廈門高崎機場2017—2020年地面風突變特征分析

胡凱文 郭秀鳳 羅忠紅 王健治

(民航廈門空管站氣象臺，福建 廈門 361006)

1 概述

航空氣象中，風是十分重要的氣象要素，對飛行安全有著重要的影響，高空風影響飛機的穩定性和載荷力，地面風和600m以下的低空風影響飛機的起降。中國民用航空空中交通管理規則(CCAR-93TM-R2)第一百四十條規定，航空器通常應當逆風起飛和著陸。當飛機在順風環境下起降時，需要更長的滑跑距離，并使飛機的升力減小，容易發生飛行事故。國際事故調查分析表明，有近20%的飛行事故與氣象條件有關，其中有近50%是與風相關[1]。同時，由于飛機的起降跑道方向是由管制員根據地面風的風向風速來決定的，因此當地面風向風速發生突變，不適合原跑道方向使用時，管制員需要立即更換跑道方向，使所有等待降落或起飛的飛機重新排序，這一方面增加了管制員的工作負荷[2]和潛在安全隱患，另一方面增加飛機的等待時間，增加航空公司的運營成本。因此，地面風突變的預報質量對飛行安全有著重要意義。

由于地面風在航空氣象和飛行中的重要性，此前已有許多學者針對不同機場地面風的特征進行了研究，房云龍等[3]對上海虹橋機場的地面風日變化特征進行統計研究及分析，結果表明，虹橋機場地面風日變化顯著，各季節東南風頻率呈正弦波形，造成風向日變化的原因是上海地區存在南支海風環流和東支海風環流；肖志宇等[4]對廈門機場地面風的年、日變化特征進行了統計分析，發現廈門機場地面風向存在顯著日變化特征，東北風頻率中午減小，傍晚達到極小值，夜間及次日清晨達到極大值，東南風頻率中午開始增大，傍晚達到極大值，夜間迅速減?。晃鞅逼黠L清晨達到極大值，上午迅速降低。段新安[5]對新橋機場風的趨勢影響因素進行了分析。郭秀鳳等[2]對廈門機場風的顯著變化特征對管制員的工作效能影響進行了統計分析，發現地面風的顯著變化會降低管制員的工作效能。上述研究多是針對機場地面風變化的氣候特征分析，對風的突變規律和影響因子分析較少。

廈門機場是中國東南沿海重要的區域性航空樞紐，日均航班起降架次已超過500架次，接近單跑道起降架次的極限容量，在全國單跑道運行機場中排名首位。但因地處臺灣海峽西側，受特殊地形影響，海陸風效應明顯[6-7]，地面風突變較為頻繁，對飛行影響大[2]。本文以2017—2020年廈門空管站氣象臺發布的例行天氣報告和特殊天氣報告為基礎，結合常規天氣圖資料對廈門機場地面風突變的特征進行統計分析，探究造成地面風突變的主要氣象因子，對于提高地面風突變的預報準確率和更好地提供航空氣象服務有一定意義。

2 資料選取及處理

2.1 資料選取

廈門機場的地面風觀測是由空管站氣象觀測員利用部署在機場跑道兩端的風探測儀獲取。觀測結果主要通過發布機場天氣報告的方式傳送至用戶手中。一般情況下，固定每小時或半小時發布一次天氣報告，稱為例行天氣報告(以下簡稱METAR報)，兩份METAR之間，當風發生顯著變化達到行業標準時，需要立即發布一份特殊天氣報告(以下簡稱SPECI報)。因此，METAR和SPECI報可以很好地反映機場地面風的顯著變化過程。本文采用的資料為廈門空管站氣象臺2017—2020年發布的逐時METAR報和不定時的SPECI報。

2.2 機場地面風突變的統計標準

結合《民用航空氣象預報規范》趨勢預報地面風發布標準以及《民用航空氣象地面觀測規范》地面風SPECI發布標準，本文將廈門機場地面風突變的統計標準定義為2小時內機場天氣報告中的風滿足以下條件之一：①風向變化大于等于60度且變化前或/和變化后風速大于等于5m/s；②風速變化大于等于5m/s；③陣風變化大于等于5m/s且變化前或/和變化后風速大于等于8m/s。

