成都雙流國際機(jī)場霜、雪天氣特征及其對運(yùn)行的影響

徐 海，楊櫟楠，傅文伶，林 莉

(民航西南空中交通管理局氣象中心，成都 614000)

飛機(jī)關(guān)鍵表面的霜、冰、雪等會破壞飛機(jī)的空氣動力性能，嚴(yán)重時(shí)會造成事故[1-4]。2004年11月21日，由內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市飛往上海市的MU5210航班，起飛后墜入機(jī)場附近的湖里，包括47名乘客、6名機(jī)組人員在內(nèi)的機(jī)上53人全部罹難。事故調(diào)查組認(rèn)為本次事故的原因是：飛機(jī)起飛過程中，由于機(jī)翼污染使機(jī)翼失速臨界迎角減小，當(dāng)飛機(jī)剛剛離地后，在沒有出現(xiàn)告警的情況下飛機(jī)失速，飛行員未能從失速狀態(tài)中改出，直至飛機(jī)墜毀。事故調(diào)查組認(rèn)為，飛機(jī)在包頭機(jī)場過夜時(shí)存在結(jié)霜的天氣條件，機(jī)翼污染物最大可能是霜[5]。據(jù)中國民用航空局相關(guān)規(guī)范[6-7]要求，在地面起飛前要求一些關(guān)鍵表面不能帶冰、雪、霜(稱為“冰凍污染物”)起飛。

成都雙流國際機(jī)場(以下簡稱雙流機(jī)場)地處四川盆地西部，最冷月1月平均氣溫為6.2 ℃，降雪、積雪日數(shù)少，但霜(即水汽在地面或物體表面的凝華現(xiàn)象)、雪天氣出現(xiàn)時(shí)對航班正常率有較大影響。如2018年1月9—11日，3 d因除霜造成航班延誤共124架次，2018年12月29日的降雪天氣，造成航班延誤17架次。提前預(yù)報(bào)霜、雪天氣，評估其對運(yùn)行的影響，可使機(jī)場和航空公司提前采取措施，減少因除霜、雪帶來的航班延誤，提高運(yùn)行效率。

1 資料

利用2012—2020年的雙流機(jī)場地面觀測資料和溫江站常規(guī)探空資料，分析雙流機(jī)場霜日、雪日的基本特征及霜、雪出現(xiàn)時(shí)的氣象要素統(tǒng)計(jì)特征，同時(shí)利用成都雙流國際機(jī)場指揮中心(以下簡稱指揮中心)提供的2018年1月、12月除冰(包含霜、雪)記錄，分析雙流機(jī)場霜、雪天氣的預(yù)報(bào)與服務(wù)重點(diǎn)。雙流機(jī)場天氣現(xiàn)象、云量資料為人工觀測，時(shí)間分辨率為1 h。風(fēng)、溫、壓、濕、能見度等氣象要素資料為自動觀測，由機(jī)場兩條跑道兩端共四套自動氣象觀測系統(tǒng)(分別記為02 L、02 R、20 L、20 R)測量，風(fēng)為2 min平均值，其余要素為1 min平均值，時(shí)間分辨率均為1 min，其中02 L端為雙流機(jī)場的觀測基準(zhǔn)點(diǎn)，因此主要采用02 L端資料進(jìn)行分析。利用雙流機(jī)場微波輻射計(jì)資料分析2018年12月28—29日降雪天氣的溫濕層結(jié)特征。微波輻射計(jì)溫、濕層結(jié)資料垂直分辨率隨高度增加而降低，從25、30、40、60、90、100、150、200 m到300 m不等，如100 m以下為25 m，100～520 m為30 m，500～1 200 m為40 m，6 000 m以上為300 m；時(shí)間分辨率為1～2 min不等。

2 霜日的氣候特征及其氣象要素特征

2.1 霜日的基本特征

雙流機(jī)場從2012—2019年度(年度定義為當(dāng)年7月至次年6月)共計(jì)霜日39 d，年均4.9 d。霜日出現(xiàn)在12、1、2月，主要出現(xiàn)在1月和12月，分別為19 d和16 d。初霜最早出現(xiàn)在2012年的12月5日，終霜最晚出現(xiàn)在2016年的2月15 日。霜日有明顯的年際變化，其中2017、2018年度霜日分別為9 d、8 d，2016年度無霜日。

