2014—2018 年哈密巴里坤機場風特征分析

魏哲花，馮廣麟

（哈密市氣象局，新疆 哈密839000）

風向和風速的變化與大氣的能量和物質循環緊密相關，是研究大氣動力學和氣候變化的重要參量。王遵婭等[1]、任國玉等[2]、江瀅等[3]研究了我國的風向、風速的變化特征，陳德橋[4-5]、鄭玉萍[6]則研究了局地風的氣候特征。風的特征往往與風能利用、能見度等密切相關，一些研究集中于它對氣象環境的影響及相關的應用[7-11]。

風是機場設計中的重要參考依據之一。風力負荷（即保障率，是指在風的影響下，飛機能夠進行起飛著陸的可能性，用百分比表示）是根據機場所在地或附近氣象臺站5 a 以上風向風速分布頻率及飛機允許的最大逆風、順風等資料統計計算得出，是選擇跑道方位的重要依據。陳猛[12]認為風往往決定跑道方向，也決定著飛機起飛著陸的滑跑距離和飛行安全，在不同風（側風、逆風、順風）的作用下，飛機往往面臨著不同的威脅。種小雷[13]認為，影響跑道方向的因素中，風條件是最重要的，對于一個選定的機場，其跑道方向的確定主要考慮風保障率的影響。因此機場場址的風向風速氣候特征分析成為了機場設計中的重要環節。

巴里坤機場為哈密市目前在建工程，是新疆維吾爾自治區“十三五”規劃的重點項目之一，機場性質為國內支線機場。機場建成后將具備出入疆旅客中轉及滿足巴里坤周邊地區旅游、公務、商務需求的功能，并兼顧通用航空使用。巴里坤機場的建設對于改善當地的對外交通條件、促進資源開發和經濟社會發展、提升應急救災保障能力有著重要的意義。本文利用機場附近大河氣象站的地面風觀測資料，對巴里坤機場區域風向風速進行統計分析，分別得出機場區域風速和主導風向的特征，并分析了災害性大風產生的環流特征，為機場大風的預報提供技術支撐。

1 巴里坤機場地形特征

巴里坤縣地處哈密市北部、東天山北麓，地形特征概括為“三山夾兩盆”。其中，緊鄰縣城南側為東天山（巴里坤山）主脈；縣境中部的莫欽烏拉山由西北向東南延伸；縣境最北部、中蒙邊界處的東準格爾斷塊山系成東西走向；三條主山脈將巴里坤縣分割為北部的三塘湖盆地和南部的巴里坤盆地。機場場址位于巴里坤縣城以北大河鎮，地處巴里坤盆地北緣、莫欽烏拉山南麓山前沖洪積傾斜平原的中下部，場地地形開闊，地勢較為平坦，地勢總體呈現東北高、西南低（圖1）。初定跑道真方位為130°～310°（磁差1°52′E），機場標高為1734 m，飛行區指標4C（跑道長度1800 m 以上的機場）。

圖1 巴里坤機場地理位置及地形示意圖

2 站點的選取及資料的處理

為了給巴里坤機場提供科學的設計依據，2017 年8 月在擬建機場區建設了7 要素自動氣象站，并采集了1 a 的氣象觀測資料。同時利用距離機場直線距離2 km 處原有的大河氣象站進行觀測資料的對比分析，該站為區域自動氣象站，周邊環境穩定，無大型工程項目影響。兩測站的觀測資料均經過嚴格數據質量審核，資料的完整性和合理性均符合標準。選取機場氣象站與大河氣象站2017 年10月—2018 年9 月期間同期風的觀測資料做相關分析，發現機場與大河氣象站日平均風速相關系數達到0.958 03，日最大風速與大河氣象站日最大風速高度一致，相關系數達到0.966 34，10 m 高度風向一致率達到0.731 84，均通過了0.001 的顯著性水平檢驗。兩站在風的特征上具有顯著的一致性，故采用大河氣象站作為巴里坤機場風向風速氣候背景分析代表站。本文選取大河氣象站2014 年7 月—2018 年6 月風向、風速資料分析巴里坤機場風的特征。

3 風的特征分析

3.1 風向

本文風向使用《地面氣象觀測規范》規定的16方位法，各方位對應的角度見表1，以度（°）為單位。

表1 16 方位對應角度

分析近4 a 巴里坤機場24 h 的風向頻率，近4 a E 風出現頻率最多（圖2a），達到13.8%；其次是ESE和ENE 風，均為9.5%；靜風較少，僅占0.5%。最多風向出現頻率的排序（前三位）與各風向平均風速的大小排序并不一致（圖2b），NW 風的風速最大，平均為4.5 m/s；WNW 風速次之，平均為4.4 m/s；NNW 風速平均為4.3 m/s。

圖2 巴里坤機場風向和風速頻率玫瑰圖

由于巴里坤機場屬于高原機場，運行時間一般限制在白天。分析機場白天（09—20 時）沿跑道方向（東南130°～西北310°方向）兩端風向頻率的占比（圖3a），偏西北風（風向270°～360°，下同）占比為37.0%，略高于偏東南風（風向90°～180°，下同），占31.4%。

