大理機(jī)場風(fēng)特征分析及對飛行的影響*

畢 波，趙建偉，楊 航

(云南機(jī)場集團(tuán)有限責(zé)任公司大理機(jī)場，云南 大理 671000)

1 引言

大理機(jī)場地處滇西北橫斷山脈最南端，金沙江與瀾滄江過渡地帶，洱海盆地南部，區(qū)域內(nèi)地形總勢西北高、東南低，全區(qū)山勢陡峭挺拔、河谷縱橫深切其間，海拔懸殊較大。主要受高原季風(fēng)氣候影響[1]，屬低緯高原季風(fēng)氣候區(qū)，氣候特點(diǎn)主要表現(xiàn)為四季不明顯、冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑，干涼同季、雨熱同季，干雨季分明。機(jī)場周圍四面環(huán)山，地形復(fù)雜，風(fēng)場多變，有很多學(xué)者對大理的風(fēng)場特征做了分析，并取得了一系列成果，楊澄等[2]對大理市大風(fēng)天氣特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)及分析，指出大理大風(fēng)日數(shù)存在明顯的年際變化和年代際變化，大理大風(fēng)具有明顯的日變化特征,楊澄等[3]還對青藏高原東南側(cè)冬季大風(fēng)進(jìn)行診斷分析，分析了大風(fēng)產(chǎn)生的天氣背景和原因。董保舉等[4]對大理邊界層風(fēng)垂直變化觀測進(jìn)行研究，表明大理上空100 m高度和1 000 m高度的主導(dǎo)風(fēng)向相反，500 m高度風(fēng)向由白天東南風(fēng)轉(zhuǎn)為夜間西南風(fēng)。針對大理機(jī)場的大風(fēng)天氣，趙建偉等[5]對大理機(jī)場一次晴空大風(fēng)天氣診斷分析，指出動量下傳是產(chǎn)生此次大風(fēng)的主要原因。近年來隨著大理機(jī)場航班量的不斷增加，航班受風(fēng)場的影響也在加劇，伴隨著機(jī)場周邊城市化進(jìn)程的加快和環(huán)境條件的改變，風(fēng)場變化也呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)[6]，而機(jī)場目前缺乏專業(yè)的風(fēng)場探測設(shè)備，擬通過統(tǒng)計(jì)分析歷年資料，分析出機(jī)場地面風(fēng)向風(fēng)速以及大風(fēng)天氣的變化特征，以期為以后預(yù)報(bào)提供參考，更好地保障飛行安全、正常。

2 資料選取及說明

文中選用了大理機(jī)場2013年1月—2017年12月5 a自動觀測系統(tǒng)中的10 m高度風(fēng)向和風(fēng)速整點(diǎn)數(shù)據(jù)做為地面風(fēng)分析，以及近3 a因天氣原因返航備降的航班數(shù)據(jù)，風(fēng)向分辨率為10°，風(fēng)速分辨率為1 m/s，平均風(fēng)速為10 min內(nèi)的風(fēng)速平均值，瞬時風(fēng)速為3 s內(nèi)的平均值，大風(fēng)是指瞬時風(fēng)速≥17 m/s的風(fēng)，文中所提到的時間均為世界協(xié)調(diào)時(UTC)，風(fēng)向VRB指的是當(dāng)風(fēng)速≤2 m/s時風(fēng)向變化大于60°且小于180°或當(dāng)風(fēng)速>2 m/s時，風(fēng)向變化大于180°。

大理機(jī)場位于25°39′01″N，100°19′07″E，處于洱海東南岸，東靠群山，西鄰洱海、蒼山，機(jī)場周圍四面環(huán)山，地形復(fù)雜，跑道方向?yàn)榇畔?68～348°，跑道長2 600 m，寬45 m，機(jī)場標(biāo)高2 155.4 m，主降方向是由北向南的17號跑道。

3 地面風(fēng)分析

3.1 地面風(fēng)向分析

表1 大理機(jī)場2013—2017年各月各風(fēng)向段(30°內(nèi))出現(xiàn)頻率Tab.1 Frequency of wind sections (within 30 degrees) at Dali airport from 2013 to 2017

