德宏芒市機場一次順風天氣過程分析

宋金梅，楊建華

(1.云南機場集團有限責任公司大理機場，云南 大理 671000；2.云南機場集團有限責任公司德宏芒市機場，云南 德宏 678400)

0 引言

近年來，隨著民航運輸業的快速發展，為保證航空運輸的安全、正常運行和效率，飛行對航空氣象要素的要求也越來越高。風與飛行活動密切相關，是影響飛機運行的重要因素之一，近地面的風向、風速變化，對飛機起飛爬升和下滑進近階段時的安全有直接影響。風相對于飛行方向有順風、逆風、側風。民航要求飛機的起飛和著陸盡量在逆風條件下進行，可以縮短飛機滑跑距離，減小離地和著陸速度，但風速超過一定限度也可以使飛機操作困難，使著陸下滑角和下滑率增大，有可能使飛機在跑道頭提前接地；順風起降將增大滑跑距離，減少飛機上升率和下滑率，當風速超過規定值時，飛機有可能沖出跑道或撞擊障礙物；當飛機在側風中起降時，飛機除向前運動外，還順著側風方向移動，如不及時修正就會偏離跑道方向，飛機在滑跑過程中，側風對飛機垂直尾翼的側壓力，會使機頭向側風方向偏轉，有可能造成飛機打地轉等不良后果[1]。近年來，多個機場對風這個氣象要素的研究較多[1-5]，得到了地面風研究成果，但對機場順風天氣研究較少。黃儀方等[6]在對航班延誤的氣象因素分析中指出，順風超標造成的航班延誤和取消僅次于低云，是影響航班運行的一個重要氣象因素。因此，本文選取德宏芒市機場一次順風天氣過程，利用傳統天氣學方法，分析天氣形勢和風場水平及垂直特征，為今后機場順風天氣的監測預警和相關研究提供參考。

1 德宏芒市機場概況及資料來源

德宏芒市機場位于青藏高原以南，橫斷山脈、高黎貢山以西，24°24′05″N，98°31′55″E，處于群山中間的一個壩子里，地勢東北高西南低，平均海拔高度僅為877 m?！兜潞昝⑹袡C場氣候志》[7]指出德宏芒市機場常年受西南季風及孟加拉灣西南暖濕氣流影響，全年盛行西南風，風向穩定，風速小，年平均風速為1 m/s。但有強天氣系統過境或較強北風持續時，會出現東北風。德宏芒市機場跑道呈東北—西南向，東北向45°，西南向225°。根據中國民航機場跑道命名規則，東北端為23號，西南端為05號。在民航飛行中，用飛機起降使用的跑道來確定順風，由于全年盛行西南風，德宏芒市機場主用東北端(23號跑道)起降，所以23號的東北風為順風。持續順風超標會嚴重影響機場航班的正常運行。根據《民用航空空中交通管理規則》(CCAR-93TM-R5)[8]規定，在跑道長度、凈空等條件允許時，航空器可以在順風分量風速不大于2.5 m/s時起降，在著陸跑道接地地帶或起飛跑道離地端裝有風速儀，航空器可以在順風分量風速大于2.5 m/s但不大于3.5 m/s時起降；順風的風向與跑道方向的夾角有±30°的限制，本文所指的順風超標為風向20°～80°，且風速≥3 m/s的地面風。

本文利用德宏芒市機場地面氣象自動觀測系統采集的距地面10m高度上的逐分鐘和逐小時10 min平均風，風向的分辨率為10°，風速的分辨率為1 m/s；距地面1.5m高度上的逐小時溫度，精度為1位小數；人工觀測的天空總云量，精度為整數，民航氣象中云量采用8分量制，天空總云量0為無云或云量不足1個量，1～2個量為少云，3～4個量為疏云，5～7個量為多云，8個量為滿天云；ECMWF0.75°×0.75°再分析資料，利用傳統天氣學分析法，研究德宏芒市機場2017年11月3—4日的順風天氣過程。

