上海虹橋機(jī)場(chǎng)風(fēng)向日變化特征分析

房云龍，趙京華，秦 婷，張 勇

（1.民航青島空管站，山東 青島 266108；2.華東地區(qū)空管局，上海 200010）

1 概述

風(fēng)是影響飛行的重要?dú)庀笠刂唬L(fēng)與飛行的關(guān)系極為密切。飛機(jī)起飛、著陸，確定巡航高度和偏流角、選擇最佳航線和確定燃料裝載量等都必須考慮風(fēng)的影響[1-2]。風(fēng)對(duì)飛行的影響比較復(fù)雜，飛機(jī)的起飛和著陸通常選擇在逆風(fēng)條件下進(jìn)行，因?yàn)槟骘L(fēng)起飛和著陸能產(chǎn)生飛機(jī)的附加進(jìn)氣量，因而能增大飛機(jī)的方向穩(wěn)定性和操縱性，采用逆風(fēng)起飛和著陸，還可以縮短飛機(jī)的滑跑時(shí)間和距離; 側(cè)風(fēng)對(duì)飛行也有影響，飛機(jī)會(huì)順著側(cè)風(fēng)方向移動(dòng)，如不及時(shí)修正就會(huì)偏離跑道，側(cè)風(fēng)還會(huì)使地面飛機(jī)打地轉(zhuǎn)等[3-11]。風(fēng)向轉(zhuǎn)換可引發(fā)低空風(fēng)切變，若低空風(fēng)切變發(fā)生在飛機(jī)的起降航徑上，則會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)的飛行性能有所降低，飛行的速度和高度可能會(huì)在瞬間發(fā)生劇烈變化，對(duì)飛行安全有很大的威脅，也增加了空中交通管制的工作量[12-17]。由于航班量的飛速增長(zhǎng)，民航各機(jī)場(chǎng)對(duì)風(fēng)向轉(zhuǎn)換預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的要求越來(lái)越高。

上海作為長(zhǎng)三角地區(qū)的中心城市，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)大型民用機(jī)場(chǎng)的城市，上海地區(qū)東臨東海，西臨太湖，南北分別為長(zhǎng)江口和杭州灣，海岸線呈現(xiàn)西北-東南和東北-西南方向。大量研究指出，受海陸地形的影響，上海地區(qū)的風(fēng)向具有顯著的日變化規(guī)律。李維亮等[18]采用數(shù)值模擬，研究了長(zhǎng)江三角洲城市熱島與太湖對(duì)局地環(huán)流的影響，指出城市的熱島環(huán)流與海陸風(fēng)、湖陸風(fēng)之間都存在著相互影響。胡艷等[19]模擬了夏季弱氣壓場(chǎng)條件下上海地區(qū)的環(huán)流形勢(shì)，結(jié)果表明地面有三條明顯的水平風(fēng)輻合帶。顧問(wèn)等[20]利用多普勒雷達(dá)和上海加密自動(dòng)站的風(fēng)場(chǎng)資料，定義了三支海風(fēng)鋒，并指明三支海風(fēng)鋒的登陸和推進(jìn)，會(huì)影響上海地區(qū)地面風(fēng)向的日變化。張赟程等[21]通過(guò)數(shù)值模擬，指出日出后海陸的熱力差異使浦東、南匯、奉賢、金山一帶形成海風(fēng)，上海西部青浦、松江地帶受到太湖、淀山湖的影響呈現(xiàn)微弱的西風(fēng)，隨時(shí)間推移，海風(fēng)會(huì)逐漸向內(nèi)陸侵入，從而導(dǎo)致風(fēng)向的顯著變化。何禮等[22]使用上海浦東機(jī)場(chǎng)小時(shí)地面氣象觀測(cè)等數(shù)據(jù)，給出海陸風(fēng)的判別依據(jù)，結(jié)果表明，上海地區(qū)海風(fēng)通常開(kāi)始于日出后，于當(dāng)?shù)貢r(shí)間09：00 時(shí)（北京時(shí)，下同）前后登陸的海風(fēng)最多，隨著海風(fēng)登陸，沿海地區(qū)形成海陸風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)，并逐漸深入內(nèi)陸。