如表1所示，風(fēng)向頻率82%集中在140～250°風(fēng)向夾角內(nèi)，其中風(fēng)向夾角140～160°最多，占全年風(fēng)向頻率41%，幾乎占到了一半，其次是200～220°和170～190°風(fēng)向段，均占16%，最少為350～10°風(fēng)向段，風(fēng)向頻率0%。從風(fēng)向頻率各月變化情況看，風(fēng)向隨季節(jié)的交替變化不大，靜風(fēng)在8月份出現(xiàn)頻率最大，7月次之，3月幾乎不出現(xiàn)靜風(fēng)；風(fēng)向VRB各月均會出現(xiàn)，且出現(xiàn)頻率在3%～13%之間，8月份出現(xiàn)頻率最大，7月次之，6月最少；140～160°風(fēng)向段在各月出現(xiàn)頻率均較大， 140～160°風(fēng)向段風(fēng)向頻率3月最少，占24%，從3—6月逐漸增大，6月達(dá)到54%，而9月—次年3月又逐漸減小，200～220°風(fēng)向段卻出現(xiàn)了相反的變化情況，也就是說，每年3—6月，風(fēng)向集中在110～190°夾角范圍內(nèi)，多為東南風(fēng)，從8月—次年2月，風(fēng)向逐漸增大，出現(xiàn)西南風(fēng)的頻率增大，但最大風(fēng)向角>250°的情況較少出現(xiàn)，2—7月，風(fēng)向變化情況正好相反，也就是說，大理機(jī)場全年盛行偏南風(fēng)，風(fēng)向角度會隨著季節(jié)有所變化，但變化的幅度并不大，可以說常年風(fēng)向穩(wěn)定，只有受到天氣過程或天氣系統(tǒng)影響時，風(fēng)向才變化較大，這樣的風(fēng)向?qū)︼w行有利。

圖1 大理機(jī)場2013—2017年盛行風(fēng)向的日變化Fig.1 Daily change of prevailing wind direction in Dali airport from 2013 to 2017

圖1為各時次的盛行風(fēng)向分布圖，可以看出大理機(jī)場盛行風(fēng)向隨時間變化情況，夜間到上午為東南風(fēng)，午間02—04UTC風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，到傍晚11—13UTC再轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，最大風(fēng)向角出現(xiàn)在午后07—09UTC之間，一天之內(nèi)盛行風(fēng)向均在150～220°夾角范圍內(nèi)變化，盛行風(fēng)向變化的變化范圍只有70°，而大理機(jī)場的主降跑道為17號，說明盛行風(fēng)向與機(jī)場跑道夾角較小，在20～50°之間，因此，正側(cè)風(fēng)分量小,頂風(fēng)分量大，能使離地速度和著陸速度減小，縮短滑跑距離，增大載重量，對飛機(jī)的起降比較有利。

3.2 地面風(fēng)速分析

圖2 大理機(jī)場2013—2017年各月平均風(fēng)速(單位：m/s)Fig.2 Average monthly wind speed of Dali airport from 2013 to 2017 (unit: m/s)

大理機(jī)場近5 a年平均風(fēng)速為5.4 m/s。從年際變化看，大理機(jī)場2013—2017年的年平均風(fēng)速呈先增大后減小的變化趨勢(圖略)，2013年平均風(fēng)速最小為5.0 m/s，2015年平均風(fēng)速最大為5.6 m/s，年平均風(fēng)速最大和最小相差0.6 m/s，整體上各年年平均風(fēng)速差異不大。從年變化看，各月平均風(fēng)速變化情況如圖2所示，平均風(fēng)速2月份最大，為6.8 m/s，3月次之，為6.4 m/s，8月份最小，為3.3 m/s，從2—8月呈現(xiàn)逐月遞減趨勢，而從8月—次年2月為遞增，無論是遞增還是遞減其間均無波動變化。12月—次年4月，平均風(fēng)速較大，均大于全年平均風(fēng)速5.4 m/s，這與11月以后中緯度西風(fēng)帶南移，青藏高原南部南支西風(fēng)氣流建立并逐漸加強(qiáng)有很大關(guān)系[3]，而7—10月平均風(fēng)速則相對較小。

圖3 大理機(jī)場2013—2017年平均風(fēng)速的日變化(單位：m/s)Fig.3 Diurnal variation of average wind speed in Dali airport from 2013 to 2017 (unit:m/s)

分析大理機(jī)場風(fēng)速日變化特征，從圖3大理機(jī)場2013—2017年各時次平均風(fēng)速可以看出，大理機(jī)場地面風(fēng)速隨時間變化具有較強(qiáng)的規(guī)律性，00UTC風(fēng)速最小，為4.5 m/s，午后風(fēng)速逐漸增大，特別是從05—07UTC風(fēng)速呈直線遞增，到08UTC最大，達(dá)到6.4 m/s，之后風(fēng)速再逐漸減小，夜間13—02UTC風(fēng)速平穩(wěn)，變化不大，平均風(fēng)速變差小于2 m/s，可見，大理機(jī)場地面風(fēng)速白天大于夜間，且白天變化大，夜間風(fēng)速穩(wěn)定。

