島礁跑道設(shè)計中的風候特征分析

鄭崇偉，高成志，張仲，孔潔，萬勇

島礁跑道設(shè)計中的風候特征分析

鄭崇偉1,2，高成志1，張仲3，孔潔3，萬勇4

（1.海軍大連艦艇學院，遼寧大連116018；2.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京211101；
3.江蘇省國際科技合作中心，江蘇南京210041；4.中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東青島266580）

以海上絲綢之路某島礁作為假想研究對象，利用來自ECMWF的ERA-interim風場資料，系統(tǒng)性地統(tǒng)計分析了飛機起降過程中極為關(guān)注的（強）風向頻率、6級以上大風頻率、6級以上陣風頻率、陣風系數(shù)（Gust Index，GI），為島礁跑道建設(shè)的合理性論證提供科技支撐。

島礁跑道；合理性；側(cè)風；強風向頻率；陣風系數(shù)

1 引言

戰(zhàn)略支點通常以島礁為依托，是人類邁向深藍的重要支撐，可為遠洋補給、海上搜救、人道主義救援、防災減災等提供支持。島礁跑道是戰(zhàn)略支點建設(shè)的重中之重，長久以來一直是世界性難題，需要展開充分論證，考慮到的因素包括：地理特征、氣候特征、海洋環(huán)境特征等[1-4]。依地形而建可以節(jié)約材料、縮短工期、減小施工難度，具有一定的合理性。但是，在實際應用中，跑道主要是為了保障飛機的起降。有利于飛機起降應該作為跑道建設(shè)是否合理的最高衡量標準。較強的側(cè)風、陣風很容易導致飛機滑出跑道，這種現(xiàn)象在島礁跑道、航母上體現(xiàn)的尤為明顯，這就要求對島礁跑道建設(shè)需求下的風候（風的氣候特征）展開精細化的統(tǒng)計分析，為跑道建設(shè)提供輔助決策。

前人對于全球海域的風候特征做過很多研究和很大貢獻。李培等[5]曾利用46 a（1950—1995年）的氣象船舶資料，按5°×5°網(wǎng)格統(tǒng)計單元，對北印度洋的平均風速、6級和8級大風進行過統(tǒng)計分析。鄭崇偉等[6]曾利用來自歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的ERA-interim風場資料，統(tǒng)計分析了“21世紀海上絲路”涉及海域的風候特征，主要包括海表風場的季節(jié)特征、（強）風向頻率、大風和陣風頻率、陣風系數(shù)、海表風速的長期變化趨勢等。鄭友華等[7]曾分析了北印度洋海表風速的突變形勢，發(fā)現(xiàn)年平均海表風速的突變形勢與冬季相似，突變期都在20世紀80年代初。劉春霞等[8]利用QuikSCAT散射計風速統(tǒng)計了南海的6級以上大風頻率，發(fā)現(xiàn)從10月—翌年3月在巴士海峽和臺灣海峽存在東北大風頻數(shù)中心，在12月頻數(shù)最大達到20 d；夏季西南大風頻數(shù)從6月6 d增加到8月12 d。鄭崇偉[9]曾利用10 a（1999年8月—2009年7月）的QN（QuikSCAT/NCEP）混合風場，統(tǒng)計分析了全球海域6級以上大風頻率的季節(jié)性、區(qū)域性差異。

但目前為止，極少有針對島礁跑道建設(shè)需求下的風候統(tǒng)計分析。本文利用來自ECMWF的風場資料，以海上絲綢之路某重點島礁為假想研究目標，統(tǒng)計分析島礁跑道建設(shè)需求下的風候特征，期望該方案可以在島礁跑道建設(shè)中得以推廣應用，為海上絲綢之路戰(zhàn)略展開、中國南海島礁建設(shè)等提供科技支撐、輔助決策。

