九黄机场大风过程分析

2022-03-23王耀辉徐足音

科技和产业 2022年3期

王晓,王耀辉,陈明,徐足音

(中国民用航空飞行学院空中交通管理学院，四川广汉 618307)

目前，航空气象研究主要针对的是平原地区机场，通过个例分析和历史资料统计来研究平原地区机场雷暴、低能见度及地面大风等天气现象的发生规律，而有关高原机场气象条件的研究相对缺乏。肖奇和杨昌其[1]提出对于高高原机场的运行特点研究主要考虑的是其高高原的地理位置、复杂的地形地貌以及多变的气象条件。大风过程是高原机场遇到的复杂多变的气象条件之一，其对航空器的起落有较大影响，执飞高原机场的航班因天气原因延误取消现象严重，从而会降低机场运行效率。何昕等[2]提出天气是造成航班延误的主要原因之一，延误波的传递使更大面积航班延误，从而给民航相关各方带来巨大压力和损失。目前，针对平原地区的大风过程，很多学者做了相关研究，得出对应的大风特征及成因。单乃超等[3]利用探测资料对合肥机场大风进行了探讨，对流风暴的下层气流到达地面后形成的偏北大风是造成合肥机场大风的主要原因。吴林谦[4]分析了揭阳潮汕机场近年大风特征，大风主要出现在夏季，于7、8月份居多，出现大风天气主要是热带气旋和强对流天气所致。焦健等[5]分析了长春机场的大风特征，其类型为南高北低型大风、冷锋型大风、地面低压发展型大风，且机场以西南和西北风居多。李磊等[6]开展了对北京地面风场的数值模拟研究，利用区域大气模拟系统RAMS再现了北京地区地面风场的时空变化特征，对提高对紧急天气条件的能力大有帮助。

对于高原机场及其所处地区的复杂地形的研究相对较少。朱虹和侯孟娇[7]分析了昭通机场一次西南大风天气过程，由于处于群山环绕的地形，多发于春季的西南顺风限制了机场航班运行。周晓鸥等[8]对云南大理复杂地形的上风场进行了模拟研究，得出在山峰迎风坡处由于地形的强迫抬升使局部风速增大，山坡背面坡风速会急剧减小，同时风向也会发生变化，产生尺度较小的涡旋以及不规则的回流。九黄机场为高高原机场，机场天气更加复杂多变，且高温低氧的环境使飞机推力严重下降，削弱了飞机规避恶劣天气的能力，因此，研究九黄机场的风场变化特征尤为关键。通过分析九黄机场长时间连续观测资料，得出九黄机场的风场特征及规律，提高机场利用率，保障飞行安全并提高航空公司的经济效益。

1 九黄机场概况

九黄机场位于青藏高原东部，该地区处于青藏高原与四川盆地的过渡地带，既受东南季风和西南季风的影响，又受青藏高原季风的控制，而青藏高原地面辐射地理分布和季节分布均有较大差异，因此该地区具有独特的气候特征及边界层特性。九黄机场建于四川省松潘县红星乡西侧的一连续山腰上，地形走向近南北向为由东往西展开的扇形缓坡，有7条冲沟横穿场区，场区自然走势是北高南低，经过扩建后的跑道长度为3 400 m，跑道轴线与正北方向夹角约为16°，为北东北-南西南走向。

2 数据来源及方法

2.1 自动气象站观测数据

本文使用了2008年1月至2013年6月的九黄机场跑道南端自动气象观测站2 min平均的观测数据，其主要观测内容为10 m处风及降水量、气温、相对湿度、气压等要素。分析前对数据进行了检查，剔除了风速和风向为负值或风向大于360°的情况。

2.2 LAP-3000型风廓线雷达数据

LAP-3000型风廓线雷达采用5波束，一个波束垂直指向天顶，另外4个波束与垂直波束成15.5°倾斜角，分别指向东、南、西、北。雷达分高低两种探测模式，低模式探测高度为115～1 140 m，高模式为903～3 464 m，垂直分辨率分别为60 m和100 m，时间间隔为15 min一次，高度越高缺测值越多。本文所选用的雷达安装在机场跑道南端接地带(海拔3 447 m)，观测时段为2009年10月17日至2010年5月26日，涵盖整个干季和干湿过渡季节。据机场气象台工作人员反映，这些月份也是机场颠簸、风切变和低空大侧风频发的月份。

