成都双流国际机场霜、雪天气特征及其对运行的影响

2022-06-01杨栎楠傅文伶

陕西气象 2022年3期

徐海，杨栎楠，傅文伶，林莉

(民航西南空中交通管理局气象中心，成都 614000)

飞机关键表面的霜、冰、雪等会破坏飞机的空气动力性能，严重时会造成事故[1-4]。2004年11月21日，由内蒙古自治区包头市飞往上海市的MU5210航班，起飞后坠入机场附近的湖里，包括47名乘客、6名机组人员在内的机上53人全部罹难。事故调查组认为本次事故的原因是：飞机起飞过程中，由于机翼污染使机翼失速临界迎角减小，当飞机刚刚离地后，在没有出现告警的情况下飞机失速，飞行员未能从失速状态中改出，直至飞机坠毁。事故调查组认为，飞机在包头机场过夜时存在结霜的天气条件，机翼污染物最大可能是霜[5]。据中国民用航空局相关规范[6-7]要求，在地面起飞前要求一些关键表面不能带冰、雪、霜(称为“冰冻污染物”)起飞。

成都双流国际机场(以下简称双流机场)地处四川盆地西部，最冷月1月平均气温为6.2 ℃，降雪、积雪日数少，但霜(即水汽在地面或物体表面的凝华现象)、雪天气出现时对航班正常率有较大影响。如2018年1月9—11日，3 d因除霜造成航班延误共124架次，2018年12月29日的降雪天气，造成航班延误17架次。提前预报霜、雪天气，评估其对运行的影响，可使机场和航空公司提前采取措施，减少因除霜、雪带来的航班延误，提高运行效率。

1 资料

利用2012—2020年的双流机场地面观测资料和温江站常规探空资料，分析双流机场霜日、雪日的基本特征及霜、雪出现时的气象要素统计特征，同时利用成都双流国际机场指挥中心(以下简称指挥中心)提供的2018年1月、12月除冰(包含霜、雪)记录，分析双流机场霜、雪天气的预报与服务重点。双流机场天气现象、云量资料为人工观测，时间分辨率为1 h。风、温、压、湿、能见度等气象要素资料为自动观测，由机场两条跑道两端共四套自动气象观测系统(分别记为02 L、02 R、20 L、20 R)测量，风为2 min平均值，其余要素为1 min平均值，时间分辨率均为1 min，其中02 L端为双流机场的观测基准点，因此主要采用02 L端资料进行分析。利用双流机场微波辐射计资料分析2018年12月28—29日降雪天气的温湿层结特征。微波辐射计温、湿层结资料垂直分辨率随高度增加而降低，从25、30、40、60、90、100、150、200 m到300 m不等，如100 m以下为25 m，100～520 m为30 m，500～1 200 m为40 m，6 000 m以上为300 m；时间分辨率为1～2 min不等。

2 霜日的气候特征及其气象要素特征

2.1 霜日的基本特征

双流机场从2012—2019年度(年度定义为当年7月至次年6月)共计霜日39 d，年均4.9 d。霜日出现在12、1、2月，主要出现在1月和12月，分别为19 d和16 d。初霜最早出现在2012年的12月5日，终霜最晚出现在2016年的2月15 日。霜日有明显的年际变化，其中2017、2018年度霜日分别为9 d、8 d，2016年度无霜日。

2.2 霜日的气象要素特征

预报霜需要参考前一日的温、湿、风情况并预计夜间至日出前的温、湿、风。计算分析双流机场霜日前一日13时至当日10时逐时气温、露点温度、相对湿度、风速、能见度的中位数和四分位数，详见图1。

图1 双流机场02L端2012—2019年度霜日气象要素日变化箱线图

霜日双流机场气温中位数从前一日傍晚开始逐渐下降，04时下降至2.0 ℃以下，06时下降至1.0 ℃以下，07时达到最低，为0.4 ℃，08时缓慢升高到0.5 ℃，09时迅速升高至2.9 ℃。前一日气温最高可达16.9 ℃，出现在16时。

霜日双流机场露点温度中位数在前一日下午为负值，到傍晚逐渐升高，18时升高至0.2 ℃，20时升高至1.0 ℃以上后维持，03时下降至1.0 ℃以下，07、08时最低，为0.2 ℃，09时迅速升高至1.9 ℃。前一日最低露点温度为-14.4 ℃，出现在16时。

霜日相对湿度中位数前一日下午低于50%，傍晚开始逐渐增加，21时增加至80%以上，03时增加至90%，04—09时在95%以上。在04—07时，最小的相对湿度均大于80%。前一日最小湿度为17%，出现在13、14时。