2.2 霜日的氣象要素特征

預(yù)報(bào)霜需要參考前一日的溫、濕、風(fēng)情況并預(yù)計(jì)夜間至日出前的溫、濕、風(fēng)。計(jì)算分析雙流機(jī)場霜日前一日13時(shí)至當(dāng)日10時(shí)逐時(shí)氣溫、露點(diǎn)溫度、相對濕度、風(fēng)速、能見度的中位數(shù)和四分位數(shù)，詳見圖1。

圖1 雙流機(jī)場02L端2012—2019年度霜日氣象要素日變化箱線圖

霜日雙流機(jī)場氣溫中位數(shù)從前一日傍晚開始逐漸下降，04時(shí)下降至2.0 ℃以下，06時(shí)下降至1.0 ℃以下，07時(shí)達(dá)到最低，為0.4 ℃，08時(shí)緩慢升高到0.5 ℃，09時(shí)迅速升高至2.9 ℃。前一日氣溫最高可達(dá)16.9 ℃，出現(xiàn)在16時(shí)。

霜日雙流機(jī)場露點(diǎn)溫度中位數(shù)在前一日下午為負(fù)值，到傍晚逐漸升高，18時(shí)升高至0.2 ℃，20時(shí)升高至1.0 ℃以上后維持，03時(shí)下降至1.0 ℃以下，07、08時(shí)最低，為0.2 ℃，09時(shí)迅速升高至1.9 ℃。前一日最低露點(diǎn)溫度為-14.4 ℃，出現(xiàn)在16時(shí)。

霜日相對濕度中位數(shù)前一日下午低于50%，傍晚開始逐漸增加，21時(shí)增加至80%以上，03時(shí)增加至90%，04—09時(shí)在95%以上。在04—07時(shí)，最小的相對濕度均大于80%。前一日最小濕度為17%，出現(xiàn)在13、14時(shí)。

霜日風(fēng)速整體較小，前一日夜間風(fēng)速的中位數(shù)多在1 m/s以下，02時(shí)后多為靜風(fēng)，最大的平均風(fēng)速在3 m/s以下。

霜日能見度中位數(shù)除早上08、09時(shí)為1 300 m和1 500 m以外，其余時(shí)段多大于2 000 m，02—10時(shí)，能見度可以低至200 m及以下。

分析雙流機(jī)場霜日01—10時(shí)逐時(shí)人工觀測總云量(民航氣象觀測技術(shù)規(guī)范規(guī)定總云量為8成)，夜間總云量平均在4成以下，為晴到少云天氣。

2.3 霜日的氣象要素極值特征

霜日的日最低氣溫、日最大相對濕度均出現(xiàn)在00時(shí)以后，日最高氣溫和日最小相對濕度出現(xiàn)在前一日下午。表1是霜日前一日13時(shí)至當(dāng)日10時(shí)跑道四端的氣溫、露點(diǎn)溫度、相對濕度、能見度的極值情況。霜日跑道四端最高的日最低氣溫略有差異，20R端為2.9 ℃，20L端為1.1 ℃。從最低的最大相對濕度來看，各端早上相對濕度接近或大于90%。各端最低能見度為0～50 m。霜日雙流機(jī)場基準(zhǔn)觀測點(diǎn)的前一日氣溫最高至16.9 ℃，相對濕度最低至17%，最低氣溫可以高至2.1 ℃，最大相對濕度可低至91%。

表1 雙流機(jī)場02L端2012—2019年霜日氣溫、相對濕度、露點(diǎn)溫度、能見度極值

綜上所述，雙流機(jī)場出現(xiàn)霜時(shí)，氣溫通常在04時(shí)下降至2.0 ℃，07、08時(shí)為0.5 ℃，相對濕度一般在04時(shí)達(dá)到95%并維持，天空狀況為少云到多云，平均風(fēng)速多在1 m/s以下，能見度多在1 000 m以上。霜日雙流機(jī)場基準(zhǔn)觀測點(diǎn)的前一日氣溫最高至16.9 ℃，相對濕度最低至17%，霜日最低溫度可以高至2.1 ℃，最大相對濕度可低至91%。霜日的最低能見度為0～50 m。