3 統計結果分析

3.1 地面風突變的月分布特征

廈門機場在2017—2020年期間共有641天發生了地面風的突變，平均每年有160.25天，即一年中有接近一半(43.9%)的天數會出現地面風的突變。各月出現地面風突變的天數分布如表1所示，1～8月逐月增加，9～11月逐月減少，12月又有小幅增加。8月達到最高峰值，平均有22.75天，1月為最低值，平均有5.75天?？傮w而言，春季緩慢增加，夏季逐月顯著增加，秋季逐月顯著減少，冬季先增后減。月平均地面風突變天數達到15天以上有5個月，分別是5～9月，說明廈門機場在夏季及春夏、夏秋換季時節容易出現地面風的突變。

表1 2017—2020年廈門機場地面風突變的平均月分布

3.2 地面風突變的日變化特征

圖1為2017—2020年廈門機場地面風突變的平均日分布情況，由圖1可知，各時次均有發生地面風突變。其中05時(UTC，下同)風發生突變的次數最多，平均有45.25次；其次是04時和06時，分別有44.25次和35.5次；19時發生突變的時次最少，只有2.75次。白天(23～10時)發生的次數(245.5次)遠多于夜間(11～22時)發生的次數(55次)。白天時段中絕大多數集中在中午至下午時段，共有169.75次，占白天總數的69.1%。以上分析表明，廈門機場風的突變雖然在一天中任何時段均有可能發生，但絕大多數發生在白天，且主要集中在中午到下午時段，午時達最高峰，凌晨為最低值。

圖1 2017—2020年廈門機場地面風突變的平均日分布

3.3 地面風突變逐月日變化特征

從上文分析可知，平均而言廈門機場地面風的突變具有明顯的季節變化和日變化特征，但對于不同月份，地面風突變的日變化特征也遵循一定規律，我們對2017—2020年廈門機場地面風的突變進行了逐月逐時統計分析(圖2)。由圖2可知，各月的日變化特征非常相似，地面風突變的次數上午快速增加，午時至下午達到峰值后快速減少，入夜后則維持在很少的頻次，低谷出現在凌晨。但各月日突變峰值出現的時間有所不同，在較為炎熱的春夏之交(4～5月)和夏季(6～8月)為04時，較為寒冷的秋冬之交(11月)和冬季(12月～1月)為06時，而在兩者之間的2～3月及9～10月則為05時，說明地面風突變的日峰值出現時間隨季節變遷有自夏至冬逐步變晚，自冬至夏隨著溫度的回升逐步變早的變化規律。除此之外，從圖2還發現，4～7月呈現單峰結構，風的突變集中在03～06時，8月開始，傍晚后發生地面風突變的時次增加，逐步表現出雙峰的態勢，8～10月及2～3月的次峰值通常在傍晚到夜間，而11月～1月的次峰值進一步推遲到次日早晨，其中在12月00時～01時突變次數超過了06時的突變次數。

圖2 2017—2020年逐月廈門機場地面風的突變平均日分布

3.4 影響地面風突變的因子分析

以上分析說明，廈門機場地面風的突變具有明顯的季節和日變化特征，為研究其演變特征發生的機理，我們從影響廈門地面風的氣象因子入手，統計篩選出造成地面風突變的主要氣象因子。對2017—2020年以來發生地面風突變時的天氣形勢的統計分析，發現與機場地面風突變有緊密聯系的氣象因子主要有以下4類：①海陸效應；②冷空氣；③對流天氣；④臺風。圖3為廈門機場2017—2020年在不同影響因子主導下風的突變的年平均、月際平均及日平均次數分布，由圖3(a)可知，海陸效應是引起廈門機場地面風發生突變的最主要因子，占比達61.4%；其次是對流天氣和冷空氣影響，占比分別為18.4%和18.1%；臺風因整體樣本較少，僅占造成地面風突變的主導因子次數的2%。

為深入了解上述三類主要影響因子對地面風突變影響的具體分布特征，對廈門機場2017—2020年平均海陸效應、對流天氣以及冷空氣造成地面風突變的月際分布圖3(b)和日變化分布特征進行統計分析，如圖3(c)所示。

