四川盆地低空飛行的氣象條件分析

袁 媛,何冬梅,張渝杰

(1.四川省氣象服務(wù)中心，成都 610072；2.中國民用航空飛行學(xué)院廣漢分院，廣漢 618307；3.四川省遂寧市氣象局，遂寧 629000 )

引言

近年來，隨著我國通用航空的快速發(fā)展，以及對低空空域的逐步開放，我國低空飛行包括訓(xùn)練飛行、醫(yī)療救援、航拍航攝、人工增雨等[1-5]活動的數(shù)量日益增加。通航飛行器在低層大氣中飛行，由于低空氣象條件十分復(fù)雜且變化多端，氣象要素的變化對低空飛行的安全性和高效性有著十分重要的影響，其中飛行穩(wěn)定性低、風(fēng)險(xiǎn)性高的問題比較突出，如2019年6月14日，青島昊海通航一架直升機(jī)在執(zhí)行農(nóng)林噴灑作業(yè)時，突遇低空風(fēng)切變，旋翼升力突然減小，飛機(jī)迅速下墜，造成飛機(jī)報(bào)廢、飛行員受傷。2018年6月16日，云南安寧一架醫(yī)療救援直升機(jī)由于山中有低云，能見度差，導(dǎo)致與山體相撞，造成3名人員死亡，航空器完全損毀。因此，從通航飛行的需求出發(fā)，研究低空氣要素的變化特征以及對通航飛行的影響，不僅有助于建立完善的低空飛行安全氣象保障服務(wù)，而且能夠有效地提高社會效益，具有一定的指導(dǎo)意義。

目前在我國，低空飛行的氣象研究和保障服務(wù)基本屬于空白，而如何有效、準(zhǔn)確地保障低空飛行安全，避免因惡劣氣象條件帶來的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失成為了一個重要的課題。申燕玲等[6]分析2012～2015年中國地區(qū)的PIREPs資料，發(fā)現(xiàn)顛簸在6000m以上的高空發(fā)生次數(shù)最多，高空急流、大風(fēng)以及風(fēng)切變是導(dǎo)致顛簸發(fā)生的主要原因。阿利曼等[7]根據(jù)中國區(qū)域航空器空中顛簸報(bào)告，研究了中國東部地區(qū)高空顛簸的時空分布特征以及與海溫異常的相關(guān)性。劉岳峰等[8]基于飛行品質(zhì)監(jiān)控大數(shù)據(jù)，對國內(nèi)各機(jī)場低空區(qū)域的顛簸進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)低空顛簸主要與地形起伏、氣溫日較差以及風(fēng)速相關(guān)性最高。遲竹萍等[9]統(tǒng)計(jì)分析了山東地區(qū)飛機(jī)積冰的有利環(huán)流形勢。龐朝云等[10]的研究指出，在甘肅中部地區(qū)，飛機(jī)積冰易發(fā)生在-11～0℃的溫度范圍內(nèi)，強(qiáng)積冰易發(fā)生在-8～-1℃的溫度范圍內(nèi)。胡迪[11]、邵振平[12]、慕熙昱等[13]通過統(tǒng)計(jì)得出霧是引起武漢天河機(jī)場、河南鄭州機(jī)場、南京祿口機(jī)場低能見度的主要原因。這些研究[14-20]大多數(shù)均是針對運(yùn)輸航空大型的航空器或者高空、某一特定的航危天氣進(jìn)行的分析，而針對通用航空小型飛行器以及低空飛行的氣象研究還不多見，特別是結(jié)合航空器特點(diǎn)，利用氣象條件分析的研究少之又少。

四川盆地是我國四大盆地之一，面積17×104km2，海拔300～700m，四周為海拔1000～4000m的山地所環(huán)抱。盆地底部龍泉山以西為川西平原區(qū)，以東地區(qū)為盆地丘陵地貌區(qū)(圖1)。本文主要利用2011～2018年的常規(guī)地面觀測資料、加密自動站資料以及探空資料，以四川盆地為研究對象，分析該地區(qū)3000m(700hPa)以下各氣象要素的時空分布特征，并結(jié)合通航飛行器的氣象標(biāo)準(zhǔn)分析了氣象條件對通航低空飛行的影響，旨在為低空區(qū)域通航飛行的氣象保障提供一定的理論依據(jù)。