根據白天（08—20 時）（圖3a）和夜間（20—08時）（圖3b）的風向頻率分析，白天西風出現的頻率最高，為9.2%，其次是WSW 風，為9.0%。夜間東風出現頻率最高，為17.5%，其次是ENE 和ESE。巴里坤機場由于受其北側山地的地形影響，當沒有明顯的外來冷空氣時，在山坡和盆地之間形成山谷風環流。白天，受太陽輻射影響，山坡氣溫增溫較快，氣流受熱膨脹上升，在近地面形成低氣壓，高空形成高氣壓；谷地氣溫升溫較慢，氣溫較低，因此氣流下沉，在近地面形成高氣壓，高空形成低氣壓。在水平方向上氣流由高氣壓流向低氣壓，所以白天為谷風，表現為偏西北風多；夜間為山風，氣流方向相反，表現偏東南風多。通過對各時次風向分析，巴里坤機場谷風轉山風的時間在20 時前后。

3.2 風速

圖3 巴里坤機場風向玫瑰圖

3.2.1 平均風速的月際特征

對巴里坤機場近4 a 的風向風速資料進行統計分析，結果表明，年平均風速為3.4 m/s。4 個季節平均風速分別為：春季最大，為4.0 m/s，夏季為3.6 m/s，秋季為3.3 m/s，冬季最小，為3.0 m/s。全年各月風速在2.9～4.2 m/s，其中，以5 月份的平均風速最大，為4.2 m/s，4 月次之，平均風速為4.1 m/s，1 月份平均風速最小，為2.9 m/s（表2）。

表2 巴里坤機場近4 a 各月平均風速 m/s

3.2.2 平均風速日變化

巴里坤機場的風速有明顯的日變化（圖4），白天風速大于夜間，上午隨著氣溫升高和亂流增強風速逐漸增大，到19 時左右達到最大，進入夜間之后風速逐漸減小。逐時平均風速最大值出現在19 時，為4.6 m/s，最小值出現在09 時，為2.7 m/s。

3.2.3 平均風速頻率分布

由巴里坤機場24 h 不同風速段各風向平均風速頻率（表3）可知，偏東南風的平均風速明顯小于偏西北風的平均風速，平均風速≤5 m/s 以下風速頻率為80.0%，其中偏東南風為36.7%，偏西北風為26.4%；風速在5～6.5 m/s 的風速頻率為11.4%，其中偏東南風為35.6%，偏西北風為39.8%；風速在6.5～10 m/s 風速頻率為7.8%，其中偏東南風為30.0%，偏西北風為56.6%；風速＞10 m/s 以上大風風速頻率為0.86%，共出現296 次，其中偏西北風86.5%，偏東南風9.1%。

圖4 巴里坤機場平均風速日變化

表3 巴里坤機場各風向平均風速頻率 %

3.2.4 最大風速的變化特征

《地面氣象觀測規范》中定義最大風速為某時段最大10 min 平均風速，本節中對巴里坤機場近4 a的最大風速進行了分析（圖5）。巴里坤機場近4 a最大風速為18.9 m/s，風向為N 風；平均最大風速為8.0 m/s，各月平均最大風速在6.9～9.6 m/s。由圖5 可以看出，月平均最大風速呈單峰型變化，最大風速從1 月起逐漸增大，5 月達到全年最大，為9.6 m/s，之后逐漸減小，12 月為全年最小，為6.9 m/s。

圖5 巴里坤機場月平均最大風速

3.2.5 大風的分布特征

《地面氣象觀測規范》中規定瞬時風速達到或超過17.0 m/s 的風稱為大風。巴里坤機場近4 a 中大風日數共54 d，多出現在北京時12—20 時，0—08時極少出現大風。大風日數具有明顯的月際變化，4—6 月為大風多發期，大風日數明顯比其他各月偏多，1—2 月沒有出現過大風（圖6）。大風風向頻率居前三位的依次是NW（42.6%）、WNW（14.8%）和NNW（13.0%），其中偏西北風占81.5%，偏東南風占5.6%。極大風速最大為26.6 m/s，風向NW。

大風是對機場運行影響較大的災害性天氣之一，不僅對飛機正常起降和飛行安全產生嚴重影響，而且對機場設施有破壞作用，因此有必要對其形成的環流特征進行分析，探討大風的成因，為大風的預報提供技術支撐。

4 巴里坤機場大風的環流特征分析

圖6 巴里坤機場大風日數

為了分析巴里坤機場大風天氣的環流背景，對遴選出的2014—2018 年4 a 中巴里坤機場出現的54 個大風個例的500、850 hPa 和海平面環流特征進行分析。

4.1 典型大風過程500 hPa 環流

巴里坤機場80%以上的大風為偏西北風。形成巴里坤西北大風的500 hPa 環流形勢主要有兩種，表現較多的為經向型環流（圖7a）。巴爾喀什湖至北疆西部為脊區，北疆東部為低槽區，低槽在影響北疆的天氣后東移，巴里坤位于槽后脊前西北氣流帶上。出現較少的環流型為緯向型環流（圖7b），即環流經向度較小，副高位置偏南，主體位于40°N 以南，北部的西伯利亞地區為低渦，鋒區南壓至45°N 附近，影響北疆和東疆地區。