2.3 探空数据

探空数据由中国气象科学数据共享中心提供的全球高空规定层、对流层定时值数据集中提取，使用了距离九黄机场上游约100 km红原站探空资料。资料包括了各等压面上的风向、风速、温度、露点温度、位势高度等数据，该数据已进行了质量控制。在大尺度环流场分析时使用了NCEP逐日的格点资料，空间分辨率为2.5o×2.5o，包括位势高度、温度、相对湿度、三维风场。

3 过程分析

3.1 统计分析

为了分析近地面偏西侧风发生成因，对2008年1月至2012年12月的跑道南端资料进行统计，若自动观测站出现6 m/s以上大风则记为该日有偏西大风，5年中共计有216天大风日。由表1可见，偏西大风仅在干季出现，最多月份为12月，其次为1—3月，4年中6—9月没有发生过6 m/s以上的偏西大风。

表1 2008—2012年各月发生>6 m/s大风日数

冬季高原上空西风气流明显加强，从机场上游红原站2008—2012年平均的(最接近机场西侧山峰高度的)500 hPa风逐月演变来看(图1)，经向风随季节变化不显著，风速在4 m/s以内，除9月外，其他各月均为北风。而纬向风各月差异明显，1—3月及10—12月风速均在10 m/s以上，其他月份风速均低于10 m/s，7月风速最低，为2 m/s。

图1 红原探空站2008—2012年平均的500 hPa纬向风(U)和经向风(V)

500 hPa西风风速大小与近地面偏西大风发生频次高低相对应，反映出高空大气环流调整可能对机场局地环流有重要影响。为了进一步说明机场近地面偏西风与高空西风之间的联系，选取偏西大风发生日上游红原站500 hPa风玫瑰图可以看到(图2)，当机场出现6 m/s以上大风时，红原站北京时8时500 hPa以W和WNW为主，这两个风向风速大于10 m/s以上的频率为67.67%，由此可见机场本场强西风出现与高空偏西风加强密切相关。

图2 机场216次偏西大风日所对应的红原站500 hPa风玫瑰图

3.2 个例分析

由表1可见，偏西大风在2010年1—3月的发生次数与各年比较都是较高的，为此，选取2010年1—3月的个例详细分析其过程。2010年1月1日至3月31日，红原站高空500 hPa纬向风风速逐渐降低，但大部分天数风速都在10 m/s以上，最大可达27 m/s，最低为5 m/s(图3)。从逐日比较来看，并非高空风速越大地面就一定会出现6 m/s以上大风，3月19日高空纬向风相对较低时，低空仍然出现了6 m/s以上偏西风。由此可见，高空风场与山谷内大风耦合需要一定的天气背景配合。

选取2010年1月1—6日分析其天气系统的演变过程。由图4可见，2010年1月1日，高纬有低压中心位于日本以东，中低纬有强大的暖脊位于75°E附近，高原东部100°E附近有低槽活动，九黄机场位于槽后脊前，500 hPa受西北风控制，机场上空受槽后冷平流影响，机场上空温度在-20 ℃左右。1月2日，暖脊东移至85°E附近，低槽移至100°E附近，冷空气继续沿100°E南下。至3日，随着暖脊进一步东移至90°E附近，机场上空气温开始升高，而高纬环流形势稳定，机场上空西北风增强。4日，随着上游冷槽快速西移，暖脊被破坏消弱，机场上空等压线稀疏，高空西北风也随之减弱，但暖中心仍然保持，九黄机场上空气温进一步升至-15 ℃，但此时温度槽落后于高度槽，机场开始受到高空冷平流影响，至5日机场气温再次降至-20 ℃。从6天的天气演变来看，形势场始终表现为东北低、西南高，机场上空风向维持在西北风，风速均在10 m/s以上，但由于机场上游暖脊活动，高空风速有所波动，与图3中红原站探空得到的高空风场变化情况一致。