1 資料與方法

使用的資料主要包括：1、四川省152個站點(diǎn)08時、14時、20時常規(guī)地面觀測資料，從該資料中提取出低云狀、低云量、低云高以及能見度；2、四川省152個站點(diǎn)逐小時加密觀測資料，從該資料中獲取地面風(fēng)的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度和露點(diǎn)溫度；3、四川省3個國家級探空站08時的探空資料，獲取700hPa以下的3個常規(guī)高度層的溫度、露點(diǎn)溫度、風(fēng)向、風(fēng)速，需要說明的是由于950hPa并不是常規(guī)觀測層，因此文中的950hPa是指950hPa以下的近地面高度層。所有資料的時間跨度為2010年12月1日～2018年11月30日，研究方法主要為概率統(tǒng)計(jì)。

此外，文中分析用到的通用航空器起飛、降落以及航線飛行的氣象標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)《中華人民共和國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》(MH/T4016.2-2007)中的《民用航空氣象第2部分：預(yù)報(bào)》以及《民用航空氣象第3部分：服務(wù)》。

2 風(fēng)的分析

2.1 四川盆地地面風(fēng)的時空特征

四川地區(qū)日平均風(fēng)速往往西高東低，四川盆地內(nèi)的平均風(fēng)速不超過5m/s(圖略)，這主要是由于盆地四周的大地形對大氣環(huán)流的阻擋作用，使盆地內(nèi)的大部分地區(qū)不易受冷空氣活動的影響，因此地面平均風(fēng)大部分時間低于5m/s，但當(dāng)有冷鋒、強(qiáng)熱低壓等天氣系統(tǒng)時，將會導(dǎo)致大風(fēng)出現(xiàn)。從四川盆地區(qū)域平均的10分鐘地面風(fēng)場的日變化來看(圖2)，盆地內(nèi)地面風(fēng)速表現(xiàn)出“一峰一谷”的日變化特征。夜間隨著近地面氣溫的降低，大氣層結(jié)更加穩(wěn)定，動量交換等減弱，因此夜間風(fēng)速小，最小風(fēng)速出現(xiàn)在日出前后06：00～07：00。白天，隨著近地層氣溫的逐漸升高，動量交換等活動加強(qiáng)，因此白天風(fēng)速大，最大風(fēng)速出現(xiàn)在湍流發(fā)展強(qiáng)盛的午后15:00～16：00。四川盆地春季地面風(fēng)速的日振幅為2.1m/s，其風(fēng)速的日變化在四個季節(jié)當(dāng)中最為顯著，因此一年之中春季以及一日之中下午是地面風(fēng)對通用航空飛行影響相對最大的。

順風(fēng)或者側(cè)風(fēng)過大，都不利于飛機(jī)的起飛和著陸，且飛機(jī)降落時如遇到側(cè)風(fēng)劇變會偏離跑道中線[21]，對通用航空飛行的安全造成嚴(yán)重影響。雖然研究表明[22]，地面風(fēng)場對通用航空器起飛和著陸的影響，取決于地面風(fēng)與機(jī)場跑道的夾角、順風(fēng)和側(cè)風(fēng)分量的大小、機(jī)型等，但一般來說，一架4人座的小型商務(wù)機(jī)地面風(fēng)起降標(biāo)準(zhǔn)通常在7.5m/s左右，而對于10～12人的中型通用商務(wù)飛機(jī)，地面風(fēng)的起降標(biāo)準(zhǔn)在12m/s左右。因此，圖3給出了各季節(jié)累年平均的地面風(fēng)在7.5m/s及以上的日數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖3中可以看出，四川盆地的7.5m/s以上的大風(fēng)春季、冬季多于夏季和秋季；盆地北部則以春季、冬季大風(fēng)最多，其余地區(qū)以夏季最多；秋、冬季節(jié)除盆北局部山區(qū)外，大部分地區(qū)大風(fēng)很少，特別是秋季，基本上無大風(fēng)出現(xiàn)。因此，秋季地面風(fēng)對通航飛行風(fēng)影響最小。

2.2 四川盆地不同高度層風(fēng)場的變化特征

當(dāng)風(fēng)向或者風(fēng)速在水平方向或者垂直方向發(fā)生劇烈變化時，氣流將會導(dǎo)致通用航空器的空速和飛行姿態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)一步導(dǎo)致沖出跑道、或者偏離預(yù)定航線以及墜地的危險(xiǎn)[23]。因此分別選取四川盆地溫江、達(dá)州、宜賓三個探空站代表盆地西北部、盆地東北部以及盆地南部區(qū)域，分析3000m(700hPa)以下不同高度層風(fēng)場的變化特征。