2 資料與方法

本文采用的海面風資料是ERA-interim海表10 m風場資料（含U、V分量）和陣風風速資料，對島礁跑道建設(shè)需求下的風候特征展開統(tǒng)計分析，為島礁跑道建設(shè)的合理性論證提供科技支撐。ERA-Interim再分析資料來自ECMWF，是繼其早期產(chǎn)品ERA-40之后的新產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)使用了分辨率更高的氣象模式，在觀測資料的應用及同化方法方面也有很大改進[10-11]。使用最新的12 h窗口的四維變分同化技術(shù)，同化的資料包括衛(wèi)星資料、常規(guī)觀測資料，以及模式數(shù)據(jù)，作用在于提供ECMWF早期產(chǎn)品和新一代產(chǎn)品之間的銜接，目的是對ERA-40和更早的數(shù)據(jù)進行完善。ERA-Interim海表10 m風場資料和陣風風速資料的空間范圍都為：90°S～90°N，180°W～180°E；空間分辨率有0.125°× 0.125°、0.25°×0.25°、0.5°×0.5°、0.75°×0.75°、1.0°×1.0°..........2.5°×2.5°，本文選擇其中0.125°× 0.125°的空間分辨率；時間序列為1979年1月1日00：00至今，不斷更新中[12]。ERA-interim海表10 m風場時間分辨率為逐6 h（每6 h一個數(shù)據(jù)），ERA-interim陣風資料的時間分辨率為逐3 h。Dee等[10]、Song等[11]、Bao等[13]、馬永鋒等[14]曾將NCEPCFSR，NCEP-NCAR，ERA-Interim，and ERA-40 Reanalysis幾種數(shù)據(jù)與觀測資料進行比較，發(fā)現(xiàn)ERA-Interim在均方根誤差和偏差方面更優(yōu)。

本文以海上絲綢之路某島礁作為假定研究對象，該島礁的地形為近南北走向，有工程人員曾將該島礁的跑道規(guī)劃為南北向（圖略），其主要依據(jù)是依地形而建。顯然，其方案最大限度地利用了島礁地形。依地形而建可以節(jié)約材料、縮短工期、減小施工難度，有一定的合理性。而在實際應用中，跑道主要是為了保障飛機的起降。跑道建設(shè)過程中，對風的要求很高，尤其是較強的側(cè)風、陣風很容易導致飛機滑出跑道，這種現(xiàn)象在島礁跑道、航母上體現(xiàn)的尤為明顯，這就要求對島礁的風候特征展開精細化的統(tǒng)計分析，為跑道建設(shè)提供輔助決策。本文利用ERA-interim海表10 m風場資料和陣風風速資料，統(tǒng)計分析了該島礁跑道建設(shè)需求下的風候特征，分析內(nèi)容主要包括（強）風向頻率、6級以上大風頻率、6級以上陣風頻率、陣風系數(shù)（Gust Index，GI）等。

3 跑道建設(shè)的合理性

利用來自ECMWF近36 a（1979—2014年）的ERA-interim海表風場資料、陣風資料，計算了飛機起降過程中極為關(guān)注的風候特征，主要包括：（強）風向頻率、6級以上大風頻率、6級以上陣風頻率、陣風系數(shù)等，為島礁跑道設(shè)計、飛機起降提供科技支撐。

3.1 （強）風向頻率

側(cè)風過大極易導致飛機滑出跑道，也就是說，島礁跑道規(guī)劃首要考慮的要素之一就是側(cè)風。利用近36 a、逐6 h的ERA-interim風場資料，繪制了該海域的風玫瑰圖。圖1給出了風向頻率、風速頻率、強風等特征，風向劃分為16方位，首先可以從整體上看出不同風向出現(xiàn)的頻率（圖中的數(shù)字代表頻率）；此外，圖中的顏色代表風速，可以看出不同方位下，不同的風速出現(xiàn)的頻率；最后，還可以看出強風主要來自什么方向，及其出現(xiàn)的頻率。

2月，在頻繁的冷空氣影響下，NE向、ENE向的風出現(xiàn)頻率最高，分別為36%、34%，其中出現(xiàn)頻率最高的風速是6～8 m/s，其次是8～10 m/s。10 m/s以上的強風主要源自NNE向（7%）、NE向（4%）。

5月，處于冬季風向夏季風過度期，風向頻率稍顯凌亂，出現(xiàn)頻率相對偏高的是SW、E、ENE、WSW向。該季節(jié)的風速整體偏低，8 m/s以上的風速主要源自SW、WSW向。

8月，西南季風已經(jīng)盛行，SW風向、WSW風向占據(jù)絕對主導地位，頻率分別為40%、33%。該季節(jié)出現(xiàn)頻率最高的是8 m/s以上的風速，其次是6～8 m/s。10 m/s以上的強風出現(xiàn)頻率明顯高于其余季節(jié)，其中WSW向、SW向的10 m/s以上強風出現(xiàn)頻率分別為12%、6%。

11月，該海域已經(jīng)實現(xiàn)由夏季風向冬季風的轉(zhuǎn)變。出現(xiàn)頻率最高的是NE向（27%）、ENE向（26.5%）。出現(xiàn)頻率最高的風速是：6～8 m/s的NE風（11%）、6～8 m/s的ENE風（11%）、4～6 m/s的ENE風（8%）、6～8 m/s的NE風（7%）。8 m/s以上的風速頻率相對偏低，主要源自NE、NNE、ENE向。