3 雪日及其氣象要素特征

在一定條件下，冰晶通過水汽凝華增長成雪晶，雪晶通過碰并效應(yīng)增長，最終形成雪花降落。形成降雪首先要有冰晶形成。有觀察和實(shí)驗(yàn)表明，在我國，冰晶啟動和生長的溫度在-9 ℃以下，其中高嶺土和黃土的成冰溫度為-9 ℃，粘土為-12 ℃[8]。有研究認(rèn)為溫度垂直廓線對降水類型起主導(dǎo)作用，925、850、1 000 hPa的氣溫常被總結(jié)為降水相態(tài)的指標(biāo)，地面氣溫、露點(diǎn)溫度對雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)化也有重要影響[9-14]。因此，主要分析降雪時(shí)的溫濕層結(jié)特征和地面氣溫、露點(diǎn)溫度變化情況。

3.1 雪日的基本特征

雙流機(jī)場降雪出現(xiàn)較少，2012—2019年度，共計(jì)出現(xiàn)雪日(含雨夾雪日)12 d，其中1月7 d，2月3 d，12月2 d。僅有5 d出現(xiàn)了純雪，其中1月和12月分別出現(xiàn)2 d，2月出現(xiàn)1 d，均未積雪。雙流機(jī)場1994年1月18日曾出現(xiàn)4.0 cm的積雪。

3.2 雪日溫濕層結(jié)特征

利用2012—2019年12 d雪日臨近時(shí)刻溫江站的探空資料，總結(jié)分析雙流機(jī)場出現(xiàn)雪時(shí)的溫濕層結(jié)特征。統(tǒng)計(jì)表明，雙流機(jī)場觀測到雪時(shí)，0 ℃層平均高度為904 m，最高為1 013 m，最低為790 m。雙流機(jī)場海拔高度為495 m，可見在雪粒下落過程中，在高于0 ℃環(huán)境中存在的高度大約為400 m，最高不超過520 m。-10 ℃層的平均高度為2 612 m，最高3 080 m；-20 ℃層的平均高度為6 018 m，最高為7 120 m。

分析雪日氣壓標(biāo)準(zhǔn)層對應(yīng)的溫度及溫度露點(diǎn)差可見，700 hPa平均溫度為-12 ℃，在冰晶啟動和生長的最佳溫度區(qū)間內(nèi)，平均溫度露點(diǎn)差與最高溫度露點(diǎn)差均為2 ℃，濕度較大。500 hPa濕度差異較大，溫度露點(diǎn)差平均為10 ℃，最高為24 ℃，最低為1 ℃。定義溫度露點(diǎn)差小于等于4 ℃為濕層，則降雪時(shí)平均濕層頂為5 128 m，最低3 774 m(2014年2月11日20時(shí)，對應(yīng)氣壓為630 hPa)。

雙流機(jī)場雪日地面平均氣溫2.4 ℃，最高氣溫4.6 ℃，出現(xiàn)在2013年1月6日17時(shí)，最低0.8 ℃，出現(xiàn)在2018年12月29日06時(shí)。其中降純雪時(shí)的地面氣溫多在2 ℃以下，僅2016年1月22日氣溫為3.6 ℃。地面露點(diǎn)溫度平均為0.4 ℃，最低為-3.5 ℃，出現(xiàn)在2013年1月4日10時(shí)，最高為1.5 ℃，出現(xiàn)在2013年1月5日03時(shí)，其中降純雪時(shí)的露點(diǎn)溫度均在0 ℃及以下。

3.3 雪日個(gè)例溫濕特征

2018年12月28—29日，雙流機(jī)場經(jīng)歷了雨轉(zhuǎn)雨夾雪再轉(zhuǎn)雪的過程。28日08：46觀測到雨夾雪，11：10轉(zhuǎn)為雨，16：37轉(zhuǎn)為雨夾雪，22：37轉(zhuǎn)為雪，29日14：40降雪結(jié)束。利用雙流機(jī)場微波輻射計(jì)資料和地面觀測資料，分析降水相態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)地面及高空的溫濕變化(注：因微波輻射計(jì)資料問題，僅分析28日14時(shí)至29日14時(shí)數(shù)據(jù))。