圖1 虹橋機(jī)場(chǎng)東南風(fēng) 120°-150°（a）和東風(fēng) 80°-110°（b）出現(xiàn)頻率日變化

表1 虹橋機(jī)場(chǎng)各季節(jié)東南風(fēng)風(fēng)向段頻率日較差、極值及出現(xiàn)時(shí)間（%、%、時(shí)）

表2 虹橋機(jī)場(chǎng)各季節(jié)東風(fēng)風(fēng)向段頻率日較差、極值及出現(xiàn)時(shí)間（%、%、時(shí)）

目前研究主要集中在上海市區(qū)風(fēng)向日變化的成因及對(duì)污染無(wú)擴(kuò)散的影響，對(duì)上海虹橋風(fēng)向日變化特征及成因的研究較少，本文采用2010年1月1 日至2019年12月31 日虹橋機(jī)場(chǎng)逐時(shí)風(fēng)場(chǎng)資料，研究風(fēng)向日變化特征，并對(duì)其出現(xiàn)原因做初步探討。

2 風(fēng)向日變化特征

2.1 風(fēng)向段選取依據(jù)

在對(duì)不同風(fēng)向進(jìn)行風(fēng)向出現(xiàn)頻率分析發(fā)現(xiàn)，按40°對(duì)風(fēng)向進(jìn)行分段最能體現(xiàn)不同風(fēng)向段的日變化特征，因此本文將所有風(fēng)向按40°分段，根據(jù)不同季節(jié)統(tǒng)計(jì)風(fēng)向出現(xiàn)頻率日較差，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，東風(fēng)（80°-110°）、東南風(fēng)（120°-150°）兩個(gè)風(fēng)向段對(duì)于四個(gè)季節(jié)均表現(xiàn)出比較顯著的日變化特征，其他風(fēng)向段日變化規(guī)律相對(duì)較弱。因此本文選取東南風(fēng)和東風(fēng)兩個(gè)風(fēng)向段分析虹橋機(jī)場(chǎng)風(fēng)向日變化特點(diǎn)。

2.2 虹橋機(jī)場(chǎng)風(fēng)向日變化特征

圖1 為東南風(fēng)（a）和東風(fēng)（b）出現(xiàn)頻率日變化分布曲線。如圖1（a）所示，東南風(fēng)在春夏季和秋冬季呈現(xiàn)出明顯的差異。春夏季東南風(fēng)日變化規(guī)律顯著，頻率日較差分別為19.2%和23.3%，日變化曲線為呈準(zhǔn)正弦波型，春夏季波峰分別為39.7%和44.5%，均出現(xiàn)于22：00；波谷分別為 20.5%和 21.2%，出現(xiàn)于 13：00 和 11：00，春季比夏季偏晚 2 小時(shí)（表 1）。

圖2 上海地區(qū)南支和東支海風(fēng)示意圖

圖3 虹橋機(jī)場(chǎng)東南風(fēng)、東風(fēng)頻率變率日變化

秋冬季東南風(fēng)日較差為8.0%和4.5%，頻率極大值分別17.1%和13.5%，日較差和頻率極大值均顯著低于春夏季。秋冬季東南風(fēng)頻率曲線依然呈現(xiàn)出一定的日變化特征，雖整體偏弱，但極值出現(xiàn)時(shí)間與春夏季基本一致。

東風(fēng)（80°-110°）的日變化規(guī)律如圖 1（b）及表 2 所示，與東南風(fēng)相比，東風(fēng)出現(xiàn)頻率和季節(jié)性變化均顯著低于東南風(fēng)。日變化特征夏秋季比冬春季略強(qiáng)，日較差秋季最大（9.0%），冬季最低（5.0%）。東風(fēng)頻率夏秋季極大值17～20%，春夏季為11～15%。日變化曲線在四季均呈現(xiàn)準(zhǔn)正弦波型，位相基本一致，波峰出現(xiàn)在19：00-20：00，波谷一般出現(xiàn)清晨至上午。