霜日风速整体较小，前一日夜间风速的中位数多在1 m/s以下，02时后多为静风，最大的平均风速在3 m/s以下。

霜日能见度中位数除早上08、09时为1 300 m和1 500 m以外，其余时段多大于2 000 m，02—10时，能见度可以低至200 m及以下。

分析双流机场霜日01—10时逐时人工观测总云量(民航气象观测技术规范规定总云量为8成)，夜间总云量平均在4成以下，为晴到少云天气。

2.3 霜日的气象要素极值特征

霜日的日最低气温、日最大相对湿度均出现在00时以后，日最高气温和日最小相对湿度出现在前一日下午。表1是霜日前一日13时至当日10时跑道四端的气温、露点温度、相对湿度、能见度的极值情况。霜日跑道四端最高的日最低气温略有差异，20R端为2.9 ℃，20L端为1.1 ℃。从最低的最大相对湿度来看，各端早上相对湿度接近或大于90%。各端最低能见度为0～50 m。霜日双流机场基准观测点的前一日气温最高至16.9 ℃，相对湿度最低至17%，最低气温可以高至2.1 ℃，最大相对湿度可低至91%。

表1 双流机场02L端2012—2019年霜日气温、相对湿度、露点温度、能见度极值

综上所述，双流机场出现霜时，气温通常在04时下降至2.0 ℃，07、08时为0.5 ℃，相对湿度一般在04时达到95%并维持，天空状况为少云到多云，平均风速多在1 m/s以下，能见度多在1 000 m以上。霜日双流机场基准观测点的前一日气温最高至16.9 ℃，相对湿度最低至17%，霜日最低温度可以高至2.1 ℃，最大相对湿度可低至91%。霜日的最低能见度为0～50 m。

3 雪日及其气象要素特征

在一定条件下，冰晶通过水汽凝华增长成雪晶，雪晶通过碰并效应增长，最终形成雪花降落。形成降雪首先要有冰晶形成。有观察和实验表明，在我国，冰晶启动和生长的温度在-9 ℃以下，其中高岭土和黄土的成冰温度为-9 ℃，粘土为-12 ℃[8]。有研究认为温度垂直廓线对降水类型起主导作用，925、850、1 000 hPa的气温常被总结为降水相态的指标，地面气温、露点温度对雨雪相态的转化也有重要影响[9-14]。因此，主要分析降雪时的温湿层结特征和地面气温、露点温度变化情况。

3.1 雪日的基本特征

双流机场降雪出现较少，2012—2019年度，共计出现雪日(含雨夹雪日)12 d，其中1月7 d，2月3 d，12月2 d。仅有5 d出现了纯雪，其中1月和12月分别出现2 d，2月出现1 d，均未积雪。双流机场1994年1月18日曾出现4.0 cm的积雪。

3.2 雪日温湿层结特征

利用2012—2019年12 d雪日临近时刻温江站的探空资料，总结分析双流机场出现雪时的温湿层结特征。统计表明，双流机场观测到雪时，0 ℃层平均高度为904 m，最高为1 013 m，最低为790 m。双流机场海拔高度为495 m，可见在雪粒下落过程中，在高于0 ℃环境中存在的高度大约为400 m，最高不超过520 m。-10 ℃层的平均高度为2 612 m，最高3 080 m；-20 ℃层的平均高度为6 018 m，最高为7 120 m。

分析雪日气压标准层对应的温度及温度露点差可见，700 hPa平均温度为-12 ℃，在冰晶启动和生长的最佳温度区间内，平均温度露点差与最高温度露点差均为2 ℃，湿度较大。500 hPa湿度差异较大，温度露点差平均为10 ℃，最高为24 ℃，最低为1 ℃。定义温度露点差小于等于4 ℃为湿层，则降雪时平均湿层顶为5 128 m，最低3 774 m(2014年2月11日20时，对应气压为630 hPa)。

双流机场雪日地面平均气温2.4 ℃，最高气温4.6 ℃，出现在2013年1月6日17时，最低0.8 ℃，出现在2018年12月29日06时。其中降纯雪时的地面气温多在2 ℃以下，仅2016年1月22日气温为3.6 ℃。地面露点温度平均为0.4 ℃，最低为-3.5 ℃，出现在2013年1月4日10时，最高为1.5 ℃，出现在2013年1月5日03时，其中降纯雪时的露点温度均在0 ℃及以下。

3.3 雪日个例温湿特征

2018年12月28—29日，双流机场经历了雨转雨夹雪再转雪的过程。28日08：46观测到雨夹雪，11：10转为雨，16：37转为雨夹雪，22：37转为雪，29日14：40降雪结束。利用双流机场微波辐射计资料和地面观测资料，分析降水相态转换时地面及高空的温湿变化(注：因微波辐射计资料问题，仅分析28日14时至29日14时数据)。

