡航高度和偏流角、选择最佳航线和确定燃料装载量等都必须考虑风的影响[1-2]。风对飞行的影响比较复杂，飞机的起飞和着陆通常选择在逆风条件下进行，因为逆风起飞和着陆能产生飞机的附加进气量，因而能增大飞机的方向稳定性和操纵性，采用逆风起飞和着陆，还可以缩短飞机的滑跑时间和距离; 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[3-11]。风向转换可引发低空风切变，若低空风切变发生在飞机的起降航径上，则会导致飞机的飞行性能有所降低，飞行的速度和高度可能会在瞬间发生剧烈变化，对飞行安全有很大的威胁，也增加了空中交通管制的工作量[12-17]。由于航班量的飞速增长，民航各机场对风向转换预报准确率的要求越来越高。

上海作为长三角地区的中心城市，是国内第一个同时运行两个大型民用机场的城市，上海地区东临东海，西临太湖，南北分别为长江口和杭州湾，海岸线呈现西北-东南和东北-西南方向。大量研究指出，受海陆地形的影响，上海地区的风向具有显著的日变化规律。李维亮等[18]采用数值模拟，研究了长江三角洲城市热岛与太湖对局地环流的影响，指出城市的热岛环流与海陆风、湖陆风之间都存在着相互影响。胡艳等[19]模拟了夏季弱气压场条件下上海地区的环流形势，结果表明地面有三条明显的水平风辐合带。顾问等[20]利用多普勒雷达和上海加密自动站的风场资料，定义了三支海风锋，并指明三支海风锋的登陆和推进，会影响上海地区地面风向的日变化。张赟程等[21]通过数值模拟，指出日出后海陆的热力差异使浦东、南汇、奉贤、金山一带形成海风，上海西部青浦、松江地带受到太湖、淀山湖的影响呈现微弱的西风，随时间推移，海风会逐渐向内陆侵入，从而导致风向的显著变化。何礼等[22]使用上海浦东机场小时地面气象观测等数据，给出海陆风的判别依据，结果表明，上海地区海风通常开始于日出后，于当地时间09：00 时（北京时，下同）前后登陆的海风最多，随着海风登陆，沿海地区形成海陆风环流系统，并逐渐深入内陆。

图1 虹桥机场东南风 120°-150°（a）和东风 80°-110°（b）出现频率日变化

表1 虹桥机场各季节东南风风向段频率日较差、极值及出现时间（%、%、时）

表2 虹桥机场各季节东风风向段频率日较差、极值及出现时间（%、%、时）

目前研究主要集中在上海市区风向日变化的成因及对污染无扩散的影响，对上海虹桥风向日变化特征及成因的研究较少，本文采用2010年1月1 日至2019年12月31 日虹桥机场逐时风场资料，研究风向日变化特征，并对其出现原因做初步探讨。

2 风向日变化特征

2.1 风向段选取依据

在对不同风向进行风向出现频率分析发现，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虹桥机场风向日变化特点。

2.2 虹桥机场风向日变化特征

图1 为东南风（a）和东风（b）出现频率日变化分布曲线。如图1（a）所示，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19.2%和23.3%，日变化曲线为呈准正弦波型，春夏季波峰分别为39.7%和44.5%，均出现于22：00；波谷分别为 20.5%和 21.2%，出现于 13：00 和 11：00，春季比夏季偏晚 2 小时（表 1）。

图2 上海地区南支和东支海风示意图

图3 虹桥机场东南风、东风频率变率日变化

秋冬季东南风日较差为8.0%和4.5%，频率极大值分别17.1%和13.5%，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，虽整体偏弱，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）及表 2 所示，与东南风相比，东风出现频率和季节性变化均显著低于东南风。日变化特征夏秋季比冬春季略强，日较差秋季最大（9.0%），冬季最低（5.0%）。东风频率夏秋季极大值17～20%，春夏季为11～15%。日变化曲线在四季均呈现准正弦波型，位相基本一致，波峰出现在19：00-20：00，波谷一般出现清晨至上午。

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[23]，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]。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。同时作为超大城市，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[19-22]。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（图2）。根据前文分析，虹桥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虹桥机场。

为研究东支环流和南支环流最可能影响虹桥机场的时间，分析风向频率变率的日变化特征。如图3（a）所示，15：00-19：00，东南风频率变率均明显高于其它时间，表明这段时间东南风频率增加最集中时段，即南支环流最可能影响虹桥机场的时间，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虹桥机场。同理，东支环流于下午14：00-18：00 最可能影响虹桥机场，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。