圖4 大理機(jī)場2013—2017年各風(fēng)速段年平均出現(xiàn)頻率(單位：%)Fig.4 Annual average occurrence frequency of each wind speed section in Dali airport from 2013 to 2017 (unit: %)

圖4為大理機(jī)場2013—2017年各風(fēng)速段年平均出現(xiàn)頻率，靜風(fēng)出現(xiàn)頻率為2%，沒有包含在圖中，大理機(jī)場平均風(fēng)速多出現(xiàn)在9 m/s及以下，出現(xiàn)頻率為94%，其中4～6 m/s占50%，為最多，其次是7～9 m/s和1～3 m/s，分別占24%和18%，平均風(fēng)速≥10 m/s的占總出現(xiàn)頻率的6%，其中對航班起降影響較大的13～16 m/s最少，占1%。

分析大理機(jī)場風(fēng)向和風(fēng)速的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，風(fēng)向變化范圍與風(fēng)速呈現(xiàn)反比關(guān)系，當(dāng)風(fēng)速較大時風(fēng)向穩(wěn)定，風(fēng)速較小時，風(fēng)向變化相對較大，風(fēng)速<3 m/s時，常會出現(xiàn)風(fēng)向變化范圍>180°的情況。

風(fēng)速對大理機(jī)場的飛行有重要影響，根據(jù)《民用航空空中交通管理規(guī)則》規(guī)定，航空器通常應(yīng)當(dāng)逆風(fēng)起降，當(dāng)跑道長度、坡度和凈空條件允許，航空器也可以在順風(fēng)分量風(fēng)速不大于2.5 m/s時起降，當(dāng)使用干跑道時，側(cè)風(fēng)分量風(fēng)速不得大于10 m/s；當(dāng)使用濕跑道時，側(cè)風(fēng)分量風(fēng)速不得大于7.5 m/s；管制員不得安排航空器在濕跑道上順風(fēng)起降。因此，地面風(fēng)是管制員選擇跑道方向的一個重要指標(biāo)，如果風(fēng)速超過機(jī)場運(yùn)行風(fēng)速限制，機(jī)場將臨時關(guān)閉，飛機(jī)無法起降。

4 大風(fēng)特征分析

近3 a來，共有51個航班因本場大風(fēng)或由大風(fēng)引起的顛簸、低空風(fēng)切變而返航備降，極端最大瞬時風(fēng)速達(dá)到30 m/s，風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，出現(xiàn)在2016年4月15日。

圖5 大理機(jī)場2013—2017年各月大風(fēng)年變化(單位：d)Fig.5 Annual change of monthly wind in Dali airport from 2013 to 2017 (unit: day)

將一天內(nèi)出現(xiàn)一次或一次以上大風(fēng)定為一個大風(fēng)日，在年際變化方面，大理機(jī)場大風(fēng)日數(shù)的年際差異較大，大理機(jī)場大風(fēng)日數(shù)年平均為78.6 d，大風(fēng)日數(shù)2014年最多，為103 d，2013年最少為67 d，相差了36 d，其他年份2015年為79 d，2016年為68 d，2017年為76 d。圖5為大理機(jī)場2013—2017年各月累計(jì)大風(fēng)日數(shù)，由圖5可知，大理機(jī)場全年各月都有可能出現(xiàn)大風(fēng)天氣，但大風(fēng)日數(shù)各月出現(xiàn)情況差別較大，大風(fēng)主要出現(xiàn)在11、12月以及次年1—4月，其中2月份出現(xiàn)大風(fēng)日數(shù)最多，累計(jì)大風(fēng)日數(shù)為81 d，隨著季節(jié)變化，此時青藏高壓南移，副高東退，青藏高原南部南支西風(fēng)氣流建立并控制影響大理上空，在強(qiáng)勁的高空西風(fēng)氣流引導(dǎo)下地面風(fēng)速也隨之增大，加之大理特殊的地形影響，使氣流通過盆地入口時流速進(jìn)一步加大，大風(fēng)日數(shù)隨之增多[2]；每年7—10月份出現(xiàn)大風(fēng)日數(shù)較少，為1～2 d，而且出現(xiàn)時多為雷暴大風(fēng)，也就是當(dāng)積雨云過境時產(chǎn)生的地面短時大風(fēng)。圖中還可以發(fā)現(xiàn)，從10—12月大風(fēng)日數(shù)是一個快速增長過程，呈現(xiàn)直線上升，10月份累計(jì)大風(fēng)日數(shù)僅為1 d，而12月累計(jì)大風(fēng)日數(shù)達(dá)到67 d，從2—6月，大風(fēng)日數(shù)則是逐月減少，因此常常將每年的11月—次年4月稱為干季，這一時期多為晴好少云天氣，降水稀少，大風(fēng)日數(shù)多，在保障飛行安全方面，重點(diǎn)考慮地面大風(fēng)、顛簸、亂流和低空風(fēng)切變對飛行的影響。