圖1某島礁不同月份的風玫瑰圖

圖1 中可以清楚地看到各個季節(jié)的強風來向，為了論證工程人員設(shè)計的南北向跑道是否容易遭受側(cè)風的影響，將跑道示意疊加到風玫瑰圖上（見圖2）。顯然，2月的強風主要源自NNE向和NE向，與跑道走向存在較大夾角，意味著飛機在這個季節(jié)起降極易遭到側(cè)風的影響。同理，8月的強風主要源自SW、WSW向，與跑道走向也是存在明顯的大夾角，極易威脅飛機的起降。

這就表明：如果按照南北向的方案建造該跑道（如圖2的橘紅色長條），飛機在冬季和夏季起降都極易受到側(cè)風的嚴重威脅。如果以圖1作為科學依據(jù)，設(shè)計時本著最大限度減小側(cè)風威脅的原則，將跑道走向適當旋轉(zhuǎn)，保持與強風向大體一致（如圖2的淺綠色長條），雖會增加一些施工難度，但在建成之后能有效提升飛機起降效率和安全性。

3.2 6級以上大風、6級以上陣風頻率

大風尤其是較強的陣風對飛機起降有嚴重影響，利用近36 a逐6 h的ERA-interim風場資料、逐3 h的ERA-interim陣風資料，統(tǒng)計了該島礁的6級以上大風頻率（6級以上風速出現(xiàn)的時次在所有時次中所占的比例，這里的風速為平均風速）、6級以上陣風頻率（6級以上陣風出現(xiàn)的時次在所有時次中所占的比例）。將1979年1月的6級以上大風出現(xiàn)的時次除以該月的總時次（124個時次），得到該月的6級以上大風頻率，采用同樣的方法，得到多年平均狀態(tài)下的1—12月的6級以上大風頻率；同理，得到多年平均狀態(tài)下的1—12月的6級以上陣風頻率（見圖3）。

圖2 某島礁的跑道設(shè)計走向、強風的風向

從圖3可以明顯看出，6級以上大風頻率常年偏低，基本都在5%以內(nèi)，僅1月、7—8月、12月出現(xiàn)頻率相對偏高，但也只有5%～10%。較低的6級以上大風頻率表面上對飛機起降是樂觀的。但是，通過統(tǒng)計6級以上陣風頻率發(fā)現(xiàn)，該海域的6級以上陣風頻率遠大于6級以上大風頻率，全年有超過一半的時間（12月—翌年2月、6—9月）6級以上陣風頻率大于20%，在有的季節(jié)甚至達到50%以上。顯然，雖然該海域6級以上大風頻率偏低，但較高的6級以上陣風頻率依然會對飛機起降造成較大影響，這就更要求在跑道設(shè)計時注意規(guī)避側(cè)風的影響。

3.3 陣風系數(shù)

圖3 某島礁各月的6級以上大風、6級以上陣風出現(xiàn)的頻率

而在實際的氣象預報中，通常預報風速指的是平均風速。統(tǒng)計陣風系數(shù)（GI），有利于根據(jù)預報的平均風來防范陣風。GI定義為：在某一時刻，觀測到的最大陣風風速與相應10 min平均風速之比。利用1979年1月1日00：00時的最大陣風風速除以平均風速，得到該時刻的GI，采用同樣的方法，利用近36 a（1979—2014年）逐6 h的ERA-interim風場資料、逐3 h的ERA-interim陣風資料，計算得到該島礁近36 a逐6 h的GI（本文主要計算了當陣風風速大于6級時的GI，簡稱6級以上GI）?；诮?6 a逐6 h的6級以上GI，計算了各個月份的平均6級以上GI、最大6級以上GI、最小6級以上GI（見圖4）。

平均6級以上GI（見圖4a）：表現(xiàn)出一主峰、一次峰的月際變化特征。主峰出現(xiàn)在11月（1.42），次峰出現(xiàn)在7月（1.40）。1—6月，曲線走勢平緩，基本在1.38上下輕微波動。

圖4 某島礁各月6級以上陣風系數(shù)值

最大6級以上GI（見圖4b）：在1—11月曲線變化趨于平緩，在1.6～2.6之間波動，12月為波峰，且明顯高于其余月份，能夠達到5.1。

最小6級以上GI（見圖4c）：上半年（1—6月）的波動相對劇烈，在1.08～1.23之間，下半年則表現(xiàn)出遞減的走勢。波峰出現(xiàn)在4月（1.22），波谷出現(xiàn)在11月（1.00）。