3 風(fēng)向日變化成因分析

理論研究和實(shí)際觀測(cè)已經(jīng)證實(shí)，對(duì)于非均一下墊面（例如山地或沿海），地面風(fēng)向日變化受地形熱力狀況影響顯著[23]，在沿海地區(qū)，海陸風(fēng)是造成地面風(fēng)向日變化的主要原因[24-26]。上海地區(qū)東臨東海，西臨太湖，南北分別為長(zhǎng)江口和杭州灣，海陸溫差明顯。同時(shí)作為超大城市，城市熱島效應(yīng)十分顯著，進(jìn)一步加劇了上海沿岸海陸溫度梯度。有研究指出，上海沿岸在白天存在著兩支海風(fēng)環(huán)流，一支為從長(zhǎng)江口登陸的東支海風(fēng)環(huán)流，另一支為從杭州灣登陸的南支海風(fēng)環(huán)流[19-22]。由于長(zhǎng)江入海口面積較小，使得東支海風(fēng)方向主要為東風(fēng)，一般上午開(kāi)始影響上海浦東沿岸，午后至傍晚達(dá)到最強(qiáng)，之后減弱消失；南支海風(fēng)方向?yàn)闁|南風(fēng)，一般于中午開(kāi)始影響上海南匯、奉賢一帶，并逐漸向西北深入上海其他地區(qū)（圖2）。根據(jù)前文分析，虹橋機(jī)場(chǎng)東南風(fēng)和東風(fēng)在四個(gè)季節(jié)均呈現(xiàn)不同程度的日變化規(guī)律，因此兩支海風(fēng)環(huán)流均可以在一定條件下影響虹橋機(jī)場(chǎng)。

為研究東支環(huán)流和南支環(huán)流最可能影響虹橋機(jī)場(chǎng)的時(shí)間，分析風(fēng)向頻率變率的日變化特征。如圖3（a）所示，15：00-19：00，東南風(fēng)頻率變率均明顯高于其它時(shí)間，表明這段時(shí)間東南風(fēng)頻率增加最集中時(shí)段，即南支環(huán)流最可能影響虹橋機(jī)場(chǎng)的時(shí)間，各季節(jié)南支環(huán)流影響時(shí)間略有不同。春夏季頻率變率高于秋冬季，表明春夏季南支環(huán)流比秋冬季更可能影響虹橋機(jī)場(chǎng)。同理，東支環(huán)流于下午14：00-18：00 最可能影響虹橋機(jī)場(chǎng)，與南支環(huán)流相比，東支環(huán)流影響機(jī)場(chǎng)時(shí)間的季節(jié)性變化特征不如南支環(huán)流明顯。

4 結(jié)論

本文利用2010-2019年上海虹橋機(jī)場(chǎng)地面風(fēng)場(chǎng)逐時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了不同季節(jié)各風(fēng)向段出現(xiàn)頻率日變化特征，得出如下結(jié)論。

（1）虹橋機(jī)場(chǎng)東風(fēng)（80°-110°）、東南風(fēng)（120°-150°）日變化規(guī)律顯著。

（2）各季節(jié)東南風(fēng)頻率曲線呈準(zhǔn)正弦波型，春夏季日較差、極大值均高于秋冬季，頻率極大值、極小值出現(xiàn)時(shí)間四季基本相同。

（3）東風(fēng)日變化規(guī)律季節(jié)性變化比弱于東南方，夏秋季東風(fēng)日變化強(qiáng)于冬春季節(jié)，頻率極大值、極小值出現(xiàn)時(shí)間四季基本相同。

（4）南支海風(fēng)環(huán)流和東支海風(fēng)環(huán)流均可能影響虹橋機(jī)場(chǎng)，最可能影響時(shí)間為 15：00-19：00 和 14：00-18：00，各季節(jié)略有差異。