2 天氣實況

2017年11月3—4日德宏芒市機場出現一次順風超標天氣過程。11月3日為多云伴有降水天氣，11月4日凌晨轉為晴天少云。由11月3—4日風向、風速的逐小時演變結果(圖1)及逐分鐘變化情況(圖略)可知，德宏芒市機場3日16時29分—20時51分、20時56分—21時14分、21時20分—28分、21時45分—23時19分、23時47分—4日00時25分、00時42分—01時53分、02時15分—55分、02時59分—03時21分、03時50分—04時07分分別出現風速≥3 m/s的東北順風，期間10 min平均風速的逐分鐘值為3～6 m/s，極大風速達9 m/s；4日04時08分—11時00分德宏芒市機場普遍為2～3 m/s的東南風，11時02分—15時18分、15時34分—42分、15時46分—59分、16時10分—35分、16時45分—52分、17時09分—15分、17時31分—57分、18時08分—20分、18時44分—48分、19時02分—20分時段均為東北順風，期間10 min平均風速的逐分鐘值為3～7 m/s，極大風速達11 m/s。此次順風天氣過程導致德宏芒市機場3日有6個航班取消，4日有13個航班取消，給德宏芒市機場的航班運行帶來極大的影響。

圖1 11月3—4日逐小時平均風向、風速變化趨勢Fig.1 Hourly average wind direction and wind speed variation trend on November 3 to 4

3 天氣形勢和環流背景

3.1 高空環流背景

2日20時，500 hPa上(圖2a)，中高緯地區受一槽一脊控制，高壓脊位于巴爾喀什湖以東、貝加爾湖以西，貝加爾湖以東有低壓槽發展，并出現閉合環流中心，呈東北—西南走向，槽底向南發展可伸展到重慶，槽后西北氣流強勁；中高緯地區溫度槽與低壓槽疊加，低壓中心附近有接近-41 ℃的冷中心；中低緯青藏高原南側有南支槽，位相落后于中高緯低壓槽，孟加拉灣上空受弱高壓系統影響，云南西部受南支槽前部的西南氣流控制，南支槽前部的西南氣流與中高緯低壓槽后部的西北氣流交匯，造成德宏芒市地區出現多云有降水天氣。由圖2a還可以看出，南海熱帶低壓系統發展，即為2017年第23號臺風“達維”，副熱帶高壓主體位于臺灣以東的西太平洋海面上。700 hPa上(圖2b)，中高緯地區低壓槽形勢明顯，溫度槽落后于高度槽，新疆以西均由高壓控制；臺風“達維”外圍的偏東氣流以及孟加拉灣的偏南氣流為德宏芒市地區帶來水汽。高低層系統有效配合，造成德宏芒市地區多云有降水。

3日14時，500 hPa上(圖2c)，中高緯的低壓環流中心向東南方向移動，低壓槽底部曲率增大，槽加深，低槽仍呈東北—西南向；高壓脊向東移動,由經向型轉為緯向型；云南仍處于南支槽前的西南氣流中，孟加拉灣高壓范圍增大，北部已伸至20°N附近，破壞了南支槽的結構，導致云南西部的西南風風速明顯減小，且臺風“達維”向西移動。700 hPa上(圖2d)，中高緯低壓環流維持，并向東移動；中高緯高壓向東南移動，云南處于高壓外圍的東風氣流中；臺風“達維”西移，其北部的偏東氣流與高壓南部的偏東氣流匯合，導致云南上空的偏東風加強。

4日08時(圖略)，500 hPa中高緯低壓環流中心繼續向東南方向移動，橫槽轉豎；高壓脊向東移動，臺風“達維”西移在柬埔寨登陸，并與孟加拉灣高壓外圍匯合；700 hPa高壓脊和低壓環流均東移減弱，云南主要受高壓外圍的東風氣流控制。4日14時，500 hPa上(圖2e)，中高緯低壓環流中心明顯向東南方向移動入海；高壓脊向東減弱移動，臺風“達維”登陸柬埔寨后強度減弱，其外圍東北氣流與孟加拉灣高壓外東北氣流匯合后，造成高壓增強，孟加拉灣高壓繼續北抬，云南西部處于弱西南氣流中。700 hPa上(圖2f)，中國大部被高壓控制，云南處于偏東—東北氣流中；低壓東移，環流中心減弱消失。由圖2a-2f還可以看出，2日20時、3日14時、4日14時的500 hPa和700 hPa均顯示出云南西部溫度線與風場基本平行，無明顯交角，且低壓槽主要沿偏東路徑移動，因此可知，德宏芒市地區溫度平流不明顯。

