福州探空气球的漂移轨迹特征及其对航空飞行的影响分析

2021-07-14陈晓梦李白良吴启树林辉阳

气象与环境科学 2021年3期

陈晓梦，李白良，李岩，吴启树，林辉阳

(1.福建省气象服务中心，福州 350001； 2.中国民用航空华东地区空中交通管理局福建分局，福州 350200； 3.福建省气象台，福州，350001)

引言

我国高空气球探测主要是利用L 波段雷达跟踪探空气球携带的专用仪器,获取高空温度、气压、湿度、风向、风速等气象要素[1]。探空气球升空后的漂移轨迹完全是由高空的风向风速所决定,因而每次探测施放的探空气球漂移轨迹各不相同[2]。

目前，有许多学者从不同角度对探空气球资料进行了分析研究。在漂移轨迹特征方面，有学者基于全国探空数据分析了中国探空气球漂移的时空特征[3-5]，利用地方探空站点资料讨论华东地区探空气球的漂移特征[6]，更有结合NCEP再分析场评估探空漂移对高空气候研究的影响[7]等。在探空资料应用方面，有学者利用探空资料订正山地风场风速[8]，分析鄂西高空风向风速特征[9]，对比分析风廓线雷达资料的准确性和可用性[10]，统计冰雹天气的时空分布特征及低空逆温层特征分析[11-12]，改进北京地区对流天气潜势预报[13]等。随着研究的不断深入，也有学者将探空资料应用于数值预报模式当中，检验中尺度数值模式对强对流天气的诊断分析能力[14]，考察探空资料随高度的漂移对高分辨率数值预报模式的影响[15]，探讨探空气球漂移位置订正在MM5模式中的应用情况及其对一次大风降温过程模拟的影响[16-17]，评估再分析场资料在中国区域的可信度和适用性问题[18-19]等；更有学者将探空资料应用于环境污染的研究领域中，用于分析大气环境特征及影响污染物扩散的气象条件[20]、春节污染天气情况[21]、霾分布特征与天气成因[22]、四川盆地大气污染与通风系数、近地面风速和逆温层厚度之间的关系[23]等。

以上这些研究工作对了解探空气球漂移轨迹特征及探空数据在各方面的应用有了较好的参考意义。然而在民航飞行安全方面的应用研究还不足。杨小民[2]、张银廷[24]等证实了为民航相关部门提供实时探空气球空间位置信息服务的可行性，但就探空气球是否会对民航飞行安全造成影响等问题未做进一步的研究。随着社会经济的快速发展，飞行航线越来越密集，大大提高了航空飞行器与探空气球在高空相遇的可能性，故对探空气球漂移轨迹与飞行安全之间的影响进行研究是十分必要的。

因此，本文以福州探空站为例，定量地评估该站探空气球漂移轨迹对福州地区上空航路、起降区域及机场的影响高度、影响范围、影响时段，为民航部门提供更加准确、精细的服务产品，从而有效地规避探空气球给航空安全带来的危险，也能在时间和空间上最大限度地利用空域。

1 资料来源与应用

本文是以2018年2月至2019年1月福州探空站(26.1°N、119.2°E)探空气球离地面雷达站的仰角、方位角、斜距为基础数据，采用大地坐标系，通过公式换算获取探空气球相对应的经度、纬度及高度信息[25-28]。同时，本文还应用了福州长乐国际机场、福州地区上空部分导航点和航路的位置信息。

目前，福州探空站每天进行3次定时探空观测，分别是北京时02时、08时和20时(实际释放气球时间为01：15、07：15和19：15)。经过分析和比较02时、08时和20时结果，在探空气球漂移轨迹特征分析中没有明显差异，所以以下相关分析中所用数据和图均为08时探空资料的结果。

2 探空气球漂移轨迹的特征分析

2.1 全年探空气球漂移时间与高度

通过统计福州探空站2018年2月-2019年1月探空气球的漂移时间和最大上升高度可知，福州站探空气球平均漂移时间达84 min，平均上升高度达30.2 km，平均升速360 m/min。

图1为探空气球上升高度随时间的变化曲线图。从图1中可知，探空气球上升高度与漂移时间呈线性正相关，上升高度随着时间的增加而增高。当漂移时间达到40 min时，探空气球高度已升至13 km以上。由于民航飞行高度一般在12.5 km以下，故下文的有关分析均为漂移0-40 min的结果(即13 km以下的结果)。

图1 福州探空站探空气球上升高度随时间的变化

2.2 全年探空气球平均空间位置

表1显示了福州站全年的平均探空气球空间位置信息，包括纬度、经度、南北向漂移、东西向漂移及高度。在纬度上，低层探空气球向南漂移，高层探空气球向北漂移，向南漂移的距离小于向北漂移的距离。在经度上，低层到高层基本向东漂移，且漂移距离随着高度的增大而增大。对比二者可知，东西向漂移距离远大于南北向漂移距离，即探空气球是以纬向(向东)漂移为主。