從圖4a中可以看出，以溫江站為代表的盆地西北地區(qū)08時地面風(fēng)的風(fēng)向以NNE風(fēng)為主，而在700～800m的925hPa到1400～1600m的850hPa層風(fēng)場均以NE風(fēng)為主，在3000m左右的700hPa層，盛行風(fēng)則主要以SW風(fēng)為主，這說明在850hPa與700hPa高度層之間常年存在著風(fēng)向的切變，這種切變會造成飛機(jī)顛簸。在近地面(圖5a)，小于2m/s風(fēng)速占全年的74.5%，其中靜風(fēng)頻率占44%；在925hPa高度層，以2～3m/s的風(fēng)速出現(xiàn)頻率最高，占全年的24.7%，而4m/s以下的風(fēng)速占據(jù)了全年的69.5%；在統(tǒng)計(jì)時段內(nèi)的850hPa高度層，風(fēng)速由靜風(fēng)到20m/s不等，但仍然以2～3m/s的風(fēng)速出現(xiàn)頻率(24.5%)最高；在700hPa，風(fēng)速的分布與850hPa以下的層次明顯不同，以3～4m/s的風(fēng)速出現(xiàn)頻率(24.5%)最高，而12m/s以上的強(qiáng)風(fēng)速出現(xiàn)頻率明顯增加。

在以達(dá)縣站為代表的盆地東北地區(qū)(圖4b，圖5b)，近地層的風(fēng)向以NNE風(fēng)為主，以1～2m/s的風(fēng)速段出現(xiàn)頻率最高(52.6%)；在925hPa高度層，風(fēng)向以E風(fēng)為主，以2～4m/s的風(fēng)速段出現(xiàn)頻率最高(39.4%)，其次ENE以及NE風(fēng)的出現(xiàn)頻率也相對較高；在850hPa高度層，風(fēng)向以SSE風(fēng)為主，以2～4m/s的風(fēng)速段出現(xiàn)頻率最高(33.4%)；在700hPa高度層，風(fēng)向以SW風(fēng)為主，以4～6m/s的風(fēng)速段出現(xiàn)頻率最高(23.4%)。通過分析以宜賓站為代表的盆南地區(qū)風(fēng)的垂直分布特征(圖4c，圖5c)可知，925hPa以下的高度風(fēng)向均以NW風(fēng)為主，在850hPa高度層以NNW為主，700hPa高度層則以SW風(fēng)為主；風(fēng)速在950hPa以1～2m/s風(fēng)速段出現(xiàn)頻率最高(35.9%)，而在925hPa～850hPa則以2～3m/s的風(fēng)速段出現(xiàn)頻率最高(分別為23.9%和21.1%)，在700hPa則以4～6m/s的風(fēng)速段出現(xiàn)頻率最高(25.14%)。

綜合來看，在 700hPa以下四川盆地西部的溫江站、盆地東北部的達(dá)縣站以及盆地南部的宜賓站均表現(xiàn)出風(fēng)速隨著高度的增加而增加，風(fēng)速的強(qiáng)度以及范圍也表現(xiàn)出明顯增強(qiáng)、增大的特征。而風(fēng)向在四川盆地北部表現(xiàn)出隨著高度明顯順轉(zhuǎn)，高、低層的盛行風(fēng)向明顯“反向”，在四川盆地南部風(fēng)向卻隨著高度表現(xiàn)出明顯逆轉(zhuǎn)的特征，這表明在四川盆地通用航空器從事低空飛行應(yīng)注意風(fēng)向切變，以及由切變引起的顛簸，當(dāng)有如強(qiáng)冷鋒這樣的天氣系統(tǒng)進(jìn)入四川盆地，低空風(fēng)切變往往會加強(qiáng)。

由于整個四川盆地在700hPa高度層均以SW風(fēng)為主，因此跨區(qū)域在此高度飛行時受到風(fēng)向變化的影響較小。在925～850hPa高度上從盆地西北地區(qū)飛行到盆地東北區(qū)域，或者在850hPa以下的高度由四川盆地北部飛行到南部地區(qū)由于盛行風(fēng)向出現(xiàn)明顯的變化，將會產(chǎn)生一定程度的顛簸，這種顛簸強(qiáng)度隨著天氣系統(tǒng)的出現(xiàn)將會明顯加強(qiáng)。而由于在各個高度層的風(fēng)速，溫江<宜賓<達(dá)州，因此從川西北、西南向盆地東北地區(qū)飛行時，因風(fēng)速的明顯增加將會在航路上遇到顛簸，這種顛簸受到冷鋒、低空急流等天氣系統(tǒng)將會加強(qiáng)。

