基于航空运行需求的高高原机场温度特征分析——以林芝机场为例

庞 毅, 吴俊杰

(1.中国民用航空飞行学院空中交通管理学院, 四川 广汉 618307; 2.中国民用航空飞行学院航空气象学院, 四川 广汉 618307)

截至2021年底,我国高高原运输机场数量已达20个,约占世界高高原机场总数的43%,是世界上拥有高高原机场数量最多的国家。高高原机场的建成对方便当地人民出行、促进沟通交流、带动经济发展都发挥了重要作用。根据《全国民用运输机场布局规划》,预计到2025年我国还将在西南、西北地区布局新增高高原机场13个[1]。不同于一般机场,高高原机场面临海拔高、空气稀薄、飞行气象条件恶劣多变的问题,运行环境极为复杂,受到航空公司的高度关注,其中气温对航空运行的影响最为直接和重要。高高原机场本身的低密度环境叠加高温天气后,使得空气密度进一步降低,造成飞机气动和动力性能衰减,当超过一定阈值后,飞机只能减载运行[2],使航空公司蒙受经济损失。高原高温环境对飞机起降性能的影响对航班的安全运行也构成了潜在威胁。低温高湿环境则可能出现道面结冰、飞机积冰等问题[3-4],可能影响航班的安全运行[5-6]。因此,研究典型高高原机场的温度变化特征,对摸清机场气温变化规律、研究机场气温预报方法进而保障飞机安全高效运行都有重要的意义。

政府间气候变化委员会第六次评估报告[7]指出,2011—2020年全球表面平均温度比1850—1900年增加了1.1 ℃,预测21世纪全球表面温度升高幅度将超出1.5 ℃。张计深等[8]研究发现,中国2001—2020年温度以 0.02～0.50 ℃/10 a的速率呈显著上升趋势,预计2021—2100年,年均温度会以0.02～0.08 ℃/10 a的速率继续上升。张冬峰和高学杰[9]研究表明中国范围内平均地面气温将普遍升高,其中冬季(12月至次年2月)的青藏高原和夏季(6—8月)的西北干旱区升温幅度最大,相应的日最高气温最大值和日最低气温最小值也会升高。吴玉婷等[10]基于ERA5(欧洲中期天气预报中心对1950年1月至今全球气候的第五代大气再分析数据集)再分析数据研究了1979—2019年欧亚大陆不同区域夏季地表气温的变化特征,也证实了青藏高原在过去40年经历了显著的增温过程。段安民等[11]、游庆龙等[12]先后研究发现,青藏高原地表增温幅度高于同纬度地区,同时也高于中国及全球平均增暖水平,具有增暖放大现象。杨耀先等[13]研究了青藏高原近60年气候变化的影响,研究了地表变暖的现象,研究表明青藏高原地表变暖早于北半球同纬度地区,年代际大气增湿引起的海拔依赖性变暖和晴空向下长波辐射的增加是青藏高原地表变暖的主要原因,表明近10年来地表温度的变化主要集中在年际尺度上。

从以上研究可以看到,近几十年及未来,青藏高原地表升温趋势明显,但相关研究都是从整个高原气温变化进行研究,针对高原机场的气温变化特征研究相对较少。因此,现从航空公司运行保障需求出发,研究林芝机场的温度变化特征,以便为高高原机场气温预报技术和高高原机场异常温度条件下的放行方法研究做好铺垫。

1 资料与方法

林芝机场位于中国西藏自治区林芝市米林县的雅鲁藏布江河谷,海拔高度2 948.9 m,机场跑道方向为近东北-西南方向,跑道编号05/23。机场四周被海拔4 000 m多的高山环绕,地理环境集高原、山地、峡谷、河谷于一身,属于典型的山地高高原机场。由于复杂的地理、气候环境,林芝机场是国内唯一一个飞机起降必须全部实施RNP(required navigation performance,导航性能要求)程序飞行的机场,因此林芝机场是国内起降和航班正点保障难度最高的机场,也是世界上最难飞行的机场之一。