从机场南端每分钟一次风向和风速变化情况来看(图5)，1月1—3日及5日的风场变化特征较为相似。12时以前跑道南端多为静风，北端风速在2 m/s以下，风向为偏南风。12时以后南端风速迅速增强，风向稳定维持在270°附近，15时以后西风风速达到峰值，跑道北端和南端相似，但风速明显弱于南端。18时以后，风速迅速减弱，风向多变。4日和6日的风场变化特点类似，表现为9时至下午18时近地层吹弱的偏南风，18时以后风速增大，风向转为沿峡谷下行的偏北风。

从机场自动获取的其他要素来看(图6)，机场1—6日除夜间至凌晨时段相对湿度可达80%以外，12—18时相对湿度均在20%～30%左右。6天的最高气温均出现在15时左右，1—2日全天气温均在1 ℃以下，3日起，机场气温回升，最高气温达5 ℃左右，4日最高气温进一步上升，5日最高气温迅速下降为5 ℃以下，6日最高气温再次回升至5 ℃左右，这与图4中反映的高空温度变化特征一致。另外在这6天中，当机场南端午后有持续偏西风日，机场本场全天气压场变化呈典型双峰特征，两次峰值分别出现在10时和23时，谷值出现在14时及6时。而非西风日，夜间的气压峰值和谷值均不明显，气压变化大致呈单峰结构。此外，非西风日的4日和6日气压差异均在4 hPa以上，而其他西风日气压差均在3 hPa以内。综合来看，当机场上空受冷平流影响本场气温较低且高空风速较大时，机场上午后易出现偏西大风。气压变化在西风日和非西风日均表现出较明显的差异。

黑色实线为等高线，gpm；浅色虚线为等温线，℃；用黑色实心框标出了九黄机场的位置图4 2010年1月1—6日500 hPa天气图

粗实线表示风速；细实线表示风向图5 2010年1月1—6日，南端自观站测得的逐分钟的风速

粗实线表示气温，℃；长断线表示本站气压，hPa；点线表示相对湿度，%图6 2010年1月1—6日南端自观站测得的逐分钟的温度

自动观测站观测结果仅能反映近地面的风场特征。机场上游探空站观测资料与机场所在区域观测数据可能有差异，且其时间分辨率过低。机场风廓线雷达数据则有助于反映机场上空风场的连续演变特征。数据使用了机场风廓线雷达每15 min一次资料，空白区则表示由于空气较为干燥，信噪比太低导致无法得到有效回波而造成的缺测。逐日比较来看(图7)，1—4日缺测时段较长，5日和6日缺测时段较少。为了滤除杂乱回波，图中对纬向风和垂直运动均进行了平滑处理。

1—3日12时之前，山谷以内风速较小，在3 m/s以下，而山谷以上高度维持较大风速，西侧山顶高度附近存在较强的风速切变。约12时以后，山谷内风速迅速增强，高空风速则迅速减小，山谷内和山谷以上高度风速迅速达到一致，垂直风切变也明显减弱。在此过程中，随着西风的增强，山谷中的垂直运动也由12时之前的弱上升运动迅速转变较为明显的下沉气流，下沉气流的中心位于距地面700 m处。从1日的观测数据来看，下沉气流还具有波动特点，强下沉气流与弱上升气流交替出现。以上山谷中纬向风及下沉气流增强时间与地面自动观测站所测得的西风增强时间相吻合，风速大小上也较为接近。18时以后，山谷内风速开始缓慢减弱，垂直运动中心上移并减弱消失，山谷内开始出现弱上升气流。至21时以后，高空风速再次增强，西侧山脉山顶高度处风切变在0—3时达到最强。相比较而言，5日和6日的纬向风和垂直运动与1—3日相似，这两日12时以前高空风均低于10 m/s，午后峡谷中风速均开始增强，700 m上下风速迅速达到一致，但5日风速由高空迅速扩展至地面并加强，使地面出现了明显的偏西风，但6日风速扩展至600 m以后就未再向地面扩展，至18时才短时影响到近地面。从垂直廓线来看，仅4日的风场较为特别，10时以前风速较低，而12时以后700 m附近西风和垂直运动大小均有明显的波动。