圖6 大理機(jī)場2013—2017年大風(fēng)日變化(單位：次)Fig.6 Daily variation of strong wind in Dali airport from 2013 to 2017 (unit: time)

圖6為大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)日變化情況，可見一整天各時段都會出現(xiàn)大風(fēng)天氣，但各時段內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)是不一樣的，從早上20UTC至中午02UTC出現(xiàn)次數(shù)相對較少，其中最少出現(xiàn)在00—02UTC，03—07UTC大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)急劇增多，最多出現(xiàn)在08UTC，累計(jì)出現(xiàn)大風(fēng)次數(shù)達(dá)到89次，大風(fēng)主要出現(xiàn)在下午06—11UTC之間，11UTC后大風(fēng)開始減少，日落后大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)明顯減少?？梢姶罄頇C(jī)場大風(fēng)出現(xiàn)時間具有明顯的日變化特征，白天多于夜間，且起風(fēng)時間一般為中午03UTC以后。

圖7 大理機(jī)場2013—2017年大風(fēng)各風(fēng)向段出現(xiàn)頻率(單位：%)Fig.7 Occurrence frequency of wind sections in Dali airport from 2013 to 2017 (unit: %)

對大風(fēng)出現(xiàn)時各個時次的大風(fēng)風(fēng)向進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并將5 a各個風(fēng)向的風(fēng)向頻率繪以圖7，大風(fēng)風(fēng)向集中出現(xiàn)在180～250°，最多風(fēng)向?yàn)?20 °，風(fēng)向頻率達(dá)到32.8%，其次分別是230 °和210 °，風(fēng)向頻率分別占22.4%和14.7%，250°風(fēng)向出現(xiàn)頻率最少，占1.3%?？梢姶罄頇C(jī)場大風(fēng)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，這與700 hPa(約3 000 m)風(fēng)向是一致的，在大風(fēng)日數(shù)較多的干季，大理上空常受穩(wěn)定的西南風(fēng)氣流控制，這一時期700 hPa風(fēng)速較大，常常有低空急流存在，機(jī)場大風(fēng)的產(chǎn)生與西南低空急流有很大關(guān)系。

大風(fēng)是影響大理機(jī)場航班飛行保障的重要天氣之一，當(dāng)機(jī)場出現(xiàn)大風(fēng)時，機(jī)組往往申請改變飛行程序，從機(jī)場東面進(jìn)場，以便避開常規(guī)飛行程序上洱海上空“三轉(zhuǎn)彎點(diǎn)”附近的顛簸區(qū)域。另外，大風(fēng)還會產(chǎn)生很大的偏流，使操縱飛機(jī)發(fā)生困難，對下滑角的保持有較大影響，難以保持穩(wěn)定的飛行姿態(tài)。

5 風(fēng)對飛行的影響

風(fēng)與飛行的關(guān)系極為密切，飛機(jī)的起飛著陸、選擇飛行高度、領(lǐng)航以及計(jì)算飛機(jī)活動半徑和油料消耗等都必須考慮風(fēng)的影響，飛機(jī)起降時所能承受的最大風(fēng)速，取決于機(jī)型和風(fēng)與跑道的夾角，逆風(fēng)起降時所能承受的風(fēng)速最大，正側(cè)風(fēng)起降時所能承受的風(fēng)速最小，這是因?yàn)榻孛骘L(fēng)由于受地表的影響，風(fēng)場變化復(fù)雜，具有明顯的陣性，風(fēng)速越大，陣性越強(qiáng)，使飛機(jī)受到無規(guī)律的影響[7]。大氣的垂直運(yùn)動和亂流運(yùn)動會引起飛行高度變化和飛機(jī)顛簸，低空風(fēng)切變可嚴(yán)重危害飛行安全，還有飛機(jī)順風(fēng)起降，將增長滑跑距離，減少上升率和下滑率，當(dāng)風(fēng)速超過規(guī)定時，飛機(jī)有可能沖出跑道；飛機(jī)逆風(fēng)起降，將縮短滑跑距離，加大著陸下滑率和下滑角，風(fēng)速過大也可能使飛機(jī)提前接地；側(cè)風(fēng)對飛行也有影響，飛機(jī)會順著側(cè)風(fēng)方向移動，如不及時修正就會偏離跑道，側(cè)風(fēng)還會使地面飛機(jī)打地轉(zhuǎn)等[8]。風(fēng)對飛行安全的影響主要來自氣流造成飛機(jī)飛行狀態(tài)的改變，在飛機(jī)起降階段，飛機(jī)飛行速度較小，風(fēng)場的影響顯著[9]。