圖2 500 hPa 2日20時(a)、3日14時(c)、4日14時(e)和700 hPa 2日20時(b)、3日14時(d)、4日14時(f)高空風場(風羽，單位：m/s)和溫度場分布(等值線，單位：K)(黑圓點位置為德宏芒市機場，下文同)Fig.2 The distribution of wind (barb,unit:m/s)and temperature (contour,unit:K)is 500 hPa at 20∶00 on November 2 (a)、at 14∶00 on November 3 (c)、at 14∶00 on November 4 (e)and 700 hPa at 20∶00 on November 2 (b)、at 14∶00 on November 3 (d)、at 14∶00 on November 4 (f)(The position of the black dot is Dehong Mangshi airport,hereinafter the same)

3.2 地面形勢

由地面形勢可以看出，3日08時(圖3a)，蒙古高原上冷高壓強度達1 037.5 hPa，隨著高空低槽東南移，蒙古高原上的冷高壓也不斷南移，3日14時(圖略)，冷高壓中心移到內蒙古，中國中東部地區均受其外圍氣流控制。冷高壓快速移動，4日08時(圖3b)，冷高壓中心已到達黃淮流域。冷空氣沿冷高壓東部偏東路徑迅速南下影響中國中東部地區。4日14時(圖略)，冷高中心逐漸減弱東移。

圖3 3日08時(a)和4日08(b)時地面形勢場(等值線，單位：hPa)Fig.3 The ground situation field at 08:∶00 on November 3 (a)and on November 4 (b)(contour,unit:hPa)

結合高空環流形勢和地面形勢可以看出，此次順風天氣過程為橫槽轉豎，冷空氣向東南移動影響中國中東部地區。云南從3日開始處于冷高壓外圍的偏東北氣流中，雖然500 hPa上受西南氣流控制，但強度較弱，不足以引導地面的環流形勢，地面主要受冷高壓外圍的東北風影響，冷高壓南下導致了德宏芒市機場東北順風的持續，并且冷高壓東移南下過程中強度有所減弱，加上德宏芒市受高聳的哀牢山、無量山阻擋，冷空氣難以到達。所以，德宏芒市地區的冷平流不明顯，溫度變化不大。

4 水平風場U、V分量分析

由于3—4日德宏芒市機場的東北順風風速分別從3日16時、4日11時開始增大，故選擇3日20時、4日14時850 hPa高度上水平風場的東西分量和南北分量進行分析。

從3日20時水平風場的東西分量(圖4a)看出，德宏芒市以東風分量為主，風速達5 m/s，云南東南部至華南地區均為東風控制，南海西部東風分量最大，其風速達20 m/s，由圖2可知，偏東風是由臺風“達維”西移引起的；從南北分量(圖4b)看出，德宏芒市以北風分量為主，風速在0～5 m/s之間，中國東北到東南沿海地區均受北風影響，其最大風速達15 m/s，偏北風是由冷空氣南下影響造成的。從4日14時水平風場的東西分量(圖4c)看出，德宏芒市仍以東風分量為主，風速在0～5 m/s之間，南海東部東風分量最大，其風速達20 m/s；從南北分量(圖4d)看出，德宏芒市以北風分量為主，風速在0～5 m/s之間，中國東北到東南沿海的北風最大風速比3日20時偏小，其最大風速為12 m/s。在此次順風超標過程中，地面風的東西分量表現為東風占主導地位，其風速為5 m/s，南北分量表現為北風占主導地位，風速在0～5 m/s之間，北風分量相對東風分量偏小?？傊潞昝⑹袡C場3～4日的順風過程偏東風占主要地位，是由冷高壓外圍偏東氣流和臺風“達維”外圍偏東氣流匯合、加強所致，與700 hPa上云南上空偏東風氣流加強相對應。

圖4 850 hPa水平風場u分量3日20時(a)、4日14時(c)和v分量3日20時(b)、4日14時(d)分布(單位:m/s，負值為東風或北風)Fig.4 The u component of the horizontal wind on 850 hPa at 20∶00 on November 3 (a)and at 14∶00 on November 4 (c)、The v component of the horizontai wind on 850 hPa at 20∶00 on November 3 (b)and at 14∶00 on November 4 (d)(unit:m/s,negative value is east wind or north wind)