4 結(jié)論與展望

本文利用來自ECMWF的ERA-interim風場資料，統(tǒng)計分析了島礁跑道建設(shè)需求下的風候特征，論證島礁跑道設(shè)計的合理性，得到結(jié)論：（1）2月和11月，該海域以NE、ENE風占主導，其中又以6～8 m/s的風速出現(xiàn)頻率最高；8 m/s以上的風速也主要源自這兩個方向。8月，SW、WSW風占主導；8 m/s以上和10 m/s以上的風速出現(xiàn)頻率明顯高于其余季節(jié)。5月的風速整體偏低；（2）該海域6級以上大風頻率常年偏低，但6級以上陣風頻率卻較高。全年有一半以上的時間6級以上陣風頻率大于20%，在有的季節(jié)甚至達到50%以上；（3）平均GI的主峰出現(xiàn)在11月（1.42），次峰出現(xiàn)在7月（1.40）。1—6月，曲線走勢平緩，基本在1.38上下輕微波動。最大GI在1—11月曲線變化趨于平緩，在1.6～2.6之間波動，12月高達5.1。最小GI在上半年波動劇烈，在1.08～1.23之間，下半年則表現(xiàn)出遞減的走勢。

綜上，該海域的強風主要源自NE-SW走向、ENE-WSW走向，加上較高的6級以上陣風頻率，如果依據(jù)地形將跑道設(shè)計為南北走向，在冬夏兩季將遭受嚴重的側(cè)風威脅。根據(jù)本文的統(tǒng)計結(jié)果，跑道設(shè)計為ENE-WSW走向?qū)⒏欣跍p小風對飛機起降的影響。

由于觀測資料極度稀缺，本文所用的ERA-interim資料的分辨率已是目前覆蓋大范圍海域的最高空間分辨率，但距離實際應用仍有較大差距。因此，在未來的“海上絲路”建設(shè)過程中，海洋氣象觀測資料的采集與整理就顯得尤為重要，積極在一系列重要的島礁附近布設(shè)觀測站，為海洋工程、“海上絲路”科學研究奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在風場資料方面，需要獲取不同高度的風速、風向數(shù)據(jù)，對湍流、強風向頻率、陣風頻率、陣風指數(shù)等展開更為精細的研究，為戰(zhàn)略支撐點建設(shè)提供更為精準的科技支撐、輔助決策。

跑道設(shè)計是一項復雜的系統(tǒng)性工作，本文僅分析了海表10 m的風場對跑道建設(shè)規(guī)劃的影響，除了近地面的風場分析，未來還需要系統(tǒng)性、精細化地分析不同高度的風速風向特征、島嶼地貌或未來建筑對平均風場的影響、跑道與港口的協(xié)調(diào)建設(shè)等，為跑道規(guī)劃提供更為貼近實際需求、更科學合理的方案。

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Wind climate analysis under the demand of reef runway construction

ZHENG Chong-wei1,2，GAO Cheng-zhi1，ZHANG Zhong3，KONG Jie3，WAN Yong4
（1.Dalian Naval Academy,Dalian 116018 China;2.College of Meteorology and Oceanography,People's Liberation Army University of Science and Technology,Nanjing 211101 China;3.Jiangsu International Sci Tech Cooperation Center,Nanjing 210041 China; 4.College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580 China）

In order to evaluate the rationality of reef runway construction,taking one reef of the Maritime Silk Road in the 21st century as the research object,based on the ERA-interim wind data from the ECMWF,the (strong)wind direction occurrence,occurrences of average wind speed greater than class 6 and gale wind speed greater than class 6,Gust Index(GI)are systematically analyzed,which provides an assistant Decision-Making and scientific reference for the island and reef construction of the South China Sea and strategic points construction of the 21st Century Maritime Silk Road.

reef runway;rationality;crosswind;strong wind direction occurrence;Gust Index

P732.1

A

1003-0239（2017）04-0052-06

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.04.006

2016-10-29；

2016-12-28。

高端科技創(chuàng)新智庫青年項目（DXB-ZKQN-2016-019）；山東省自然科學基金（ZR2016DL09）。

鄭崇偉（1983-），男，工程師，博士在讀，主要從事海戰(zhàn)場環(huán)境建設(shè)、物理海洋學及海洋能資源評估。E-mail：chinaoceanzcw@sina.cn