分析大理機(jī)場2015—2017年間由于天氣原因造成的航班返航備降情況可知，近3 a共有153架次因天氣原因返航備降，造成航班返航備降的天氣有強(qiáng)降水、雷暴、低云低能見度、大風(fēng)、顛簸、低空風(fēng)切變和順風(fēng)。從各種天氣的出現(xiàn)頻率來看，低云低能見度最多，占46.4%，大風(fēng)次之，占25.5%，其次是雷暴占12.4%，低空風(fēng)切變占5.9%，強(qiáng)降水占4.6%，順風(fēng)占3.3%，顛簸最少，占2.0%。從各種天氣造成航班返航備降的架次來看，低云低能見度71架次，大風(fēng)39架次，雷暴19架次，低空風(fēng)切變9架次，強(qiáng)降水7架次，順風(fēng)5架次和顛簸3架次。值得注意的是2017年雨季期間大理機(jī)場儀表著陸系統(tǒng)升級改造停用，飛機(jī)著陸所需的能見度和云底高度標(biāo)準(zhǔn)大幅提高，低云低能見度影響突出，2017年因低云低能見度返航備降的航班達(dá)44架次；從各種天氣出現(xiàn)時間來看，大風(fēng)、顛簸和低空風(fēng)切變均出現(xiàn)在每年的11月—次年的4月，也就是常說的干季，強(qiáng)降水、雷暴、低云低能見度和順風(fēng)主要出現(xiàn)在5—10月，這是因?yàn)楦杉局芯暥任黠L(fēng)帶南移，青藏高原南部南支西風(fēng)氣流建立并控制大理地區(qū)，多為晴好少云天氣，大風(fēng)日數(shù)多，在特殊地理地形影響下，大理地區(qū)存在著復(fù)雜的大氣湍流活動，地形性風(fēng)明顯，機(jī)場區(qū)域內(nèi)風(fēng)場復(fù)雜；而5—10月，西風(fēng)帶北移，受來自孟加拉灣的西南氣流和南海的東南氣流影響，水汽充沛，多雷暴、降水天氣，大理上空風(fēng)速減小，低云低能見度天氣伴隨降水過程出現(xiàn)[10]。因此，大理機(jī)場航班運(yùn)行受天氣影響的特征分明，干季受大風(fēng)、顛簸和低空風(fēng)切變影響，雨季受低云低能見度、雷暴、強(qiáng)降水和順風(fēng)影響，大理機(jī)場極少出現(xiàn)降雪、冰雹等極端天氣，受降雪、冰雹影響不明顯。

隨著大理機(jī)場航班量增加，風(fēng)對航班運(yùn)行的影響日益凸顯，2014年以前由于航班少，航空公司在做冬春季航班計(jì)劃時常把航班安排在上午，以避開下午的大風(fēng)時段，近年來，越來越多的航班被安排在下午，大風(fēng)、顛簸和低空風(fēng)切變對飛行的影響也越來越大。

6 小結(jié)

①大理機(jī)場全年盛行偏南風(fēng)，每年3—7月風(fēng)向多為東南風(fēng)， 8月—次年2月風(fēng)向逐漸增大，出現(xiàn)西南風(fēng)的頻率增大；風(fēng)向夜間到上午為東南風(fēng)，中午02—04UTC逐漸轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，到傍晚11—13UTC再轉(zhuǎn)回東南風(fēng)。

②大理機(jī)場年平均風(fēng)速為5.4 m/s，平均風(fēng)速2月最大，3月次之，8月最??；風(fēng)速在00UTC最小，午后逐漸增大，到08UTC達(dá)到最大，之后再逐漸減小；白天風(fēng)速大于夜間，夜間風(fēng)速穩(wěn)定。

③大理機(jī)場大風(fēng)天氣主要出現(xiàn)在干季，出現(xiàn)時間多集中在下午06—11UTC，白天多于夜間，起風(fēng)時間一般為中午03UTC以后，風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)。

④大理機(jī)場干季受大風(fēng)、顛簸和低空風(fēng)切變影響較大。