(a)廈門機場2017—2020年在不同影響因子主導下風的突變年平均次數分布

(b)廈門機場2017—2020年在不同影響因子主導下風的突變月平均次數分布

(c)廈門機場2017—2020年在不同影響因子主導下風的突變日平均次數分布

全年各月均有因海陸風效應導致的地面風突變，其中4～10月為高發期，平均達146.5時次，占總數(178.25時次)的82.2%，多出現在中午前后(03～07時)，達130.25時次，占總數(178.25時次)的73.1%。在金文琪[8]和荀愛萍等[7]的研究中，海風通常開始于02～04時，在午后06～09時達到高峰，與本文中峰值出現的時次較為匹配，陸風的頻次較少且海風的速度遠大于陸風，由于觸發風的突變前后風速至少達到5m/s，所以相較海風較為強盛的午后，在陸風較為活躍的夜間較午后難以達到觸發地面風突變的標準。

全年各月也均有因冷空氣影響導致的地面風突變，其高發期為11月～次年4月，平均達33.75時次，占總數(52.5時次)的64.3%，多出現在早晨和傍晚后，達22.5時次，占總數(52.5時次)的42.85%。

因對流天氣造成地面風的突變只發生在3～9月，其中6～9月為其高發期，平均達42.75時次，占總數(53.5時次)的79.9%，多出現在中午到傍晚(04～10時)，達24時次，占總數(53.5時次)的44.9%，17～19時為其突變的谷值，其余時刻分布較為平均。

3.5 地面風的突變對飛行有重要影響特征分析

由于地面風的突變可能會造成機場跑道風由逆風轉為順風或產生跑道正側風，對飛行影響甚大。根據中國民用航空空中交通管理規則(CCAR-93TM-R2)第一百四十條規定，航空器通常應當逆風起飛和著陸，但是當跑道長度、坡度和凈空條件允許，航空器也可以在風速不大于3m/s時順風起飛和著陸。即當跑道順風大于3m/s時，必須更換跑道起降方向。在2017—2020年地面風突變的數據統計中，發現平均每年有40.5次風的突變會造成跑道順風大于3m/s，對飛行造成重要影響，占全年的14.5%。表2是2017—2020年平均每月地面風突變后風速達到更換跑道閾值的次數。由表2可知，對飛行有重要影響的地面風突變主要發生在7～8月，其次是4～5月，分別占全年的31.5%和24.1%。

表2 2017—2020年廈門機場地面風突變后達到更換跑道閾值次數的月際分布

圖4是2017—2020年廈門機場地面風突變后達到更換跑道閾值次數日分布。從圖4可知，地面風突變后達到變更跑道閾值的時次主要集中在05～09時，06時為峰值，03時有一次峰值，恰逢廈門機場航班的密集區，對航空運行影響大。夜間地面風突變后達到變更跑道閾值的時次驟減，其中15、18、20時未曾發生地面風突變達到變更跑道閾值。進一步統計發生地面風突變觸發更換跑道閾值的頻率(圖5)，發現在傍晚(8～10時)發生地面風突變時最容易觸發更換跑道的閾值，夜間至次日白天(11～22時)由于總體樣本較少，可能存在一定偏差值。由此可見在傍晚時段內出現的地面風突變更有可能對飛行有重要影響。

圖4 2017—2020年廈門機場地面風突變達到更換跑道閾值次數日變化分布

圖5 2017—2020年廈門機場發生地面風突變觸發更換跑道閾值頻率的日變化分布

4 結論

通過以上分析，發現廈門機場地面風的突變特征有以下幾點：

①一年之中，夏季及春夏、夏秋換季時(5～9月)為風的突變的高發期，以7月、9月為甚，而一日之中，中午到下午是地面風發生突變的高發時期。

②地面風突變日分布峰值出現的時間與季節相關，自夏季至冬季峰值出現的時間逐步由04時推遲至06時，自冬季至夏季其峰值出現的時間又逐步由06時提早至04時。

③地面風突變的日變化特征在4～7月呈單峰結構，8月開始逐步表現出雙峰的特點，在秋冬之交至冬季(11月～1月)雙峰特征最為明顯。

④海陸效應是引起廈門機場地面風發生突變的主導因素，其次是冷空氣和對流天氣影響，臺風天氣影響最少。其中夏季為海陸效應占據主導地位，冬季影響地面風突變的主導因素則是冷空氣。

⑤6～9月為對流天氣造成地面風突變的高發期，對流引起的風的突變存在明顯的峰區(04～10時)和谷區(17～19時)，其余時次分布較為平均。

⑥有近15%的地面風突變對航空運行造成重要影響，主要發生在夏季和春季，并且集中發生在航班的密集時段(05～09時)。

⑦傍晚(8～10時)發生地面風突變時最容易觸發更換跑道的閾值。