机场跑道两端及中部布设有3部自动观测设备,观测要素包括温度、气压、湿度、风向、风速、降水等,其中温度采样频率为1次/min,本研究使用了主降方向23跑道自动观测站的温度数据,时间为2006—2020年。统计分析前对数据进行质量控制,剔除了记录错误数据。研究中计算日平均、日最高、日最低温度时,取世界时的00:00—24:00为一天,即北京时的早8时至次日8时,日较差为一日中的最高气温与最低气温的差值。根据运行标准,将0 ℃和20 ℃分别定义为低温阈值和高温阈值。低温日即一日中出现一次低于0 ℃的时刻即为低温日,高温日类似。

利用一元线性回归方程拟合年平均温度变化趋势[14],分析获得林芝机场年际变化趋势。气象要素的气候倾向率可用一次线性方程表示,即

Y=aX+b

(1)

式中:Y为气象要素;X为时间;b为常数项;a为斜率,即气象要素的气候倾向率。

2 气温年变化特征

红色箱子表示日最高温度箱型图;黄色箱子表示日平均温度箱型图;蓝色表示日最低温度箱型图;箱子上边表示数据顺序75%位置的数,下边表示数据顺序25%位置的数;箱子内绿色 虚线表示平均值,黑色实线表示中位数图1 林芝机场温度月变化特征

根据林芝机场的观测数据统计,15年来,林芝记录到的最高温度为29.3 ℃,发生于2018年7月6日15时,最低温度为-14 ℃,出现在2011年1月15日8时。从月平均温度来看(图1),1月平均温度最低,为0 ℃左右,8月平均温度最高,为17 ℃左右。总体来看,1—8月升温缓慢,9月后气温迅速降低。从日最低温度来看,1月日最低温度约95%是低于0 ℃的,4—10月日最低温度95%都达到了0 ℃以上。10月开始,最低气温低于0 ℃的时刻明显增加。11月50%以上的最低温度低于0 ℃,12月的情况与1月的情况类似。值得注意是,冬季日最低气温波动范围显著高于夏季。综合来看,10月至次年3月要注意低温造成的道面结霜结冰事件的发生。从日最高温度来看,4月起,林芝机场已开始出现气温高于20 ℃的高温日,5月出现高温日的频率已达25%以上,6—9月高温日出现频率均高于50%,其中8月高温日发生频率在75%以上,10月以后极少有高温日的出现,3—5月气温波动范围略高于其他月份。由此可见,林芝机场6—9月需重视高温造成的减载。

从林芝机场温度日较差可以得到(图2),全年平均日较差与平均气温变化反位相。总体来看,1—9月日较差小幅波动减小,10—12月则迅速增加。1月50%的温度日较差大于13 ℃,约25%的温度日较差可达17 ℃。而在7月的温度日较差约50%高于8 ℃,25%高于10 ℃。从日较差的波动来看,11月至次年3月的逐日温度波动十分明显,而在盛夏季节,气温日较差波动不大,这与当地秋冬季节多晴天且冷空气频繁,而夏季多云及降水的高原季风天气有关。因此,需要高度关注秋冬季节温度强烈变化对运行安全的影响。

箱子上边表示数据顺序75%位置的数,下边表示数据顺序25% 位置的数;箱子内绿色虚线表示平均值,黑色实线表示中位数图2 林芝机场温度日较差变化

3 气温日变化特征

林芝机场低温(≤0 ℃)集中出现在12月至次年2月的00:00—10:00[图3(a)],其他月份低温出现的频率极低。1月是低温出现频率最高的月份,时间集中在23:00至次日10:00,00:00—04:00的出现频率约为75%,05:00—10:00出现频率约为87%以上,08:00—09:00低温出现频率高达90%,为全年最高。2月低温日发生时刻集中在03:00—09:00,出现频率约为55%。3—10月,未出现过低温情况。至11月,低温发生频率再次增加,集中在04:00—10:00,发生频率约为50%。12月为低温日出现的高频月份,00:00—04:00发生频率约为60%,05:00—10:00发生频率约为75%。由此可见,林芝机场11月—次年2月要重点关注08:00—10:00低温对飞行造成的影响。

