厦门高崎机场2017—2020年地面风突变特征分析

2021-08-04胡凯文郭秀凤罗忠红王健治

海峡科学 2021年6期

胡凯文郭秀凤罗忠红王健治

(民航厦门空管站气象台，福建厦门 361006)

1 概述

航空气象中，风是十分重要的气象要素，对飞行安全有着重要的影响，高空风影响飞机的稳定性和载荷力，地面风和600m以下的低空风影响飞机的起降。中国民用航空空中交通管理规则(CCAR-93TM-R2)第一百四十条规定，航空器通常应当逆风起飞和着陆。当飞机在顺风环境下起降时，需要更长的滑跑距离，并使飞机的升力减小，容易发生飞行事故。国际事故调查分析表明，有近20%的飞行事故与气象条件有关，其中有近50%是与风相关[1]。同时，由于飞机的起降跑道方向是由管制员根据地面风的风向风速来决定的，因此当地面风向风速发生突变，不适合原跑道方向使用时，管制员需要立即更换跑道方向，使所有等待降落或起飞的飞机重新排序，这一方面增加了管制员的工作负荷[2]和潜在安全隐患，另一方面增加飞机的等待时间，增加航空公司的运营成本。因此，地面风突变的预报质量对飞行安全有着重要意义。

由于地面风在航空气象和飞行中的重要性，此前已有许多学者针对不同机场地面风的特征进行了研究，房云龙等[3]对上海虹桥机场的地面风日变化特征进行统计研究及分析，结果表明，虹桥机场地面风日变化显著，各季节东南风频率呈正弦波形，造成风向日变化的原因是上海地区存在南支海风环流和东支海风环流；肖志宇等[4]对厦门机场地面风的年、日变化特征进行了统计分析，发现厦门机场地面风向存在显著日变化特征，东北风频率中午减小，傍晚达到极小值，夜间及次日清晨达到极大值，东南风频率中午开始增大，傍晚达到极大值，夜间迅速减小；西北偏西风清晨达到极大值，上午迅速降低。段新安[5]对新桥机场风的趋势影响因素进行了分析。郭秀凤等[2]对厦门机场风的显著变化特征对管制员的工作效能影响进行了统计分析，发现地面风的显著变化会降低管制员的工作效能。上述研究多是针对机场地面风变化的气候特征分析，对风的突变规律和影响因子分析较少。

厦门机场是中国东南沿海重要的区域性航空枢纽，日均航班起降架次已超过500架次，接近单跑道起降架次的极限容量，在全国单跑道运行机场中排名首位。但因地处台湾海峡西侧，受特殊地形影响，海陆风效应明显[6-7]，地面风突变较为频繁，对飞行影响大[2]。本文以2017—2020年厦门空管站气象台发布的例行天气报告和特殊天气报告为基础，结合常规天气图资料对厦门机场地面风突变的特征进行统计分析，探究造成地面风突变的主要气象因子，对于提高地面风突变的预报准确率和更好地提供航空气象服务有一定意义。

2 资料选取及处理

2.1 资料选取

厦门机场的地面风观测是由空管站气象观测员利用部署在机场跑道两端的风探测仪获取。观测结果主要通过发布机场天气报告的方式传送至用户手中。一般情况下，固定每小时或半小时发布一次天气报告，称为例行天气报告(以下简称METAR报)，两份METAR之间，当风发生显著变化达到行业标准时，需要立即发布一份特殊天气报告(以下简称SPECI报)。因此，METAR和SPECI报可以很好地反映机场地面风的显著变化过程。本文采用的资料为厦门空管站气象台2017—2020年发布的逐时METAR报和不定时的SPECI报。

2.2 机场地面风突变的统计标准

结合《民用航空气象预报规范》趋势预报地面风发布标准以及《民用航空气象地面观测规范》地面风SPECI发布标准，本文将厦门机场地面风突变的统计标准定义为2小时内机场天气报告中的风满足以下条件之一：①风向变化大于等于60度且变化前或/和变化后风速大于等于5m/s；②风速变化大于等于5m/s；③阵风变化大于等于5m/s且变化前或/和变化后风速大于等于8m/s。

3 统计结果分析

3.1 地面风突变的月分布特征

厦门机场在2017—2020年期间共有641天发生了地面风的突变，平均每年有160.25天，即一年中有接近一半(43.9%)的天数会出现地面风的突变。各月出现地面风突变的天数分布如表1所示，1～8月逐月增加，9～11月逐月减少，12月又有小幅增加。8月达到最高峰值，平均有22.75天，1月为最低值，平均有5.75天。总体而言，春季缓慢增加，夏季逐月显著增加，秋季逐月显著减少，冬季先增后减。月平均地面风突变天数达到15天以上有5个月，分别是5～9月，说明厦门机场在夏季及春夏、夏秋换季时节容易出现地面风的突变。

表1 2017—2020年厦门机场地面风突变的平均月分布

3.2 地面风突变的日变化特征

图1为2017—2020年厦门机场地面风突变的平均日分布情况，由图1可知，各时次均有发生地面风突变。其中05时(UTC，下同)风发生突变的次数最多，平均有45.25次；其次是04时和06时，分别有44.25次和35.5次；19时发生突变的时次最少，只有2.75次。白天(23～10时)发生的次数(245.5次)远多于夜间(11～22时)发生的次数(55次)。白天时段中绝大多数集中在中午至下午时段，共有169.75次，占白天总数的69.1%。以上分析表明，厦门机场风的突变虽然在一天中任何时段均有可能发生，但绝大多数发生在白天，且主要集中在中午到下午时段，午时达最高峰，凌晨为最低值。