圖2中80%濕度線在28日14—21時(shí)由2 700 m緩慢上升至4 000 m高度后維持，與-9 ℃線于15時(shí)相交，與-12 ℃線于21：30相交。雨轉(zhuǎn)為雨夾雪的時(shí)間出現(xiàn)在-9 ℃線與80%濕度線相交約1.5 h后，雨夾雪轉(zhuǎn)為雪的時(shí)間出現(xiàn)在-12 ℃線與80%濕度線相交約1 h后。可見此次過程濕層溫度低至-9 ℃時(shí)有冰晶產(chǎn)生，形成雨夾雪，濕層加厚，濕層溫度低至-12 ℃后轉(zhuǎn)為雪。冰晶的啟動和增長溫度與相關(guān)研究[8]一致。

陰影為相對濕度；黑線為80%相對濕度等值線；白線為-9、-10、-12 ℃等溫線。圖2 2018-12-28T14—29T14雙流機(jī)場逐時(shí)氣溫、相對濕度

氣溫28日14時(shí)到29日05時(shí)由4.0 ℃波動下降至0.8 ℃，29日03—11時(shí)維持在1.5 ℃以下。在相態(tài)變換時(shí)間附近，17時(shí)和23時(shí)，氣溫分別為3.3 ℃和2.4 ℃。降水相態(tài)的變化可能也與地面氣溫的降低有關(guān)。

溫江站29日08時(shí)-10 ℃高度為2 590 m，微波輻射計(jì)測得為1 500 m，雙流機(jī)場海拔高度為495 m，則-10 ℃層高度差約為600 m。這可能與兩地相距近20 km，且一個(gè)為位勢高度，一個(gè)為絕對高度有關(guān)。上述個(gè)例說明，微波輻射計(jì)的溫濕層結(jié)資料對預(yù)報(bào)雨雪轉(zhuǎn)換有一定指示意義。

綜上所述，預(yù)報(bào)雙流機(jī)場降雪時(shí)，在降水的環(huán)流背景下，應(yīng)重點(diǎn)考慮上空的溫濕配置條件。如果出現(xiàn)低于-9 ℃的濕層，700 hPa溫度在-12 ℃及以下，850 hPa溫度達(dá)到-5 ℃及以下，0 ℃層距離地面的平均高度小于400 m，可預(yù)報(bào)降水相態(tài)為雪或雨夾雪。如果地面氣溫低至2 ℃以下，則可以考慮為雪而不是雨夾雪。微波輻射計(jì)的溫濕層結(jié)資料對預(yù)報(bào)雨雪轉(zhuǎn)換有一定指示作用。

4 霜、雪天氣對雙流機(jī)場運(yùn)行的影響及其氣象要素特征

4.1 霜、雪天氣對雙流機(jī)場運(yùn)行的影響

以2018年為例，統(tǒng)計(jì)分析雙流機(jī)場除冰架次及伴隨天氣現(xiàn)象(見表2)。其中1月9日無具體除冰架次記錄，僅有因除冰而延誤架次，因此推斷該日除冰架次大于等于53次。

表2 2018年1月、12月雙流機(jī)場除冰架次及對應(yīng)天氣現(xiàn)象

由表2可見，雙流機(jī)場1月和12月記錄的除冰日和霜、雪(含雨夾雪)日共有14 d。同時(shí)有除冰記錄和霜雪天氣記錄的共7 d，有除冰記錄無霜雪天氣記錄的2 d，有霜雪天氣記錄而無除冰記錄的5 d。可見，當(dāng)除冰時(shí)，有接近80%的天氣報(bào)告包含霜雪天氣，而報(bào)告霜雪天氣時(shí)，接近60%的情況下會進(jìn)行除冰工作，氣象報(bào)告霜、雪的有無與是否開展除冰工作并非嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，這可能與氣象觀測員所處的觀測環(huán)境有關(guān)。觀測員觀測位置與停機(jī)坪位置不同，同時(shí)機(jī)體表面和草坪表面的熱傳導(dǎo)性不同，導(dǎo)致觀測員在觀測場地觀測到的霜與停機(jī)坪機(jī)體表面出現(xiàn)的霜不同步。