偏東大風出現的次數較少，分別有東北大風和東南大風，均為“Ω”型，區別在于東北大風時（圖7c），“Ω”槽脊系統的位置偏西，脊區位于巴爾喀什湖，脊頂向東北方向伸展。脊前低渦中心位于蒙古高原東部，槽線呈東北—西南向，巴里坤位于脊前槽線北部偏北氣流帶中，而出現東南大風時（圖7d），“Ω”槽脊系統的位置偏東，脊區位于95°E 附近，脊頂略向西北伸展，脊后部為低渦，巴里坤位于脊區后部東南氣流區。

4.2 典型大風過程850 hPa 環流

出現西北大風時，對應于500 hPa 經向型環流，850 hPa 上新疆北部至巴爾喀什湖北部地區為高壓區（圖8a），蒙古高原南部為低壓區，存在明顯的西北—東南向氣壓梯度，冷舌自西伯利亞向巴爾喀什湖方向西南伸，暖舌則由西北地區東部向蒙古高原東部東北伸，在新疆東部出現密集的東西向等溫線，巴里坤位于這個強的西北—東南向溫度梯度區中，受冷平流控制；對應于500 hPa 緯向型環流，中亞地區為高壓區蒙古高原到中國東北地區為低壓區（圖8b），相對較弱的氣壓梯度呈西—東向，西伯利亞至中亞為冷區，新疆南部至蒙古高原南部為暖區，密集的等溫線由西南向東北伸展，巴里坤位于溫度梯度區中，受冷平流控制。

東北大風時（圖8c），冷中心位于蒙古北部，等溫線呈西北—東南向分布，巴里坤位于西南—東北向溫度梯度區，處于冷、暖平流交匯區域；出現東南大風時（圖8d），東疆和南疆東部為暖區，冷中心位于巴爾喀什湖以北的西伯利亞，溫度梯度為東南—西北向，巴里坤位于暖脊區，為暖平流區。

4.3 典型大風過程海平面氣壓場

圖7 典型大風過程500 hPa 環流形勢

圖8 典型大風過程850 hPa 環流形勢

對應于500 hPa 經向型環流的西北大風時，海平面氣壓場上（圖9a），冷高壓強盛，中心位于新疆以北的西西伯利亞，等壓線密集，有明顯的冷鋒西北路徑進入新疆北部并向東移動，巴里坤位于冷鋒前部，強的氣壓差和變壓的梯度都有利于西北大風的形成；對應于500 hPa 經向型環流的西北大風時海平面氣壓場上（圖9b），冷高壓略弱，中心位于巴爾喀什湖及其以西的中亞地區，強冷鋒以西方路徑進入新疆北部，等壓線密集，氣壓梯度強，巴里坤位于冷鋒前部，劇烈的正變壓導致大風天氣。

東北大風時（圖9c），蒙古高原為弱高壓區，西西伯利亞為較強的低壓區，低壓前部向東南方向伸到東疆并形成弱低壓中心，鋒區不明顯，巴里坤位于東北—西南向的氣壓梯度區，有利于形成東北風，出現東南大風時（圖9d），蒙古高原為低壓區，西西伯利亞為高壓區，東疆為蒙古高壓底部分裂的弱高壓區，氣壓梯度指向為東南—西北向。

5 結論

本文通過選取2014 年7 月—2018 年6 月大河氣象站風向風速資料對巴里坤機場風的特征進行統計分析，并分析了遴選出的54 個大風個例的500 hPa、850 hPa 和海平面環流特征，主要有以下結論：

（1）巴里坤機場風向受地形和冷空氣活動的共同影響，近4 a 來大河站E 風出現頻率最多，在NW風方向上的風速最大。白天W 風出現的頻率最高，夜間E 風出現頻率最高，谷風轉山風的時間多在20時前后。

（2）巴里坤機場年平均風速為3.4 m/s，春季平均風速大，冬季平均風速小；偏東南風的平均風速明顯小于偏西北風的平均風速，平均風速≤5 m/s 以下占80.0%；有明顯的日變化，白天風速大于夜間；月平均最大風速5 月最大，12 月最小。

（3）4—6 月為巴里坤機場大風多發期，多出現在午后，大風的風向頻率多為偏西北風，這主要受中高緯度冷空氣活動影響，當冷空氣入侵時，機場以西北風為主，風速的大小與冷空氣強度和移速有關。

（4）造成巴里坤機場西北大風的環流形勢分為經向型和緯向型，冷空氣分別為西北路徑和西方路徑，低層溫度梯度大，冷平流強，鋒區非常明顯，氣壓差和變壓梯度強烈，利于大風天氣出現。偏東大風出現較少，500 hPa 均為“Ω”型，東北大風時位于脊前，東南大風時位于脊后，低層鋒區不明顯，東北大風時無明顯冷暖平流，東南大風時，暖平流較強。

圖9 典型大風過程海平面氣壓場