图2中80%湿度线在28日14—21时由2 700 m缓慢上升至4 000 m高度后维持，与-9 ℃线于15时相交，与-12 ℃线于21：30相交。雨转为雨夹雪的时间出现在-9 ℃线与80%湿度线相交约1.5 h后，雨夹雪转为雪的时间出现在-12 ℃线与80%湿度线相交约1 h后。可见此次过程湿层温度低至-9 ℃时有冰晶产生，形成雨夹雪，湿层加厚，湿层温度低至-12 ℃后转为雪。冰晶的启动和增长温度与相关研究[8]一致。

阴影为相对湿度；黑线为80%相对湿度等值线；白线为-9、-10、-12 ℃等温线。图2 2018-12-28T14—29T14双流机场逐时气温、相对湿度

气温28日14时到29日05时由4.0 ℃波动下降至0.8 ℃，29日03—11时维持在1.5 ℃以下。在相态变换时间附近，17时和23时，气温分别为3.3 ℃和2.4 ℃。降水相态的变化可能也与地面气温的降低有关。

温江站29日08时-10 ℃高度为2 590 m，微波辐射计测得为1 500 m，双流机场海拔高度为495 m，则-10 ℃层高度差约为600 m。这可能与两地相距近20 km，且一个为位势高度，一个为绝对高度有关。上述个例说明，微波辐射计的温湿层结资料对预报雨雪转换有一定指示意义。

综上所述，预报双流机场降雪时，在降水的环流背景下，应重点考虑上空的温湿配置条件。如果出现低于-9 ℃的湿层，700 hPa温度在-12 ℃及以下，850 hPa温度达到-5 ℃及以下，0 ℃层距离地面的平均高度小于400 m，可预报降水相态为雪或雨夹雪。如果地面气温低至2 ℃以下，则可以考虑为雪而不是雨夹雪。微波辐射计的温湿层结资料对预报雨雪转换有一定指示作用。

4 霜、雪天气对双流机场运行的影响及其气象要素特征

4.1 霜、雪天气对双流机场运行的影响

以2018年为例，统计分析双流机场除冰架次及伴随天气现象(见表2)。其中1月9日无具体除冰架次记录，仅有因除冰而延误架次，因此推断该日除冰架次大于等于53次。

表2 2018年1月、12月双流机场除冰架次及对应天气现象

由表2可见，双流机场1月和12月记录的除冰日和霜、雪(含雨夹雪)日共有14 d。同时有除冰记录和霜雪天气记录的共7 d，有除冰记录无霜雪天气记录的2 d，有霜雪天气记录而无除冰记录的5 d。可见，当除冰时，有接近80%的天气报告包含霜雪天气，而报告霜雪天气时，接近60%的情况下会进行除冰工作，气象报告霜、雪的有无与是否开展除冰工作并非严格的对应关系，这可能与气象观测员所处的观测环境有关。观测员观测位置与停机坪位置不同，同时机体表面和草坪表面的热传导性不同，导致观测员在观测场地观测到的霜与停机坪机体表面出现的霜不同步。

除冰架次的分化较明显。在有除冰记录的9 d中，有7 d除冰架次在30次以上，其余2 d除冰架次分别为5次和2次。

4.2 对运行有较大影响的气象要素特征

图3为表2中14 d逐日01—10时的逐时气温、露点温度、温度露点差、相对湿度、云量时间序列图，其中方框处表示除冰架次超过30架次。由图3可见，对运行有重要影响的霜日，07—08时气温均可低至0 ℃或以下，露点温度均低于或等于0 ℃，最大相对湿度均接近或达到饱和。12月12日除冰架次31次，但未观测到霜。该日温度07、08时低于0 ℃，相对湿度达到100%，与影响严重的霜日气象要素特征一致。1月12日仅有5个航班进行了除冰，该日为霜日，且07、08时气温为-0.1 ℃，露点温度低于或等于0 ℃；但早上最大相对湿度为94%，其余时次相对湿度也明显低于其他影响严重的日期。对运行没有影响或影响很小的霜日有1月29日、1月31日，12月16、17日，最低温度在1 ℃以上，露点温度也大多在0 ℃以上。上述分析可以认为，当预计夜间至日出前最低气温至0 ℃，且相对湿度接近饱和时，考虑天气会对运行造成较大影响。

图3 2018年1月、12月双流机场霜、雪日和机场除冰日的逐时(01—10时)云量、气温、露点温度、温度露点差及相对湿度(方框区表示除冰架次超过30架次)

降雪影响运行仅出现在12月29日，当日最低气温高于0 ℃，在1 ℃左右，露点温度为0 ℃。据了解，在10时气温1.4 ℃时，对部分落地飞机仍在进行除冰。1月8日、12月28日为雨夹雪天气，气温多在2 ℃以上，对运行没有影响。降雪导致的除冰比较复杂，可能和机场上空的温湿层结和地面温湿情况有关。降雪期间气温较长时间在2 ℃以下时，应关注天气对运行的影响，特别注意穿云结冰导致的除冰情况。