3 溫度與相對濕度的分析

事實(shí)上，溫度這一氣象要素本身對通航飛行的安全并沒有直接影響，但當(dāng)溫度的變化達(dá)到一定條件時，將會對通用航空器的發(fā)動機(jī)、飛行速度、起飛重量、滑跑距離等指標(biāo)產(chǎn)生影響[24]。空中相對濕度較大不僅有利于低云的形成，而且通航飛機(jī)或者直升機(jī)長時間在相對濕度較大的地區(qū)飛行將會使得機(jī)載設(shè)備以及外部涂層受到一定的腐蝕，造成設(shè)備故障，從而影響飛行安全[25]。此外，一定范圍的相對濕度與適當(dāng)?shù)臏囟扰浜蠈⒂欣诘孛嫘纬傻湍芤姸?，以及在飛機(jī)的某些部位形成積冰，從而影響飛機(jī)的飛行性能[26]，研究表明[27]飛機(jī)機(jī)翼和尾翼前緣的積冰可使這兩個部位的氣動外形發(fā)生變化，導(dǎo)致其性能下降，嚴(yán)重者造成飛機(jī)墜毀等事故。

通過分析四川盆地3個探空站累年逐月平均的溫度垂直分布，其結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，三個探空站各高度層的溫度隨著時間逐漸增加， 7～8月溫度達(dá)到峰值后逐漸降低，各個高度層的最低溫度均出現(xiàn)在1月。在850hPa以下的高度，各個月份達(dá)縣站溫度最高，而在700hPa高度層則是宜賓站溫度最高。在近地層以及700hPa，溫江站的溫度相對最低，而在925hPa以及850hPa高度層則是達(dá)縣站的溫度相對最低，這主要是由于溫江站925hPa高度層以下存在著明顯的逆溫層造成，即925hPa高度層以下溫江站的溫度垂直變化率為正值(圖略)，且在4月該變化率達(dá)到峰值，為0.08℃/hPa，8月850～700hPa的溫度垂直變化率的絕對值達(dá)到最大(-0.066℃/hPa)。雖然位于盆地東北地區(qū)的達(dá)縣站沒有表現(xiàn)出明顯的逆溫層特征，但溫度垂直變化率逐月變化特征與溫江站基本一致。宜賓站在925hPa以下，1月溫度垂直變化率為-0.092℃/hPa，是一年之中溫度垂直變化最大的，而在925～850hPa，溫度垂直變化在3月達(dá)到最大值(-0.058℃/hPa)，在850～700hPa溫度垂直變化在8月達(dá)到最大(-0.061℃/hPa)。通航飛行器在以上月份進(jìn)行低空飛行活動穿越溫度垂直變化率大的區(qū)域時，應(yīng)注意由溫度劇烈變化帶來的影響。

從溫度露點(diǎn)差(圖7)來看，在950hPa高度層以下，三個站點(diǎn)的溫度露點(diǎn)差全年平均都在4℃以下，其中最低值均出現(xiàn)在每年的9月，表明該高度層盆地內(nèi)的相對濕度均比較大，其中相對濕度最大為溫江站，最小為達(dá)縣站。在925以及850hPa，宜賓站的溫度露點(diǎn)差最低，而溫江站最高。在700hPa，溫江的溫度露點(diǎn)差最低，達(dá)縣的溫度露點(diǎn)差最大。

王欽等[28]的研究表明，飛機(jī)積冰均發(fā)生在穿過溫度小于0℃的云中，出現(xiàn)中度積冰的溫度范圍在-2～-4℃，輕度積冰溫度范圍在0～-1℃，在這一溫度范圍內(nèi)，相對濕度越大越有利于積冰的產(chǎn)生，其中產(chǎn)生中度積冰時相對濕度均在90%以上。因此，盆地每年的冬季是通用航空器積冰的高發(fā)期。結(jié)合圖8可知，在950hPa以下西北地區(qū)的積冰發(fā)生概率最大，1月850hPa高度層飛行最容易產(chǎn)生中度積冰，特別是達(dá)縣站850hPa的溫度在0℃以下，且溫度露點(diǎn)差<4℃，空中的水汽飽和度較高。其次，是宜賓站溫度平均在0.24℃，溫度露點(diǎn)差為2.77℃。