图1 2017—2020年厦门机场地面风突变的平均日分布

3.3 地面风突变逐月日变化特征

从上文分析可知，平均而言厦门机场地面风的突变具有明显的季节变化和日变化特征，但对于不同月份，地面风突变的日变化特征也遵循一定规律，我们对2017—2020年厦门机场地面风的突变进行了逐月逐时统计分析(图2)。由图2可知，各月的日变化特征非常相似，地面风突变的次数上午快速增加，午时至下午达到峰值后快速减少，入夜后则维持在很少的频次，低谷出现在凌晨。但各月日突变峰值出现的时间有所不同，在较为炎热的春夏之交(4～5月)和夏季(6～8月)为04时，较为寒冷的秋冬之交(11月)和冬季(12月～1月)为06时，而在两者之间的2～3月及9～10月则为05时，说明地面风突变的日峰值出现时间随季节变迁有自夏至冬逐步变晚，自冬至夏随着温度的回升逐步变早的变化规律。除此之外，从图2还发现，4～7月呈现单峰结构，风的突变集中在03～06时，8月开始，傍晚后发生地面风突变的时次增加，逐步表现出双峰的态势，8～10月及2～3月的次峰值通常在傍晚到夜间，而11月～1月的次峰值进一步推迟到次日早晨，其中在12月00时～01时突变次数超过了06时的突变次数。

图2 2017—2020年逐月厦门机场地面风的突变平均日分布

3.4 影响地面风突变的因子分析

以上分析说明，厦门机场地面风的突变具有明显的季节和日变化特征，为研究其演变特征发生的机理，我们从影响厦门地面风的气象因子入手，统计筛选出造成地面风突变的主要气象因子。对2017—2020年以来发生地面风突变时的天气形势的统计分析，发现与机场地面风突变有紧密联系的气象因子主要有以下4类：①海陆效应；②冷空气；③对流天气；④台风。图3为厦门机场2017—2020年在不同影响因子主导下风的突变的年平均、月际平均及日平均次数分布，由图3(a)可知，海陆效应是引起厦门机场地面风发生突变的最主要因子，占比达61.4%；其次是对流天气和冷空气影响，占比分别为18.4%和18.1%；台风因整体样本较少，仅占造成地面风突变的主导因子次数的2%。

为深入了解上述三类主要影响因子对地面风突变影响的具体分布特征，对厦门机场2017—2020年平均海陆效应、对流天气以及冷空气造成地面风突变的月际分布图3(b)和日变化分布特征进行统计分析，如图3(c)所示。

(a)厦门机场2017—2020年在不同影响因子主导下风的突变年平均次数分布

(b)厦门机场2017—2020年在不同影响因子主导下风的突变月平均次数分布

(c)厦门机场2017—2020年在不同影响因子主导下风的突变日平均次数分布

全年各月均有因海陆风效应导致的地面风突变，其中4～10月为高发期，平均达146.5时次，占总数(178.25时次)的82.2%，多出现在中午前后(03～07时)，达130.25时次，占总数(178.25时次)的73.1%。在金文琪[8]和荀爱萍等[7]的研究中，海风通常开始于02～04时，在午后06～09时达到高峰，与本文中峰值出现的时次较为匹配，陆风的频次较少且海风的速度远大于陆风，由于触发风的突变前后风速至少达到5m/s，所以相较海风较为强盛的午后，在陆风较为活跃的夜间较午后难以达到触发地面风突变的标准。

全年各月也均有因冷空气影响导致的地面风突变，其高发期为11月～次年4月，平均达33.75时次，占总数(52.5时次)的64.3%，多出现在早晨和傍晚后，达22.5时次，占总数(52.5时次)的42.85%。

因对流天气造成地面风的突变只发生在3～9月，其中6～9月为其高发期，平均达42.75时次，占总数(53.5时次)的79.9%，多出现在中午到傍晚(04～10时)，达24时次，占总数(53.5时次)的44.9%，17～19时为其突变的谷值，其余时刻分布较为平均。

3.5 地面风的突变对飞行有重要影响特征分析

由于地面风的突变可能会造成机场跑道风由逆风转为顺风或产生跑道正侧风，对飞行影响甚大。根据中国民用航空空中交通管理规则(CCAR-93TM-R2)第一百四十条规定，航空器通常应当逆风起飞和着陆，但是当跑道长度、坡度和净空条件允许，航空器也可以在风速不大于3m/s时顺风起飞和着陆。即当跑道顺风大于3m/s时，必须更换跑道起降方向。在2017—2020年地面风突变的数据统计中，发现平均每年有40.5次风的突变会造成跑道顺风大于3m/s，对飞行造成重要影响，占全年的14.5%。表2是2017—2020年平均每月地面风突变后风速达到更换跑道阈值的次数。由表2可知，对飞行有重要影响的地面风突变主要发生在7～8月，其次是4～5月，分别占全年的31.5%和24.1%。

表2 2017—2020年厦门机场地面风突变后达到更换跑道阈值次数的月际分布

图4是2017—2020年厦门机场地面风突变后达到更换跑道阈值次数日分布。从图4可知，地面风突变后达到变更跑道阈值的时次主要集中在05～09时，06时为峰值，03时有一次峰值，恰逢厦门机场航班的密集区，对航空运行影响大。夜间地面风突变后达到变更跑道阈值的时次骤减，其中15、18、20时未曾发生地面风突变达到变更跑道阈值。进一步统计发生地面风突变触发更换跑道阈值的频率(图5)，发现在傍晚(8～10时)发生地面风突变时最容易触发更换跑道的阈值，夜间至次日白天(11～22时)由于总体样本较少，可能存在一定偏差值。由此可见在傍晚时段内出现的地面风突变更有可能对飞行有重要影响。