表1 2018年2月-2019年1月福州探空气球平均空间位置信息

2.3 不同季节探空气球漂移轨迹

为了进一步分析探空气球漂移特征，下文将分四个季节进行研究。根据福建天气气候特征[29]，将3-6月划为春季，7-9月为夏季，10-11月为秋季。12月-次年2月为冬季。下文以1、4、7、10月分别代表冬、春、夏、秋四个季节。

春、冬季探空气球主要是向北漂移，夏、秋季则相反(见图2a)。在春季或夏季， 0-40 min的漂移时间内探空气球在26.1°N(福州探空站纬度)附近浮动；在秋季或冬季，探空气球的漂移范围随着漂移时间的增大而增大，特别是在20 min后,漂移范围迅速增大。从南北漂移的距离来看(图2b)，各季节的南北漂移距离随着漂移时间的增大而增大，以冬季的南北漂移距离最大，漂移距离超过8 km，春季的最小，约为1 km，秋天的次之，接近-6 km，夏季的约为-2 km。

图2 福州探空站探空气球南北漂移随时间的变化曲线

在0-10 min的漂移时间内，无论哪个季节，探空气球基本都维持在119.2°E(福州探空站经度)附近。在漂移10 min后，各季节探空气球经向漂移轨迹发生了较大的变化，其中春、秋、冬季主要向东漂移，夏季则向西漂移(图3a)。从东西漂移距离来看(图3b)，在漂移10 min后，各季节的漂移距离都随着时间的增大而快速增大，以冬季漂移距离最大，达76 km，春季、秋季漂移最大距离分别约为50 km和42 km；夏季漂移距离远小于其他三个季节的，约为-9 km。

图3 福州探空站探空气球东西漂移随时间的变化曲线

综上可知，探空气球是以纬向漂移为主，春秋冬三季向东漂移，其中冬季漂移范围最广，秋季的次之；夏季向西漂移，漂移范围最小。这种漂移特征主要是受天气系统影响。夏季，福建主要受副热带高压控制，受其南侧的偏东气流影响较大，故气球往西漂移；其他季节，随着副热带高压的北上或南落，福建主要受其偏西气流的影响，故气球往东漂移。

3 探空气球漂移轨迹对航空飞行的影响分析

前文分析了探空气球漂移轨迹的相关特征，下面分析其对航空飞行的影响。根据探空气球漂移范围，选取了可能受影响的航路(连江-RUPOX、连江-DAGMO、连江-福清、福清-青州)及长乐机场起降区域作为分析区域。以探空气球进入航路左右距离各10 km的范围内视为影响区域。

3.1 航路的影响状况

图4为春季福州探空气球逐日实时的漂移轨迹及其对应的高度与航路之间的关系图。图中的虚线区域为航路影响区域，颜色表示的是探空气球对应的高度。从图4可知，在春季探空气球向东漂移的过程中，主要影响连江-福清偏连江导航点的航路，对连江-青州、连江-DAGMO、连江-RUPOX航路的影响较少；当进入到航路影响区域时，探空气球的高度主要分布在7-11 km，即对航空飞行的影响高度主要集中在7-11 km。在穿越连江-福清航路后，虽然探空气球会继续向长乐机场至连江导航点的起降区域漂移，但飞机在起降区域内，飞行高度通常在3 km以下，而此时探空气球的高度已在10 km以上，故不会对起降区域的飞行造成影响。

在夏季(图5)，探空气球主要向西漂移且漂移范围较小，离航路影响区域及机场起降区域较远，对航班飞行的影响几乎为零。

与春季的类似，秋季、冬季探空气球漂移轨迹主要还是影响连江-福清偏连江导航点的航路区域，但秋冬季气球漂移轨迹影响航路的天数明显高于春季的，冬季影响高度较低，主要集中为8-10 km(图6-7)。

图6 秋季福州站探空气球逐日漂移轨迹及其对应的高度与航路之间的关系

图7 冬季福州站探空气球逐日漂移轨迹及其对应的高度与航路之间的关系

3.2 航路的影响特征

从3.1节分析可知，福州探空气球漂移轨迹主要影响连江-福清航路。为了分析其影响特征，针对不同高度层进行影响频率统计。

图8为探空气球漂移轨迹对连江-福清航路影响频率的分布图。从全年的影响频率上看，气球漂移轨迹对连江-福清航路影响频率大致呈“V”形分布：12月-次年2月的影响频率最高，其中对第二高度层的影响频率达100%；4-11月影响频率是先降低再升高，在7-9月影响频率最低，几乎接近0。从影响高度上看，1-2月探空气球漂移轨迹对连江-福清航路影响主要集中在第一、二高度层(6-10 km)，影响频率在90%以上；3-6月及10-12月的影响主要是分布在第二、三高度层(8.0-12.5 km)，第三高度层的影响频率整体上略高于第二高度层的。