5 風場垂直結構分析

孫建明等[9]指出動量下傳大風一般發生在冷空氣南下后的1～2 d，天氣轉晴的當天中午到傍晚，其通過高空干冷空氣南壓下沉來實現。鄔仲勛等[10]指出在冷空氣大風過程中，受高空系統引導會出現動量下傳，高空槽是造成動量下傳的主要原因。

利用ECMWF資料沿24°N做垂直速度剖面分析(圖5)。3日20時(圖5a)，德宏芒市地區98°E上空除600～400 hPa為弱上升運動外，其余各層以下沉運動為主，并且在850 hPa附近下沉速度最大，即0.4 Pa/s，相應地德宏芒市機場東北風風速開始增大；4日02時(圖5b)，德宏芒市以西(95°E)和以東(105°E)從近地面到400 hPa均為上升運動，而德宏芒市(98°E)上空均為下沉運動，以850 hPa附近的0.3 Pa/s為最大，且德宏芒市機場一直為東北順風；4日08時(圖5c)，德宏芒市以西、以東仍為上升運動，德宏芒市上空仍為下沉運動，且最大下沉速度位置不變，但最大下沉速度已增大到0.6 Pa/s，德宏芒市4日凌晨由多云轉晴，08時溫度不高，比3日08時降低了3 ℃，多云轉晴的天氣引起輻射降溫，造成空氣對流運動不強，不能引起地面風速增大，此時德宏芒市機場東北風速還未增大；4日14時(圖5d)，德宏芒市上空除600～700 hPa外，對流層中低層仍以下沉運動為主，最大下沉速度為0.2 Pa/s，德宏芒市機場從4日09時開始升溫較快，引起空氣對流運動加強，從而造成高低空能量交換，引導地面風速逐漸增大，到14時東北風速已迅速增大。綜上所述，德宏芒市機場3日東北順風增大過程與冷空氣南下造成的動量下傳和臺風西移有關；4日東北順風增大過程除了與冷空氣南下造成的動量下傳和臺風西移有關外，還與局地溫度升高引起的對流運動有關。

由圖5還可以看出，在昆明及其東部(102°E以東)3日20時—4日14時從低層至300 hPa一直為下沉運動，通過查閱昆明機場的逐時風向風速數據可知，昆明機場11月2日02時—4日15時為持續東北風，風速為3～9 m/s。

圖5 沿24°N作2017年3日20時(a)、4日02時(b)、4日08時(c)、4日14時(d)時垂直速度剖面(單位:Pa/s)Fig.5 The vertical velocity profile along 24°N at 20∶00 on November 3 (a)and at 02∶00 (b)、at 08∶00 (c)、at 14∶00 (d)on November 4 (unit:Pa/s)

6 結論

通過上述分析，得出以下結論：

①德宏芒市機場3日順風天氣過程是由冷空氣南下和南海臺風西移共同影響造成的，4日順風天氣過程除了與冷空氣南下造成動量下傳和臺風西移有關外，還與局地溫度升高引起的對流運動有關；并表現為與以往的對流天氣引起的順風不同，其呈現出風速大，持續時間長的特點。

②此次順風過程中，冷暖平流在德宏芒市表現不明顯，對順風過程影響較小。臺風“達維”外圍的東風氣流與地面冷高壓南部外圍的東北氣流匯合使德宏芒市偏東風加強，而孟加拉灣高壓對南支槽結構的破壞造成德宏芒市西南風減弱，這種配置對德宏芒市機場東北順風的維持起到促進作用。

③此次冷空氣過程中動量下傳對地面風速的增大有一定促進作用，但因其下沉運動和最大下沉速度的高度離地面較高，高空動量傳輸到地面較小，造成的風速變化??；另外，德宏芒市因處于云南西部，地理位置偏西，加上高山的阻擋，常年受冷空氣影響較小，隨著冷空氣東移南下伴有動量下傳時，其上空的動量下傳也減小，引起的風速變化并不大，主要為風向的轉變，因此德宏芒市機場東北順風雖然持續時間長，但沒有到達大風標準。

④在冷空氣東移南下影響過程中，云南中東部地區受的影響較大，昆明機場先于德宏芒市機場出現大范圍的東北風。因此在冷空氣南下過程中，當昆明及云南東部機場出現一致的東北風時，德宏芒市機場出現東北順風超標的可能性較大，可以借用昆明及云南東部機場的風向風速作為一個參考依據。