林芝机场高温(≥20 ℃)的出现集中在6—9月的12:00—17:00[图3(b)]。1—4月,高温的出现频率基本为0。5月的12:00—16:00容易出现高温,出现频率在25%左右,其他的时间出现频率极低。6—8月高温的发生频率大幅增加,6月出现集中在12:00—16:00,发生频率约为65%。7月集中出现在11:00—17:00,发生频率约为65%。8月高温的出现频率为全年最高,集中在11:00—17:00,频率约为75%,其中14:00发生频率为全年最高,为94%左右。9月12:00—15:00高温出现频率约为45%。10—12月,高温日的发生频次、频率几乎为零。可见6—9月是高温出现的高峰月份,这几个月的14:00前后为高发时刻。

从蓝色到红色,颜色越深代表出现频率越高; 无数据位置表示发生频率为0图3 12个月低温、高温日发生频率

由图4可以看出,林芝机场12个月的日最低温度发生时间集中在早晨06:00—08:00,日最低温度发生时间1—2月最晚,发生在08:00。3月、4月日最低温发生时间提前约1 h。5—7月发生时间最早,提前到06:00。到了8—12月,最低气温又开始逐渐推后。11月至次年12月的最低气温平均值均小于0 ℃,其中1月最小为-4.9 ℃。7月的日最低气温最高,为13.1 ℃。林芝机场12个月的日最高温度发生时间变化不大,基本都在14:00—15:00。6—9月的日最高气温平均值都在20 ℃以上。8月最高位23.1 ℃。1月的日最高平均气温最小,为7.5 ℃。

数据表示2006—2020年相同月份在相同时刻的最低、最高温度平均值图4 12个月最高、最低温度发生时刻

4 15年温度的变化趋势

图5 2006—2020年温度变化趋势

作为全球变暖趋势最为明显的地区,气温变化会对未来机场运行产生直接影响。由图5可见,2006—2020年,林芝机场平均温度为9.3 ℃,2008年平均温度最低,为8.9 ℃,2009年最高,为9.7 ℃。年平均温度呈现缓慢升高趋势,线性增强趋势为0.22 ℃/15 a。分季节来看,夏季平均温度为16.3 ℃,2015年最低,为15.6 ℃,2018年最高,为17 ℃。夏季平均气温增强趋势为0.28 ℃/15 a。冬季平均温度为1.3 ℃,2011年最低,为-1.5 ℃,2017年最高,为2.7 ℃。冬季平均气温线性增强趋势为0.51 ℃/15 a。两个季节气温上升趋势均高于年平均升温趋势,冬季升温趋势更为明显,接近夏季的2倍。

5 结论

(1)林芝机场最低温度为-15 ℃,最高温度可到30 ℃,机场全年1—8月温度会缓慢升高,9—12月快速下降。

(2)机场全年温度日较差为7～20 ℃。夏季温度高,85%的时间为高温日,日较差在10 ℃左右;冬季温度低,90%的时间为低温日,日较差在15 ℃左右。机场日最低温发生时刻会随着季节变化先提前再延后,从1月的08:00提前到7月的06:00,再到12月缓慢延后到08:00,日最高温度的发生时间也会随着季节变化先提前再延后的特点,从1月的15:00到5月的14:00,6—12月延迟到15:00发生。

(3)机场全年的低温日集中在12月—次年2月,时间在00:00—10:00。其中1月低温日出现频率最高,在85%左右,2月低温日出现频率在55%左右,到了11月出现概率为50%左右,12月低温日出现频率在70%左右。机场高温日的出现集中在6—8月,时间在12:00—17:00。6月高温日出现频率在65%左右;7月高温日出现频率在65%左右;8高温日出现频率达到了85%左右,为全年之最。

(4)机场2006—2020年年平均温度呈现缓慢上升的趋势,约为0.22 ℃/15 a,夏季温度升温趋势0.28 ℃/15 a,冬季升温趋势0.51 ℃/15 a。