4 低云的分布特征

當(dāng)機(jī)場上空或者在航線上低空飛行時，低云的高度越低，云量越多，將會給通航飛行器的目視飛行造成視程障礙，導(dǎo)致飛機(jī)對不準(zhǔn)跑道或者來不及避開低空障礙物，造成飛行事故。此外，冬季長時間在云中飛行，將會導(dǎo)致飛行表面發(fā)生積冰[29]。一年四季四川西部山區(qū)的低云量均高于東部盆地地區(qū)，而盆地四周的低云量均高于盆地中部，這說明低云量在一年四季變化不大，且主要受到地形的影響。但是，在龍泉山山脈東側(cè)的中江、金堂等地秋、冬季節(jié)低云量明顯高于春、夏季節(jié)。

從各個季節(jié)低云云底的平均高度來看(圖8)，除去川西高原地區(qū)，四川盆地仍然表現(xiàn)出四周低，中部高的特征，夏季低云的底部高度最低，大部分地區(qū)在1600～1800m左右。冬季低云底部高度最高，在2000～2200m左右，盆地東部地區(qū)在2200m以上。春季和秋季的分布特征較為一致，大部分盆地地區(qū)在1800～2000m左右。通過對云底高度低于450m的低云進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖9陰影)，發(fā)現(xiàn)該高度的低云在四川盆地范圍秋季出現(xiàn)頻率最高，其次為冬季，春季頻率最低。在四川盆地東部地區(qū)出現(xiàn)頻率高于盆地西部地區(qū)。這說明，低空飛行冬季盆地中部地區(qū)低云的影響對通航飛行影響最小，夏季影響較大。

5 結(jié)論

通過對2011～2018年四川盆地低空(3000m以下)飛行的氣象條件，包括不同高度層風(fēng)場、溫度、低云等氣象要素的時空分布特征進(jìn)行詳細(xì)分析，并結(jié)合民航相關(guān)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)了這些氣象要素對通用航空飛行器的影響，得到如下結(jié)論：

(1)一年之中春季以及一日之中下午是地面風(fēng)對通用航空飛行影響相對最大的，秋季地面風(fēng)對通航飛行影響是最小的。這主要是因?yàn)樗拇ㄅ璧氐孛骘L(fēng)的日變化特征為“一峰一谷”的特征，且春季地面風(fēng)的平均風(fēng)速以及日振幅最大。

(2)低空風(fēng)場分析表明，在 700hPa以下整個四川盆地均表現(xiàn)出風(fēng)速隨著高度的增加而增加，風(fēng)速的強(qiáng)度以及范圍也表現(xiàn)出明顯增強(qiáng)、增大的特征。風(fēng)向在四川盆地北部表現(xiàn)出隨著高度明顯順轉(zhuǎn)，在四川盆地南部逆轉(zhuǎn)的特征。其中盆地北部高、低層的盛行風(fēng)向明顯“反向”，這表明在四川盆地通用航空器從事低空飛行應(yīng)注意低空風(fēng)向的水平以及垂直切變。但由于整個四川盆地在700hPa高度層均以SW風(fēng)為主，因此在此高度飛行時受到風(fēng)向水平變化的影響較小。在各個高度層的風(fēng)速，溫江<宜賓<達(dá)州，因此從川西北、西南向盆地東北地區(qū)飛行時，因風(fēng)速的明顯增加將會在航路上遇到顛簸，這種顛簸受到冷鋒、低空急流等天氣系統(tǒng)將會加強(qiáng)。

(3)在950hPa以下盆地西北地區(qū)的積冰發(fā)生概率最大，1月850hPa高度層飛行最容易產(chǎn)生中度積冰，特別是達(dá)縣站850hPa的溫度在0℃以下，且溫度露點(diǎn)差<4℃，空中的水汽飽和度較高。其次，是宜賓站溫度平均在0.24℃，溫度露點(diǎn)差為2.77℃。

(4)對低云的分析表明，盆地四周5個量以上的低云出現(xiàn)頻率明顯高于盆地中部，這種分布特征一年四季變化不大，除了在龍泉山山脈東側(cè)的中江、金堂等地秋、冬季節(jié)低云量明顯高于春、夏季節(jié)。此外，冬季盆地中部地區(qū)云底高度低于450m的低云最少，盆地中部低云對通航飛行影響最小。