除冰架次的分化較明顯。在有除冰記錄的9 d中，有7 d除冰架次在30次以上，其余2 d除冰架次分別為5次和2次。

4.2 對運(yùn)行有較大影響的氣象要素特征

圖3為表2中14 d逐日01—10時(shí)的逐時(shí)氣溫、露點(diǎn)溫度、溫度露點(diǎn)差、相對濕度、云量時(shí)間序列圖，其中方框處表示除冰架次超過30架次。由圖3可見，對運(yùn)行有重要影響的霜日，07—08時(shí)氣溫均可低至0 ℃或以下，露點(diǎn)溫度均低于或等于0 ℃，最大相對濕度均接近或達(dá)到飽和。12月12日除冰架次31次，但未觀測到霜。該日溫度07、08時(shí)低于0 ℃，相對濕度達(dá)到100%，與影響嚴(yán)重的霜日氣象要素特征一致。1月12日僅有5個(gè)航班進(jìn)行了除冰，該日為霜日，且07、08時(shí)氣溫為-0.1 ℃，露點(diǎn)溫度低于或等于0 ℃；但早上最大相對濕度為94%，其余時(shí)次相對濕度也明顯低于其他影響嚴(yán)重的日期。對運(yùn)行沒有影響或影響很小的霜日有1月29日、1月31日，12月16、17日，最低溫度在1 ℃以上，露點(diǎn)溫度也大多在0 ℃以上。上述分析可以認(rèn)為，當(dāng)預(yù)計(jì)夜間至日出前最低氣溫至0 ℃，且相對濕度接近飽和時(shí)，考慮天氣會對運(yùn)行造成較大影響。

圖3 2018年1月、12月雙流機(jī)場霜、雪日和機(jī)場除冰日的逐時(shí)(01—10時(shí))云量、氣溫、露點(diǎn)溫度、溫度露點(diǎn)差及相對濕度(方框區(qū)表示除冰架次超過30架次)

降雪影響運(yùn)行僅出現(xiàn)在12月29日，當(dāng)日最低氣溫高于0 ℃，在1 ℃左右，露點(diǎn)溫度為0 ℃。據(jù)了解，在10時(shí)氣溫1.4 ℃時(shí)，對部分落地飛機(jī)仍在進(jìn)行除冰。1月8日、12月28日為雨夾雪天氣，氣溫多在2 ℃以上，對運(yùn)行沒有影響。降雪導(dǎo)致的除冰比較復(fù)雜，可能和機(jī)場上空的溫濕層結(jié)和地面溫濕情況有關(guān)。降雪期間氣溫較長時(shí)間在2 ℃以下時(shí)，應(yīng)關(guān)注天氣對運(yùn)行的影響，特別注意穿云結(jié)冰導(dǎo)致的除冰情況。

5 結(jié)論和討論

利用雙流機(jī)場2012—2020年的地面觀測資料和溫江站常規(guī)探空資料等，分析了雙流機(jī)場霜、雪特征及霜日、雪日的氣象要素特征。同時(shí)利用雙流機(jī)場指揮中心提供的2018年1月、12月除冰記錄，分析雙流機(jī)場霜、雪天氣對運(yùn)行的影響。得出結(jié)論如下。

(1)雙流機(jī)場出現(xiàn)霜時(shí)，氣溫通常在04時(shí)下降至2.0 ℃，07、08時(shí)降至0.5 ℃，相對濕度一般在04時(shí)達(dá)到95%并維持，天空狀況為少云到多云，平均風(fēng)速多在1 m/s以下。

(2)雙流機(jī)場雪(含雨夾雪)出現(xiàn)時(shí)，700 hPa氣溫平均為-12 ℃，850 hPa為-5 ℃，925 hPa為0 ℃，地面平均氣溫2.4 ℃，平均露點(diǎn)溫度為0.4 ℃。0 ℃層距離地面的平均高度為400 m。

(3)氣象報(bào)告霜、雪的有無與是否開展除冰工作并非嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)低溫天氣對運(yùn)行影響的研究。當(dāng)預(yù)計(jì)夜間至日出前最低氣溫至0 ℃，且相對濕度接近飽和時(shí)，則考慮天氣會對運(yùn)行造成較大影響。降雪時(shí)，地面氣溫較長時(shí)間在2 ℃以下應(yīng)關(guān)注天氣對運(yùn)行的影響。